專利名稱：具有用于執(zhí)行對風力渦輪發(fā)電機的預測控制的控制方法和控制器的風力渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風力渦輪機，更具體地涉及利用用于執(zhí)行對風力渦輪機的發(fā)電機的預測控制的控制方法和/或控制器的風力渦輪機。
背景技術(shù)：
圖I例示了風力渦輪機1，其包括風力渦輪機塔架2，在該塔架2上安裝了風力渦輪機機艙3。風力渦輪機轉(zhuǎn)子4包括至少一個安裝在輪轂上的風力渦輪機葉片5。輪轂6通過從機艙前面延伸的低速軸(未示出)連接到機艙3。圖I中所例示的風力渦輪機可以是打算供家庭使用或輕型設(shè)施使用的小型號，或者例如可以是大型號，例如適用于風電場上大規(guī)模發(fā)電的那些型號。在后一種情況下，轉(zhuǎn)子的直徑可以大到100米或更大。當為給定工作地點選擇風力渦輪機時，要考慮到現(xiàn)場的特性，該現(xiàn)場的特性例如是現(xiàn)場地形的復雜性和平均風力狀況。選擇的渦輪機能夠在盡可能多的時間內(nèi)理想地工作在額定功率。不過，在實踐中，風速是可變的，并且渦輪機必須能夠應(yīng)對各種各樣的風速。在較低風速下，功率輸出或者為零(如果存在可以忽略的風)或者低于額定功率。一旦風速增加到額定功率所需的以上，渦輪機將保護自身免受損傷，例如，通過改變?nèi)~片的槳距(pitch)以減小從風力提取的功率(power)。在極端情況下，渦輪機可以關(guān)閉或偏轉(zhuǎn)到風外，以防止災難性損傷。在調(diào)節(jié)槳距角以補償風力渦輪機處測量的風速變化時，在瞬時風速檢測的檢測與使葉片達到正確槳距位置之間存在不可避免的時間延遲。因此，已知基于利用LIDAR設(shè)備測量的未來預期的風速來控制風力渦輪機的槳距。
例如，從Lading等人的US6320272知道了使用LIDAR來控制風力渦輪機工作，其教導了使用激光風速測量系統(tǒng)，例如機艙上安裝的LIDAR(Light Detection and Ranging 激光雷達)裝置。LIDAR通過在風力渦輪機前方發(fā)射激光束來工作，以測量風力渦輪機前方一定距離處的狀況。該距離通常被布置為距渦輪機介于0. 5倍轉(zhuǎn)子直徑和3倍轉(zhuǎn)子直徑之間，因此對于大型現(xiàn)代風力渦輪機而言該距離大約是50m到300m。LIDAR以已知方式工作，通過檢測空氣分子或者通過檢測空氣流中夾帶的粒子并且從這些測量計算關(guān)于空氣流的信息。該信息可以包括風速和風向以及垂直和水平方向上的風切變，雖然能夠計算的參數(shù)將取決于所用LIDAR的復雜性。然后能夠在風速變化之前調(diào)節(jié)槳距角，因此能夠使風力渦輪機的工作更有效率。然而，基于風力的未來值的測量結(jié)果調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片槳距可能導致其他操作困難，例如如何針對風力渦輪發(fā)電機實時執(zhí)行基于那些變量的控制。就此而言，我們認識到需要 一種改進的控制技術(shù)。此外，如果不適當?shù)貓?zhí)行控制，對風力渦輪機進行實時控制以調(diào)節(jié)機械或電氣控制參數(shù)可能導致控制致動器系統(tǒng)上增大的磨損。我們還認識到，可以使用基于未來參數(shù)預測值的對風力渦輪機的控制來提供更可靠和響應(yīng)更靈敏的控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
在優(yōu)選方面中，本發(fā)明提供了一種風力渦輪機，包括一個或多個轉(zhuǎn)子葉片；槳距致動器系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)該一個或多個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距角；發(fā)電機；風傳感器，其用于檢測在該一個或多個轉(zhuǎn)子葉片前方預定距離的至少一個位置處的進入風速；以及耦合到該風傳感器的控制器，其用于提供風力渦輪機的輸出控制信號，其中該控制器被布置成a)接收來自風傳感器的值，該值表示所述風力渦輪機前方預定距離處的進入風速；b)產(chǎn)生在未來時間段的進入風速的時間序列表不；c)假定在未來時間段的輸出控制信號的值的時間序列；d)基于使成本函數(shù)最小化來優(yōu)化輸出控制信號的值的時間序列，其中該成本函數(shù)包括定義風力渦輪機的工作的方面的項；以及e)基于步驟d)中優(yōu)化的值的時間序列來將控制信號輸出。成本函數(shù)和控制信號的優(yōu)化提供的控制過程允許有效率地并且平滑地控制風力渦輪機，減少操作磨損并且延長電氣 部件和機械部件的壽命。在一個實施例中，該輸出控制信號是輸出到槳距致動系統(tǒng)的葉片槳距基準信號。在另一實施例中，輸出控制信號可以唯一地包括或還包括輸出到發(fā)電機的發(fā)電機功率基準。有利地，該成本函數(shù)包含表示所需要的發(fā)電機速度的時間序列表示與預測的發(fā)電機速度的未來時間序列表示之間的差異的項。因此，能夠?qū)l(fā)電機的工作映射到未來，并能夠在延長的時間段內(nèi)對控制進行管理，而無需突然反應(yīng)的控制步驟?？梢曰谖磥頃r間段的進入風速的時間序列表示和控制信號的時間序列值來計算預測的發(fā)電機速度的時間序列表示。有利地，該成本函數(shù)包含表示控制信號的值被允許改變的程度的項。因此，可以使控制信號的變化最小化，實現(xiàn)系統(tǒng)的更平滑控制。在一個實施例中，該控制器被布置為接收基于風力渦輪機處的測量的風速的、用于控制信號的一個或多個最優(yōu)基準值。有利地，該成本函數(shù)包含表示經(jīng)一次優(yōu)化的輸出控制信號的值的時間序列被允許與呈穩(wěn)態(tài)(steady state)風速的最優(yōu)值不同的程度的項。這確保了能夠?qū)L力渦輪機的工作維持在最優(yōu)值的需要容限之內(nèi)，然而在跟蹤方面還具有靈活度。優(yōu)選地，該風傳感器是多普勒風速計。還提供了對應(yīng)的方法、裝置和計算機程序。


現(xiàn)在將僅通過示例的方式并且參考附圖描述本發(fā)明的實施例，在附圖中圖I是水平軸風力渦輪機的正視圖；圖2是圖I的風力渦輪機的示意性側(cè)視圖，示出了機艙中安置的部件；圖3是圖2所示的風力渦輪機主控制器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明第一示例的風力渦輪機主控制器的示意圖；圖5是用于風力渦輪發(fā)電機的預測控制系統(tǒng)的示意圖；圖6是預測控制模型的示意圖；圖7示出了控制系統(tǒng)中使用的用于控制參數(shù)的多個時間序列曲線圖；以及圖8是例示了控制方法的示例的流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明總體涉及一種用于執(zhí)行對風力渦輪發(fā)電機的預測控制的方法和裝置。已知向風力渦輪機提供控制信號以便基于測量的瞬時風速來控制風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距和發(fā)電機速度。然而，由于關(guān)聯(lián)的機電系統(tǒng)的有限的響應(yīng)速度，以及控制系統(tǒng)輸入的不斷改變，使用瞬時風速測量來實現(xiàn)平滑控制是困難的。這里描述的預測控制系統(tǒng)采用基于前饋回路中輸出到風力渦輪機的進入風速v(t)的值和控制信號u(t)的值的發(fā)電機速度的模型。在此，針對一種或多種控制，控制信號可以是發(fā)電機的功率設(shè)定或轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。預測控制器使用V(t)和u(t)的值的滾動時間序列，并且基于發(fā)電機速度w(t)的預測響應(yīng)來優(yōu)化時間序列控制信號U⑴。這可以跨越在長度和時間上對應(yīng)于v(t)的整個時間序列u(t)完成。然而，在實踐中，優(yōu)選僅針對一些值將U (t)優(yōu)化到未來，從而能夠更迅速地完成優(yōu)化。假設(shè)30個用于V的值的時間序列，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化達到五個U的值就在實踐中可行。發(fā)電機速度w(t)的預測響應(yīng)是基于模型的，可以隨著風力渦輪機的工作實時改進該模型?，F(xiàn)在應(yīng)當參考圖2，圖2是示出了位于圖I所示的風力渦輪機的機艙3內(nèi)部的部件的示意圖。轉(zhuǎn)子輪轂6在機艙3前面連接到容納于齒輪箱8中的主驅(qū)動軸7。齒輪箱8又連接到軸9，軸9鏈接到發(fā)電機10。發(fā)電機10提供電輸出，該電輸出被傳送到電氣頻率變換器11，并且隨后被傳送到用于連接到電網(wǎng)或本地電力機構(gòu)13的輸出12。渦輪機I具有主控制器14，主控制器14連接到傳感器設(shè)備15，傳感器設(shè)備15例如是風速計或LIDAR。安置在風力渦輪機機艙3上的風速計可以用于測量風力渦輪機處的瞬時風速。另一方面，可以使用LIDAR裝置測量風力渦輪機處的風速，或更典型地，在來風路徑上風力渦輪機前方一定距離的風速。就此而言，可以將LIDAR視為測量風力渦輪機處遇到的未來風速。在連接到風電場或電網(wǎng)的風力渦輪機的情況下，主控制器通常還連接到監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)16。利用網(wǎng)絡(luò)16，主控制器14能夠接收對其控制信息和工作設(shè)定點的更新，以及下載用于監(jiān)測目的和故障檢測的工作狀態(tài)報告。主控制器提供輸出到槳距致動器裝置17的獨立的槳距基準以及輸出到功率控制裝置18的功率基準。這些是基于主控制器中的內(nèi)部控制算法以及從傳感器15和網(wǎng)絡(luò)16接收的信息來計算的。槳距基準值是要求轉(zhuǎn)子葉片相對于進入的風做出的角度，并且調(diào)節(jié)該值以反映進入風速的變化。葉片的槳距角影響旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片的葉尖速度，槳距致動器裝置17的任務(wù)是根據(jù)從控制器接收的槳距角不斷控制葉片。不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的槳距角確保了由風力渦輪機產(chǎn)生最優(yōu)功率，或者在風速過高時能夠使風力渦輪機減載運行以進入安全模式。功率控制器18從風力渦輪機的輸出12接收輸入信號并且從主控制器14接收功率基準。在同步發(fā)電機中，功率控制器18的任務(wù)是確保發(fā)動機輸出的交流頻率在用于饋送到電網(wǎng)的期望范圍之內(nèi)。功率控制器18向電氣變換器提供輸出，電氣變換器通過調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)子電路中轉(zhuǎn)子電流的頻率，來允許發(fā)電機轉(zhuǎn)子的速度被改變。在此，通常將發(fā)電機速度理解為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的速度。功率控制器根據(jù)電網(wǎng)頻率來調(diào)節(jié)功率基準。盡管風力渦輪機的功率通常直接與風速相關(guān)，但該功率也可以被從主控制器14傳送的外部功率基準有意地降低。當功率被外部功率基準降低時，渦輪機被稱為減載運行(derated)。 圖3更詳細地例示了主控制器。通常地說，主控制器的任務(wù)是監(jiān)督風力渦輪機的工作并且隨時確保產(chǎn)生的能量最大，同時限制工作噪聲和裝置經(jīng)受的機械負荷。主控制器14包括部分負荷控制器21和滿負荷控制器22。這些工作于各自的功率工況(powerregime)以提供適當?shù)臉嗪凸β驶鶞瘦敵觯撨m當?shù)臉嗪凸β驶鶞瘦敵龈鶕?jù)需要使產(chǎn)生的功率最大化或使風力渦輪機減載運行。切換邏輯23確定風力渦輪機當前工作于這兩種工況中的哪種并且在適當?shù)目刂破髦星袚Q。當風速對于風力渦輪機來說不足以產(chǎn)生足夠的功率以滿足所需要的預設(shè)的功率值時，部分負荷控制器21工作。在該工況中，將風力渦輪機葉片的槳距設(shè)定在最優(yōu)角度以從風力中提取盡可能多的能量，同時滿足任何給定的噪聲約束或其他操作要求。因此部分負荷控制器的首要輸 出控制參數(shù)是功率基準，通過功率基準可以控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。通?？梢詫⒉糠重摵刹僮鞣殖扇齻€范圍a)在低速限度(vm彡V彡vl)下的操作,其中以rpm為單位的發(fā)電機速度(w)被保持在最低可能值。在此，Von是渦輪機能夠工作的最低風速，并且Vl是第一閾值；b)在效率最優(yōu)條件下的操作(vl〈v彡v2),其中將轉(zhuǎn)子的rpm控制為與風速成比例，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的最大空氣動力學效率。在該工況中，將槳距角保持為基本恒定。c)在標稱rpm下的操作(v2 vrtd)，其中如果風速高于v2，則渦輪機在其額定發(fā)電機rpm下操作。然而,在實踐中,在紊流的影響下，rpm將在固定設(shè)定點附近動態(tài)波動。一旦風力渦輪機的功率輸出上升到等于由主控制器14設(shè)定的功率需求，就由切換邏輯23自動激活滿負荷控制器22。在滿負荷控制中，控制器22調(diào)節(jié)風力渦輪機葉片5的槳距角以確保風力渦輪機的功率輸出保持在預設(shè)值。因此發(fā)電機的rpm (w)實質(zhì)是由用于控制風力渦輪機葉片5的槳距基準輸出控制的。如果風過強，則調(diào)節(jié)渦輪機葉片的槳距角，從而它們被傾斜到風外。此外，在滿負荷控制中，如果風速下降到預設(shè)值以下，使得槳距角被調(diào)節(jié)到接近最優(yōu)槳距角的值，則去激活滿負荷控制器，并且部分負荷控制器接管控制。如果風速介于額定風速和界限風速之間，通常渦輪機將處于以渦輪機輸出功率等于所要求的功率為特征的滿負荷狀態(tài)。然而，在紊流的影響下，也可能發(fā)生這樣的情況盡管風速高于額定值，但控制系統(tǒng)偶爾變成部分負荷。部分負荷控制器21和滿負荷控制器22接收最優(yōu)的發(fā)電機速度(w) rpm設(shè)定點和最優(yōu)槳距設(shè)定點，作為來自初始模塊24和初始模塊25的控制信號輸入，該初始模塊24和初始模塊25針對給定風速規(guī)定了最優(yōu)的發(fā)電機速度(w)rpm設(shè)定點和最優(yōu)槳距設(shè)定點。這些模塊直接從風傳感器(例如LIDAR設(shè)備或風速計)接收風速輸出并且使用這一值查找最優(yōu)值u0。將發(fā)電機速度的最優(yōu)值傳送給部分負荷控制器21并且形成功率基準的基礎(chǔ)。將槳距控制的最優(yōu)值傳送到滿負荷控制器22并且形成槳距基準的基礎(chǔ)。在本申請人生產(chǎn)的風力渦輪機中，初始控制器24和初始控制器25分別稱為OptiSpeed和OptiTip。在風力渦輪機控制系統(tǒng)中，可以想象這樣的情形其中不執(zhí)行預測控制，并且基于u和V的瞬時值或時間t=0時u和V的值以及當前發(fā)電機速度w和所需求的速度Wd6mand之間的差異e，來簡單控制發(fā)電機速度。瞬時控制的缺點是由于系統(tǒng)機械和電氣部件的響應(yīng)中不可避免的物理延遲以及在現(xiàn)實系統(tǒng)中跟蹤變量的困難(其中必須要針對系統(tǒng)和其他因素調(diào)節(jié)響應(yīng)的靈敏度)，所以它不允許對發(fā)電機進行最優(yōu)控制。例如，在穩(wěn)態(tài)風速V和滿負荷控制下，低于所需求的值Wdeniand的w值將表示槳距角Upitah應(yīng)當被增大，以允許從進入的風中提取更多能量。然而，由于風速罕有處于穩(wěn)態(tài)，槳距角Upitdl也將取決于風速V，而不是僅僅取決于差異值e。在該情況下，隨著風速V的改變，可能突然發(fā)現(xiàn)所表示的槳距角Upitdl不合適，或者在風速在發(fā)生于其間的時間段內(nèi)已經(jīng)增加時過補償，或者在風速隨后已經(jīng)減弱時欠補償。在下一個時間間隔中，結(jié)果可能是進一步的過補償，經(jīng)常在相反的方向上，這導致控制的振蕩，導致被稱為振鈴(ringing)的現(xiàn)象。然后可以看出，如果控制器對v和w的狀況變化的響應(yīng)過于靈敏，則結(jié)果可以是對輸入?yún)?shù)u的突然或劇烈調(diào)節(jié)，該突然或劇烈調(diào)節(jié)對感知到的w失配進行過補償。在下一時間間隔中，現(xiàn)在由控制器提出的隨后調(diào)節(jié)必須要同時應(yīng)對《和￥的狀況以及來自先前步驟的過補償兩者。另一方面，如果控制器不夠靈敏，那么控制器對參數(shù)w和V的迅速變化的響應(yīng)可能不足夠大以確?？刂朴行?。因此我們已認識到需要一種預測控制系統(tǒng)。

盡管預測控制系統(tǒng)是已知的，但這些系統(tǒng)就下列的意義上說通常是離線(off-line)的即它們基于LIDAR或風速計設(shè)備進行的風速瞬時測量生成逆?zhèn)鬟f控制函數(shù)(inverse transfer control function)。我們已經(jīng)認識到，這樣的系統(tǒng)是次佳的，因為風力渦輪機控制系統(tǒng)的響應(yīng)將隨著時間變化，例如因為致動器磨損或由于諸如空氣密度之類的大氣狀況的變化，并且作為結(jié)果，所計算的控制函數(shù)將不再如預期那樣精密地適用?，F(xiàn)在將參考圖4，圖4示意性例示了根據(jù)本發(fā)明的示例的主控制器14。在本示例中，風力渦輪機連接到傳感器15。傳感器15包括被布置為檢測風力渦輪機前方的進入風速的LIDAR系統(tǒng)26，以及可選的用于檢測風力渦輪機處的瞬時風速的風傳感器或風速計。例如，可以將LIDAR布置為檢測距風力渦輪機大約30m處的風速。在10m/S的平均風速下，這為風速測量提供了大約3s的未來時間窗。參考圖1，LIDAR 26可以安裝在機艙3的上表面上、在塔架上、在機艙的下側(cè)上、在轉(zhuǎn)子輪轂6中或甚至在葉片5中。在后者情況下，可以在每個葉片中安裝獨立的LIDAR 26，或者僅在一個或兩個葉片中安裝單個LIDAR。在一個示例中，LIDAR可以是一個或多個簡單的凝視型單元，其向渦輪機上游傳送單個射束，并且可以包括其自己的物理上獨立的供電線路，該供電線路連接到渦輪機內(nèi)的不同電源。此外，LIDAR26可以測量上游單個位置處的或在多個距離門(range gate)處的多個點處的上游狀況。主控制器14還包括預測控制器27，預測控制器27直接從LIDAR 26，并且以類似于圖3的方式，直接從一個或多個初始控制器24和25接收輸入，該初始控制器24和25設(shè)定用于檢測到的穩(wěn)態(tài)風速設(shè)定的最優(yōu)瞬時功率基準和槳距基準。如圖4所示，預測控制器27能夠結(jié)合部分負荷控制器21或滿負荷控制器22中的任一個工作，并且在這幅圖中，為了清晰起見，其被示為每個控制器的功能部件。在實踐中，預測控制器能夠取代滿負荷控制器，因為它執(zhí)行基本相同的任務(wù)。提供滿負荷控制的預測控制器27從初始控制器24和25兩者接收輸入，而結(jié)合部分負荷控制器21實施的預測控制27僅需要從初始控制器24接收輸入。圖5中示出了預測控制器27的功能圖，現(xiàn)在應(yīng)當參考圖5。在這幅圖中，省略了預測控制器27與主控制器14中的其他控制功能(例如部分負荷控制器21和滿負荷控制器22)之間交互的細節(jié)，以免使該圖不清楚。如上所述，圖5中所例示的預測控制器27的操作能夠在任何情況下執(zhí)行滿負荷控制而無需獨立的控制器22。
預測控制器27從LIDAR裝置26接收風速v的輸入，并且從初始控制器24和25接收取決于風的最優(yōu)設(shè)定點IKTra和UOpiteh的輸入。像上文描述的滿負荷控制器和部分負荷控制器那樣，預測控制器27的目的是向風力渦輪機輸出槳距Upitdl和功率W控制信號以實現(xiàn)最優(yōu)控制。在這幅圖中，總體上由附圖標記30表示風力渦輪機。然而，至少在如下方面預測控制器27與部分負荷控制器21和滿負荷控制器22不同并非計算即時應(yīng)用于風力渦輪機系統(tǒng)的瞬時控制值，而是其基于來自LIDAR 26的未來風速信息以及對發(fā)電機在未來的預期性能的任何了解來計算未來控制值的時間序列。盡管出于控制的目的僅輸出時間序列中的即時值(即t=0時的參數(shù)的值)，但產(chǎn)生未來時間序列提供了若干優(yōu)點，也就是反饋功能，該反饋功能允許對渦輪機的控制變得最優(yōu)以對控制的響應(yīng)速度與激活致動器系統(tǒng)的成本進行平衡。這樣的成本可能是致動器功耗，致動器和渦輪機部件上的磨損。將認識到，LIDAR裝置提供風力渦輪機前方的并且在進入風的路徑中的位置處的風速作為輸出。知道了 LIDAR的量程和風速，允許將風速的輸出值與未來的時間相關(guān)聯(lián)，該未來的時間是當LIDAR測量位置處的風到達風力渦輪機并且撞擊轉(zhuǎn)子葉片的時候。因此可以將LIDAR輸出的V值表示為時間序列V⑴，其中為每個風速值被分配時間標簽，該時間標簽表示其在時間上與當前時間由風力渦輪機經(jīng)歷的風值的分離。類似地，可以針對控制 參數(shù)U，并且針對預測的w或需要的Wdemand發(fā)電機速度，并且由于風力渦輪機系統(tǒng)是動態(tài)的，在一定程度上針對控制需要的所有變量，產(chǎn)生時間序列。在此在需要強調(diào)的地方使用符號X (t)，但否則在方便的時候不用。此外，由于數(shù)字或計算機化系統(tǒng)中的值的時間序列實質(zhì)上由離散值的數(shù)組表示，所以也可以由符號x(i)指示該時間序列。因此使用i符號來強調(diào)時間序列中的個體值而不是個體時間。在一個示例中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有0. Is的采樣速度的大約3秒的時間序列的長度(對應(yīng)于30個離散樣本)是足夠的。預測控制器27的工作是基于將輸入和輸出參數(shù)及它們的關(guān)系映射到另一個的內(nèi)在模型31。在圖6中示意性地例示了該示例中使用的模型，下文將更詳細地描述該模型。然而，這里充分注意的是，該模型假設(shè)發(fā)電機速度w是兩個輸入的函數(shù)，該兩個輸入是風速V和控制參數(shù)U，即Upitoh和/或upmra。然后由預測控制器根據(jù)模型31基于未來控制參數(shù)的成本函數(shù)分析來執(zhí)行控制信號的最優(yōu)未來時間序列的產(chǎn)生。在一個實施例中，預測控制器27包括自適應(yīng)訓練和控制塊32，該自適應(yīng)訓練和控制塊32用于基于計算的和實際的控制參數(shù)與預期風力渦輪機響應(yīng)之間的誤差來更新模型31。減法器33接收一個或多個功率輸出和發(fā)電機速度w作為來自風力渦輪機的輸出。將這些值與預測的發(fā)電機速度翁進行比較或相減，并且將這些值反饋到隨后更新模型31的自適應(yīng)訓練和控制塊32。稍后將更詳細地解釋這一過程。為了確保瞬時發(fā)電機速度w與請求的發(fā)電機速度wd_d匹配，預測控制器27調(diào)節(jié)輸入控制參數(shù)Upiteh和/或Upmra。如上所述，這些值將是在每個時刻計算的Upiteh和/或Upmrelr的值的時間序列中的當前值Upitdl和/或Upw'為了簡化下面的討論，將給出對Upitoh的詳細分析。將認識到，可以遵循同樣的原理實現(xiàn)包括基于Upmra的控制。圖7例示了 W、V和Upitdl的值的時間序列圖。上圖示出了作為時間t的函數(shù)的發(fā)電機速度I為了例示的目的，假設(shè)在時間t=0，將需要的發(fā)電機速度Wdanand設(shè)定在比當前發(fā)電機速度w更高的值。作為結(jié)果，必須通過改變轉(zhuǎn)子葉片的槳距在未來時間段(在該情況下是在t+Kdt和t+N2dt之間)增大發(fā)電機速度。由w(曲線圖上的上升虛線)表示未來時間段的預測發(fā)電機速度。由陰影區(qū)域示出預測的發(fā)電機速度W與需要的發(fā)電機速度Wtaand的差異。構(gòu)成中間圖的數(shù)據(jù)對應(yīng)于風速的時間曲線圖。由安裝在風力渦輪機上的風速計或風傳感器檢測時間t=0的當前風速V，同時由LIDAR 26獲得未來預期的未來風速。下圖示出了對槳距基準Upiteh的時間序列調(diào)節(jié)。UO是從初始控制器25知道的最優(yōu)基準槳距值。水平虛線是u 的假定值，該假定值形成稍后將要描述的計算的一部分。在實踐中，槳距基準不被保持恒定而是(通常是通過階梯值)被改變的，從而槳距值Upiteh逼近最優(yōu)值u0。曲線圖的陰影區(qū)域例示了 du 的最優(yōu)值與控制參數(shù)u的階梯值之間的差異)，可以將du視為實施在不同相應(yīng)時刻發(fā)生的u的兩個改變的相對成本。在稍后的優(yōu)化步驟中考慮該陰影區(qū)域。盡管僅示出了兩個步驟，但這僅僅是為了清楚。在滾動時間序列t⑴中的每個時間t，圖5中的預測控制器27的目標都是確定槳距基準信號Upiteh(i)的最佳未來序列，該最佳未來序列將把預測的發(fā)電機速度w (i)驅(qū)動到需要的未來設(shè)定點wde_d。于是，在每個時間點，可以將針對t=0計算的槳距基準Upiteh作為輸出傳送到槳距控制器，以控制風力渦輪機葉片。為了實現(xiàn)這個目的，使用滾動時域策略(receding horizon policy),使得僅輸出滾動時間序列中(即在當前時間t)的第一個值。然后隨著新信息變得可用時，在每個時間樣本重新評估控制對象。持續(xù)更新基于V、Upiteh對UO的來自初始控制器25的預測以及對未來發(fā)電機速度W的預測，并且將認識到，對于每個時刻，計算的跨越滾動時間段t(i)的Upiteh和#的值，與它們在先前時刻計算的跨越該時間段的值比較，可能是不同的。控制器的成功非常取決于對W的預測的質(zhì)量。在該示例中，通過如圖6中所示的線性的受控自回歸積分滑動平均(CARIMA)模型，使用模型執(zhí)行對w的預測。該模型包括兩個輸入dUf和dvf，以及一個輸出W。在此，使用上標符號d{}f表示時間采樣量u和V的帶通濾波量。在實踐中，將du和dv簡單表示為u和V中的連續(xù)樣本從t=(n-l)到t=n的差異，需要濾波來去除高頻或測量噪聲。在該情況下，可以使用本質(zhì)上為A O/Kq-1)的表達式來實現(xiàn)濾波，其中q—1是后向移位算子，并且T是例如(1-0. Scf1)2的T濾波器。在實踐中，這意味著通過混合當前值與80%的先前值來約束u和V的當前采樣值，確保在模型31接收的值中避免突變。A(q-l)和 B(q-l)是極點和零點多項式(pole and zero polynomials),該極點和零點多項式用于包含預測器差分方程的系數(shù)。在此描述的示例中，使用(在線或?qū)崟r的)遞歸最小二乘估計器來獲得多項式系數(shù)。多項式的項允許預測控制器27補償風V對發(fā)電機速度w的強交互。在一個示例中，使用多模型遞歸最小二乘(MMRLS)在線參數(shù)估計器作為自適應(yīng)控制塊32以更新CARIMA模型的系數(shù)。將實時來自風力渦輪機的輸出傳送到減法器33，其中從實際值減去W的預測值以給出實時預測誤差。然后將這饋送給MMRLS作為輸入。MMRLS塊計算使風力渦輪機的實時輸出與由該模型產(chǎn)生的預測值之間的誤差最小化所需的系數(shù)。采用內(nèi)置估計器的優(yōu)點是就地識別模型系數(shù)，并且因此利用代表性閉環(huán)頻率數(shù)據(jù)來訓練模型。這意味著能夠考慮精確的A/D和D/A縮放比例和性能，并且能夠動態(tài)地適應(yīng)由于變化的條件和老化所致的渦輪機系統(tǒng)中的改變。存在兩種方式利用持續(xù)更新的MMRLS模型系數(shù)在自我調(diào)諧模式中，一旦操作者對預測質(zhì)量滿意，才向預測控制器傳送使用MMRLS在線識別的模型系數(shù)；以及在自適應(yīng)模式中，在每個采樣點向控制器傳送系數(shù)。認證需要可能會妨礙完全自適應(yīng)的系統(tǒng)，在這種情況下，設(shè)想的是，自我調(diào)諧方式可能是最適當?shù)?，其將使能對預測控制器的容易委托。對于每個時間t，預測控制器因此從模型31接收W的預測值。然后，預測控制器的任務(wù)是計算未來控制所需要的u的時間序列值。預測控制器通過假定依據(jù)u給出的成本函數(shù)作為變量，然后針對未來時間段上U的所有值爭取使該成本函數(shù)最小化，來計算這一時間序列。可以由優(yōu)化器執(zhí)行該最小化(在成本函數(shù)趨向于最小的條件下對U進行優(yōu)化)，稍后將描述示例的方式。將認識到，因此，如果要有效地執(zhí)行對風力渦輪機的控制，成本函數(shù)的形式是及其
重要的。在數(shù)學上，預測控制器27的代碼因此發(fā)現(xiàn)了未來控制信號u (t+i)的一組Nu，其中(O^i ^ Nu)，在每個采樣間隔i使以下成本函數(shù)最小化(在該示例中發(fā)現(xiàn)Nu=5就足夠了， 雖然如果需要的話，Nu可以等于V的值的數(shù)量，即30)J (t) =J (t) tracking+J (t) activity+J (t)
steady-state該成本函數(shù)是三個項的總和。Jtraeking描述發(fā)電機速度w中設(shè)定點跟蹤誤差的個體成本Jartivity描述任何控制活動處罰，例如減少槳距控制致動器的激活和磨損的操作約束；而JstMdy-state描述偏離最優(yōu)穩(wěn)態(tài)致動器參數(shù)的成本的成本?，F(xiàn)在將更詳細地描述各個項。跟蹤誤差是圖7的上曲線圖中的陰影區(qū)域所示的W的預測值與Wdraiand的需求值之間的差異。將認識到，期望的是使預測值盡快趨于需求值，并且因此這兩個值的差異可以被表示為將要最小化的成本。這是優(yōu)化過程中的最初驅(qū)動器。在數(shù)學上，可以如下表達成本。括號中的表達式僅僅是時間序列值的總和中每個i值處兩個項的差異。對值求平方以給出差異的量級，并且避免將項消除到零的符號差異。Jirackmg = ￡ (W— (f + i) — W— (t + /))2控制活動成本表示依據(jù)機械和電氣系統(tǒng)的磨損以及使不必要的激活最小化的需求來控制風力渦輪機的成本。這既適用于槳距致動器機構(gòu)，又適用于發(fā)電機的功率額定設(shè)定。以下括號中的第一個表達式表示兩個連續(xù)的時間值之間風力渦輪發(fā)電機的功率基準的變化。類似地，括號中的第二表達式表示兩個連續(xù)時間值之間槳距值的變化。常數(shù)P w和Ppiteh分別是功率基準和槳距基準被允許調(diào)節(jié)的程度的度量。為零的P值實質(zhì)上表示改變轉(zhuǎn)子葉片的功率或槳距沒有成本，而P的正值引起控制公式化中呈現(xiàn)增長成本的項。
A7h-IN11-I
Jactivity = Ppower. ^(2,F—(/+O-Kawct'(^+^'-1))2 + Ppuch. E("p,tch(/ + O-WPitch{t+i-1))2
j=0 i=0成本函數(shù)中最后一項表示預測的最優(yōu)功率基準UOpmra和UOpiteh與模型計算的槳距Upitch和功率ITwelr之間的差異。它表示如下認識11的值與初始控制器24和25產(chǎn)生的最優(yōu)值差異過大，因為已知的瞬時風速對于系統(tǒng)而言不太可能是最優(yōu)的，因此充當了對計算的約束。在圖7a的下曲線圖中，由水平線^例示了計算的起點。因此常數(shù)U表示允許模型偏離最優(yōu)值uO的自由度的量。
權(quán)利要求
1.一種風力渦輪機，包括 一個或多個轉(zhuǎn)子葉片； 槳距致動器系統(tǒng)，其用于調(diào)節(jié)所述一個或多個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距角； 發(fā)電機； 風傳感器，其用于檢測在所述一個或多個轉(zhuǎn)子葉片的前方預定距離的至少第一位置處的進入風速；以及 耦合到所述風傳感器的控制器，其用于為所述風力渦輪機提供輸出控制信號，其中，所述控制器被布置為 a)從所述風傳感器接收值，所述值指示所述風力渦輪機的前方預定距離處的所述進入風速； b)產(chǎn)生在未來時間段的所述進入風速的時間序列表示； c)假定在未來時間段的用于輸出控制信號的值的時間序列； d)基于使成本函數(shù)最小化來優(yōu)化用于所述輸出控制信號的所述值的時間序列，其中，所述成本函數(shù)包括定義所述風力渦輪機的操作的方面的項； e)基于步驟d)中優(yōu)化的所述值的時間序列來輸出控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力渦輪機，其中，所述輸出控制信號是輸出到所述槳距致動系統(tǒng)的葉片槳距基準信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的風力渦輪機，其中，所述輸出控制信號是輸出到所述發(fā)電機的發(fā)電機功率基準。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風力渦輪機，其中，所述成本函數(shù)包含表示需要的發(fā)電機速度的時間序列表示與預測的發(fā)電機速度的未來時間序列表示之間的差異的項。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的風力渦輪機，其中，基于未來時間段的所述進入風速的時間序列表示和所述控制信號的所述時間序列值來計算所述預測的發(fā)電機速度的所述時間序列表示。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風力渦輪機，其中，所述成本函數(shù)包含表示期望的葉片根部彎曲力矩的時間序列表示與預測的葉片根部彎曲力矩的未來時間序列表示之間的差異的項。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風力渦輪機，其中，所述成本函數(shù)包含表示所述控制信號的所述值的變化被允許的程度的項。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的風力渦輪機，其中，所述控制器被布置為接收基于所述風力渦輪機處的測量風速的用于所述控制信號的一個或多個最優(yōu)基準值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風力渦輪機，其中，所述成本函數(shù)包含表示用于經(jīng)一次優(yōu)化的所述輸出控制信號的所述值的時間序列被允許與所述最優(yōu)基準值不同的程度的項。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風力渦輪機，其中，所述風傳感器是多普勒風速計裝置。
11.一種控制風力渦輪機的方法，所述風力渦輪機具有一個或多個轉(zhuǎn)子葉片、用于調(diào)節(jié)所述一個或多個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的槳距致動器系統(tǒng)；發(fā)電機；用于檢測所述一個或多個轉(zhuǎn)子葉片的前方預定距離的至少第一位置處的進入風速的風傳感器；以及耦合到所述風傳感器的控制器，所述控制器用于為所述風力渦輪機提供輸出控制信號，所述方法包括在所述控制器處的以下步驟 a)從所述風傳感器接收值，所述值指示所述風力渦輪機的前方預定距離處的所述進入風速； b)產(chǎn)生在未來時間段的所述進入風速的時間序列表示； c)假定在未來時間段的用于輸出控制信號的值的時間序列； d)基于使成本函數(shù)最小化來優(yōu)化用于所述輸出控制信號的所述值的時間序列，其中，所述成本函數(shù)包括定義所述風力渦輪機的操作的方面的項； e)基于步驟d)中優(yōu)化的所述值的時間序列來輸出控制信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括輸出葉片槳距基準信號作為控制信號以控制所述槳距致動系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括輸出發(fā)電機功率基準輸出作為控制信號以控制所述發(fā)電機。
14.根據(jù)權(quán)利要求11到13中的任一項所述的方法，其中，所述成本函數(shù)包含表示需要的發(fā)電機速度的時間序列表示與預測的發(fā)電機速度的未來時間序列表示之間的差異的項。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，基于未來時間段的所述進入風速的所述時間序列表示與所述控制信號的所述時間序列值來計算所述預測的發(fā)電機速度的所述時間序列表示。
16.根據(jù)權(quán)利要求11到15中的任一項所述的方法，其中，所述成本函數(shù)包含表示期望的葉片根部彎曲力矩的時間序列表示與預測的葉片根部彎曲力矩的未來時間序列表示之間的差異的項。
17.根據(jù)權(quán)利要求11到16中的任一項所述的方法，其中，所述成本函數(shù)包含表示所述控制信號的所述值的變化被允許的程度的項。
18.根據(jù)權(quán)利要求11到17中的任一項所述的方法，包括在所述控制器處，接收基于所述風力渦輪機處的測量風速的用于所述控制信號的一個或多個最優(yōu)基準值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述成本函數(shù)包含表示用于經(jīng)一次優(yōu)化的所述輸出控制信號的所述值的時間序列被允許與所述最優(yōu)基準值不同的程度的項。
20.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述風傳感器是多普勒風速計裝置。
21.一種用于控制風力渦輪機的操作的裝置，所述風力渦輪機包括一個或多個轉(zhuǎn)子葉片；用于調(diào)節(jié)所述一個或多個風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的槳距致動器系統(tǒng)；發(fā)電機；以及用于檢測所述一個或多個轉(zhuǎn)子葉片的前方預定距離的至少第一位置處的進入風速的風傳感器；所述裝置包括 耦合到所述風傳感器的控制器，其用于為所述風力渦輪機提供輸出控制信號，其中所述控制器被布置為 a)從所述風傳感器接收值，所述值表示所述風力渦輪機的前方預定距離處的進入風速； b)產(chǎn)生在未來時間段的所述進入風速的時間序列表示； c)假定在未來時間段的用于輸出控制信號的值的時間序列； d)基于使成本函數(shù)最小化來優(yōu)化用于所述輸出控制信號的所述值的時間序列，其中，所述成本函數(shù)包括定義所述風力渦輪機的操作的方面的項；e)基于步驟d)中優(yōu)化的所述值的時間序列來輸出控制信號。
22.一種包含計算機代碼的計算機程序產(chǎn)品，當在計算機上執(zhí)行所述計算機代碼時，所述計算機代碼實施根據(jù)權(quán)利要求10到20中的任一項所述的方法。
全文摘要
本申請描述了一種具有用于執(zhí)行對風力渦輪發(fā)電機的預測控制的控制方法和控制器的風力渦輪機?；跍y量的瞬時風速，已知向風力渦輪機提供控制信號以便控制風力渦輪機轉(zhuǎn)子葉片的槳距和發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。然而，由于關(guān)聯(lián)的機電系統(tǒng)的有限響應(yīng)速度以及不斷變化的控制系統(tǒng)輸入，所以使用瞬時風速測量實現(xiàn)平滑控制是困難的。本申請中描述的預測控制系統(tǒng)采用基于前饋回路中輸出到風力渦輪機的進入風速v(t)的值和控制信號u(t)的值的、發(fā)電機速度的模型。在此，對于一種或多種控制，控制信號可以是發(fā)電機的功率設(shè)定或轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。預測控制器使用針對v(t)和u(t)的值的滾動時間序列并且基于發(fā)電機速度w(t)的預測響應(yīng)來優(yōu)化時間序列控制信號u(t)。發(fā)電機速度w(t)的預測響應(yīng)是基于模型的，可以隨著風力渦輪機的工作實時改進該模型。
文檔編號F03D7/02GK102725520SQ201080062426
公開日2012年10月10日 申請日期2010年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者C·斯普魯斯, J·克雷比, R·鮑耶 申請人:維斯塔斯風力系統(tǒng)集團公司