用于控制風(fēng)力渦輪機的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于控制風(fēng)力渦輪機的方法和裝置，以便增加功率產(chǎn)生效率。
【背景技術(shù)】
[0002]常規(guī)上，可利用固定或恒定的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度(也被稱作參考旋轉(zhuǎn)速度或旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值)和固定目標(biāo)功率(也被稱作參考功率或功率設(shè)定值)操作風(fēng)力渦輪機。在這些常規(guī)系統(tǒng)中，渦輪機控制器可能計劃在高風(fēng)速下保持此固定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和固定目標(biāo)功率。在此情形中，風(fēng)速應(yīng)該足夠高，以便在這些目標(biāo)值下操作，否則速度和/或功率會降低。將損壞機械結(jié)構(gòu)或電氣部件的最大旋轉(zhuǎn)速度和最大功率可以大于目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和目標(biāo)功率。
[0003]文獻EP 2 128 437 A2公開了一種用于增加風(fēng)力渦輪機中的能量捕獲的方法，其中，響應(yīng)于操作參數(shù)確定大于初始旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值的經(jīng)調(diào)整的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定值，所述操作參數(shù)可包括標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境條件，諸如平均風(fēng)速、湍流強度或空氣密度，并且操作參數(shù)可包括發(fā)電機速度、功率輸出、湍流強度、風(fēng)切變、環(huán)境溫度和空氣壓力的結(jié)合、空氣密度、部件溫度、發(fā)電機扭矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子中的電流、發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子中的電壓、功率因數(shù)、功率最大振動、傳動系統(tǒng)振動、偏航位置及其組合。
[0004]已經(jīng)注意到，常規(guī)的風(fēng)力渦輪機、風(fēng)力渦輪機控制器及控制方法并非在每種情況下都能操作風(fēng)力渦輪機以便提供令人滿意的功率產(chǎn)出。
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題可被看作是提供用于控制風(fēng)力渦輪機的方法和裝置，其中，可提高風(fēng)力渦輪機的能量輸出，同時保持安全的操作并避免損壞或過度加載風(fēng)力渦輪機的部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]該技術(shù)問題由獨立權(quán)利要求的主題解決。從屬權(quán)利要求具體說明本發(fā)明的有利實施例。
[0007]具體地，本發(fā)明的實施例確保風(fēng)力渦輪機在設(shè)計規(guī)格內(nèi)運作，但容許調(diào)整風(fēng)力渦輪機的目標(biāo)設(shè)定值(諸如目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和/或目標(biāo)功率輸出)，從而實現(xiàn)最大功率/載荷/噪聲關(guān)系。具體地，本發(fā)明的實施例所滿足的設(shè)計規(guī)格可包括載荷要求、溫度要求、噪聲要求、功率要求等。具體地，本發(fā)明的實施例可考慮不太保守地改變各個系統(tǒng)部件的操作條件和不同的要求。
[0008]由此，具體地，為了最大化渦輪機的效率，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)系統(tǒng)的約束可能過于保守，并且根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置采用經(jīng)適應(yīng)性修改的約束來操作風(fēng)力渦輪機。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度和/或目標(biāo)功率固定的常規(guī)系統(tǒng)中，這些目標(biāo)值很可能過于保守，因為其必須考慮到在最壞情況下的風(fēng)速、湍流、風(fēng)切變、環(huán)境溫度等。
[0009]本發(fā)明提供一種用于控制風(fēng)力渦輪機的方法和裝置，其中，相對于常規(guī)保守的旋轉(zhuǎn)速度參考值來說增大旋轉(zhuǎn)速度參考值。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種控制風(fēng)力渦輪機的方法，風(fēng)力渦輪機具有與至少一個轉(zhuǎn)子葉片連接的轉(zhuǎn)子，所述方法包括:根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子；以及當(dāng)轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)速度的波動降低到波動閾值以下時和/或當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角增加到葉片槳距角閾值以上(即從較小的葉片槳距角改變至較大的葉片槳距角)時，根據(jù)大于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值的第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。
[0011]風(fēng)力渦輪機可包括風(fēng)力渦輪機塔以及被安裝在風(fēng)力渦輪機塔之上的機艙，其中，與一個或多個轉(zhuǎn)子葉片連接的轉(zhuǎn)子軸可被支撐在機艙內(nèi)?？奢敵鼍哂锌勺冾l率的功率流的發(fā)電機可機械地連接到旋轉(zhuǎn)軸。此外，風(fēng)力渦輪機可包括換流器，諸如AC-DC-AC換流器，其可將從發(fā)電機輸出的可變頻功率流轉(zhuǎn)化為直流功率流，并將直流功率流轉(zhuǎn)化為固定頻率(諸如40Hz或60Hz)功率流，其之后可以具體地經(jīng)由一個或多個變壓器被供應(yīng)到可向多種消費者供應(yīng)電能的公共電網(wǎng)。
[0012]控制風(fēng)力渦輪機可例如包括:控制執(zhí)行器，執(zhí)行器被布置并適于調(diào)整與旋轉(zhuǎn)軸連接的一個或多個轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)子葉片槳距角。調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角可影響轉(zhuǎn)子葉片的功率系數(shù)，即，從風(fēng)中提取的能量的比率。
[0013]具體地，功率系數(shù)可被描述為(例如針對經(jīng)考慮的固定風(fēng)速和固定旋轉(zhuǎn)速度)功率系數(shù)和葉片槳距角之間的關(guān)系。具體地，功率系數(shù)可被定義為從可用風(fēng)能中增加的功率比率，由此指示風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的效率。功率系數(shù)Cp可以是可被表達(dá)為依賴轉(zhuǎn)子葉片槳距角和尖端速度比率的比率。葉片槳距角可以是葉片翼弦線和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)平面之間的角。尖端速度比率可被定義為轉(zhuǎn)子尖端速度除以風(fēng)速的比率(轉(zhuǎn)子速度*轉(zhuǎn)子半徑/風(fēng)速)。具體地，小槳距角相比大槳距角來說，功率系數(shù)可能較大。具體地，通過減小葉片槳距角，已經(jīng)調(diào)整槳距角的轉(zhuǎn)子葉片可從吹來的風(fēng)中提取更多能量。
[0014]此外，控制風(fēng)力渦輪機還可額外地或替代性地包括:通過提供特定的功率參考值來控制風(fēng)力渦輪機的換流器，從而使得風(fēng)力渦輪機輸出預(yù)定功率。
[0015]根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子可包括:將第一旋轉(zhuǎn)速度參考值供應(yīng)到渦輪機控制器，渦輪機控制器隨后可基于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值確定將在轉(zhuǎn)子葉片處設(shè)定的葉片槳距角，從而達(dá)到與第一旋轉(zhuǎn)速度參考值相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。此外，可根據(jù)已確定的葉片槳距角調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片槳距角，從而達(dá)到與第一旋轉(zhuǎn)速度參考值相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。
[0016]根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子可在根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子之前或之后執(zhí)行。具體地，當(dāng)根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時和/或當(dāng)根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時，葉片槳距角可保持恒定或可以改變，具體取決于風(fēng)速，以便保持恒定的功率輸出。具體地，當(dāng)風(fēng)速增加時，并且當(dāng)根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時，葉片槳距角可能已經(jīng)增加(以便在風(fēng)速增加時保持恒定的功率輸出)。由此，葉片槳距角可已增加至葉片槳距角閾值以上。如果轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角已增加至葉片槳距角閾值以上，則轉(zhuǎn)子可從根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子切換到根據(jù)第二旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。由此，可實現(xiàn)以比根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子時高的旋轉(zhuǎn)速度操作轉(zhuǎn)子。由此，也提供了增加風(fēng)力渦輪機的功率輸出的可能性。由此，可提高風(fēng)力渦輪機(尤其是功率輸出方面)的效率。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提出了范例性改變，其中風(fēng)力渦輪機不再根據(jù)固定的設(shè)置值操作，而是可在線修改以適應(yīng)各個系統(tǒng)部件的情況。
[0018]轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)速度的波動可由例如轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的絕對值改變或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的改變率來表示。如果轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)速度的波動在波動閾值以下或減小至波動閾值以下，則可用可靠方式控制風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子。如果實際旋轉(zhuǎn)速度的波動大于波動閾值，則轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度可能迅速改變并且轉(zhuǎn)子的可控性可能受損，或可能甚至不可控。
[0019]此外，如果轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角增加至葉片槳距角閾值以上，則小的葉片槳距角改變可能對轉(zhuǎn)子的運行狀況(具體是轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度)有相對大的影響，從而使得與轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角小于葉片槳距角閾值的情形相比當(dāng)葉片槳距角大于葉片槳距角閾值時可提高轉(zhuǎn)子的可控性。
[0020]因此，在風(fēng)力渦輪機轉(zhuǎn)子的可控性高的情況中，可用比可控性低的情況高的旋轉(zhuǎn)速度操作轉(zhuǎn)子。由此，可提高風(fēng)力渦輪機的能量輸出。
[0021]本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，限制旋轉(zhuǎn)速度可以是性能、載荷和噪聲之間的折中，并且就其自身權(quán)利而言可能不是設(shè)計驅(qū)動因素，因為當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度受限時可能會降低效率。因此，可能感興趣的是增加渦輪機的旋轉(zhuǎn)速度，由此增加效率(假設(shè)考慮了其他參數(shù))。
[0022]如上所述，風(fēng)力渦輪機的最大容許旋轉(zhuǎn)速度和最大容許功率可以總是大于第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值(也可被稱作目標(biāo)速度)。這些最大值在被超過時會導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機單元中的結(jié)構(gòu)和部件受損。具體地，可給出目標(biāo)速度或目標(biāo)功率分別與最大容許速度、最大容許功率之間的足夠大的裕量，以便確保可控性，從而使得某些事件(疾風(fēng)等)不會迫使風(fēng)力渦輪機進入風(fēng)力渦輪機在最大水平或最大水平以上操作的情形。但是，當(dāng)風(fēng)力渦輪機在可控性提高的情況下操作時，則可減小此裕量的大小，因為被迫進入最大水平或最大水平以上的操作(過大速度或過大功率事件)的風(fēng)險也降低了。具體地，出于安全考慮，可尤其關(guān)注旋轉(zhuǎn)速度，因為它可能是安全要求最高的機械分量。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實施例，當(dāng)轉(zhuǎn)子的實際旋轉(zhuǎn)速度的波動增加到大于所述波動閾值的另一波動閾值以上時和/或當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片的葉片槳距角減小(即從較大葉片槳距角改變?yōu)檩^小葉片槳距角)到比所述葉片槳距角閾值小、具體小1°至3°的另一葉片槳距角閾值以下時，根據(jù)第一旋轉(zhuǎn)速度參考值操作轉(zhuǎn)子。由此，可減少或甚至避免在第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值之間過快地來回切換，因為閾值可能取決于葉片槳距角隨時間的變化方向，具體地，其可取決于葉片槳距角是否隨時間增加以處于葉片槳距角閾值以上或者葉片槳距角是否隨時間減小以處于另一葉片槳距角閾值以下。以類似方式，第一旋轉(zhuǎn)速度參考值和第二旋轉(zhuǎn)速度參考值之間的切換可取決于實際旋轉(zhuǎn)速度的波動的變化方向，即，波動是否增加至另一波動閾值以上或波動是否減小至波動閾值以下。由此，可緩解不穩(wěn)定性并且可提高控制方法的穩(wěn)定性。
[0024]具體地，由此，可通過采用滯后作用獲得穩(wěn)定性并且不會快速改變設(shè)定值。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實施例，葉片槳距角閾值大于與最佳功率系數(shù)相關(guān)聯(lián)的最佳葉片槳距角。具體地，對于固定的風(fēng)速和固定的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度，可以建立最佳葉片槳距角和最佳功率系數(shù)之間的關(guān)系。具體地，對于不同的風(fēng)速和/或不同的旋轉(zhuǎn)速度，功率系數(shù)和葉片