使用修正功率参考控制风力涡轮机的制作方法 专利技术说明

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明涉及风力涡轮机的控制，并且特别地，本发明涉及控制风力涡轮机以解决变化的传动系统负载。背景技术：2.常规的水平轴wtg通常具有包括围绕中心轮毂等角度间隔开的三个叶片的转子。当被风驱动时，叶片围绕与中心轮毂重合的水平轴线旋转以提取能量，并且在这样做时覆盖大的圆盘状“扫掠区域”。3.在转子的整个扫掠区域中，风力条件通常不均匀，这意味着每个叶片在其完成一个完整旋转时会经受变化的负载。由此，对于给定的风力条件，将存在转子在此处承受最大负载的转子的特定取向，以及转子上的负载最小的对应取向。对于具有三个叶片的转子，在叶片的每个完整旋转中，转子将在最大和最小负载位置之间转换三次，从而在转子上产生频率为转子频率的三倍的循环负载。这被称为“3p干扰”或“3p负载”，其中转子频率为“1p”。将理解，对于具有不同数量叶片的转子，该值相应地按比例缩放，使得例如具有两个叶片的转子经受2p负载。此外，特定的风力条件可能会促进其他周期性负载。4.这种周期性干扰也将反映在wtg的传动系统中的循环负载中，这会促进疲劳，从而降低传动系统的部件的操作寿命。5.正是在这种背景下设计了本发明。6.发明成分7.转子上的干扰会传播到传动系统，以引起传动系统负载变化，这又会导致传动系统的疲劳暴露。本发明的一个目的是提供一种减少由于转子上的负载变化而引起的传动系统的疲劳暴露的解决方案。8.本发明的一个方面提供了一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括具有一个或多个叶片的转子和发电机，所述转子通过传动系统连接到所述发电机，所述方法包括：9.接收指示所述发电机(11)的速度的信号并接收指示请求的输出功率的信号；10.对指示速度的信号进行滤波以隔离选定干扰频带中的频率，以生成干扰信号；11.对所述干扰信号的相位进行移相以匹配所述转子在选定干扰频带的所述频率处的扭矩变化的相位，以生成相移信号；12.生成作为所述相移信号和所述请求的输出功率的组合的修正信号；13.将所述修正信号设置为风力涡轮机的控制信号。14.在风力涡轮机中，风驱动转子并由此生成转子扭矩，转子扭矩经由传动系统传递到发电机。发电机电磁耦合到传动系统以提取旋转能量，并且这种耦合在传动系统上生成发电机引起的反扭矩。本发明修正在选定干扰频带的频率处的由发电机产生的扭矩，从而减小转子的扭矩干扰与发电机引起的反扭矩之间的扭矩变化。传动系统的转子侧和发电机侧之间的扭矩变化会导致疲劳暴露，通过减小扭矩变化，疲劳暴露也会减少。15.该方法的步骤导致形成修正信号，该修正信号与指示请求的输出功率的信号组合，使得控制信号将包括与转子上的扭矩干扰同相振荡的分量。以这种方式，控制信号将包括跟随扭矩干扰的分量。转子上的扭矩中的干扰因此将(至少部分地)被传输通过传动系统并进入发电机和转换器的电气系统中，并有干扰生成的电力的风险。扭矩干扰可能会被注入电网或由涡轮机的电力系统处理，例如由布置为吸收干扰的存储系统处理。本发明由此以增加的输出功率干扰为代价减少传动系统上的疲劳暴露。该方法不会抑制传动系统谐振振荡，而是一种处理传动系统振荡的替代方式。本发明的实施例可以与传统的传动系统抑制例程相结合或作为其替代方式实施。16.在进一步的方面，本发明涉及一种布置为执行根据第一方面的方法的风力涡轮机控制系统，以及涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括适于当在数据处理系统上执行时控制风力涡轮机的软件代码，所述计算机程序产品适于执行第一方面的方法。17.该计算机程序产品可以提供在计算机可读存储介质上或者可从通信网络下载。计算机程序产品包括指令，当被加载到控制器形式的数据处理系统上时，所述计算机程序产品使数据处理系统执行指令。18.通常，控制器可以是包括一个或多个处理器、输入/输出接口和能够存储可以由处理器执行的指令的存储器的单元或功能单元集合。19.通常，本发明的各个方面可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将从下文描述的实施例中变得显而易见并且参照下文中描述的实施例得到阐述。附图说明20.为了其可以被更充分地理解，现在将仅通过示例的方式参照以下附图来描述本发明，其中相似的特征被分配相似的附图标记，并且其中：21.图1是风力涡轮机的示意图；22.图2是通过传动系统连接到发电机的转子的示意图；23.图3是本发明的实施例的功能计算元件的示意图；以及24.图4至图6示出了根据本发明的实施例的在使用和不使用信号处理模块的情况下获得的模拟信号的曲线图。具体实施方式25.在更详细地描述该技术的实施方式之前，为了为本发明提供背景，首先参照图1描述可以根据本发明的实施例进行控制的一种单个的wtg 1。应当理解，图1的wtg 1在此仅作为示例进行参考，并且可以将本发明的实施例实施到许多不同类型的风力涡轮机系统和发电厂架构中。26.所示的wtg 1是三叶片逆风水平轴风力涡轮机(hawt)，它是使用中最常见的涡轮机类型。wtg 1包括具有三个叶片3的转子2，所述三个叶片3从中心轮毂4径向延伸并且围绕中心轮毂4等角度地间隔开，转子2在机舱5的前部由其轮毂4支撑。应当注意，虽然三个叶片是常见的，但不同数量的叶片可用于替代实施方式中。机舱5又安装在塔架6的顶部，塔架6固定到嵌入地面的基底(未示出)。27.机舱5包含由转子2驱动以产生电能的发电机(图1中未示出)。因此，wtg 1能够从穿过转子2的扫掠区域，从而导致叶片3旋转的风流生成电力。28.在这方面，叶片3覆盖在图1中由涵盖叶片3的端梢的虚线圆圈表示的圆形扫掠区域。常规连接电网的wtg的扫掠区域通常具有超过80米的直径，因此，在整个扫掠区域中，风力条件并不均匀。如上所述，扫掠区域内风场的空间变化导致转子2随着其转动的风致负载的峰值和谷值，从而有对转子产生干扰的风险。29.图2示意性地图示了转子2和发电机20，其中转子通过传动系统21、22和23连接到发电机。传动系统通过机械耦合到转子的低速轴22、齿轮箱21和电磁耦合到发电机20的高速轴23示意性地示出。发电机输出通常经由转换器、变压器和额外的电气装备(未示出)连接到由线24示意性地示出的电网。虽然示出了齿轮箱，但应注意许多涡轮机在没有齿轮箱的情况下进行操作，并且本发明的实施例还覆盖没有齿轮箱的涡轮机。30.如上所述，转子25处的扭矩干扰经由传动系统耦合到发电机，并将在发电机扭矩26处生成干扰。通过用发电机的控制命令修正发电机扭矩26(其中修正与转子扭矩干扰同相)，传动系统疲劳暴露减少。31.图3图示了根据本发明的实施例的一般元件，它们通过以在转子扭矩干扰的干扰频带处松弛发电机扭矩的方式操作发电机来实现传动系统的扭转刚度的增加。32.接收指示发电机的速度ωr,30的信号和指示请求的输出功率pref,31的信号。在一个实施例中，指示发电机的速度的信号是通过高速轴处的检测器或通过发电机中的检测器测量的发电机的转速测量值。33.作为在应用谐振滤波器(hres)之前可选的预处理信号滤波器，可以应用传动系统陷波滤波器nf 32来去除传动系统的谐振频率。这去除了传动系统频率成分，从而去除了与转子干扰无关的频率成分。34.预处理信号由谐振滤波器(hres)进行滤波。谐振滤波器被实施以隔离选定干扰频带中的频率，以生成干扰信号33。35.干扰信号33被一个或多个使信号移相的滤波器hn进一步进行滤波。干扰信号被移相，使得产生的信号相位匹配转子的扭矩变化在选定干扰频带的频率处的相位，以生成相移信号34。36.相移信号34可选地用控制器增益g进行修正，并与请求的输出功率pref组合以生成修正信号36，p*ref，修正信号是相移信号和请求的输出功率的组合。这可以是到组合器35的两个输入信号的相加或叠加。37.修正信号被设置为风力涡轮机的控制信号。在一个实施例中，修正信号被转发作为转换器控制器的功率参考。38.现在将参照图3讨论进一步的实施例。39.本发明将指示发电机的速度的信号作为输入。在图3的实施例中，这是发电机速度ωg，通常该信号可以还基于转子速度信号或转子速度信号和发电机速度信号的组合。此外，在又一实施例中，指示发电机的速度的信号可以基于转子轴线的旋转负载信号。40.图3图示了根据本发明的实施例实现的信号处理模块300。41.图3图示了请求的输出功率可以是请求的功率参考。通常，指示请求的输出功率的信号可以是请求的输出功率或请求的发电机扭矩(例如功率参考或扭矩参考的形式)，其中扭矩参考与目标发电机扭矩有关。指示请求的输出功率的信号被修正，并且修正信号被设置为风力涡轮机的控制信号。控制信号通常将是指示请求的输出信号的信号的修正版本，因此在实施例中，控制信号包括用于控制风力涡轮机的输出功率的功率参考或扭矩参考。42.如所提到的，可以在对信号进行滤波以隔离选定干扰频带中的频率之前应用可选的陷波滤波器nf。输入信号使用传动系统陷波滤波器进行滤波，传动系统陷波滤波器去除传动系统的谐振频率。传动系统陷波滤波器是带阻滤波器，其具有以传动系统频率为中心的窄阻带，以从信号中去除该频带，因为传动系统是测量中的重要噪声源。通过去除传动系统谐振，修正信号可以更清楚地针对干扰信号成分。43.陷波滤波器nf也可以被配置为去除对应于其他已知噪声源的其他频率。44.谐振滤波器(hres)可用于隔离选定干扰频带中的频率以生成干扰信号。这种滤波器也经常被称为带通滤波器并且可以以任何合适的方式实现。45.在一般实施例中，选定干扰频带被选择为匹配转子移动的扭矩变化的频带。在一般方法中，可以确定扭矩变化的频率特征。然而，谐振滤波器可以具体实施为将干扰频带中的频率与转子频率阶数附近的频带隔离。即隔离np频率处的信号成分，n为整数。在一个实施例中，谐振滤波器可以实现为以选定转子频率阶数为中心的带通滤波器，该带通滤波器的带宽为百分之几，诸如在5％和10％之间，许多合适的带通滤波器直接提供这样的带宽。在一个重要的实施例中，目标转子频率阶数为3，使得谐振滤波器被实现为隔离以3p频率为中心的频带中的信号成分。由于叶片与转子2的扫掠区域内空间变化的风场之间的相互作用，三叶片涡轮机在使用中将经历3p负载。46.在应用谐振滤波器(hres)之后获得的干扰信号33将与发电机速度同相。该信号被移相以匹配转子的扭矩变化在选定干扰频带的频率处的相位。扭矩变化的相位与转子的位置的相位相同。在一个实施例中，移相以使得干扰信号变得垂直于扭矩变化。对于作为发电机速度的信号，相移应该相对于3p负载在-90°左右。-90°的相移可以通过一个或多个低通滤波器获得，这取决于低通滤波器的具体实施方式。如果期望的话，可以使用替代的相移滤波器。47.在图3所示的实施例中，相移信号基于将与功率参考组合的发电机速度。因此可能需要调整信号的幅度，即用信号增益g进一步修正相移信号。48.在实施例中，信号增益可以是固定增益或依据涡轮机的输入或状态设置的增益。在一个实施例中，信号增益包括基于风速或基于风力涡轮机的操作点的项。特别地，如果控制信号是功率参考，并且由于干扰与扭矩有关，则对于低转子速度，较小的增益可能是有益的，因为功率等于扭矩乘以发电机速度。49.如前所述，由于传动系统振荡的减少可能会以增加的电网功率干扰的形式迁移到电网。在不能容忍的电网功率干扰水平的情况下，可以使用信号增益g来减少对功率参考的修正。通过确定在将风力涡轮机电连接到电网的测量点处(例如公共耦合点处)的电气干扰，信号增益可以基于确定的电气干扰。也就是说，对于高电气干扰，增益被设置得较低。50.在实施例中，可以对修正信号的大小设置限制。这种限制可以通过饱和滤波器来实现。饱和滤波器截止高于某个阈值的信号。简单的截止可能在信号中引起不期望的截止效应，并且在一个实施例中，相移信号是动态范围调度的，而不是应用饱和滤波器。在动态范围调度中，信号的幅度被缩放，使得峰值与截止水平基本匹配。51.现代风力涡轮机由基于输入信号确定致动器输出信号的许多计算机控制器操作。许多涡轮机控制器被实现为pid类型的反馈控制器。pid类型控制器是众所周知且可靠的控制器。风力涡轮机是在复杂、多变且常常不可预测的环境中操作的非常复杂的机器。因此，应用多输入多输出(mimo)类型的更高级的控制技术可能具有优势。这种高级控制器的一个示例是基于所谓的模型预测控制(mpc)方法的控制器。52.模型预测控制(mpc)是一种多变量控制算法，它在后退预测时域内使用优化成本函数j来计算最佳控制设置。53.在一个实施例中，指示请求的输出功率的信号可以使用模型预测控制(mpc)例程来确定。54.mpc控制器重复计算预测的操作轨迹(有时也称为预测时域)。mpc例程是后退时域控制例程，它优化当前时隙k，同时通过将当前时隙用作控制值然后重复地再次优化以优化有限时域来将未来时隙考虑在内。操作轨迹包括至少一个变量的时间序列，这里是指示请求的输出功率的信号值。55.在一个实施例中，使用模型预测控制(mpc)例程计算指示请求的输出功率的预测信号的预测操作轨迹，其中轨迹包括指示请求的输出功率的时间序列值，并且其中轨迹包括预测的第一控制值。在该实施例中，指示请求的输出功率(pref)的信号基于预测的第一控制值来设置。56.图4到图6示出了模拟信号的曲线图。该模拟基于正常湍流模型下以8m/s的风速操作风力涡轮机的计算机模拟。a曲线图图示时域中的传感器曲线图，而b曲线图图示通过傅里叶变换获得的频域中的对应曲线图。57.图4图示了发电机速度ωg的模拟曲线图。图4a图示了两种模拟，一种模拟40在不应用信号处理模块300的情况下获得，一种模拟41在应用信号处理模块300的情况下获得。58.从图中可以看出，发电机速度在3p频率处具有明显的振荡。虽然可以在模拟之间看到小的变化，但信号处理模块的应用不会影响发电机速度信号的频率成分，由此信号处理模块的应用不会激发系统或破坏系统的稳定性。59.图5图示了主轴承驱动力矩、即转子在主轴承处的驱动力矩的模拟曲线图。模拟曲线图50图示了不应用信号处理模块300的驱动力矩，而模拟曲线图51图示了应用信号处理模块300的驱动力矩。可以看出，驱动力矩的3p成分已经明显减少。这在图5b的频率曲线图中得到证实，其中3p区域中的频率成分在应用510和不应用500信号处理模块300的情况下获得的相应信号的频率信号之间显著降低。60.驱动力矩中的扭矩变化引起疲劳暴露，并且随着这些变化的减小，疲劳暴露也减少。61.图6再次图示了不应用60和应用61信号处理模块所产生的功率参考的模拟曲线图。关于图3，这对应于不应用信号处理模块的情况的pref，以及应用该模块的p*ref。对应的频率曲线图被示出为600和610。62.可以看出，图5所示的转子上的扭矩中的干扰至少部分地被传输通过传动系统并进入发电机的电气系统中，如反映在振荡功率参考中的那样。63.本领域技术人员将理解，可以在不脱离如权利要求所限定的发明构思的情况下对上述具体实施例进行修改。









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