專利名稱：用于提高恢復能量損失的發(fā)電量的風輪機控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及可變速風輪機控制方法，而且尤其涉及用于提高恢復能量損失的發(fā)電量的可變速風輪機控制方法。
背景技術：
風輪機是將機械能轉化為電能的設備。典型的風輪機包括安裝在塔架上的機艙， 該塔架容納有用于將轉子的旋轉傳遞給發(fā)電機的傳動系統(tǒng)和其他部件，例如定位風輪機的偏航驅動器、多個執(zhí)行機構和傳感器、以及制動器。轉子支撐多個從其上徑向延伸的葉片， 用于獲得風的動能并引起傳動系統(tǒng)旋轉運動。轉子葉片具有空氣動力學形狀，以便當風吹過葉片表面時，產生升力使軸旋轉，所述軸直接或通過齒輪裝置連接到位于機艙內的發(fā)電機上。風輪機產生的能量多少取決于轉子葉片的掃掠表面，風作用于該表面，因此通常增加葉片的長度導致風輪機輸出功率增加。根據(jù)已知的控制方法，風輪機產生的功率隨著風速增加，直到達到額定的標稱功率輸出，然后保持恒定。這一點通過調節(jié)葉片的槳距角實現(xiàn)，從而為了減少功率捕獲使轉子葉片的槳距角變?yōu)檩^小的攻角及為了增加功率捕獲使其變?yōu)檩^大的攻角。因此，當輸出功率與額定功率一致時，隨著風速增大，發(fā)電機速度以及輸出功率可以維持相對恒定。在大部分已知商業(yè)風輪機控制系統(tǒng)中，采用的功率和轉子速度調節(jié)是基于如下控制器，例如對在受控變量和其帶有相關限制的設置點之間產生的誤差作出反應的P、PI、PD、 PID控制器。在湍流和紊流的情況下，在相對小的時間間隔可以徹底改變風速，需要相對快速改變葉片槳距角以保持輸出功率恒定，考慮到槳距控制驅動器的動力學特性、機械部件的慣量和風的空間連貫性，這很難實現(xiàn)。結果，幾乎不可能在紊流風情況下獲得理論規(guī)定的發(fā)電量。為了解決這個和其他問題，已知一些新控制系統(tǒng)的方案能相對于已知控制器提高其性能，例如在W02008/046942A1中公開的方案。本發(fā)明旨在使用已知控制器解決所述問題，以便能夠在已經安裝的風輪機中實現(xiàn)本發(fā)明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供由控制方法控制的風輪機，該方法實現(xiàn)發(fā)電優(yōu)化。本發(fā)明的另一目的是提供由控制方法控制的風輪機，該方法在已安裝的風輪機上實現(xiàn)發(fā)電優(yōu)化，而不需要改變基礎的控制技術。本發(fā)明的另一目的是提供風輪機控制方法，該方法適于優(yōu)化功率曲線的部分產生區(qū)域(也稱為功率曲線拐角)的發(fā)電量。 一方面，這些和其他目的可以通過提供可變速風輪機運行方法來實現(xiàn)，該風輪機包括用于追蹤功率-發(fā)電機速度曲線的標準調節(jié)的控制裝置，所述曲線具有使發(fā)電機速度保持耦合值不變的第一子額定區(qū)域、允許發(fā)電機速度和功率兩者與風速一致地增加/減少的第二子額定區(qū)域、使發(fā)電機速度保持額定值不變的第三子額定區(qū)域和功率保持額定值Pn 不變的額定區(qū)域，其中在用來補償之前的能量損失的確定時間段Tb內，在比由用于優(yōu)化發(fā)電的所述標準調節(jié)確定的功率更大的功率Pb下使用選擇性調節(jié)。在優(yōu)選實施例中，所述選擇性調節(jié)基于隨能量損失變化的累計損失能量ALE的連續(xù)計算，該能量損失與根據(jù)標準調節(jié)的最大允許發(fā)電量有關，并基于所述更大功率Pb的設置和與風輪機電和/或機械限制相關的所述時間段Tb的持續(xù)時間。因此獲得用于增加當前已安裝風輪機的發(fā)電量的方法，而不需對風輪機進行任何機械或電或基礎控制技術的改造。在另一優(yōu)選實施例中，所述更大功率Pb設為常量。因此可以獲得對功率基準改變有限制的風輪機的適當方法。在另一優(yōu)選實施例中，所述更大功率Pb設為隨累計損失能量ALE而定的變量。因此可以獲得允許發(fā)電優(yōu)化的方法。在適用于當前已安裝風輪機的優(yōu)選實施例中，更大功率Pb包含在104-110%的額定功率Pn的范圍內，時間段Tb包含在180-300S的范圍內。在另一優(yōu)選實施例中，累計損失能量ALE的計算保持上限ALEmax和下限ALEmin，以便使用所述選擇性調節(jié)將其維持在可恢復的水平。因此獲得實現(xiàn)所述選擇性調節(jié)的控制使用的方法。在另一優(yōu)選實施例中，上限ALEmax確定為時間段Tb中的最大可恢復能量。因此獲得實現(xiàn)所述選擇性調節(jié)的優(yōu)化使用的方法。在另一優(yōu)選實施例中，作為受所述標準調節(jié)控制的風輪機，當累計損失能量ALE 大于預定值ALE1時觸發(fā)所述選擇性調節(jié)；當累計損失能量ALE小于預定值ALE2時，停用所述選擇性調節(jié)。因此獲得以控制器方式使用的選擇性調節(jié)的方法，避免在短時間內觸發(fā)/ 停用循環(huán)。另一方面，通過提供由上述方法控制的可變速風輪機來滿足上述目的。因此獲得用于提高許多已安裝風輪機發(fā)電量的方法。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將通過以下結合附圖的詳細描述為人所知。


圖1示意性地示出了風輪機的主要部件。圖2示出了現(xiàn)有技術中用于控制可變速風輪機的功率-發(fā)電機速度的曲線。圖3示出了應用現(xiàn)有技術控制方法得到的估計平均湍流功率曲線和理想的穩(wěn)定功率曲線。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的瞬間功率-時間的圖，其具有能量損失的時間段和能量增益的時間段。圖5示出了應用現(xiàn)有技術控制方法的估計的平均湍流功率曲線、應用根據(jù)本發(fā)明控制方法的估計的平均湍流功率曲線和理想功率曲線。圖6示出了平均llm/s風速下模擬應用現(xiàn)有技術控制方法和根據(jù)本發(fā)明控制方法獲得的測量功率-時間和平均功率-時間曲線。
圖7示出了平均13m/s風速下模擬應用在先技術控制方法和根據(jù)本發(fā)明控制方法獲得的測量功率-時間和平均功率-時間曲線。圖8示出了平均17m/s風速下模擬應用現(xiàn)有技術控制方法和根據(jù)本發(fā)明控制方法獲得的測量功率-時間和平均功率-時間曲線。
具體實施例方式典型的風輪機11包括支撐機艙18的塔架13，所述機艙18內容納用于將風輪機轉子的旋轉能量轉化為電能的發(fā)電機19。風輪機轉子包括轉子輪轂15以及典型的三個葉片 17。轉子輪轂15直接或者通過齒輪箱連接風輪機的發(fā)電機19，用于將轉子15產生的轉矩傳遞給發(fā)電機19，而且增加軸速以獲得適當?shù)陌l(fā)電機轉子的旋轉速度?，F(xiàn)代風輪機的輸出功率通常由用于調節(jié)轉子葉片槳距角和發(fā)電機轉矩的控制系統(tǒng)來控制。因此，在通過轉換器傳送到公共電網(wǎng)之前，先控制風輪機的轉子旋轉速度和功率輸出。操作可變速風輪機的方法的基本目的是盡可能長的時間在理想的空氣動力學輸出下運行。正如所知的，與進風相關的動能取決于轉子葉片的掃掠區(qū)域、空氣密度和風速的立方，可以認為風輪機能夠取得動能的59%。相應地，接近這個極限的每個風輪機的容量由稱為功率系數(shù)的Cp表示，該功率系數(shù)由其空氣動力特性特別是頂端速率λ來確定，頂端速率λ定義為葉片頂端的切線速度與伴隨的風速之間的關系。如果該率保持在最佳值，那么轉子速度遵從風速，則得到最大的風輪機功率系數(shù)Cp、實現(xiàn)非常有效的能量轉換。通常在可變速風輪機中使用的控制策略是基于電調節(jié)發(fā)電機轉矩的以獲得最大輸出，而且使用控制器來執(zhí)行該控制策略，所述控制器接收表示發(fā)電機速度和由發(fā)電機產生的功率的信號，并為控制器為轉換器提供轉矩基準信號以獲得所需的功率。相應地，風輪機控制器使用定義了功率和速度之間的所需函數(shù)關系的曲線以獲得理想的輸出。為了更好地理解本發(fā)明，隨后簡要描述圖2所示典型的現(xiàn)有技術中的功率-發(fā)電機速度曲線21。該曲線包括風速達到用于啟動風輪機操作的最小等級的第一子額定區(qū)域23。在該區(qū)域，由于風輪機不能捕獲最大能量，因此限制風輪機的控制。第二子額定區(qū)域25對應于4-8m/s范圍內的風速，在此區(qū)域發(fā)電機速度增加，風輪機以最優(yōu)功率系數(shù)Cp運行。第三子額定區(qū)域27對應于8-1 lm/s范圍內的風速，在此區(qū)域發(fā)電機速度保持在額定發(fā)電機速度 nri不變，同時功率增加到額定功率。在該區(qū)域內，固定槳距角，并且通過轉矩控制發(fā)電機速度。在額定區(qū)域四，在額定功率下風輪機滿負荷運行，進行槳距控制以避免過載。在理想情況下，最終的平均功率曲線為圖3中的曲線31，但是由于其他因素，如風紊流產生的擾動以及控制器的上述特征，實際功率曲線33在接近額定功率的拐角區(qū)域受到抑制。該影響產生了相對于理想能量輸出的能量損失。如圖4所示，本發(fā)明的基本觀點是在更大功率Pb而不是額定功率Pn確定的時間段 Tb期間不使用標準調節(jié)而采用選擇性調節(jié)，用于補償先前在Ta時間段的能量損失。如圖5 所示，這樣做能夠獲得與相應于現(xiàn)有技術控制方法的曲線33相比更接近理想功率曲線31的最終的平均功率曲線35。所述時間段Tb受到電和機械限制，因此很難完全恢復之前的能量損失?？梢哉J為對于很多已知的商業(yè)風輪機來說Tb包含在180-300秒之間。更大的功率Pb與風輪機的機械和電限制兩者高度相關，可以認為對于很多已知的商業(yè)風輪機來說其包含在104-110%的Pn范圍內。一方面，所述選擇性調節(jié)的實施基于累計損失能量ALE的連續(xù)計算，累計損失能量為最大允許平均功率(額定功率Pn)減去在每個時間間隔產生的功率的差額的時間積分，維持允許累計的最大能量損失的上限ALEmax，按照最大能量數(shù)額建立上限ALEmax，其被視為在更大功率Pb下、假設時間段Tb內可恢復，時間段Tb持續(xù)期間和所述更大功率Pb等級與風輪機的電和機械限制以及允許累計的最小能量損失的下限ALEmin相適應。通常對Pb-Pn從t = 0到Tb進行積分以獲得ALEmax。定義參數(shù)ALEmin以便其主要在標準調節(jié)期間功率稍微高于控制基準的瞬間，為能量恢復提供小的額外裕度。根據(jù)標準調節(jié)控制的風輪機，當累計損失能量ALE大于預定值ALE1時觸發(fā)選擇性調節(jié)。當累計損失能量ALE小于預定值ALE2時，停用選擇性調節(jié)。另一方面，基于所用的更大功率Pb的確定實施所述選擇性調節(jié)，即為了恢復之前階段的能量虧損，在轉矩回路增加功率直到最大允許功率。在一實施例中，可以將Pb設為選擇性調節(jié)的常量。在另一實施例中，考慮待恢復的累計損失能量的總量和選擇性調節(jié)下時間段Tb的持續(xù)時間限制來計算Pb。特別地，考慮那些與選擇性調節(jié)相關的風輪機的機械和電特性，使用預建立的對照表ALE/Pb來計算Pb。無論如何，Pb可以達到預先限定的最大功率Pmax?？紤]在其他特性中與功率因數(shù)、溫度和電壓有關的發(fā)電機和轉換器的限制，也可以確定上述參數(shù)值ALEp ALE2、ALEmax、和ALEmin。應該特別考慮過電流和熱限制。圖6-8分別示出了模擬在llm/S、15m/S、17m/S的平均風速下應用現(xiàn)有技術調節(jié)獲得的功率曲線41和應用本發(fā)明調節(jié)獲得的功率曲線43。還示出了應用這兩種調節(jié)的平均功率曲線45、47。正如應用根據(jù)本發(fā)明的控制方法的圖6-8所看到的，存在使用標準調節(jié)的時間段，其中存在能量損失，接著是使用根據(jù)本發(fā)明的選擇性調節(jié)時間段，用于至少部分恢復所述能量損失。當風速要求運行功率接近額定功率時恢復量更高。將根據(jù)本發(fā)明的控制方法應用于具有80m直徑的2麗風輪機，獲得上述圖6-8。 可以認為額定功率Pn為2000kW，更大功率Pb為2080kW，時間段Tb為180s，ALEmax為 14400kffs (以面積(Pb-Pn) XTb 計算，即(2080-2000) X 180)，ALEmin 為-600kffs(15s 期間內額定功率的 2% ), ALE2 為 OkWs，及 ALE1 為 576kffs (ALEmax 的 4% )。使用在可變速風輪機控制系統(tǒng)中可用的裝置完成本發(fā)明中給出的方法。這些裝置一方面包括用于測量例如發(fā)電機速度或在每個瞬間產生的功率的相關變量的設備，還包括允許建立用于風輪機運行基準的處理裝置，例如作為條件函數(shù)的發(fā)電機所要求的轉矩。特別通過在上述處理裝置中包含算法來實現(xiàn)本發(fā)明的選擇性調節(jié)主題，如上所述，該算法的基本輸入數(shù)據(jù)為產生的功率P，基本輸出數(shù)據(jù)是根據(jù)發(fā)電機所需轉矩在運行基準選擇性調節(jié)的觸發(fā)和所述選擇性調節(jié)的停用。最后應當注意與已知技術相比本發(fā)明中選擇性調節(jié)主題的優(yōu)點在于允許補償由于任何原因造成的、相對于理想的規(guī)定產量的能量損失。 雖然完全根據(jù)優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是應當清楚可以在其范圍內引入修改，而不認為其范圍由上述實施例限制，而是由權利要求限定。
權利要求
1.可變速風輪機(11)的運行方法，包括用于追蹤功率-發(fā)電機速度曲線的標準調節(jié)的控制裝置，所述曲線具有發(fā)電機速度保持耦合值不變的第一子額定區(qū)域(23)、允許發(fā)電機速度和功率兩者與風速一致地增加/減少的第二子額定區(qū)域0 、發(fā)電機速度保持額定值不變的第三子額定區(qū)域(XT)和功率保持在額定值PnF變的額定區(qū)域(四)，其特征在于在用來補償之前的能量損失的確定時間段Tb內，在比由用于優(yōu)化發(fā)電的所述標準調節(jié)確定的功率更大的功率Pb下使用選擇性調節(jié)來補償之前的能量損失。
2.如權利要求1所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于所述選擇性調節(jié)基于隨能量損失變化的累計損失能量ALE的連續(xù)計算，該能量損失與根據(jù)標準調節(jié)的最大允許發(fā)電量有關，并基于所述更大功率Pb的設置和與風輪機電或機械限制相關的所述時間段Tb的持續(xù)時間。
3.如權利要求2所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于所述更大功率Pb設為常量。
4.如權利要求2所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于所述更大功率Pb 設為基于累計損失能量ALE的變量。
5.如權利要求2-4所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于所述更大功率 Pb包含在104-110%的額定功率Pn范圍內。
6.如權利要求5所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于所述時間段Tb的持續(xù)時間包含在180-300S的范圍內。
7.如權利要求6所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于累計損失能量 ALE的所述計算保持上限ALEmax和下限ALEmin，以便使用所述選擇性調節(jié)將其維持在可恢復的水平。
8.如權利要求7所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于上限ALEmax確定為時間段Tb中可恢復的最大能量。
9.如權利要求8所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于-當根據(jù)所述標準調節(jié)控制的風輪機的累計損失能量ALE大于預定值ALE1時觸發(fā)所述選擇性調節(jié)；-當累計損失能量ALE小于預定值ALE2時，停用所述選擇性調節(jié)。
10.如權利要求9所述的可變速風輪機(11)的運行方法，其特征在于根據(jù)所述標準調節(jié)控制的風輪機在所述第三子額定區(qū)域、2Τ)或所述額定區(qū)域09)中觸發(fā)所述選擇性調節(jié)。
11.由如權利要求1-10任一所述的方法控制的可變速風輪機(11)。
全文摘要
可變速風輪機(11)的運行方法，包括用于追蹤功率-發(fā)電機速度曲線(21)的標準調節(jié)的控制裝置，所述曲線在比所述標準調節(jié)確定的功率更大的功率Pb下、在補償之前的能量損失的確定時間段Tb內使用用于優(yōu)化發(fā)電量的選擇性調節(jié)，所述選擇性調節(jié)基于隨能量損失變化的累計損失能量ALE的連續(xù)計算，該能量損失與根據(jù)標準調節(jié)的最大允許發(fā)電量有關，并基于所述更大功率Pb的設置和與風輪機電或機械限制相關的所述時間段Tb的持續(xù)時間。本發(fā)明還涉及由所述方法控制的風輪機。
文檔編號F03D7/02GK102322393SQ201010625049
公開日2012年1月18日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2009年12月16日
發(fā)明者A·馬丁達席爾瓦, I·羅梅羅-桑斯, J·加西亞安杜哈爾, J·洛佩斯魯維奧, M·希門尼斯德拉戈 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術公司