使用入射風(fēng)速估算的風(fēng)輪機(jī)控制方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用入射風(fēng)速估算的風(fēng)輪機(jī)控制方法
[0001] 本發(fā)明涉及可再生能源領(lǐng)域，特別地，涉及風(fēng)輪機(jī)控制。
[0002] 風(fēng)輪機(jī)允許來(lái)自風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀蛘邫C(jī)械能。為了將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，它包括 以下元件：
[0003]-塔，其允許轉(zhuǎn)子定位在足夠的高度以實(shí)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)（對(duì)于水平軸風(fēng)輪機(jī)是必須 的），或者允許該轉(zhuǎn)子定位在一個(gè)高度以允許其被比地面上更強(qiáng)且更規(guī)律的風(fēng)驅(qū)動(dòng)。塔通常 容納電或者電子組件的一部分（模塊，控制，倍增器，發(fā)電機(jī)等）。
[0004] -艙，其裝配在塔頂部，容納操作該機(jī)器所必需的機(jī)械、氣動(dòng)以及一些電和電子組 件。艙可以旋轉(zhuǎn)以將該機(jī)器調(diào)整到正確的方向。
[0005]-轉(zhuǎn)子，其固定于艙，包括若干葉片（通常三個(gè)）和風(fēng)輪機(jī)前端。該轉(zhuǎn)子由風(fēng)能驅(qū) 動(dòng)并且由機(jī)械軸直接或者間接（通過(guò)變速箱和機(jī)械軸系統(tǒng)）連接到電機(jī)（發(fā)電機(jī)），該電機(jī) 將回收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?br>[0006]-傳動(dòng)裝置，其由通過(guò)傳送裝置（變速箱）連接的兩個(gè)軸（轉(zhuǎn)子的機(jī)械軸和電機(jī)的 機(jī)械軸）組成。
[0007] 自九十年代開(kāi)始以來(lái)，就開(kāi)始對(duì)風(fēng)能再度產(chǎn)生興趣，特別是在歐盟，其年增長(zhǎng)率是 大約20%。該增長(zhǎng)歸因于無(wú)碳排放的電力發(fā)電的固有可能性。為了維持該增長(zhǎng)，風(fēng)輪機(jī)的 能量產(chǎn)量仍然需要提高。風(fēng)力產(chǎn)量增加的前景需要開(kāi)發(fā)有效的生產(chǎn)工具和提升的控制工具 以改進(jìn)機(jī)器的性能。風(fēng)輪機(jī)設(shè)計(jì)為以最低可能的成本來(lái)生產(chǎn)電。它們因此通常被建造成在 風(fēng)速大約是15m/s時(shí)達(dá)到它們的最大性能。這實(shí)際上對(duì)于設(shè)計(jì)在更高風(fēng)速（這不是通常情 況）時(shí)最大化其產(chǎn)量的風(fēng)輪機(jī)而言是不必要的。在風(fēng)速高于15m/s的情況下，損失風(fēng)中包 含的部分額外能量是必要的，以避免對(duì)風(fēng)輪機(jī)的損害。所有風(fēng)輪機(jī)被設(shè)計(jì)成具有功率調(diào)節(jié) 系統(tǒng)。
[0008] 對(duì)于該功率調(diào)節(jié)，控制器必須被設(shè)計(jì)成用于可變速度風(fēng)輪機(jī)。控制器的目的是最 大化回收的電能，最小化轉(zhuǎn)子速度波動(dòng)，以及最小化結(jié)構(gòu)（葉片、塔和平臺(tái)）的疲勞和極端 動(dòng)量。
[0009] 線(xiàn)性控制器通過(guò)控制葉片傾角（葉片的方位）廣泛地應(yīng)用于功率控制。其包括使 用PI (比例積分）和PID (比例積分導(dǎo)數(shù)）控制器的技術(shù)，LQ (線(xiàn)性二次方程式）控制技術(shù) 和基于機(jī)器人線(xiàn)性控制的策略。
[0010] 然而，這些線(xiàn)性控制器的性能被風(fēng)輪機(jī)的高非線(xiàn)性特征限制。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基 于非線(xiàn)性控制的第一個(gè)策略，該策略例如在文獻(xiàn)：Boukhe ZZar B.，LUPU L.，Hand M.的 "Multivariable control strategy for variable speed, variable pitch wind turbines (用于可變速度、可變斜度風(fēng)輪機(jī)的多變量控制策略）"，Renewable Energy， 32(2007) 1273-1287 中詳細(xì)描述。
[0011] 然而這些策略中沒(méi)有一個(gè)使用入射風(fēng)速，該風(fēng)速是用于支配風(fēng)輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué) 現(xiàn)象的基礎(chǔ)要素。為了考率該元素，初始工作是執(zhí)行風(fēng)速的測(cè)量。該工作顯示通過(guò)使用風(fēng) 速的創(chuàng)新策略，風(fēng)輪機(jī)的生產(chǎn)力和它們的壽命可顯著地增加。
[0012] 不幸地，該技術(shù)需要昂貴而且不非常準(zhǔn)確的傳感器。為了在不使用傳感器的 情況下考慮該入射風(fēng)速，速度的估算可被執(zhí)行以將該數(shù)據(jù)用在控制中。使用Kalman濾 波器，進(jìn)一步工作已經(jīng)進(jìn)行到該目標(biāo)，這一方法在文獻(xiàn)：Boukhezzar B.，Siguerdidjane H.的"Nonlinear control of variable speed wind turbine without wind speed measurement(不使用風(fēng)速測(cè)量的可變速風(fēng)輪機(jī)的非線(xiàn)性控制）"，IEEE Control and Decision Conference (2005)中被描述。該方法不夠準(zhǔn)確，因?yàn)轱L(fēng)重建是極度非代表性的。 的確，根據(jù)該方法，風(fēng)是不結(jié)構(gòu)化的，其被認(rèn)為是白噪聲，這在試驗(yàn)中不是這樣的。
[0013] 本發(fā)明的目的設(shè)計(jì)控制風(fēng)輪機(jī)的方法以最優(yōu)化產(chǎn)出的能量，控制考慮入射風(fēng)速的 估算從而獲得最優(yōu)化的控制。風(fēng)速的估算通過(guò)考慮來(lái)自轉(zhuǎn)子速度的測(cè)量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、考 慮為施加于發(fā)電機(jī)上的扭矩以及渦輪葉片的定向以進(jìn)行精確估算而達(dá)到。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明涉及一種控制風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括至少一個(gè)葉片附著到其上的 轉(zhuǎn)子和連接到所述轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中所述葉片的傾角0和所述電機(jī)的電恢復(fù)扭矩I;是已 知的。該方法包括實(shí)行以下階段：
[0015] a)通過(guò)應(yīng)用動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)原理到所述轉(zhuǎn)子，構(gòu)造所述轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型，所述模型 將所述風(fēng)輪機(jī)的入射風(fēng)速\與所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速所述葉片的所述傾角0以及所述電恢復(fù) 扭矩T e相關(guān)，
[0016] b)測(cè)量所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)速
[0017] c)通過(guò)所述轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型、所述測(cè)量的相關(guān)聯(lián)的所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速Q(mào),、所述葉片 的所述傾角9、以及所述電扭矩T e，來(lái)確定所述入射風(fēng)速Vw，以及
[0018] d)根據(jù)所述入射風(fēng)速vw來(lái)控制所述葉片的所述傾角0和/或所述電恢復(fù)扭矩 Te，以最優(yōu)化由所述風(fēng)輪機(jī)的能量產(chǎn)出。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，所述轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型撰寫(xiě)為以下類(lèi)型的公式
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種控制風(fēng)輪機(jī)的方法，所述風(fēng)輪機(jī)包括至少一個(gè)葉片附著到其上的轉(zhuǎn)子和連接到 所述轉(zhuǎn)子的電機(jī)，其中所述葉片的傾角0和所述電機(jī)的電恢復(fù)扭矩T。是已知的，其特征在 于，所述方法包括W下階段： a) 通過(guò)對(duì)所述轉(zhuǎn)子應(yīng)用動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)原理，構(gòu)造所述轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型，所述模型將所 述風(fēng)輪機(jī)的入射風(fēng)速V，與所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Of、所述葉片的所述傾角0W及所述電恢復(fù)扭矩 Te相關(guān)， b) 測(cè)量所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)速Q(mào)f， C)通過(guò)所述轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型、所述測(cè)量的所述轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速Q(mào)f、所述葉片的所述傾角 0、W及所述電扭矩T。，來(lái)確定所述入射風(fēng)速V，，W及 d)根據(jù)所述入射風(fēng)速V，來(lái)控制所述葉片的所述傾角0和/或所述電恢復(fù)扭矩T。，^ 最優(yōu)化所述風(fēng)輪機(jī)的能量產(chǎn)出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型被寫(xiě)為W下類(lèi)型的 公式：
其中，Jt是所述轉(zhuǎn)子的慣量，T。。,。是應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)子的空 氣動(dòng)力學(xué)扭矩，所述空氣動(dòng)力學(xué)扭矩依賴(lài)于所述入射風(fēng)速V，、所述轉(zhuǎn)子的所述轉(zhuǎn)速Q(mào)及 所述傾角0，Ti(Qt)是轉(zhuǎn)子上的摩擦和負(fù)載扭矩，所述摩擦和負(fù)載扭矩扭矩依賴(lài)于所述轉(zhuǎn) 子的所述轉(zhuǎn)速Q(mào)f，W及N是所述轉(zhuǎn)子和所述電機(jī)之間的傳動(dòng)比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，應(yīng)用于所述轉(zhuǎn)子的所述空氣動(dòng)力學(xué)扭矩 被寫(xiě)成W下形式的公式：
，其中，Rb是所述轉(zhuǎn)子的半徑，P是 空氣密度，C。是根據(jù)所述傾角0和比率^映射所述轉(zhuǎn)子來(lái)確定的參數(shù)。
4.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述入射風(fēng)速V，被認(rèn)為是諧波擾 動(dòng)，所述入射風(fēng)速V，能寫(xiě)成W下類(lèi)型的公式：
廷中，P是考慮的諧波數(shù)量， ?k是諧波k的頻率，Ck是諧波k的系數(shù)，W及所述入射風(fēng)速V，是如下確定的：通過(guò)所述轉(zhuǎn) 子動(dòng)力學(xué)模型確定參數(shù)和Ck，然后從中導(dǎo)出所述入射風(fēng)速V，。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，諧波k的所述頻率是使用W下類(lèi)型的公式 來(lái)確定的；
6.根據(jù)權(quán)利要求3和5所述的方法，其特征在于，系數(shù)Ck是通過(guò)求解W下形式的方程 組來(lái)確定的：
其中，L。是控制所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的估算的收斂速率的增益，Lk是控制諧波分解的收斂速 率的增益，W及Q代表測(cè)量的轉(zhuǎn)子速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述增益L?；旧系扔?，并且所述增益 Lk由W下類(lèi)型的公式來(lái)確定：
8. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，所述傾角0通過(guò)W下各階段來(lái)控 制； i) 根據(jù)所述入射風(fēng)速V，、所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速Q(mào)f的測(cè)量值W及所述電機(jī)軸轉(zhuǎn)速Q(mào)。，確定允 許最大化能量回收的空氣動(dòng)力學(xué)扭矩給定值72。和電機(jī)扭矩給定值 ii) 通過(guò)減去與測(cè)量到的轉(zhuǎn)子速度Qf與測(cè)量到的電機(jī)速度Q。之間的差值成比例的 項(xiàng)，修改所述給定值中的至少一個(gè)， iii) 確定允許達(dá)到所述空氣動(dòng)力學(xué)扭矩給定值r。':。的所述葉片的傾角0sp，W及 iv) 根據(jù)所述傾角0SP來(lái)定向所述葉片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述給定值的至少一個(gè)通過(guò)執(zhí)行W下階 段被修改： (1) 確定得自所述空氣動(dòng)力學(xué)扭矩72。和電機(jī)扭矩7T給定值的所述傳動(dòng)裝置的扭矩 Tres? (2) 通過(guò)從所得的扭矩Tres中減去與測(cè)量到的轉(zhuǎn)子速度Q濟(jì)測(cè)量到的電機(jī)速度Q義 間的差值成比例的項(xiàng)，確定所得的扭矩給定值:C，W及 (3) 通過(guò)在空氣動(dòng)力學(xué)扭矩:C:。和電機(jī)扭矩77之間分發(fā)所得的扭矩給定值7；;:，修改所 述空氣動(dòng)力學(xué)扭矩給定值了品。。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所得的扭矩給定值疋:被寫(xiě)成W下形式： 7：：=吊-炒,,，其中，k嚴(yán)格地是正校準(zhǔn)參數(shù)，W及;是齒輪傳動(dòng)裝置扭矩的速度，等于轉(zhuǎn)子 速度Q濟(jì)開(kāi)始于相同軸的電機(jī)速度Q義間的差值：九巧中N是所述轉(zhuǎn)子和 所述電機(jī)之間的齒輪齒數(shù)比。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8到10中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述葉片的所述傾角是 通過(guò)轉(zhuǎn)換空氣動(dòng)力學(xué)扭矩模型并使用所述入射風(fēng)速V，和測(cè)量到的轉(zhuǎn)子速度Qt來(lái)確定的。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8到11中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述比例項(xiàng)是使用傳動(dòng) 裝置動(dòng)力學(xué)模型來(lái)確定的。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的涉及一種控制風(fēng)輪機(jī)的方法，從而優(yōu)化產(chǎn)出能量，控制考慮入射風(fēng)速Vw的估算以獲得最優(yōu)控制(COM)θsp，。風(fēng)速Vw的估算通過(guò)考慮來(lái)自轉(zhuǎn)子速度Ωr的測(cè)量的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(MOD DYN)、施加于發(fā)電機(jī)上的扭矩Te、以及渦輪葉片的方位θ而達(dá)到。
【IPC分類(lèi)】F03D11-00, F03D7-04, F03D7-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104797813
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201380051197
【發(fā)明人】J·肖萬(wàn), G·哈菲迪-拉米葉海亞維
【申請(qǐng)人】Ifp新能源公司
【公開(kāi)日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2013年9月4日
【公告號(hào)】EP2904265A1, WO2014053718A1