用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法、系統(tǒng)和控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明第一方面涉及一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，第二方面涉及一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的系統(tǒng)，第三方面涉及一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器，并且第四方面涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來(lái)，風(fēng)力渦輪機(jī)軟件和硬件的復(fù)雜程度有所增加。例如，從風(fēng)力渦輪機(jī)收集的數(shù)據(jù)量顯著增加，包括每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的上千個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)。并且，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片俯仰的控制變得更精密，用以例如，降低風(fēng)力渦輪機(jī)元件受到的作用力，以及增加風(fēng)力渦輪機(jī)的效率和/或類似目的。另外，風(fēng)力渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)已經(jīng)改進(jìn)，并且風(fēng)力渦輪機(jī)與電網(wǎng)的聯(lián)系的控制更先進(jìn)。這些改進(jìn)需要一種具有提高的耐久性和安全性的有效的風(fēng)力渦輪機(jī)。但是，也需要穩(wěn)定和可靠的復(fù)雜控制。
[0003]EP2080903公開(kāi)了一種風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)，其具有彼此耦接的兩個(gè)控制單元。其中一個(gè)控制單元包括一組用于風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)行的關(guān)鍵控制功能，另一控制單元是次要的控制單元，包括非關(guān)鍵的控制功能。但是，這種解決方案受限于下述形式的缺點(diǎn):例如使得系統(tǒng)很貴以及很復(fù)雜的限制。
[0004]本發(fā)明的目的是降低風(fēng)力渦輪機(jī)的成本和/或提供穩(wěn)定和可靠的風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明涉及一種通過(guò)風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，其中風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)包括第一控制器和第二控制器，所述風(fēng)力渦輪機(jī)的所述控制包括處理第一組控制功能和第二組控制功能。
[0006]其中所述第一組控制功能是非關(guān)鍵的控制功能，
[0007]其中所述第二組控制器功能包括一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵控制功能，其對(duì)于所述風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。
[0008]其中所述第一控制器處理所述第一組控制功能，
[0009]其中所述第二控制器是安全性控制器，其在所述風(fēng)力渦輪機(jī)的緊急關(guān)斷期間，通過(guò)所述關(guān)鍵控制功能控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)。
[0010]其中所述第二控制器進(jìn)一步控制所述關(guān)鍵控制功能中的一個(gè)或多個(gè)，以在風(fēng)力渦輪機(jī)處于發(fā)電模式時(shí)提供用于控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出。
[0011]這有助于在正常運(yùn)行和緊急關(guān)斷期間均提供可靠的控制，例如，由于第二控制器優(yōu)選比第二控制器運(yùn)行的安全性程度更高。由于第二控制器是安全性控制器，因此，其正常情況下在允許用作安全性控制器運(yùn)行之前，需要由例如第三方(例如批準(zhǔn)或認(rèn)證機(jī)構(gòu))的更高程度的批準(zhǔn)。進(jìn)一步，與第一控制器必須符合的要求相比，第二控制器在更新或修改第二控制器的硬件和/或軟件之后，必須符合嚴(yán)格的要求。因此，可以在沒(méi)有或者至少是有由批準(zhǔn)機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的有限要求的情況下，執(zhí)行涉及第一控制器的更新。
[0012]并且，可以實(shí)現(xiàn)了與例如改進(jìn)的費(fèi)用效率有關(guān)的其他優(yōu)點(diǎn)。
[0013]非關(guān)鍵的控制功能包括數(shù)據(jù)的記錄，潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制和/或監(jiān)視，控制系統(tǒng)監(jiān)視，發(fā)電機(jī)監(jiān)視，風(fēng)力渦輪機(jī)等的一個(gè)或多個(gè)液壓系統(tǒng)的控制和/或監(jiān)視，環(huán)境數(shù)據(jù)(例如環(huán)境溫度和/或濕度)的監(jiān)視，氣象參數(shù)(例如用于檢測(cè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片上的冰的冰凍檢測(cè)系統(tǒng)，用于融化葉片上的冰的加熱系統(tǒng)和/或類似系統(tǒng))的監(jiān)視。
[0014]通常，可以理解，非關(guān)鍵控制功能優(yōu)選包括對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)的安全性和/或機(jī)械負(fù)載來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵的功能。例如，如果風(fēng)力渦輪機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)故障或者至少觸發(fā)報(bào)警，那么風(fēng)力渦輪機(jī)要么繼續(xù)運(yùn)行，要么可以進(jìn)入與緊急關(guān)斷程序不同的風(fēng)力渦輪機(jī)的正常關(guān)斷程序。非關(guān)鍵控制功能的另一示例是基于風(fēng)力渦輪機(jī)內(nèi)部的面板的登記的溫度的監(jiān)視和/或動(dòng)作，其中面板包圍一個(gè)或多個(gè)發(fā)熱設(shè)備，例如電路板形式的電子元件，電源和/或類似部件。
[0015]可以理解，在各方面中，關(guān)鍵控制功能分為用于向風(fēng)力渦輪機(jī)的控制裝置提供輸出的控制功能以及用于監(jiān)視關(guān)鍵輸入的關(guān)鍵監(jiān)視功能，其中關(guān)鍵輸入是以安全的方式控制風(fēng)力渦輪機(jī)所需的。這在后面會(huì)詳細(xì)描述。這些關(guān)鍵控制功能優(yōu)選由第二控制器處理。
[0016]優(yōu)選地，由第二控制器處理的所有控制功能是關(guān)鍵的，但是，在各方面中，由第二控制器處理的一個(gè)或多個(gè)控制功能可以是非關(guān)鍵的控制功能。
[0017]在本文中，“發(fā)電模式”應(yīng)理解為風(fēng)力渦輪機(jī)處于“正常”運(yùn)行模式，并不處于緊急關(guān)斷的關(guān)斷模式?！鞍l(fā)電模式”或“正?！边\(yùn)行模式可以理解為風(fēng)力渦輪機(jī)啟動(dòng)發(fā)電的時(shí)候，其運(yùn)行用以發(fā)電的時(shí)候，由于例如風(fēng)速過(guò)低和/或風(fēng)力渦輪機(jī)中檢測(cè)到非關(guān)鍵故障而關(guān)斷的時(shí)候和/或類似情況。
[0018]非關(guān)鍵故障例如包括晃動(dòng)報(bào)警，其識(shí)別出軸承或齒輪應(yīng)當(dāng)維修以避免對(duì)于軸承或發(fā)電機(jī)的進(jìn)一步損壞，和或類似情況。這些非關(guān)鍵故障允許風(fēng)力渦輪機(jī)的正常關(guān)斷程序，該程序可以將例如作用于電網(wǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)納入考慮，以在關(guān)斷期間將作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的臨界力降低至最小和/或類似情況。
[0019]可被認(rèn)為是非關(guān)鍵故障的另一示例可以是，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的冷卻系統(tǒng)報(bào)告錯(cuò)誤，其允許冷卻系統(tǒng)在關(guān)斷之前至少繼續(xù)運(yùn)行較短的一段時(shí)間，因此，允許正常關(guān)斷程序。但是，在各方面中，冷卻系統(tǒng)的控制被認(rèn)為是關(guān)鍵的控制功能。
[0020]另一方面，由于例如風(fēng)力渦輪機(jī)的安全以及同時(shí)快速(與正常關(guān)斷相比)的關(guān)斷，與正常關(guān)斷相比，使得風(fēng)力渦輪機(jī)的緊急關(guān)斷更可能引起或至少在風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)和其元件上施加顯著變高的壓力應(yīng)力值。如果，例如用于測(cè)量風(fēng)速和/或方向的測(cè)量裝置突然故障，那么風(fēng)力渦輪機(jī)可能不會(huì)正確動(dòng)作，并且由此因此，風(fēng)力渦輪機(jī)受限于由于風(fēng)向或風(fēng)速的改變引起而承受的關(guān)鍵的臨界力。該這些力可以在風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)和元件上引起嚴(yán)重的機(jī)械荷載，并導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)的主要元件，(例如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或發(fā)電機(jī))斷裂或需要更換。另外或者作為替換，其會(huì)使葉片和/或塔上的嚴(yán)重機(jī)械荷載達(dá)到會(huì)斷裂或嚴(yán)重?fù)p壞塔或葉片的程度。因此，該關(guān)鍵故障對(duì)于人的安全和/或風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)可能是關(guān)鍵的。因此，第二控制器可以進(jìn)入緊急關(guān)斷模式，其中第二控制器以安全方式關(guān)斷風(fēng)力渦輪機(jī)，優(yōu)選基于，例如風(fēng)力渦輪機(jī)塔和/或風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的晃動(dòng)/振動(dòng)測(cè)量值，并據(jù)此執(zhí)行葉片俯仰。在緊急關(guān)斷期間，風(fēng)力渦輪機(jī)相對(duì)于電網(wǎng)的作用可以至少部分地被忽略，在緊急關(guān)斷期間可以允許作用在風(fēng)力渦輪機(jī)元件和風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的力比正常關(guān)斷期間更大，和/或類似情況。
[0021]第一控制器和第二控制器可以是獨(dú)立的分離的控制單位，其各自布置在單獨(dú)的外殼中，并且例如，在實(shí)施例中，可以由不同電源供電。然而，替代地，第一和第二控制器可以布置在風(fēng)力渦輪機(jī)中的共同的外殼中，并且在另一實(shí)施例中，可以共享硬件，例如計(jì)算處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路板、輸入/輸出裝置和/或類似裝置。由于本發(fā)明，風(fēng)力渦輪機(jī)的成本得以降低，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行和緊急關(guān)斷期間均可以保證安全性水平，從而可以減少用于例如塔和其他元件的材料的量，這是由于可以控制到與機(jī)械設(shè)計(jì)限制更接近。
[0022]另外，劃分控制器之間的功能有助于下述情況:與所有功能都需要第二控制器處理相比，可以減少了認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)于第二控制器的認(rèn)可的需要。原因在于:由于第二控制器是安全性控制器，其控制功能的修改可能引起所需的認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)于第二控制器的新的認(rèn)可。
[0023]在本發(fā)明的方面中，所述第二組控制功能對(duì)于控制所述風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械荷載來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。
[0024]例如，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的俯仰的控制在很大程度上對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)涉及機(jī)械荷載和人的安全的安全性是關(guān)鍵的。舉例來(lái)說(shuō)，如果由于例如測(cè)量錯(cuò)誤或者故障的風(fēng)速傳感器，葉片突然啟動(dòng)以進(jìn)一步向風(fēng)中俯仰，那么這對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的，因?yàn)槠鋾?huì)影響作用在風(fēng)力渦輪機(jī)塔、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、發(fā)電機(jī)和/或風(fēng)力渦輪機(jī)的幾個(gè)其他元件上的機(jī)械荷載，甚至?xí)_(dá)到元件和/或整個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)本身斷裂的程度。應(yīng)當(dāng)注意，葉片俯仰通常用于控制作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的力。
[0025]另一示例是監(jiān)視和/或塔的振動(dòng)和/或葉片振動(dòng)的控制。如果塔開(kāi)始振動(dòng)，例如位于共振頻率內(nèi)的振動(dòng)范圍，那么這嚴(yán)重影響風(fēng)力渦輪機(jī)的安全性和/或作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的機(jī)械荷載。因此，在各方面中，用于防止關(guān)鍵的塔和/和葉片振動(dòng)的該風(fēng)力渦輪機(jī)的監(jiān)視和/或風(fēng)力渦輪機(jī)控制可被認(rèn)為是關(guān)鍵的控制功能。
[0026]關(guān)鍵控制功能的另一示例是功率速度控制，S卩，將機(jī)艙偏航以相對(duì)于風(fēng)向保持在正確位置。如果風(fēng)向改變，機(jī)艙沒(méi)有相應(yīng)偏航，破壞力會(huì)作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上。
[0027]例如，這可以在風(fēng)力渦輪機(jī)處于發(fā)電模式時(shí)提高風(fēng)力渦輪機(jī)的控制的安全性，這也是為了確保安全緊急關(guān)斷。
[0028]在本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述第二控制器以比所述第一控制器更高的安全性等級(jí)運(yùn)行。
[0029]例如，這對(duì)于防止風(fēng)力渦輪機(jī)的緊急關(guān)斷是有利的，這是因?yàn)?由于安全性控制器，風(fēng)力渦輪機(jī)在正常運(yùn)行期間和緊急關(guān)斷期間，運(yùn)行在更高標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)。因此，不同的安全性等級(jí)例如可以有利于由第二控制器在風(fēng)力渦輪機(jī)的正常運(yùn)行期間，以比第一控制器處理第一組控制功能高的標(biāo)準(zhǔn)安全性等級(jí)處理第二組控制功能。同時(shí)，由于減少了第一控制器運(yùn)行的需要，更容易執(zhí)行第一控制器的軟件和/或硬件的更新，這是由于不必設(shè)計(jì)第一控制器符合某些安全性標(biāo)準(zhǔn)。
[0030]安全性控制器可以例如確保功能安全性，即確保設(shè)備響應(yīng)于其輸入正確運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)該功能安全性，該安全性控制器適用于滿足下述要求，例如IEC EN61508 “電氣/電子/可編程電子安全性相關(guān)系統(tǒng)的功能安全性(E/E/PE，或E/E/PES)”。進(jìn)一步相關(guān)的安全性標(biāo)準(zhǔn)可以是IEC 61062和ISO EN 13849(基于IEC EN61508)。自然地，其他安全性標(biāo)準(zhǔn)在某些情況下也是相關(guān)的。功能安全性標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于硬件和軟件設(shè)計(jì)具有顯著影響。該功能標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注從想法到產(chǎn)品，以及維護(hù)，直到產(chǎn)品淘汰的整個(gè)產(chǎn)品生命周期。例如，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于文件、分析、測(cè)試、校驗(yàn)等都是很嚴(yán)格的，以確保產(chǎn)品獲得很高的安全性等級(jí)。
[0031]在本發(fā)明的有利方面，所述第二控制器是冗余控制器。
[0032]舉例來(lái)說(shuō)，在正常運(yùn)行期間和在緊急關(guān)斷期間由冗余控制器運(yùn)行所述風(fēng)力渦輪機(jī)的特征增加了風(fēng)力渦輪機(jī)在正常運(yùn)行期間和在緊急關(guān)斷期間風(fēng)力渦輪機(jī)的安全性和可靠性。
[0033]通過(guò)估計(jì)第二控制器每小時(shí)危險(xiǎn)的故障的發(fā)生概率，可以確認(rèn)安全性等級(jí)。優(yōu)選地，安全性控制器被設(shè)計(jì)成每小時(shí)出現(xiàn)的故障比第一控制器顯著減少。
[0034]術(shù)語(yǔ)“冗余”應(yīng)被理解為可能對(duì)于第二控制器運(yùn)行來(lái)說(shuō)關(guān)鍵的某些硬件元件和/或軟件應(yīng)用被復(fù)制以增加系統(tǒng)的可靠性。
[0035]由于第一控制器安全性需求降低，因此，第一控制器可以是不包括冗余硬件和/或軟件的控制器。
[0036]在本發(fā)明的有利方面，所述第二控制器包括接收一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)輸入裝置，處理來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)輸入的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理裝置以及數(shù)據(jù)輸出裝置，該數(shù)據(jù)輸出裝置基于所述一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)輸入的所述處理，向來(lái)自所述第二控制器的所述一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)輸出提供數(shù)據(jù)，并且，所述第二控制器的所述數(shù)據(jù)處理裝置包括至少兩個(gè)處理裝置和驗(yàn)證裝置，每個(gè)處理裝置根據(jù)相同的一組規(guī)則處理代表相同數(shù)據(jù)的輸入，驗(yàn)證裝置從所述處理裝置的至少一個(gè)中選擇輸出