用于风力涡轮机的关机控制器和风力涡轮机的关机方法
【专利摘要】本发明提供一种用于风力涡轮机的关机控制器。为改进对风力涡轮机的状态的评估，控制器包括至少两个传感器，所述至少两个传感器适于提供对于风力涡轮机中的不同机械状态有重要作用的传感器数据。控制器能够基于来自所述至少两个传感器的传感器数据来提供风力涡轮机的评估状态，并且将风力涡轮机的状态与预定的检测极限相比较，以在所述评估状态超出检测极限的情况下提供关机信号。
【专利说明】用于风力涡轮机的关机控制器和风力涡轮机的关机方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于风力涡轮机的关机控制器。
【背景技术】
[0002]关机控制器和负载控制器通常被应用在风力涡轮机中，以保护塔架、叶片、传动装置、发电机、以及其它部件免受结构性过载影响。
[0003]风力涡轮机结构上的负载主要源自转子平面和塔架上的风压。因此，负载取决于风速、湍流、风强度、以及包括叶片桨距角和偏航角在内的各种设定值。所述偏航角表现转子轴相对于风向的角度。
[0004]负载传统上由测量涡轮机的各种机械状态的各种传感器来测量，所述传感器在此称为机械状态传感器。所述传感器的实施例包括用于感应旋转速度的传感器、用于感应振荡级别(例如被测量为塔架加速度)的传感器、用于感应叶片负载(例如由固定在叶片根部中的应变仪来测量)的传感器、以及叶片桨距角传感器，所述叶片桨距角传感器确定风入射角并且因此确定能够发生的风能转换成转子能量的等级。
[0005]传统涡轮机基于单一传感器输入来关机，其中，一个传感器信号测量一个状态(例如转子速度)，并且当信号达到预定极限时启动关机。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种使得风力涡轮机免受控制系统失效和结构性过载影响的改进保护。这包括抵御系统性故障(诸如软件故障)的保护。
[0007]因此，在第一方面，本发明提供一种用于风力涡轮机的关机控制器，所述控制器包括至少两个传感器，所述至少两个传感器适于提供对于风力涡轮机中的不同机械状态有重要作用传感器数据，所述控制器适于基于来自所述至少两个传感器的传感器数据来提供风力涡轮机的评估状态，其中，所述控制器适于将风力涡轮机的状态与预定的检测极限相比较，并且在评估状态超出预定的检测极限的情况下提供关机信号。
[0008]与单一传感器输入相比，根据本发明的关机控制器能够减小结构性过载，以适应故障情况。
[0009]在此“机械状态”应该大体被理解为机械状态及其衍生物。机械状态被定义为在不限于涡轮机的特定区域的情况下，风力涡轮机的结构状态。作为实施例，机械状态可以是塔架、叶片、转子、轮毂、或风力涡轮机中的任何位置的应变，风力涡轮机的温度或甚至风力涡轮机附近的温度，结构性元件(诸如塔架、转子、或叶片等等)的速度、加速度和/或振荡。
[0010]在此，涡轮机的机械状态将由向量X指代。根据本发明，这个向量X基于来自数个传感器的输入来确定，例如一个或多个传感器信号的组合，所述传感器信号提供例如转子速度ωκ、桨距角Θ、塔架偏转度yt、或叶片偏转度β等等。
[0011]能够清楚认识的是，结构危态与状态向量X紧密相关。例如，塔架顶部偏转度yt的值与塔架上的负载紧密相关。类似地，旋转速度《1；支配涡轮机上的大部分负载。状态空间的概念促使引入可容许状态空间χΑ。这个可容许状态空间是涡轮机上的负载处于设计范围内的状态空间。
[0012]通常对于反馈控制方案，控制向量是状态向量X的函数。在实践中，这通过利用状态的评估来实施，所述状态的评估通过测量(传感器)或基于模型的评估器(例如观察器)来获得。
[0013]因此，本发明提供这样一种改进的关机控制器，其从Ι-d(—维)拓展到N_d(多维)，由此与现有技术中的用于风力涡轮机的关机控制器相比有助于改进的保护。
[0014]检测极限可以表现为包，例如凸包。凸包的优点在于其例如通过求解线性程式来使得在线确定状态向量是否在包内部变得容易。
[0015]因此，控制器可以尤其适于通过求解线性程式(例如包括利用Simplex算法)来确定风力涡轮机的状态是位于凸包内部还是在凸包外部。
[0016]大体上，关机控制器可以被应用在任何类型的风力涡轮机中。然而，有利地，控制器被应用在水平轴线风力涡轮机中。要求保护的至少两个传感器适于提供对于风力涡轮机中的不同机械状态有重要作用传感器数据，所述至少两个传感器可以是在风力涡轮机控制中通常已知的类型，并且所述至少两个传感器可以包括例如叶片弯折传感器(例如光传感器等等)、转子速度传感器、转子弯折传感器、塔架加速度传感器、风速传感器、产能传感器、传动装置负载传感器等等。
[0017]关机控制器将风力涡轮机的状态与预定的检测极限相比较的方法将参考后续附图详细来描述。
[0018]大体上，风力涡轮机由在一个或多个计算机单元中物理实施的各种控制函数来控制。在此，我们大体将“风力涡轮机控制器”称为在风力涡轮机中运行的所有控制函数的组合，例如负载控制、产能和并网(grid compliance)控制、噪音发射控制等等。根据本发明的关机控制器可以形成现存控制器或风力涡轮机中的其中一个现存控制器的集成部分，或所述关机控制器可以形成风力涡轮机中的单独单元。
[0019]检测极限可以基于涡轮机的结构特性和关机机构的能力(例如关机期间的变桨距速度)来限定。
[0020]而且，控制器可以包括例如基于无线通讯的通讯装置，以使得控制器能够与叶片变桨距装置通讯，并且由叶片变桨距来启动关机。
[0021]通讯也可以允许控制器设定变桨距装置的速度。所述速度可以是在叶片变桨距期间维持的固定速度，或所述速度可以是可变速度，即，所述速度在叶片变桨距期间改变。所述可变速度可以是逐步变速或无级变速。
[0022]可能有利的是，使叶片各自地变桨距例如以抵消风剪切等等。根据本发明的关机控制器可以将变桨距信号各自地与用于数个叶片的变桨距装置通讯，以使得叶片能够例如根据风切变或根据在各个叶片上测量的传感器信号来变桨距。
[0023]此外，通讯可以允许关机控制器设定涡轮机的偏航角、在风力涡轮机中的发电机上的负载等等。
[0024]由于控制器是关机控制器，因此所述控制器在必须快速关机的紧急情况下也应该是稳定和可靠的。为此目的，控制器和到变桨距装置的任何通讯装置应该例如由电池等等来紧急供电。为此目的，变桨距装置也应该被紧急供电、或变桨距装置和叶片的结构应该使得叶片将在电源故障或与根据本发明的控制器通讯故障时进行平桨运动(feather)。
[0025]检测极限Xd可以取决于能够应用到关机策略的约束值。检测极限可以基于包含固定速度的约束值或基于可变速度(例如基于叶片的变桨距速度或加速度)来限定，风力涡轮机的叶片能够由叶片变桨距装置以所述固定速度来变桨距。为此目的，检测极限可以限定成使得可获得速度被考虑在内，风力涡轮机的叶片能够由叶片变桨距装置以所述可获得速度来变桨距。即，慢反应的叶片变桨距装置可能要求较小的检测极限XD。
[0026]检测极限可以基于不同测量来大体限定，所述测量包括但不限于桨距角，例如风力涡轮机的每个叶片的各个桨距角、转子速度ωκ、桨距角Θ、塔架偏转度yt、以及叶片偏转度β。检测极限可以基于历史数据来适应性地调整，所述历史数据诸如具体类型的事件的次数，例如过度负载的次数、转子转数、涡轮机的寿命等等。
[0027]控制器例如可以适于利用控制方案来操作，所述控制方案规定用于风力涡轮机的检测极限和/或关机变桨距策略。关机变桨距策略可以例如规定用于叶片变桨距的速度或加速度特征曲线，或其可以规定叶片应该同时或各自地变桨距。
[0028]控制器可以适于在为风力涡轮机预定的不同控制方案之间选择。选择可以基于涡轮机的寿命或基于可容许状态空间已经被超过的事件的量。
[0029]控制方案或至少检测极限可以基于风力涡轮机上的事件来适应性地调整。所述适应性地调整在此意味着连续改变或以特定间隔逐步改变。所述调整可以基于风力涡轮机的寿命和/或基于经验负载，例如极限负载。作为实施例，负载历史可以被记录、分析以及用于这样的适应。
[0030]在一个实施方式中，在预定范围以上的经验负载的次数被统计，并且所述次数被用于选择合适的控制方案。在另一实施方式中，疲劳负载历史由历史负载数据来确定，并且控制方案从所述疲劳负载历史中选择。
[0031]在第二方面，本发明提供一种风力涡轮机的关机方法，所述方法包括提供至少两个不同组的数据，所述数据组对于风力涡轮机中的不同机械状态而言是重要的，所述方法包括由所述至少两个不同组的数据提供风力涡轮机的状态、以及基于风力涡轮机的状态与预定的检测极限之间的比较来将风力涡轮机关机。
[0032]检测极限可以基于涡轮机的结构特性来限定，所述结构特性例如关键部件的强度、以及关机系统的能力，所述关机系统的能力例如关机期间最大变桨距速度、对各叶片各自地执行变桨距的能力、控制变桨距的速度或加速度的能力等等。
[0033]所述方法可以包括以下步骤:
[0034]将检测极限确定为凸包；并且
[0035]通过求解线性程式确定风力涡轮机的状态是否在包内。
[0036]线性程式的求解尤其可以涉及利用Simplex算法。
[0037]大体上，所述方法可以包括在根据第一方面的控制器中包含的任何步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]现在将参考以下附图并以实施例的方式描述本发明，其中:
[0039]图1示出在时间h启动的与安全性相关的控制函数，所述控制函数在时间tf将状态向量带到目标集合S(静止)。右方:常规操作空间Xn和可容许状态空间Xa的图解示意图；
[0040]图2在左侧示出琐碎阈值(trivial threshold),所述琐碎阈值被太晚达到而不能避免弹弓效应(slingshot effect)，从而超过可容许状态空间。在右侧，图2示出根据本发明的多维检测极限XD，并且所述多维检测极限允许更早地检测离开常规空间Xn的轨线xn，从而将状态轨线保持在可容许空间Xa内部；
[0041]图3示出传感器输入被用于评估机械结构的状态，向关机控制器中的检测算法提供输入。
【具体实施方式】
[0042]通过以下详细说明和特定实施例，本发明的其它应用范围将更将明显。然而，应该理解的是，所述详细 说明和特定实施例在指示本发明的优选实施方式的同时，仅作为示例性给出，因为对于本领域技术人员而言，本发明范围内的各种改变和修改由这些详细说明将变得明显。
[0043]涡轮机的评估状态在此指的是给定未来输入预测未来状态所需的信息。如同已经提到的，这将被向量X指代。这个向量包含类似转子速度《R、桨距角Θ、塔架偏转度yt、以及叶片偏转度β的量。
[0044]除状态向量之外，还限定控制信号的向量U。对于可变速的桨距控制型涡轮机而言，这个向量包括各个桨距角参考值和用于功率变换系统的功率参考值。
[0045]概括而言，对于反馈控制方案，控制向量是状态向量X的函数。在实践中，这通过利用状态评估实施，所述状态评估通过测量(传感器)或基于模型的评估器(例如观察器)来获得。
[0046]在利用无故障控制器的常规操作中，状态向量和控制向量之间的函数关系由UN指代。
[0047]总结之，我们具有:
r π X ξ \ω,, θ； θ； ν.V.β.β:...1..^ _ ,、 , , \
[0048]1V " ( α, (J I = 1,2,3 ux(t) = U χ(χ,?
^ = ψΙΜ PlllI
[0049]明显的是，结构危态与状态向量X密切相关。例如，塔架顶部偏转度It的值与塔架上的负载密切相关。类似地，旋转速度《1；支配涡轮机上的大部分负载。状态空间的概念促使引入可容许状态空间χΑ。所述可容许状态空间例如可以限定为这样一种状态空间，在所述状态空间中，涡轮机上的负载在设计范围内或在被限定用于风力涡轮机的范围内。
[0050]在常规操作中，状态向量将跟随由常规控制方案支配的轨线。使这条轨线由xN(t)指代。常规控制方案被优化以提供产能、电力质量、疲劳负载、以及极限负载之间的最佳平衡:
[0051]u(t)
[0052]Jn = f(...)
[0053]s.t.[0054]X e Xa[0055]\θ, >k ,/ = 1,2,3
[0056]Pn1 < P
[0057]以上，函数f指代的用于成本的复杂函数JN。此外，如同通过以上约束值指示的那样，所述方案受到用于变桨距速度和功率参考值的约束值的影响。
[0058]轨线优选应该在可容许状态空间Xa内部，以避免结构性过载。由常规操作跨越的空间将由Xn来指代。
[0059]由于以上原因，对于与安全性相关的控制函数的整体要求是将状态向量保持在可容许状态空间Xa内:
[0060]x(t) e χΑ
[0061]常规操作轨线Xn(t)根据定义处于可容许状态空间内部:
[0062]x(t) e Xs c Az ,
[0063]因此，一种解决方案是将常规控制方案指定为与安全性相关且利用参考相关函数安全性标准的与安全性相关的应用所需的原则来实施所有传感器、逻辑、以及致动器。
[0064]但是这种解决方案过于保守，因为轨线外侧乂,在不处于Xa内的情况下将会仅损害结构完整性。此外，Xn的边界构成相当复杂的形状，从而显著增加为检测偏离到Xn的边界外侧的操作轨线设计的任何算法的复杂性。最终，更新常规控制方案将可能改变XN。这反过来将要求高成本地更新 与安全性相关的控制函数，即使被改变的Xn将仍处于可容许空间Xa内。
[0065]现在，假定与安全性相关的控制函数Us防止与常规控制函数的故障相关的风险。概括而言，这种控制方案的目的是使机器在最短可能时间内静止。在最佳控制理论中，这个目的经常限定为获取目标集合S内部的状态:
[0066]u(t) = Us(Mt)J)
τ_?
[0067]J-1dt = M J1 = arg rnin (x(t) | λ.e S')
? 1
[0068].s.t.[0069]X e Xa
θλ — ~ k>{)
[0070]广，&二0^不同集合的约束值指明增加的致动器复杂度
k > U1 > O ，/ = 1,2,3
，/ = 1又3
[0071]在以上公式中，不同集合的约束值被表明为示意与安全性相关的控制函数的约束值能够不同于在常规控制系统上施加的约束值。第一约束值指明仅允许共同的恒速变桨距，而最后约束值允许在最大速度k内利用正负作用来实现各个桨距控制。对于为叶片变桨距的安全相关致动而利用蓄能器供能的液压回路的风力涡轮机而言，叶片变桨距率经常被限制为在关机期间非负。将这与对于每个叶片而言各自地控制紧急变桨距的能力相结合导致以上约束值的第三行。概括而言，在桨距动作上的宽泛约束值能够被预期以增加的复杂性为代价而提供更多的最佳轨线。另一方面，缩紧约束值(例如共同的恒速变桨距)降低复杂性，但对于关机状况而言需要更多的负载方面的上升空间。
[0072]以上描述的术语和机构能够如图1所示地展示。
[0073]左手侧的图表示出以转子速度和塔架偏转度作为轴线的状态轨线的二维图。绿色轨线代表利用被常规控制器控制的涡轮机操作。现在，假定旋转速度超过预定极限gamma，启动与安全性相关的控制函数，所述控制函数在这种情况下由简单的过速保护来代表。与安全性相关的控制函数精心策划涡轮机的关机，从而将涡轮机带到目标集合S (例如静止)。注意到弹弓行为指明固有结构动力学支配这样的路径，状态能够通过所述路径被带到目标集合。涡轮机塔架在关机期间呈现出振荡行为，所述振荡行为由跨越宽泛范围的塔架顶部偏转yt的红色轨线指示出。在实施例中，这个极限振荡是设计驱动的，由限定可容许状态空间Xa的边界的最左点指示。
[0074]在图1的右手侧中给出状态空间的图表代表图，其中绿色空间是用于常规操作的空间。注意到空间具有复杂的形状，指示出所述空间并非由简单的物理边界限定，而是由用于整个涡轮机操作的复杂价值函数限定。并且注意到，Xn并没有延伸到Xa的边界，指示出常规操作通常不是用于极限负载的设计动机。
[0075]现在，从图1的右手侧明显可见的是，一维转子速度阈值没有形成封闭空间。换言之，状态向量能够在不超过阈值gamma的情况下沿多个方向逃离。图2的左手侧示出一个实施例。在此，常规控制器的故障被构想为形成大冲击，最终导致大的塔架顶部偏转度yt。现在，由于冲击与旋转速度相互关联，因此涡轮机最终过速。换言之，涡轮机在时间h达到阈值gamma，这启动精心策划关 机程序的与安全性相关的控制函数。然而，如图所示，弹弓效应导致超过设计负载，所述超过设计负载通过状态轨线超过可容许状态空间来示出。
[0076]图2的右手侧示出防止超过设计负载的功能。根据本发明，状态空间中的阈值被扩展为多维的，从而形成集合XD，其中所述集合Xd的边界用作多维状态空间中的阈值。如图所示，这种概念被构想以与如过速保护那样使用琐碎阈值的情况相比更早地捕捉到异常状态轨线。由于Xd的边界将通过机械结构和结构动力学来确定，因此Xd的形状被预期为由多面体来描述，所述多面体例如在弱阻尼式机械系统轨线的情况下可能与超椭圆体组合。
[0077]用于系统设计的两个动机是:
[0078]-检测集合Xd的维度。换言之，哪些状态需要被测量/评估以确保轨线被保持在可容许空间内？最终，这归结到对于与安全性相关的传感器的需求。
[0079]-致动器约束值。如上所述，在变桨距速度上的缩紧约束值将限制与安全性相关的控制函数的功能性，最终要求检测空间Xd和可容许空间Xa之间的更多的头上空间。
[0080]在非均匀的转子负载不能被检测到的情况下，叶片负载需要是检测空间Xd的一部分。在过多的非均匀的转子负载不能通过仅评估叶片负载来防止的情况下，桨距角和叶片负载的组合能够形成Xd的保护性边界。
[0081 ] 旋转速度自身能够造成例如发电机的过载。因此，可以优选测量转子速度。
[0082]塔架结构的谐波激励能够在任何其它被测量的量没有被超过的情况下导致结构过载。因此，优选测量塔架顶前后和侧旁的加速度。可以采取速度和位置评估。由于速度的零均值特性，速度由积分形成，而位置由于被测量的叶片负载本质上提供冲击评估值而是可观察的。[0083]对于能够被用于与安全性相关的控制函数的桨距致动，可以做出以下假设:
[0084].仅需要正桨距作用。粗略而言，这意味着需要仅叶片升力的减小以用于关机程序。
[0085].叶片应该各自地被控制，从而也允许在关机期间控制倾斜/偏航负载。
[0086]?变桨距速度应该在关机期间可变。来自最佳控制理论的结果表明，最大效果一直是对于最少时间问题的最佳解，但这个结果仅是对于在没有状态约束值的情况下的问题而言有价值。由于可容许状态空间Xa的确构成一组状态约束值，因此最大效果(尽可能快速地变桨距)并非必然是最佳解。
[0087]因此，致动约束值能够简洁地总结为:
[0088]k > <9,- > O ,/.= 1,2,3
[0089]其中k是最大变桨距速度，例如20° /S。
[0090]根据图表，用于结构性过载的与安全性相关的函数能够如图3所描绘。在此，被测量的值被传送到状态评估器(例如Kalman过滤器)，所述状态评估器向检测Xd是否被超过的算法提供输入。同样，评估状态被传送到关机控制器，所述关机控制器为了关机程序可以使用状态评估。
[0091]具体地，检测极限可以表现为凸包，并且风力涡轮机的状态能够表现为在凸包内或凸包外部的参数，即，在参数在凸包边界外部的情况下，风力涡轮机可以有利地被关机。线性程式可以例如根据以下实施例被用于确定参数是否边界内:
[0092]实施例1
[0093]实施例1示出包检测问题如何能够用公式表达成线性程式。这个问题能够通过Simplex算法求解。
[0094]给出在Rd中的η个点的有限集合P，其特性是起点(0，…，O)在P的凸包的内部中，并且给出单点r= (r1；..., rd) e Rd。我们想要确定r是否在P的凸包的内部中。让P的多个点为(Pn, Pi2,...Pid)，其中1 = 1，...，11。通过定义,在存在非负实数λ...，λ η的情况下，r在凸包中(有可能在边界上)，以使得:
[0095].Xl1 Λ =1
[0096].对于所有 j e {1，...，d}而言，得出 r7_ = Yli^pij。
[0097]我们观察到，由于起点O在凸包的内部中，因此在且仅在O和r之间的线段上的所有点(即，s e [O , I]的构型sr的所有点)在凸包中的情况下，得出r在凸包的内部中。此外，在对于一些h>l而言s e [0，h]的构型sr的所有点在凸包中的情况下，r在凸包的内部中。换言之，在且仅在由以下给出的对于线性程式的最佳解值严格大于I的情况下，r在点集合P的凸包的内部中:
【权利要求】
1.一种用于风力涡轮机的关机控制器，所述控制器包括至少两个传感器，所述至少两个传感器适于提供对于风力涡轮机中的不同机械状态有重要作用的传感器数据，所述控制器适于基于来自所述至少两个传感器的传感器数据提供风力涡轮机的评估状态，其中，所述控制器适于将风力涡轮机的状态与预定的检测极限相比较，并且适于在所述评估状态超出检测极限的情况下提供关机信号。
2.根据权利要求1所述的控制器，其适于与叶片变桨距装置通讯，以使得关机由叶片变桨距来启动。
3.根据权利要求2所述的控制器，其适于向叶片变桨距装置通讯变桨距速度。
4.根据权利要求2或3所述的控制器，其适于各自地通讯用于数个叶片的变桨距信号，以使得关机能够由各个叶片变桨距来启动。
5.根据前述权利要求任一所述的控制器，其中，所述评估状态包含从下组选出的至少两个量:转子速度ωκ、桨距角Θ、塔架偏转度yt、以及叶片偏转度β。
6.根据前述权利要求任一所述的控制器，其还适于在不同控制方案之间选择，每个控制方案规定检测极限和关机变桨距策略中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的控制器，适于基于涡轮机的寿命在控制方案之间选择。
8.根据权利要求6-7中任一所述的控制器，其还适于基于经验负载来在不同控制方案之间选择。
9.根据权利要求6-8中任一所述的控制器，其适于统计经验负载在预定负载范围之上的次数，并且利用所述次数来选择合适的控制方案。
10.根据权利要求6-9中任一所述的控制器，其适于确定疲劳负载历史，并且根据所述疲劳负载历史来选择控制方案。
11.根据前述权利要求任一所述的控制器，其还适于基于与风力涡轮机有关的历史数据来适应性地调整检测极限。
12.根据前述权利要求任一所述的控制器，其中，检测极限表现为凸包。
13.根据权利要求12所述的控制器，其适于通过求解线性程式来确定风力涡轮机的状态是否处于检测极限内。
14.根据权利要求13所述的控制器，其中，求解线性程式包括利用Simplex算法。
15.一种在紧急情况下风力涡轮机的关机方法，所述方法包括提供至少两个不同组的数据，所述组对于风力涡轮机中的不同机械状态有重要作用，所述方法包括由所述至少两个不同组的数据提供风力涡轮机的状态，并且基于风力涡轮机的状态和预定的检测极限之间的比较来将风力涡轮机关机。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，检测极限至少部分地基于风力涡轮机的关机系统的能力来限定。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，检测极限至少部分地基于涡轮机的结构特性来限定。
18.根据权利要求15-17中任一所述的方法，包括以下步骤: -将检测极限确定为凸包；并且 -通过求解线性程式来确定风力涡轮机的状态是否在包内。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，求解线性程式包含利用Simplex算法。
【文档编号】F03D7/04GK104011378SQ201280062845
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年11月21日
【发明者】K·哈默鲁姆 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司