用于控制风力涡轮机的方法、系统和控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明第一方面涉及一种控制风力涡轮机的方法，第二方面涉及一种控制风力涡轮机的系统，第三方面涉及一种控制风力涡轮机的控制器，并且第四方面涉及一种风力涡轮机。
【背景技术】
[0002]近几年来，风力涡轮机软件和硬件的复杂程度有所增加。例如，从风力涡轮机收集的数据量显著增加，包括每个风力涡轮机的上千个数据参数。并且，风力涡轮机叶片俯仰的控制变得更精密，用以例如，降低风力涡轮机元件受到的作用力，以及增加风力涡轮机的效率和/或类似目的。另外，风力涡轮机的数据通信系统已经改进，并且风力涡轮机与电网的联系的控制更先进。这些改进需要一种具有提高的耐久性和安全性的有效的风力涡轮机。但是，也需要稳定和可靠的复杂控制。
[0003]EP2080903公开了一种风力涡轮机控制系统，其具有彼此耦接的两个控制单元。其中一个控制单元包括一组用于风力涡轮机运行的关键控制功能，另一控制单元是次要的控制单元，包括非关键的控制功能。但是，这种解决方案受限于下述形式的缺点:例如使得系统很贵以及很复杂的限制。
[0004]本发明的目的是降低风力涡轮机的成本和/或提供稳定和可靠的风力涡轮机控制系统。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种通过风力涡轮机控制系统控制风力涡轮机的方法，其中风力涡轮机控制系统包括第一控制器和第二控制器，所述风力涡轮机的所述控制包括处理第一组控制功能和第二组控制功能。
[0006]其中所述第一组控制功能是非关键的控制功能，
[0007]其中所述第二组控制器功能包括一个或多个关键控制功能，其对于所述风力涡轮机的运行来说是关键的。
[0008]其中所述第一控制器处理所述第一组控制功能，
[0009]其中所述第二控制器是安全性控制器，其在所述风力涡轮机的紧急关断期间，通过所述关键控制功能控制所述风力涡轮机。
[0010]其中所述第二控制器进一步控制所述关键控制功能中的一个或多个，以在风力涡轮机处于发电模式时提供用于控制所述风力涡轮机的输出。
[0011]这有助于在正常运行和紧急关断期间均提供可靠的控制，例如，由于第二控制器优选比第二控制器运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，其正常情况下在允许用作安全性控制器运行之前，需要由例如第三方(例如批准或认证机构)的更高程度的批准。进一步，与第一控制器必须符合的要求相比，第二控制器在更新或修改第二控制器的硬件和/或软件之后，必须符合严格的要求。因此，可以在没有或者至少是有由批准机构批准的有限要求的情况下，执行涉及第一控制器的更新。
[0012]并且，可以实现了与例如改进的费用效率有关的其他优点。
[0013]非关键的控制功能包括数据的记录，润滑系统的控制和/或监视，控制系统监视，发电机监视，风力涡轮机等的一个或多个液压系统的控制和/或监视，环境数据(例如环境温度和/或湿度)的监视，气象参数(例如用于检测风力涡轮机叶片上的冰的冰冻检测系统，用于融化叶片上的冰的加热系统和/或类似系统)的监视。
[0014]通常，可以理解，非关键控制功能优选包括对于风力涡轮机的安全性和/或机械负载来说不是关键的功能。例如，如果风力涡轮机的润滑系统故障或者至少触发报警，那么风力涡轮机要么继续运行，要么可以进入与紧急关断程序不同的风力涡轮机的正常关断程序。非关键控制功能的另一示例是基于风力涡轮机内部的面板的登记的温度的监视和/或动作，其中面板包围一个或多个发热设备，例如电路板形式的电子元件，电源和/或类似部件。
[0015]可以理解，在各方面中，关键控制功能分为用于向风力涡轮机的控制装置提供输出的控制功能以及用于监视关键输入的关键监视功能，其中关键输入是以安全的方式控制风力涡轮机所需的。这在后面会详细描述。这些关键控制功能优选由第二控制器处理。
[0016]优选地，由第二控制器处理的所有控制功能是关键的，但是，在各方面中，由第二控制器处理的一个或多个控制功能可以是非关键的控制功能。
[0017]在本文中，“发电模式”应理解为风力涡轮机处于“正常”运行模式，并不处于紧急关断的关断模式。“发电模式”或“正常”运行模式可以理解为风力涡轮机启动发电的时候，其运行用以发电的时候，由于例如风速过低和/或风力涡轮机中检测到非关键故障而关断的时候和/或类似情况。
[0018]非关键故障例如包括晃动报警，其识别出轴承或齿轮应当维修以避免对于轴承或发电机的进一步损坏，和或类似情况。这些非关键故障允许风力涡轮机的正常关断程序，该程序可以将例如作用于电网的风力涡轮机纳入考虑，以在关断期间将作用在风力涡轮机上的临界力降低至最小和/或类似情况。
[0019]可被认为是非关键故障的另一示例可以是，例如风力涡轮机的冷却系统报告错误，其允许冷却系统在关断之前至少继续运行较短的一段时间，因此，允许正常关断程序。但是，在各方面中，冷却系统的控制被认为是关键的控制功能。
[0020]另一方面，由于例如风力涡轮机的安全以及同时快速(与正常关断相比)的关断，与正常关断相比，使得风力涡轮机的紧急关断更可能引起或至少在风力涡轮机结构和其元件上施加显著变高的压力应力值。如果，例如用于测量风速和/或方向的测量装置突然故障，那么风力涡轮机可能不会正确动作，并且由此因此，风力涡轮机受限于由于风向或风速的改变引起而承受的关键的临界力。该这些力可以在风力涡轮机结构和元件上引起严重的机械荷载，并导致风力涡轮机的主要元件，(例如传动机构或发电机)断裂或需要更换。另外或者作为替换，其会使叶片和/或塔上的严重机械荷载达到会断裂或严重损坏塔或叶片的程度。因此，该关键故障对于人的安全和/或风力涡轮机的结构来说可能是关键的。因此，第二控制器可以进入紧急关断模式，其中第二控制器以安全方式关断风力涡轮机，优选基于，例如风力涡轮机塔和/或风力涡轮机叶片的晃动/振动测量值，并据此执行叶片俯仰。在紧急关断期间，风力涡轮机相对于电网的作用可以至少部分地被忽略，在紧急关断期间可以允许作用在风力涡轮机元件和风力涡轮机结构上的力比正常关断期间更大，和/或类似情况。
[0021]第一控制器和第二控制器可以是独立的分离的控制单位，其各自布置在单独的外壳中，并且例如，在实施例中，可以由不同电源供电。然而，替代地，第一和第二控制器可以布置在风力涡轮机中的共同的外壳中，并且在另一实施例中，可以共享硬件，例如计算处理单元、数据存储电路板、输入/输出装置和/或类似装置。由于本发明，风力涡轮机的成本得以降低，因为在正常运行和紧急关断期间均可以保证安全性水平，从而可以减少用于例如塔和其他元件的材料的量，这是由于可以控制到与机械设计限制更接近。
[0022]另外，划分控制器之间的功能有助于下述情况:与所有功能都需要第二控制器处理相比，可以减少了认证机构对于第二控制器的认可的需要。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认证机构对于第二控制器的新的认可。
[0023]在本发明的方面中，所述第二组控制功能对于控制所述风力涡轮机的机械荷载来说是关键的。
[0024]例如，风力涡轮机叶片的俯仰的控制在很大程度上对于风力涡轮机涉及机械荷载和人的安全的安全性是关键的。举例来说，如果由于例如测量错误或者故障的风速传感器，叶片突然启动以进一步向风中俯仰，那么这对于风力涡轮机来说是关键的，因为其会影响作用在风力涡轮机塔、风力涡轮机叶片、发电机和/或风力涡轮机的几个其他元件上的机械荷载，甚至会达到元件和/或整个风力涡轮机本身断裂的程度。应当注意，叶片俯仰通常用于控制作用在风力涡轮机上的力。
[0025]另一示例是监视和/或塔的振动和/或叶片振动的控制。如果塔开始振动，例如位于共振频率内的振动范围，那么这严重影响风力涡轮机的安全性和/或作用在风力涡轮机上的机械荷载。因此，在各方面中，用于防止关键的塔和/和叶片振动的该风力涡轮机的监视和/或风力涡轮机控制可被认为是关键的控制功能。
[0026]关键控制功能的另一示例是功率速度控制，S卩，将机舱偏航以相对于风向保持在正确位置。如果风向改变，机舱没有相应偏航，破坏力会作用在风力涡轮机上。
[0027]例如，这可以在风力涡轮机处于发电模式时提高风力涡轮机的控制的安全性，这也是为了确保安全紧急关断。
[0028]在本发明的优选方面，所述第二控制器以比所述第一控制器更高的安全性等级运行。
[0029]例如，这对于防止风力涡轮机的紧急关断是有利的，这是因为:由于安全性控制器，风力涡轮机在正常运行期间和紧急关断期间，运行在更高标准的等级。因此，不同的安全性等级例如可以有利于由第二控制器在风力涡轮机的正常运行期间，以比第一控制器处理第一组控制功能高的标准安全性等级处理第二组控制功能。同时，由于减少了第一控制器运行的需要，更容易执行第一控制器的软件和/或硬件的更新，这是由于不必设计第一控制器符合某些安全性标准。
[0030]安全性控制器可以例如确保功能安全性，即确保设备响应于其输入正确运行。为了实现该功能安全性，该安全性控制器适用于满足下述要求，例如IEC EN61508 “电气/电子/可编程电子安全性相关系统的功能安全性(E/E/PE，或E/E/PES)”。进一步相关的安全性标准可以是IEC 61062和ISO EN 13849(基于IEC EN61508)。自然地，其他安全性标准在某些情况下也是相关的。功能安全性标准对于硬件和软件设计具有显著影响。该功能标准关注从想法到产品，以及维护，直到产品淘汰的整个产品生命周期。例如，该标准对于文件、分析、测试、校验等都是很严格的，以确保产品获得很高的安全性等级。
[0031]在本发明的有利方面，所述第二控制器是冗余控制器。
[0032]举例来说，在正常运行期间和在紧急关断期间由冗余控制器运行所述风力涡轮机的特征增加了风力涡轮机在正常运行期间和在紧急关断期间风力涡轮机的安全性和可靠性。
[0033]通过估计第二控制器每小时危险的故障的发生概率，可以确认安全性等级。优选地，安全性控制器被设计成每小时出现的故障比第一控制器显著减少。
[0034]术语“冗余”应被理解为可能对于第二控制器运行来说关键的某些硬件元件和/或软件应用被复制以增加系统的可靠性。
[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/或软件的控制器。
[0036]在本发明的有利方面，所述第二控制器包括接收一个或多个数据输入的数据输入装置，处理来自所述一个或多个数据输入的数据的数据处理装置以及数据输出装置，该数据输出装置基于所述一个或多个数据输入的所述处理，向来自所述第二控制器的所述一个或多个数据输出提供数据，并且，所述第二控制器的所述数据处理装置包括至少两个处理装置和验证装置，每个处理装置根据相同的一组规则处理代表相同数据的输入，验证装置从所述处理装置的至少一个中选择输出