基于存储的桨距角信号停止风力涡轮机转子的制作方法

1.本发明涉及基于存储的桨距角信号控制风力涡轮机，以及具体地，涉及响应于转子停止信号控制风力涡轮机以停止转子。


背景技术：

2.在桨距控制的风力涡轮机中，响应于风况，调节风力涡轮机叶片的桨距，以便获得期望能量产生。随着风力涡轮机转子在操作期间旋转，每个风力涡轮机叶片上的负载变化，例如由于风切变、塔架通道、湍流等。这可引起风力涡轮机叶片之间的负载分布不对称。这是不希望出现的，因为其会导致转子、传动系等上的高负载。为了避免这种情况，有时会使用独立变桨控制策略。根据独立变桨控制策略，调节独立的叶片的桨距角，以便考虑到每个叶片的方位角位置的条件。
3.当生成用于变桨距风力涡轮机的停止命令或关机命令并启动安全操作时，例如由于紧急情况，风力涡轮机叶片一般朝向顺桨位置移动。然而，对于其中风力涡轮机叶片独立地变桨的风力涡轮机，在接收停止命令或关机命令时，风力涡轮机叶片的桨距角并不等同。相反，每个风力涡轮机叶片的桨距角已经以考虑到在所研究的叶片的准确位置处的主要条件的方式进行了调节。在这种情况下，如果在接收停止命令或关机命令时，所有的风力涡轮机叶片都尽可能快地朝向顺桨位置移动，那么随着风力涡轮机叶片在转子平面上继续旋转，将保持桨距角的相互差异，同时朝向顺桨位置移动。结果，丧失了方位角依赖变桨的积极效果。此外，执行关机的涡轮机安全系统可以降低的传感和驱动能力操作，进一步使停止过程中独立变桨的应用复杂化。
4.在ep2290232 a1(mhi)中公开了针对此问题的解决方案，其中，当接收风力涡轮机停住命令时，首先配合风力涡轮机叶片的桨距角，并且一旦配合，叶片朝向顺桨位置移动。
5.此外，wo14173417a1(vestas)公开了作为叶片顺桨的第一步确保桨距对齐的解决方案。在此公开中，处理了对齐的时序。
6.wo2015/003710 a1(vestas)公开了解决方案，其中，在接收关机命令之后，将独立变桨维持在一定程度。在这里，安全控制系统接管叶片的变桨，并通过利用恒定变桨率，以利用恒定变桨率仿真独立变桨的方式维持独立变桨，从而在顺桨过程期间也获得一定程度的不对称负载的缓解。
7.wo2006/007838 a1(vestas)也公开了解决方案，其中，在顺桨过程期间继续进行独立变桨。
8.正是在此背景下设计了本发明。


技术实现要素：

9.本发明的实施方式的一个目的是改进在关机过程期间作用在风力涡轮机的部件上的不对称负载的处理。
10.相应地，在第一方面，提供了响应于转子停止信号以控制风力涡轮机的方法，风力
涡轮机包括带有一个或多个桨距可调节转子叶片的转子；其中，该方法包括以下步骤：
11.在接收转子停止信号之前，通过对于桨距可调节转子叶片中的每一个以至少转子整圈旋转的部分存储桨距角信号，生成存储的桨距角信号；
12.在接收转子停止信号之前或者在接收转子停止信号时，确定存储信号的至少一个周期分量；
13.在接收转子停止信号时，使用包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号，控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。
14.以这种方式，在桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置移动的停止过程期间，在接收转子停止信号之前激活的独立变桨至少在一定程度上被维持。尽管现有技术也已经提供了在停止过程期间缓解转子或塔架上的不对称负载的解决方案，但是本发明的优势在于其综合了在停止转子之前使用的负载缓解桨距动作，并且在停止过程期间应用这种综合后的负载缓解桨距动作。在停止转子之前使用的负载缓解桨距动作通过确定存储信号的至少一个周期分量来获得。综合后的负载缓解桨距动作的应用是通过将包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号包括在桨距可调节转子叶片的应用的桨距信号中来完成的。以这种方式，可获得最佳轨迹的近似，而不会增加复杂性，例如具有作为停止(安全)系统的部分的叶片负载传感器。
15.在另外方面，本发明涉及包括布置为执行根据第一方面的方法的控制系统的风力涡轮机，以及涉及包括当在数据处理系统上执行时适配为控制风力涡轮机的软件代码的计算机程序制品，该计算机程序制品适配为执行第一方面的方法。
16.计算机程序制品可用计算机可读存储介质或者从通信网络可下载来提供。在加载到数据处理系统上时，计算机程序制品包括指令以使数据处理系统，例如以控制器的形式，执行指令。
17.一般，控制器可以是包括一个或多个处理器、一个或多个输入/输出接口和能够存储可由处理器执行的指令的存储器的单元或功能单元的集合。
18.一般，本发明的各个方面可在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将从下文描述的实施方式中变得明显并且参考下文中描述的实施方式来阐明。
附图说明
19.本发明的实施方式将仅通过示例的方式参考附图进行描述，其中：
20.图1以示意图示出了风力涡轮机的示例；
21.图2示意性地示出了实施为响应于转子停止信号控制风力涡轮机的控制器单元；
22.图3示出了涉及确定存储信号的周期分量的方面；
23.图4示出了使用本发明的实施方式获得的桨距信号；
24.图5示出了实施方式，其中安全控制器作为停止控制器实施，该停止控制器布置为以多个预设大致恒定的变桨率独立地变桨叶片。
具体实施方式
25.图1以示意图示出了风力涡轮机1的示例。风力涡轮机1包括塔架2，放置在塔架顶
点处的机舱3，以及可操作地耦合到容纳在机舱3内的发电机的转子4。除发电机以外，机舱容纳将风能转换为电能所需的各种各样的部件以及操作、控制和优化风力涡轮机1的性能所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括中央轮毂5和从中心轮毂5向外突出的多个叶片6。在示出的实施方式中，转子4包括三个叶片6，但是其数量可变化。此外，风力涡轮机包括控制系统。控制系统可放置在机舱内或分布在涡轮机内(或外)的多个位置处，并且通信连接。转子叶片是桨距可调节的，这里用桨距角θ表示。转子叶片可根据集合桨距设置进行调节，其中，每个叶片都布置为相同的桨距值。除此之外，转子叶片根据独立的桨距设置是可调节，其中，每个叶片可提供独立的桨距设定点。转子叶片在转子平面中移动，此处每个叶片在转子平面中的角位置用方位角表示。
26.转子叶片6可经由齿轮箱机械地连接到发电机。在直接驱动系统和其他系统中，可不存在齿轮箱。由发电机生成的电能经由变流器注入电网。发电机和变流器可基于全尺寸变流器(fsc)架构或双馈感应发电机(dfig)架构，但也可以使用其他类型。
27.控制系统包含多个元件，包括至少一个具有处理器和存储器的主控制器，使得处理器能够基于存储在存储器中的指令执行计算任务。一般，风力涡轮机控制器确保风力涡轮机在操作中生成期望功率输出水平。这是通过调节桨距角和/或变流器的功率提取来实现的。为此，控制系统包含桨距系统，其包括使用桨距基准的桨距控制器，以及包含功率系统，其包括使用功率基准的功率控制器。功率控制器控制发电机变流器系统的各种电子部件，以便传输期望功率，下文中控制发电机的扭矩，需要该扭矩以通过转子从风中提取期望功率。风力涡轮机转子包括可通过桨距机制变桨的转子叶片。控制系统或控制系统的元件可放置在电场控制器(未示出)中，使得涡轮机可基于外部提供的指令操作。
28.图2示意性地示出了控制器单元20。本发明的实施方式涉及响应于转子停止信号以控制风力涡轮机。控制器单元实施为具有布置为接收这样的转子停止信号的信号输入21。停止过程通过以下获得：基于要发送到桨距可调节转子叶片的致动器的桨距信号28，控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。桨距信号28使用通过使用本发明的实施方式获得的桨距控制信号22。应当注意，术语停止转子应广义地解释为包括将转子速率降低到更低速率，包括更低的控制速率和空转速率，以及将转子速率降低到完全停住。转子停止信号可以是关机信号。转子速率通过调节转子叶片，即转子叶片朝向顺桨位置的桨距角θ，来降低(停止)。这里要注意的是，关于风力涡轮机叶片的顺桨位置是指取决于浆矩系统的机械设计的在85
°
至120
°
范围内选定的预设角度。风力涡轮机的特定顺桨位置是设计选择。
29.在接收转子停止信号之前，即在接收转子停止信号之前的时段中涡轮机操作时，通过对于桨距可调节转子叶片中的每一个以至少转子整圈旋转的部分存储桨距角信号，生成存储的桨距角信号23。
30.在接收转子停止信号之前或者在接收转子停止信号时，确定存储信号的至少一个周期分量24。计算单元可在常态操作期间持续确定周期分量，或者可在接收转子停止信号21时确定。
31.然后，在接收转子停止信号21时，确定包含所述至少一个周期分量的转子叶片中的每一个的桨距控制信号25，并用于使桨距角朝向顺桨位置移动以降低转子速率。
32.一般，如果满足以下条件，则信号分量被理解为具有周期t的周期性：
33.x(a)＝x(a nt)，n为整数，即n∈[0,1,2,...]。
[0034]
恒定信号x(a)＝k被理解为是周期性的，因为其与参数a无关，因此对于所有的n，x(a)＝x(a nt)＝k。
[0035]
在实施方式中，所述至少一个周期分量是基于傅里叶变换或等效频率估计算法确定的。通过傅里叶变换也被理解为离散傅里叶变换以及包括用于评估离散傅里叶变换的独立项的goertzel算法的离散傅里叶变换的实现方法。基于傅立叶变换的表达式还包括逆变换的应用。
[0036]
有利地，存储的桨距信号是作为转子方位角，即叶片在转子平面中的角度φ(参见图1)，的函数的桨距角信号。特别地，将桨距信号存储为等距方位角的桨距角信号可能是有利的，因为这允许使用离散傅里叶变换。当使用方位角作为采样变量时，使用离散傅里叶变换(或等效)的频域滤波是通过用方位角替换时间来完成的。这是有利的，因为信号合成与转子速率无关，同时仍能正确地合成n-p分量。
[0037]
可以以任何合适的方式存储桨距信号，包括作为存储的桨距角基准或存储的桨距角位置。
[0038]
在确定周期分量时不应用太多旋转可能是有利的。以这种方式，可避免信号的拖尾，并且仅获得在转子停止信号之前不久的周期中的周期性内容。
[0039]
在一实施方式中，桨距信号以使得转子整圈旋转的部分在0.5和1.5转之间的方式存储。然而，利用至少一个旋转来获得1p信号分量可能是有利的。在实施方式中，转子整圈旋转的部分基本上是一个转子整圈旋转。
[0040]
存储桨距可调节转子叶片中的每一个的桨距角信号以生成存储的桨距角信号可以是以至少转子整圈旋转的最后部分对于桨距角信号的连续存储，例如通过应用循环缓冲。连续存储可以是，在对所研究的转子整圈旋转的部分的(基本上)完整的系列的样本被存储的意义上，是连续的。
[0041]
下面解释示例实施方式。此示例实施方式基于作为转子方位角函数的存储的桨距信号。虽然如上所述，将存储的桨距信号基于转子方位角是有利的，但其也可基于替代变量，例如，基于时间。
[0042]
桨距位置基于预先确定的n等间距方位角序列的转子方位角综合出：
[0043][0044]
此外，桨距角定义为方位角的函数：
[0045][0046]
也就是说，存储的桨距角信号表示为给定的转子方位角位置的系列的n个桨距角样本。
[0047]
存储信号中的所述至少一个周期分量在方位角上呈周期性。在此实施方式中，对桨距角序列使用离散傅里叶变换得到周期分量：
[0048][0049]
因此，桨距角的n-p分量由元素θ
±n±
pn
描述。
[0050]
桨距角，即桨距控制信号，可综合对频率分量θk应用逆变换和找到给定方位角的桨距角得到：
[0051]
数学上，桨距控制信号的桨距角表示为：
[0052][0053]
一般来说，桨距控制信号的桨距角可基于选定数量的周期分量来确定，诸如通过有限数量的选定周期分量确定。这些分量可基于对在桨距角信号中一般最突出的分量的知识来选取。在一个实施方式中，选定的数量包括至少零阶和一阶周期分量。下面提供了使用零阶和一阶周期分量的示例。
[0054]
在此实施方式的示例中，基于为前述转子整圈旋转存储的桨距信号的0p(零阶)和1p(一阶)分量来确定桨距控制信号。0p分量有助于考虑可施加的任何(准)静态偏移。1p分量可考虑任何存在的基于风场的循环桨距动作。
[0055]
在这种情况下，对于每个方位角步长k，计算傅立叶系数θ0和θ1：
[0056][0057][0058]
关机后，桨距序列其中是为关机后的第n个桨距样本综合的，可导出：
[0059][0060]
这导致：
[0061][0062]
其中，和分别表示复数x的实部和虚部。
[0063]
在具体实施中，此公式意味着系数θ0和θ1在每个方位角步长处更新，直到关机，在此更新中断。在关机期间，使用θ0和θ1以及余弦和正弦项，以时间步长n，如上所述计算合成桨距如果需要，可使用简单的表格查找预先计算和解析三角函数项。
[0064]
本发明的实施方式的一个重要优势是桨距控制信号可基于存储的桨距信号并且在关机期间被应用而无需进一步输入。在实施方式中，这可用于在不考虑传感器输入的情况下生成桨距控制信号。例如，在实施方式中，可以在不考虑叶片负载传感器信号或其他负载传感器信号的情况下，生成桨距控制信号。这是有利的，因为用于处理关机的系统组件可以是在安全域中操作的系统组件，并且一般负载传感器不放置在安全域中。
[0065]
如上所述，使用包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号22，控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。发送到桨距致动器或由其使用的实际桨距信号28不必与桨距控制信号22等同，并且在许多情况下不会如此。用于停止转子整圈旋转的实际桨距角或桨距轨迹可包括与桨距控制信号结合以将桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置移动的另外的信号。
这种结合在图2中通过控制器元件27示出，其表示用于确定用于停止转子的另外的桨距信号的另外的控制器元件。
[0066]
以这种方式，可确保在停止过程期间缓解对转子的任何不对称负载，但是还考虑了对停止过程的进一步控制。这种进一步控制可包括对平均变桨率的控制。
[0067]
图3示出了本发明实施方式的另外的元素。
[0068]
图3a示出了示意性存储的桨距角信号，θ代表从0到2π的等距方位角。该图示意性地示出了在停止转子之前在变桨中应用的桨距变化。
[0069]
图3b示出了通过对图3a的桨距角信号相对于方位角进行离散傅里叶变换来确定存储信号的周期分量。得到的频谱如图3c所示。可以看出，平均值(0p)和一次谐波(1p)是主要分量。在图3c中，仅选取了0p分量和1p分量。这对应于频域滤波。
[0070]
在图3d中，包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号是通过对图3c的信号应用离散傅里叶逆变换获得的。如图所示，这得出了作为方位函数的桨距。
[0071]
图4示出了基于图3b(实线)和图3c(标记线)的桨距信号之间的差异。可以看出，仅基于0p和1p分量的综合信号近似于理想信号，但没有更高频率的分量。
[0072]
处理控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置的控制系统可基于通用或标准工业计算设备，但是它可有利地替代地基于安全计算设备；也就是说，在安全控制器上。虽然实施方式中的安全控制器可以是安全认证控制器，但其不需要是安全认证的，而是基于满足与认证所需的相同或相似要求的严格测试的软件和硬件的控制器。这种类型的控制器也可称为安全可认证的控制器。常常，控制系统的安全相关部分可根据公认的功能安全标准中给出的原则构建。这样的标准包括例如iso13849、iec61508和iec62061。除了满足对可靠性和诊断覆盖率的特定、定量要求外，根据这些标准构建的系统被假设为不会出现系统故障，诸如软件缺陷。控制系统因此可分为使用标准计算设备执行计算任务的常态控制域和使用安全相关计算设备执行计算任务的安全控制域。
[0073]
在有利的实施方式中，转子停止信号由安全控制器生成。以这种方式，可保证用于控制转子的停止的安全控制器的高可靠性。
[0074]
在有利的实施方式中，转子停止信号的生成由安全控制器在故障信号出现时触发。故障信号可源自同样位于安全域中的传感器，但并不是必需的。
[0075]
图5示出了实施方式，其中，安全控制器被实施为停止控制器，该停止控制器布置为以多个预设大致恒定的变桨率单独地变桨叶片，该变桨率包括第一变桨率和低于第一变桨率的第二变桨率，并且其中，安全控制器还布置为：
[0076]
获取停止过程的期望桨距角52；
[0077]
通过添加正值和负值，添加包络带54到期望桨距角，从而限定上带值和下带值；并且
[0078]
其中，安全控制器布置为：
[0079]
以在所述多个预设变桨率中选定的变桨率移动桨距可调节转子叶片，直到桨距角信号在包络带限定的桨距角值之外，
[0080]
如果桨距角信号大于上带值，则将选定的变桨率改变为在所述多个预设变桨率中的更低的变桨率，以及
[0081]
如果桨距角信号小于下带值，则将选定的变桨率改变为在所述多个预设变桨率中
的更高的变桨率。
[0082]
图5示出了停止过程的示意性实施方式，其中，在t0处接收转子停止信号。在接收转子停止信号之前的时段50中，在至少转子整圈旋转的部分存储的桨距角信号是通过存储桨距可调节转子叶片中的每一个的桨距角信号51来生成的。如上所述，在接收转子停止信号之前或者在接收转子停止信号时，存储信号的一个或多个周期分量被生成并用于控制转子叶片朝向顺桨位置。在图中，在t0之前的时段中示出了三个变化的桨距轨迹51。在t0之后的时段57、58中，仅显示了单个桨距轨迹和单个包络带。这是出于说明性原因，因为可存在更多的包络带，由于可设想共通包络或每个叶片的独立的包络。
[0083]
在停止过程中，获取停止过程的期望桨距角(期望桨距轨迹)。期望桨距角由桨距斜线和包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号的叠加而限定，导致桨距控制信号52覆盖在桨距斜线53上。在图5的示例中，桨距斜线53包括具有高平均变桨率的第一阶段57和具有更低平均变桨率的第二阶段58。
[0084]
该图进一步显示了转子速率，示出涡轮机以额定速率操作，直到在t0处接收转子停止信号，之后转子速率朝零减低。转子速率仅仅表示转子速率的一般特性，而不是与所示桨距角匹配的准确转子速率。
[0085]
停止控制器包括控制器单元，其被实施为获取停止过程的期望桨距角52，并且通过添加正值和负值，添加包络带54到期望桨距角，从而限定上带值和下带值。限定带后，停止控制器布置为：，
[0086]
以在所述多个预设变桨率中选定的变桨率55，56移动桨距可调节转子叶片，直到桨距角信号在包络带限定的桨距角值之外，
[0087]
如果桨距角信号大于上带值，则将选定的变桨率改变为在所述多个预设变桨率中的更低的变桨率，以及
[0088]
如果桨距角信号小于下带值，则将选定的变桨率改变为在所述多个预设变桨率中的更高的变桨率。
[0089]
在图5的示例中，停止控制器布置为以两个预设变桨率，第一高变桨率55和第二低变桨率56来变桨叶片。可根据给定的设计来设置变桨率。第一变桨率可在3和15
°
/s之间，而第二低变桨率可在0和5
°
/s之间。
[0090]
在t0处接收转子停止信号后，桨距叶片以高变桨率55移动。在将叶片朝向顺桨移动时，将桨距角信号与包络带进行比较，一旦检测到桨距角信号高于上带值，选定的变桨率变为低变桨率56。在停止过程期间保持比较，并且一旦检测到桨距角信号小于下带值，低变桨率56变为高变桨率55。此逻辑在停止过程期间保持运行。
[0091]
在停止过程中，桨距斜线可用于控制减低转子速率和推力问题，而根据本发明的实施方式的独立的桨距角设置可用于缓解停止过程期间转子上的不对称负载和塔架振动。
[0092]
图5因此示出了实施方式，其中，停止控制器将关机桨距参考信号作为输入并确定离散的桨距致动信号，使得使用多个预设大致恒定的变桨率所得的桨距轨迹近似关机桨距参考信号。
[0093]
仅出于说明的目的描述了本发明的示例实施方式，而不是限制如所附权利要求中限定的本发明的范围。