使用预设变桨率停止风力涡轮机转子的制作方法

1.本发明涉及风力涡轮机的控制，以及具体地，涉及使用停止控制器以包括第一变桨率和第二变桨率的多个预设变桨率来变桨叶片。


背景技术：

2.在桨距控制风力涡轮机中，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。可能出现导致需要停止涡轮机转子的多种情况，无论是在完全关机中还是转子速率降低的情况。一般，停止过程是通过变桨出风来完成的，即顺桨，以减少叶片上的空气动力升力，从而降低转子速率。停止过程可以是受控关机，例如由于检修、大风关机、故障关机、紧急关机、简单的转子速率降低或其他原因。在任何情况下，都不存在适合所有场景的单一停止过程，因此在本技术中描述了许多不同的停止过程。
3.wo2006/007838a1(vestas)公开了解决方案，其中，叶片速度最初以高速度控制，在该过程的后期下降到较低速度，进一步讨论了在顺桨过程期间继续进行独立变桨的实施方式。
4.wo2015/003710a1(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。
5.正是在此背景下设计了本发明。


技术实现要素：

6.本发明的实施方式的目的是提高风力涡轮机以通用方式处理不同转子停止过程的能力。
7.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；并且其中，在接收到转子停止信号时，通过停止控制器，降低转子速度，所述停止控制器在停止过程中控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置，并且其中，停止控制器布置为以包括第一变桨率和第二变桨率的多个预设变桨率来变桨叶片，第二变桨率低于第一变桨率；
8.其中，该方法包括以下步骤：
9.获取停止过程的期望桨距角；
10.通过添加正值和负值，添加包络带到期望桨距角，从而限定上带值和下带值；以及
11.其中，停止控制器布置为：
12.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，直到桨距角信号在由包络带限定的桨距角值之外，
13.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
14.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。
15.以这种方式，提供了通用的控制方法，其有助于在停止过程期间通过在被限制为多个预设变桨率的意义上具有减少的功能的停止控制器可遵循任意变桨轨迹。遵循意味着任意变桨轨迹由产生的变桨轨迹近似在包络带内。以这种方式，停止控制器通过在达到包络带限值时改变变桨率来模拟近似变桨停止轨迹。可为风力涡轮机提供更多用于停止转子的选项。例如，转子减速选项、缓慢关机选项、快速关机选项、紧急关机选项等。本发明的实施方式以简单且通用的方式支持这样的不同的关机选项，即使对于具有减少的变桨功能的停止控制器。使用具有减少的功能的停止控制器是有利的，因为其有利于以稳健且可靠的方式构建停止控制器。特别是对于液压变桨系统，可通过控制开/关阀来提供预设的基本恒定的变桨率，从而省去对比例阀的需要。
16.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。
17.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。
18.一般，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。
19.一般，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
20.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：
21.图1以示意图示出了风力涡轮机的示例；
22.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；
23.图3和图4示出了停止过程的示意性实施方式，其中，停止控制器在接收到转子停止信号时控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。在图3中示出了普通变桨，在图4中示出了独立变桨；
24.图5图示了实施方式，其中，期望桨距角基于期望集合桨距角设置和期望独立桨距角设置的叠加；和
25.图6和图7示出了停止过程的另外的实施方式。
具体实施方式
26.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由方位角确定。
27.转子叶片6可能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，可能不存在齿轮箱。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，但也可使用其他类型。
28.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。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。
29.图2示意性地示出了布置为响应于转子停止信号以控制风力涡轮机的停止控制器单元20的元件。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22，23，控制桨距可调节转子叶片，例如转子叶片的桨距角θ，朝向顺桨位置。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。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。
30.本发明涉及停止过程由具有减少的功能的停止控制器处理的情况，即该停止控制器不能以任意变桨率控制变桨，而是停止控制器布置为使叶片以包括第一变桨率和第二变桨率的多个预设变桨率来变桨叶片，第二变桨率低于第一变桨率。在该图中，这方面由变桨信号22，23来示出，每个表示具有给定变桨率的变桨信号。控制器和叶片的变桨致动器之间相互作用的精确实施可根据具体系统而变化。
31.变桨率一般设置为恒定的。取决于系统，这可以不同的方式实现，包括每秒度数恒定，即与角度的移动有关，以及每秒位移恒定，即与活塞运动有关。对于液压系统，变桨率可能会随着压降而略有变化，这种变化理解为归类于恒定这个术语。
32.图3示出了停止过程的示意性实施方式，其中，停止控制器在接收到转子停止信号时控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。在图示示例中，涡轮机遵循共用桨距θcom，操作期间基准，而操作。在时间t0，停止控制器接收到停止信号，之后在停止过程中，指示涡轮机遵循由停止过程的期望共用桨距角定义的共用变桨轨迹。图4示出了另一实施方式，其中，指示涡轮机遵循由停止过程的期望独立桨距角定义的独立变桨轨迹。
33.在图3的示例中，期望桨距角定义了变桨轨迹30，第一阶段具有高平均变桨率，第
二阶段具有较低的平均变桨率。
34.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。
35.停止控制器20包括计算模块24，其被实施为获取停止过程的期望桨距角25(在图3中显示为30)，并且通过添加正值和负值，添加包络带26到期望桨距角，从而限定上带值31和下带值32。限定带后，停止控制器布置为：
36.以在所述多个预设变桨率中选定的变桨率22，23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，
37.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
38.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。
39.在图3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22和第二低变桨率23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。也可设置其它变桨率，包括负变桨率。
40.在t0处接收转子停止信号后，所有桨距叶片以高变桨率22移动。在移动叶片时，如图2所示，将桨距角信号与包络带进行比较26，一旦检测到桨距角信号高于33上带值，选定的变桨率变为低变桨率23。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34下带值，低变桨率23变为高变桨率22。此逻辑在停止过程期间保持运行。在这点上，应当注意该逻辑允许停止控制器(以近似方式)遵循任何期望变桨轨迹。
41.图4示出了示意性的一般实施方式。类似图3，该图示出了停止过程的示例，其中，停止控制器在接收到转子停止信号时将桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。与图3相比，在停止控制器接收到停止信号的时间t0之前和之后，操作涡轮机以遵循桨距可调节转子叶片的独立(可能是循环的)变桨。因此，在停止过程中，涡轮机被指示遵循由桨距可调节转子叶片中的每一个的期望桨距角定义的独立变桨轨迹。
42.图4示出了三个变桨轨迹40，41和42，但是为了简单起见，仅根据实施方式讨论变桨轨迹40中的一个。应当理解，同样的方面也与另外两个轨迹41，42相关。
43.结合图4所示的实施方式，停止控制器20被实施为遵循与图3的实施方式相同的一般步骤，即获取停止过程的期望桨距角25，45，并且通过添加正值和负值，添加包络带26到期望桨距角，从而限定上带值43和下带值44。限定带后，停止控制器布置为：
44.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，
45.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
46.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。
47.在图4的示例中，停止控制器，与图3类似，布置为以两个预设变桨率，第一高变桨率22和第二低变桨率23来变桨叶片。期望桨距角如曲线45所定义的，表示为增加的振荡轨
迹。图5示出了如何可确定这种期望独立变桨轨迹的实施方式。
48.在t0处接收转子停止信号后，桨距叶片以高变桨率22移动。如上文结合图2和图3的实施方式所述，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46上带值，选定的变桨率变为低变桨率23。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47下带值，低变桨率23变为高变桨率22。此逻辑在停止过程期间保持运行。
49.尽管未示出，但与边界43，44定义的所示带类似，存在两个其他带，分别用于两个变桨轨迹41，42中的每一个。图4因此示出了示例性实施方式，其中，停止控制器布置为根据包络带定义的桨距角独立地移动一个或多个桨距可调节转子叶片中的每一个。
50.停止过程的期望桨距角，即用于停止过程的变桨轨迹，可以不同的方式生成。
51.图5示出了有利的实施方式，其中，停止控制器被实施为使得期望桨距角基于期望集合桨距角设置和期望独立桨距角设置的方式。
52.如图5示意性地示出，期望桨距角被分成如框50所示的期望集体桨距角设置，和如框51所示的期望独立桨距角设置。基于集合部分和单独部分的组合的桨距角设置是设置桨距角的常见做法。在停止过程中，共用桨距角设置可用于控制转子减速和推力问题，而独立桨距角设置为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。
53.该实施方式可用于确定图3和图4的任何示例的期望桨距角。在图3的实施方式中，可通过将期望独立桨距角设置为零来确定期望桨距角。在图4的实施方式中，可通过将期望集合桨距角设置为零来实现期望桨距角。
54.如图5所示，集合桨距角设置和独立桨距角设置相加得到期望变桨轨迹52，如框53所示，示出了叠加的变桨轨迹52。还示出了集合变桨轨迹54用于示意性目的。
55.最后确定包络带56以遵循叠加轨迹的期望桨距角。
56.图3和图4示出了对整个停止过程期间，即整个停止变桨轨迹，定义了期望桨距角的示例。在一个实施方式中，在停止过程的整个期间中预定义了期望桨距角。也就是说，停止控制器在接收到停止信号时获得或生成期望桨距角，并为整个停止过程生成期望桨距角。
57.在一实施方式中，在停止过程期间确定期望桨距角。也就是说，在转子停止时确定期望桨距角。该确定可基于持续时间或传感器输入。这种传感器输入可与诸如转子加速度、转子速率、塔顶运动、叶片负载、推力、风速、风向等参数有关。
58.例如，参考图3，可基于输入确定期望桨距角的线性段30的具体斜率。另外，第一高平均变桨率与第二较低平均变桨率之间的切换时机可基于输入。作为示例，这种切换可鉴于转子加速度角度来完成，在实施方式中，可使用高平均变桨率直到转子加速度为零，在此时完成到较低平均变桨率的切换。另一示例可涉及作用在转子上的推力，例如基于转子速率和叶片负载，可确定推力值，并用于设置平均变桨率。在这点上，甚至可应用负变桨率以暂时增加转子上的推力。这种暂时的推力增加可减轻塔架的不希望的向前弯曲。
59.停止转子的目的是(自然地)降低转子速率。通过将叶片向外朝向顺桨位置变桨来降低转子速率。在停止过程中应用不同的独立变桨活动一般是为了减轻负载的目的，例如，缓解转子上的不对称负载或者缓解塔架振动。在实施方式中，停止过程期间的独立变桨活动仅在需要足够强时才进行。通过仅在需要时使用独立变桨，可减少变桨致动器的磨损。在
实施方式中，仅当所需幅度高于阈值时才应用期望独立桨距角设置。可基于叶片负载信号或塔架加速度信号计算所需幅度。幅度可为独立变桨所基于的振荡信号的振幅。
60.从图4可看出，当在直到接收到停止信号的时间段内应用独立桨距角时，独立的叶片的具体桨距角在时间t0处会有所不同。
61.在实施方式中，可为每个桨距可调节叶片选择停止过程的期望桨距角，然而它们也可选择为对于所有桨距可调节叶片相同。如果选择相同，由于起始角度可能不同，在停止过程中每个叶片的桨距角可能仍然不同。在所有叶片的期望桨距角选择为相同的实施方式中，取决于叶片在t0处的具体桨距角，t0处的一些桨距角可落在所得包络带之外，而一些可落在所得包络带之内。图6中示出了示意性示例，标号为60。
62.在一实施方式中，当接收到停止信号时，具有在包络带内的桨距角或低于下带值的桨距角的桨距可调节转子叶片被设置为以多个预设的近似恒定的变桨率中的最高变桨率移动，以及具有大于上带值的桨距角的桨距可调节转子叶片被设置为以多个预设变桨率中的最低变桨率移动。以这种方式，可确保当桨距角最初在包络带之外时，桨距角将在短时间后落入带内。该实施方式还可用于为每个桨距可调节叶片选择期望桨距角的系统，因为其将导致这样的叶片总是在初始时以最高变桨率变桨。
63.图6示出了另一变桨轨迹以显示本发明的另外的实施方式。
64.在图中，在t0之前的时间段内示出了三个不同的变桨轨迹。在t0之后的时间段61
–
63内，仅显示了单个变桨轨迹和单个包络带。这是出于说明性原因，因为可存在与各种实施方式一致的更多包络带。
65.在接收到转子停止信号时，获得期望桨距角65并确定包络带66。在所示实施方式中，包络带的带宽在停止过程期间改变。带宽的改变可以不同的方式进行，示例包括在停止过程中的特定点处或随着停止过程的进行而逐渐改变。在所示实施方式中，带宽随着停止过程的进行而逐渐加宽。还可设想在具有高平均变桨率的第一阶段61中应用第一带宽，并且在具有较低平均变桨率的更后的阶段62中应用更大的带宽。一般来说，带宽可随着转子速率的降低而变宽，因为对于缓慢旋转的转子，对停止过程的严格控制的需要可能会更少。除了转子速率之外，还可使用诸如桨距角、桨距速度和桨距加速度等参数。
66.图6进一步示出了一实施方式，其中，在达到终止标准时，桨距角被控制使得以预设变桨率中的一个将叶片变桨，而不考虑包络带。这里使用了低变桨率，并且在达到终止标准之后的时段63中仅显示了单个变桨率。终止标准包括转子速率、桨距角、桨距速度和桨距加速度。
67.图7示出了停止过程的另一实施方式。除了图6之外，还示出了两个另外的实施方式。独立变桨的叶片一般不会遵循相同的变桨轨迹，因此在不同的时间，叶片将具有不同的桨距角。图7示出了实施方式，其中，在时间tt达到终止标准时，在第一过程中桨距角被控制为对齐70所有桨距角，并且在第二过程中被控制为以相同变桨率71变桨。图7进一步示出了在达到终止标准之后，叶片的变桨率可改变。例如，可选择变桨率71以确保旋转速率的快速降低以使转子尽可能快地几乎完全停止，但是随着桨距角接近终点止动装置，可应用缓慢的变桨率72以减少当叶片到达终点止动装置时的机械冲击。
68.在所示实施方式中，仅显示了两个变桨率，并且已经提到了负变桨率的可能性。一般来说，可理解可实现更多的变桨率。自然，变桨率越少，需要的变桨致动系统就越简单。然
而，随着可用的变桨率越多，给定的变桨轨迹就能被越精密地遵循，并且可存在3、4、5甚至更多变桨率可用的情况。
69.停止控制器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。
70.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。
71.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。
72.在一实施方式中，基于存储的桨距角信号，确定停止过程的期望桨距角。在接收到转子停止信号之前，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，例如在0.5和1.5转之间，存储桨距角信号，生成存储的桨距角信号。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，所述至少转子整圈旋转的部分基本上是一个转子整圈旋转。
73.在该实施方式中，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。可有利地使用包括离散傅里叶变换的傅里叶变换例程来确定该周期性分量。
74.以这种方式，在接收到转子停止信号时，使用包含所述至少一个周期分量的桨距控制信号，完成控制桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置。
75.在一实施方式中，存储的变桨信号可基于转子方位角的函数。使用作为方位角函数的变桨信号是有利的，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。
76.根据该实施方式将停止过程的期望桨距角基于存储的桨距角信号是有利的，这是因为在将桨距可调节转子叶片朝向顺桨位置移动的停止期间中，可至少在一定程度上维持在接收转子停止信号之前激活的独立变桨。
77.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。