风电场的控制方法和装置与流程

1.本发明涉及一种用于控制风电场中的功率产生和结构负载的控制方法和装置，其中，特别地，风电场堵塞将会被考虑。此外，本发明涉及一种包括上述控制装置的风电场。


背景技术：

2.风电场包括多个风力涡轮机，其从风中提取能量并将能量转换成电能。由于通过旋转的转子叶片来提取能量，风流在所考虑的风力涡轮机的上游和下游受到影响和改变。特别地，在运转中的风力涡轮机的下游，存在由于与上游风力涡轮机的转子叶片的相互作用而产生的尾流区，在该尾流区中，风速减小，并且与所考虑的风力涡轮机上游的风条件相比，在该尾流区中，风条件通常被改变。通常，下游风力涡轮机可能经受比上游风力涡轮机更低的风速。此外，在运转中的风力涡轮机的上游存在轴向感应区，即，在风力涡轮机转子前方的流动减慢的区域。每个涡轮机的轴向感应区的组合可能导致风电场堵塞，风电场堵塞是风电场前方的风流的减慢。这可能相对于自由流入流（远上游）中的可用功率而言减少了风电场本身的电功率产生。通过若干个感应区的组合，可增加堵塞，这导致风电场中的风力涡轮机可能产生的产量少于它们独立时所产生的产量。这可与尾流效应结合，但它也可能存在于风力涡轮机设置在前排使得它们不受来自其它涡轮机的尾流影响的情况下。
3.考虑轴向感应因子的用于控制风电场中的功率产生和结构负载的方法和控制装置在cn108708825a、ep3047143al、us2013/300115a1和ep3438448a1中示出。轴向感应因子可能不能提供轴向感应区以及与其相关联的现象的完整描述。
4.因此，可能需要一种用于控制风电场中的功率产生和结构负载的方法和控制装置，其中，可以以可靠的方式实现性能目标，特别地，适当地考虑不同风力涡轮机之间的轴向感应区，以便特别地优化风电场功率输出和/或避免风电场堵塞。


技术实现要素：

5.这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。
6.根据本发明的实施例，提供了一种控制风电场的多个风力涡轮机的方法，所述方法包括：确定所述风电场的至少一个风力涡轮机的轴向感应区，其中，所述轴向感应区基于以下输入参数中的至少一个来确定：流入风向，流入风速，和流入风湍流；以及通过调节以下操作变量中的至少一个来修改所述轴向感应区以便控制风电场堵塞：所述风力涡轮机的叶片转子的偏航角，
所述叶片转子的至少一个叶片的桨距偏移角，所述叶片转子的转子速度。
7.所述方法可由单独的风力涡轮机控制装置和/或由风电场控制装置（例如，场控制器）执行。控制设置可以特别地由一个或多个操作参数中的一个或多个的一个或多个值的设置来表征。
8.至少一个风力涡轮机的控制设置或所有风力涡轮机的所有控制设置可特别地被设置成使得实现性能目标，例如优化或最大化功率输出和/或将单独的风力涡轮机所经受的结构负载保持在可接受的极限内。
9.根据本发明的实施例，操作变量被导出，使得在风电场的至少一个、特别是所有风力涡轮机上的功率产生和/或结构负载方面优化风电场性能。联合堵塞效应将负载不均等地分布在风电场中的不同涡轮机上。例如，由于堵塞的缘故，朝向前排边缘的涡轮机可能比处于前排中间的涡轮机负载更多。因此，操纵操作变量使得其通过控制堵塞来减小某些涡轮机上的结构负载（例如，更均等地重新分配负载）可能是有益的。
10.自由流（或流入）风被认为包括进入风力涡轮机的风，但是该风不受任何其它风力涡轮机影响（例如，不被任何其它风力涡轮机改变），特别是不受任何风力涡轮机转子力影响。自由流风可以被理解为不受任何上游涡轮机的任何尾流影响的风。因此，自由流风可被认为是当没有其它风力涡轮机（例如，在其上游）影响或修改或改变风特性时将会冲击在所考虑的风力涡轮机上的风（例如，由风速、风向和/或风湍流表征）。自由流风湍流可以被认为是自由流风的湍流，因此被认为是冲击在所考虑的风力涡轮机上的风的湍流，其不被潜在地在所考虑的风力涡轮机上游的任何其它风力涡轮机改变。
11.本发明考虑自由流风向和/或自由流风速和/或自由流风湍流以便确定控制设置。
12.自由流风（风速、风向和/或风湍流）可以例如从风电场中的前方涡轮机（即，面向不受其它风力涡轮机影响的风的涡轮机，例如，没有位于其上游的任何其它风力涡轮机）的操作参数来测量和/或确定（例如，涉及计算）。自由流风湍流可以（例如间接地）被测量，或者可以基于测量的量和/或可以基于例如至少考虑所考虑的风力涡轮机或风电场的一个或多个其它风力涡轮机的操作特性的计算。自由流风湍流可以基于例如自由流风速的方差。自由流风湍流也可以考虑自由流风向和/或自由流风速的方差或变化。
13.导出控制设置（或风电场的所有风力涡轮机的所有控制设置）可涉及计算，特别是应用物理/数学模型来建模或模拟风电场的所有风力涡轮机，包括不同风力涡轮机之间的尾流相互作用。控制设置可包括所考虑的风力涡轮机的一个或多个操作参数的一组值的定义。
14.流入物的湍流（即，自由流风湍流）可能是相关的，因为其可确定轴向感应区（在特定风力涡轮机上游）将与周围流混合且恢复到自由流风条件到何种程度。自由流风湍流可以是通常可能难以表征的复杂现象。因此，为了简化，流入风湍流可以近似或取为自由流风速的方差。
15.轴向感应区可以是所考虑的风力涡轮机上游的区，在该区域中，风流可受到转子力的影响或者可受到上游风力涡轮机的操作的影响。
16.确定或导出控制设置可以涉及基于离线模型的优化。特别地，可以使用描述在每个（自由流风）条件下的系统行为的模型来针对每个风条件预先生成一组优化的控制设置，
然后利用这些优化的设置执行现场操作。该模型可以用于测试不同的控制设置并且预测系统行为。例如，通过迭代和其他类型的优化算法，可以找到给出优化的系统行为（例如给出优化的功率输出）的优化设置。例如，每个条件的优化设置可以存储在电子存储器中的表格中或者任何其它数据结构中。在现场操作中，可以查找具有与不同风条件相关联的优化控制设置的预生成的组的数据结构来获得与当前风条件相关联的那个控制设置。可能地，可以执行存储在表格中的设置或条件之间的内插，以导出当前（风）条件的控制设置。
17.本发明的实施例可优化地安排控制信号，以便通过控制轴向感应区，特别是轴向感应区的取向来改进风电场性能（例如，增加或优化或最大化的功率生产）。可以用参数化的轴向感应区模型来确定优化安排，该参数化的轴向感应区模型描述或考虑不同风力涡轮机的相互作用。
18.轴向感应区模型可适于（例如使用一个或多个模型参数）当前风条件。为了调整轴向感应区模型（特别是限定模型参数），可能需要对流入（即，自由流风）的表征。特别地，除了自由流风速和/或自由流风向外，还可以考虑自由流风的湍流。特别地，更多的流入/环境湍流可以增加轴向感应区与周围自由流流动的混合。
19.根据本发明的实施例，通过使用在特定时间段上的均值和估计的自由流风速的标准偏差来估计风湍流。例如，估计的涡轮机强度被计算为：turbest = （（par1
·
σ）/meanwindspeed） par2，其中，σ是自由流风速的标准偏差，被定义为方差的平方根，并且par1和par2是两个调谐参数；meanwindspeed是自由流风速的均值。
20.根据本发明的实施例，基于面向基本上不受任何其它风力涡轮机干扰的风的至少一个前方风力涡轮机的操作条件和/或风测量值，特别是使用3d数据表格，来确定自由流风速。测量自由流风速可能难以在风力涡轮机处直接执行，因为在风力涡轮机处的测量可能受到转子操作的影响。因此，基于风力涡轮机的操作条件导出自由流风速可能是有利的。
21.流入物中的有效风速（即，自由流风速）的估计可基于涡轮机特定的三维转子空气动力学数据表格（或任何其它数据结构），其中，电功率和推力条目作为叶片桨距角和/或转子旋转速度和/或流入风速的函数。例如，当前功率水平（例如功率生产）和叶片桨距角和转子速度可用于从表格或数据结构导出有效风速（即自由流风速）。
22.通过使用涡轮机操作条件作为传感器而不是局部风速计风速测量，风速确定可以对风力涡轮机的一些部分的小规模湍流和流动堵塞效应较不敏感。特别地，可以利用大的滤波器时间常数（例如600 s）对由此获得的有效风速进行低通滤波。在其它实施例中，可由上游或前方风力涡轮机测量自由流风速。此外，由若干个前方风力涡轮机导出的自由流风速的值可以被组合，例如被平均。
23.根据本发明的实施例，操作条件包括：当前功率水平；和/或至少一个转子叶片的当前叶片桨距角；和/或前方风力涡轮机的转子的旋转速度。由此，例如，可以利用常规可用的方程或模型来导出自由流风速。当前功率水平可与风力涡轮机的当前功率生产或当前功率输出相关或者相等。
24.可以使用或执行机舱处的风向的测量来确定自由流风向。特别地，可以利用低滤波器时间常数（例如600 s）对风向的测量值进行低通滤波。
25.应当理解，在控制多个风力涡轮机中的功率生产的方法的上下文中单独地或以任
何组合公开、描述或解释的特征也可以单独地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的用于控制多个风力涡轮机中的功率生产的控制装置，反之亦然。
26.根据本发明的实施例，提供了一种用于控制风电场的多个风力涡轮机的功率生产的控制装置。所述控制装置包括处理器，所述处理器适于确定所述风电场的至少一个风力涡轮机的轴向感应区，所述轴向感应区基于流入风向或流入风速或流入风湍流来确定，并且所述处理器适于生成风电场的至少一个风力涡轮机的控制设置，以便通过调节以下操作变量中的至少一个来修改所述轴向感应区，以便控制风电场堵塞：所述风力涡轮机的叶片转子的偏航角，所述叶片转子的至少一个叶片的桨距偏移角，所述叶片转子的转子速度。
27.此外，提供了一种风电场，包括多个风力涡轮机和上面描述的控制装置，所述控制装置通信地连接到所述风力涡轮机以向每个风力涡轮机供应相应的控制设置。
28.必须注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考设备类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中了解到，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和设备类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为是随本文件公开的。
29.本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例中是明显的，并且参考实施例的示例进行解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些实施例的示例。
附图说明
30.现在参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于所说明或描述的实施例。
31.图1示意性地示出了根据本发明的实施例的风电场；图2示意性地示出了在风力涡轮机上游和下游的风的流动特性，从而产生轴向感应区；图3示意性地示出了根据本发明的实施例的用于控制多个风力涡轮机中的功率产生的控制装置，其可以被包括在图1中示出的风电场中；以及图4至图6示意性地示出了根据本发明的实施例的方法的步骤的执行效果。
具体实施方式
32.附图中的图示是示意性的形式。
33.图1中示意性地示出的风电场1包括多个风力涡轮机3a、3b、3c和根据本发明的实施例的控制装置5，其用于确定风电场1的至少一个风力涡轮机的控制设置。每个风力涡轮机3a、3b、3c包括相应的风力涡轮机塔架7a、7b、7c，所述塔架具有安装在顶部的相应的机舱9a、9b、9c，所述机舱容纳发电机，所述发电机具有与风力转子11a、11b、11c联接的旋转轴。在风力转子11a、11b、11c处，连接有多个相应的转子叶片13a、13b、13c，所述转子叶片驱动发电机以产生电能。风力涡轮机3a、3b、3c还可各自包括转换器，特别是ac-dc-ac转换器，用于将发电机输出的可变频率功率流转换为具有例如50 hz或60 hz频率的固定频率功率流。
每个风力涡轮机还可包括用于将输出电压变换为较高的中压的风力涡轮机变压器。
34.风电场可以包括多于三个风力涡轮机，例如20至100个风力涡轮机或甚至更多风力涡轮机。本发明的方法和装置可仅应用于风电场的风力涡轮机中的一部分。风力涡轮机功率输出端子通常可连接在公共联接点，该公共联接点可将电能（可选地经由风电场变压器）供应到未示出的公用电网。每个风力涡轮机3a、3b、3c可以包括风力涡轮机控制器。
35.用于确定至少一个风力涡轮机3a、3b、3c的控制设置的控制装置5从相应的风力涡轮机3a、3b和3c接收测量信号和/或操作参数15a、15b、15c，并且将控制信号17a、17b、17c供应到相应的风力涡轮机3a、3b、3c，以控制风力涡轮机3a、3b、3c的操作。特别地，控制信号17a、17b、17c包括一个或多个控制设置或者对一个或多个控制设置进行编码，该一个或多个控制设置修改风力涡轮机3a、3b、3c的轴向感应区（如在下面更好地限定的）。控制信号17a、17b、17c允许调节风力涡轮机3a、3b、3c的以下操作变量中的至少一个：叶片转子11a、11b、11c的偏航角γ，叶片11a、11b、11c的桨距偏移角，叶片转子13a、13b、13c的转子速度。
36.修改轴向感应区允许控制风电场堵塞。
37.偏航角γ是自由流风向和所考虑的风力涡轮机3a、3b、3c的旋转轴线的方向之间的角度。桨距偏移角是叶片11a、11b、11c围绕其相应的纵向轴线的角度，所述纵向轴线相对于叶片转子13a、13b、13c的旋转轴线径向地定向。
38.控制装置5基于流入风向和/或流入风速和/或流入风湍流导出相应的控制设置（其经由控制信号17a、17b、17c供应）。控制装置5可以例如基于流入风速的方差来确定流入风湍流。流入风速例如可以基于至少一个前方风力涡轮机的操作条件和/或风测量值来确定，所述前方风力涡轮机例如为风力涡轮机3a，其面向用附图标记19指示的风（例如，具有特定的流入风速、方向和湍流）。
39.前方涡轮机3a的操作条件和/或风测量值可例如经由信号15a供应到控制装置5。操作条件可特别地包括前方涡轮机3a的当前功率水平、当前叶片桨距角和转子的当前旋转速度。基于这些值，控制装置5然后可以（例如使用一个或多个表格或关系或程序模块）导出用于多个相继时间点或时间间隔的流入风速。然后，控制装置5可计算流入风速的方差，以获得流入风湍流（的估计）。
40.控制装置5还提供了轴向感应区模型的实施，该轴向感应区模型具有模型参数，该模型参数可基于例如测量的流入风向、自由流风速和流入风湍流来限定。轴向感应区模型可用于导出风力涡轮机控制信号17a、17b、17c（单独地用于相应的风力涡轮机），以导出和供应风力涡轮机控制信号17a、17b、17c，例如以满足性能目标，例如优化整个风电场1的功率生产。
41.图2示意性地示出了风力涡轮机上游和下游的风流，该风力涡轮机具有在转子盘43中旋转的转子叶片。在转子盘43的上游，风19具有自由流风速u，在坐标系中，对于第一湍流，该自由流风速u根据第一曲线45取决于横向位置x变化，对于第二湍流，该自由流风速u根据第二曲线46取决于横向位置x变化，该坐标系以风速作为纵坐标20并且以横向范围x作为横坐标。
42.在转子盘43的紧上游限定了轴向感应区48。轴向感应区48被描述为流入风速由于
从自由流风流提取动能而减速的区域。
43.包括旋转的转子叶片的转子盘43在风19上施加力47，从而导致转子盘43下游的风速45减小。风速45、46在转子盘43下游达到最小u
min
，并且然后在尾流区49内基本上朝向上游风速u显著增大。区域51限定尾流49的形状。在混合区域53内，在转子流管55的径向外侧，发生自由流风与受到转子盘43影响的风的混合。
44.对于风19的不同的自由流风湍流，风力涡轮机下游的风速45、46的形状是不同的。特别地，相比较低的（第一）湍流的风速（第一曲线45），较高的（第二）自由流风湍流的风速（第二曲线46）可以在更靠近转子盘43处恢复到上游值u。较高的第二湍流的风速用附图标记46表示。较低的第二湍流的风速用附图标记45表示。因此，考虑到自由流风湍流，可以使得能够导出用于风电场的所有风力涡轮机的优化控制设置。
45.图3示意性地示出了作为示例性实施方式的控制装置5的实施例。作为输入，控制装置5包括自由流风速21，其可例如基于上游风力涡轮机的操作条件，例如图1中所示的上游风力涡轮机3a。控制装置5包括方差确定模块23，其确定自由流风速21的方差并执行缩放，以输出自由流湍流强度25，自由流湍流强度25被供应到湍流归堆模块27。湍流堆范围定义模块29将湍流堆范围供应到湍流归堆模块27，湍流归堆模块27输出湍流堆指数29，湍流堆指数29被供应到表格选择模块31。在电子存储器中，控制装置5包括控制设置查找表格（或其它数据结构）33，其将控制设置与特定的树流风条件相关联。可以已经使用轴向感应区算法或确定模型35确定控制设置查找表格33，轴向感应区算法或确定模型35可以针对每种风条件（特别是离线）执行基于轴向感应区模型的优化。表格选择模块31从多个控制设置查找表格33中选择与当前自由流湍流强度25对应的表格，并且从其提供相应的控制设置（特别是对于风电场1的每个风力涡轮机3a、3b、3c）。表格选择模块31的输出可以是查找表格，其具有用于自由流风的每个风向和风速的优化的控制设置。
46.控制装置5还接收例如从前方涡轮机3a测量或确定的自由流风向36和自由流风速37作为输入。优化的控制设置可以从由表格选择模型31输出的查找表格39中获得，或者可以在提供接近于当前自由流风向和风速37的控制设置的两个或更多个表格之间内插（使用内插模块40）。最后，控制装置5输出优化的风力涡轮机控制设置41，其然后可以经由控制信号17a、17b、17c单独地供应到所有风力涡轮机3a、3b、3c。
47.作为对每个湍流堆具有带有控制设置的相关联的数据表格的替代，可以用自由流湍流、自由流风速和自由流风向作为输入来限定完全参数化的模型。因此，可以利用前面提到的三个输入参数作为选择来为每个风力涡轮机的优化的控制设置预先限定单个3d查找表格。
48.除了使用预先计算的离线模型之外，模型和查找表格还可以使用学习控制器（例如，使用基于测量和在线优化的在线参数拟合而在线更新的模型和控制设置查找表格）而是适应性的。
49.图4至6示意性地示出了借助于本发明的方法和控制装置获得的结果。三个图61、62、63示出了叶片转子13a前方的轴向感应区48的相应形状。进入风流来自每个图的左侧。在第一图61中，相对于进入风流方向的负偏航角γ =
ꢀ‑
25
°
相对于偏航角γ = 0
°
（第二图62）向右（如从涡轮机的上游看到的）操纵轴向感应区48。正偏航角γ = 25
°
相对于偏航角γ = 0
°
（第二图62）向左操纵轴向感应区48，如在第三曲线63中看到的。可通过经由桨距和
转子速度控制轴向感应区48中的风速不足而进一步修改轴向感应区48的形状。
50.通过经由偏航偏移角优化地偏转每个风力涡轮机的轴向感应区48，和/或经由桨距和转子速度调节（减少或增加）轴向感应区中的风速不足，可减少朝向涡轮机本身或下游涡轮机的流动的堵塞，并且可更优化地利用自由流流入中的可用功率以增加总体风电场生产。
51.应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。而且，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。