CN104937263B - 风轮机的控制 - Google Patents

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Abstract

描述了一种控制风轮机的方法。所述方法涉及：基于所述风轮机的当前运行参数并且基于需要的功率输出来预报所述风轮机的部件的温度演变；根据温度预报来预测因所述部件的温度超过第一阈值水平或下降到第二阈值水平之下所导致的未来的报警事件；以及调整所述风轮机的运行参数以控制所述部件的温度演变，从而避免或延缓所预测的报警事件。

Description

风轮机的控制
技术领域
本发明涉及风轮机的控制，并且特别地涉及一种用于提高风轮机的利用率及产量的控制方法和控制***。
背景技术
风轮机的利用率是当风轮机和电网两者均健康时并且在环境条件合适(例如当风速超过启动限度且低于关断限度时)的同时产生功率的能力的衡量。利用率表达为每个风轮机每年正常运行时间的百分比，例如99％利用率代表每年要损失生产将近四天。
对于成本有效的能源生产，有必要通过最小化停机时间使风轮机的利用率最大化。风轮机是复杂的发电站并且包括设计用于保护风轮机免于在不利的运行条件期间损坏的各种安全***。例如，风轮机被设计用于高于某一风速时关断，以避免作用在叶片和塔架上的过量负荷。
风轮机还具有用于监测各种部件(例如发电机、齿轮油和变桨控制***的液压油)的温度的多个传感器。如果这些部件的温度超过预定阈值，则风轮机可被设计成下调定额(即减少其功率输出)，或者完全停机。风轮机下调定额降低了对风轮机功率和/或速度方面的需求，并且具有稳定或减少部件温度的效果。
风轮机包括用于控制温度关键部件的温度的冷却***。例如，通过使齿轮油循环通过水冷式热交换器来冷却齿轮油。风轮机通常还具有位于机舱内侧的风扇，用于冷却热交换器中的水并且用于冷却机舱内侧的其它温度敏感部件。当环境温度超过预定阈值时或者如果齿轮油的温度超过预定阈值，就激活风扇。如果风扇的冷却效果不足以维持温度使之低于安全运行水平，则风轮机可能需要下调定额或停机。同样，如果在任何的冷却***中有故障导致关键部件的温度超过预定的安全运行水平，则风轮机可能需要下调定额或停机。
风轮机还包括加热器，用于在冷的条件下增加温度敏感部件的温度，并且用于维持这些部件的温度使之处于有效运行所需要的水平。如果部件的温度下降到阈值之下，则可防止启动和/或这可防止风轮机以其最大功率输出水平运行。
为了使风轮机的利用率最大化，风轮机的控制***一般被设计成响应于优先于停机风轮机的报警事件使风轮机下调定额。下面参考图1描述风轮机的功率下调场景的示例。具体地，该示例示出了风轮机功率如何根据齿轮油温度调制，以避免当齿轮油温度太高时完全停机风轮机。
图1是齿轮油温度TO和功率基准P两者随时间变化的图表。参照图1，从时间t0到时间t2，风轮机正常运行。风轮机功率P处于标称功率水平PN，而齿轮油温度TO处于安全运行水平。在时间t1，齿轮油冷却***出现故障，这导致齿轮油温度TO稳步增加。在时间t2，齿轮油温度TO增加，高于阈值安全水平T开始_d，触发报警事件。阈值安全温度水平T开始_d略低于最大齿轮油温度TM，高于最大齿轮油温度TM则无法保证安全运行。报警事件发信号给风轮机控制器，以使风轮机下调定额，即以减少的功率输出来运行。
功率输出和转速与齿轮油温度之间有相关性，即，当所有其它因素保持不变时，齿轮油温度TO与功率输出和转速成比例。一旦触发了报警事件，风轮机就以下调定额功率运行，这使齿轮油温度TO维持在基准水平TR下。在时间t3，冷却***重新联机并正常工作。从时间t3到时间t4，功率输出P能够增加，而冷却***使齿轮油维持在基准温度TR下。在时间t4，功率输出P已返回到标称功率水平PN，并且齿轮油温度TO稳步下降。在时间t5，齿轮油温度TO下降到阈值温度T停止_d之下，在这一点，风轮机停止下调定额运行并返回到正常运行。
在报警的情况下如上文描述使风轮机下调定额比完全停机可取，因为一旦触发报警事件，下调定额允许风轮机继续运行，尽管是以减少的功率水平运行，从而提高了风轮机的利用率。
如果温度传感器或控制***的其它传感器中的一者发生故障，则不正确的数据可传递回控制器，并且由于在虚假传感器数据的基础上触发了报警事件，控制器可能不必要地采取行动来停机风轮机。
为了避免该问题，申请人的共同未决的PCT申请W02012/025121描述了一种***，其用于如果确定传感器是有故障的则基于风轮机的理论状态来控制风轮机。例如，控制***能够基于例如转子速度、环境温度等其它运行参数来估算诸如齿轮油的关键部件的温度。如果发现传感器数据与估算温度显著不一致，则传感器被认为是有故障的，并且基于估算温度值控制风轮机。该控制方法减少了如果传感器发生故障则风轮机停机或者不正确地运行的可能性，并且因而增加了风轮机的利用率。
期望风轮机能够尽可能提高其产量(即功率输出)，以例如在风电场的另一风轮机停机时进行补偿或者如果电网运营商需要功率提升时。然而，这在风轮机已经运行得接近其最大温度限度(例如在高环境温度下，以高功率输出)时可能产生问题，因为风轮机可触发报警事件，引起风轮机下调定额或完全停机。如上文已经描述的，风轮机停机在任何时间都是不期望的，但尤其不期望下调定额或停机发生在需要功率提升的时间里。
在此背景下，本发明旨在在变化的运行条件期间提高风轮机的利用率。本发明还旨在提供一种控制策略，其特别是在风轮机已经运行得接近其温度限度时能够响应于功率提升需求。
发明内容
根据本发明，提供了一种控制风轮机的方法，所述方法包括：(a)基于所述风轮机的当前运行参数并且基于需要的功率输出来预报所述风轮机的部件的温度演变；(b)根据所述温度预报来预测因所述部件的温度超过第一阈值水平或下降到第二阈值水平之下所导致的未来的报警事件；以及(c)调整所述风轮机的运行参数以控制所述部件的温度演变，从而避免或延缓所预测的报警事件。
所述部件可以是齿轮油、液压流体、转换器、水冷却***和/或发电机的一个或多个相。针对在所述第一阈值和第二阈值之间的温度下的安全运行来设置所述部件的定额。优选地，所述方法涉及预报多个部件的温度演变。
通过预报所述部件的温度演变，可以采取积极行动将所述部件的温度维持在合适的水平下，以确保所述风轮机可以在需要的功率输出水平下正常运行和/或在不触发任何报警事件的情况下适应功率提升请求。
例如，如果预测所述部件的温度在未来的时间点可能超过所述第一阈值水平，则与所述部件关联的冷却***可以在此未来的时间点之前被激活或使之过定额，以防止或延缓报警事件。这提高了所述风轮机的利用率并且允许所述风轮机继续正常运行；而如果未采取积极步骤，则所述风轮机可能另外需要下调定额或停机。
相反，在低温下，要冒着所述部件的温度可能下降到所述第二阈值水平之下的风险，所述部件太冷而不能保证安全运行。例如，如果所述齿轮油的温度变得太低，则所述齿轮油的粘度可能太高而不能提供有效润滑。相应地，如果预测所述部件的温度在未来的时间点可能下降到所述第二阈值水平之下，则与所述部件关联的加热***可以在此未来的时间点之前被激活或使之过定额，以防止或延缓报警事件。
另选地或另外地，所述方法可包括：在所预测的报警事件之前调整转子速度、扭矩或者另外调整所述风轮机的功率输出。功率是速度和扭矩的乘积，因此仅调整这些参数中的一者将引起功率的变化，同时可以以功率保持恒定这样的方式调整两个参数。就热行为而言，所述部件可响应于不同于转子速度变化的扭矩变化。相应地，可以为扭矩和转子速度选择合适的值，所述值最不可能触发未来的报警事件，但仍然得到所需的功率水平。
所述方法特别有利的是，当所述风轮机需要过定额时，例如是为了补偿风电场中的另一停机的风轮机或者是满足电网运营商的功率提升请求。在这方面，所述方法的步骤(a)可包括：预报所述风轮机的功率输出的所需增加对所述部件的温度演变的影响。如果在步骤(b)中预测所述风轮机过定额有可能触发报警事件，则可以采取积极步骤(诸如上文已经提到的这些步骤)来避免或延缓所述报警事件。
如果需要功率提升，则可以提高转子速度或扭矩中的任一者或两者。以上已描述过相比于转子速度的变化，所述部件的温度行为不同于扭矩变化。相应地，所述方法可包括：在不同的过定额策略之间进行选择，或者确定最不可能导致触发报警事件的过定额策略。
因而，所述方法可包括：预报实现所需功率增加的第一过定额策略和第二过定额策略对所述部件的温度演变的影响，其中所述第一过定额策略涉及提高转子速度，并且所述第二过定额策略涉及提高扭矩；以及选择最不可能触发未来的报警事件的过定额策略。
所述方法可包括确定最大“安全”过定额功率，在所述最大“安全”过定额功率下，所述风轮机可以在不触发未来的报警事件的情况下运行。如果所需功率提升高于该水平，则所述方法可涉及使功率提升命令饱和至最大“安全”水平，从而保证连续运行。使用该途径，还可以避免激活所述冷却***或使所述冷却***过定额的需要。
所述风轮机的当前运行参数可包括测量的温度值。多数风轮机包括用于测量所述机舱外的环境温度的传感器以及用于测量所述机舱内的温度的传感器。所述风轮机还可包括用于测量冷却水、液压流体和润滑油的温度的温度传感器。
另选地或另外地，所述当前运行参数可包括估算温度值。以上作为背景描述了申请人的共同未决申请W02012/025121描述了用于基于所述风轮机的理论状态运行风轮机的方法。当发现传感器有故障时，这是特别有用的。例如，如果发现用于测量冷却水的温度的温度传感器有故障，则根据诸如机舱内外的测量温度、功率设定点的其它运行参数并且根据***各种部件之间的基于牛顿冷却定律的已知热传递关系，可以估算冷却水的温度。另选地或另外地，如果发现传感器是有故障的，则位于相同风电场中的其它风轮机的传感器数据可以使用来代替有故障的传感器的信息。
本发明还提供了一种风轮机控制***，所述风轮机控制***包括生产控制器以及用于控制多个风轮机部件的运行的多个控制模块，所述生产控制器被配置成基于诸如风速和所述风轮机部件的温度的测量参数计算用于运行所述风轮机部件的功率基准和速度基准，其中所述***被配置成：(a)基于所述运行参数并且基于所需功率输出预报所述风轮机部件中的一个或多个风轮机部件的温度演变；(b)根据所述温度预报来预测因所述部件的温度超过第一阈值水平或下降到第二阈值水平之下所导致的未来的报警事件；以及(c)调整所述风轮机的所述运行参数以控制所述部件的温度演变，从而避免或延缓所预测的报警事件。
所述生产控制器可计算所述温度预报。然而，所述控制***优选地包括温度观测器模块，所述温度观测器模块被布置成接收所述风轮机的运行参数并且基于这些运行参数预报所述一个或多个风轮机部件的温度演变。所述温度观测器模块可被配置成接收指示所述风轮机部件的温度的信息并且接收由所述生产控制器确定的所述功率基准和所述速度基准。另选地或另外地，所述温度观测器模块可接收所述风轮机部件中的一个或多个风轮机部件的温度的估算值。在上文已经解释了估算参数的值。
所述温度观测器模块可被配置成接收来自所述转换器模块的状态信号。该状态信号可包括考虑到自身的当前状态(温度)和电网状态(电压和频率)控制器模块能够递送的可用的有功功率和无功功率的指示。该值可以用于确定高于额定功率的最大功率基准，在所述最大功率基准下，所述风轮机将能够在不触发与所述转换器模块的热负荷有关的报警事件的情况下运行。如果预测功率提升命令会导致所述转换器模块的温度上升而高于所述第一阈值水平，则该最大功率基准可以用来代替所述功率提升命令。
所述控制***优选地被配置成先于所预测的报警事件的发生而运行所述风轮机的一个或多个加热***或冷却***，以便避免或延缓所预测的报警事件。所述温度观测器模块优选地被配置成直接地控制所述风轮机的加热***和冷却***。
所述温度观测器模块包括合适的控制器，并且可以容易地整合于现有风轮机控制***内(或者在所述风轮机的制造时或者可以改造现有风轮机)，以接收来自所述生产控制器的运行参数以及来自与各种风轮机部件关联的各种风轮机控制模块的温度数据。根据该信息，所述温度观测器模块可以预报各种部件的温度演变并且预测出启动在即的报警事件。通过将所述温度观测器模块与辅助加热***和冷却***直接地关联，所述温度观测器模块可以在所预测的报警事件之前积极地激活这些***或者提高加热或冷却水平，以避免报警事件的发生。这提高了所述风轮机的利用率。
在高环境温度下以及当所述风轮机以最大功率运行时(在这样的情况下各种部件可接近所述部件的最大温度运行)，本发明是特别有益的。而在这样的情况下，现有控制***可能不能够适应功率提升请求，本发明通过积极控制辅助冷却***和/或借助使功率提升命令饱和至没有预测到会发生未来的报警事件的“安全”水平而允许适应这样的请求，这已经在上文描述。
本发明在寒冷条件下也是有利的，在寒冷条件下，可以预报由于严重低温状况而导致的温度下降，并且在预测要发生报警事件之前激活加热***。
本发明思想包括：包括上述控制***的风轮机，以及包括多个这样的风轮机的风电场。
应当理解的是，以上关于本发明方法方面描述的可选特征同样适用于以***而言表达的本发明，因而在可能的情况下避免了重复这些特征。类似地，以上关于***描述的可选特征也适用于以方法而言表达的本发明。
附图说明
图1已经在上文以本发明背景的方式进行了描述，图1示出了在齿轮油冷却***发生故障的情况下功率下调定额的场景。
为了能更容易地理解本发明，现在将参考以下附图描述本发明的实施例，其中：
图2示出了根据本发明的一个实施方式的风轮机；
图3是图2中示出的风轮机的机舱和转子的示意图；
图4是用于控制图2的风轮机的风轮机控制***的示意图；
图5是示出当需求的功率提升触发了报警事件时的情形的风轮机部件的温度演变的图表；
图6是示出为了防止触发报警事件而提前激活冷却时的部件的温度演变的图表；以及
图7是示出当需求功率提升时风轮机的齿轮油的温度演变预报的模拟图表。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的一个实施方式的风轮机10。风轮机10包括塔架12，塔架12支撑在其上端的机舱14。转子16被安装到机舱14。转子16包括从中央轮毂20延伸的三个转子叶片18。多个致动器(未示出)位于轮毂20的内侧。致动器是变桨控制***的一部分，并被配置成使叶片18围绕它们各自的纵向轴线转动，以便取决于风力条件和功率需求来控制转子16的转速。在该示例中致动器以液压方式运行，但是在其它示例中致动器可经由其它手段运行，例如以电气方式运行。
图3是机舱14和转子16的简化示意图。参照图3，机舱14容纳有发电机22和齿轮箱24。在齿轮箱24的内侧，低速齿轮26与高速齿轮28互相啮合。低速齿轮26被安装在低速轴30的一端，而转子16被安装在所述轴30的另一端。高速齿轮28被安装在高速轴32的一端上，而高速轴32的另一端连接到发电机22，发电机22将高速轴32的旋转能量转换成电能。齿轮箱24包括用于支撑低速轴30的低速轴承34以及用于支撑高速轴32的高速轴承36。
齿轮箱24进一步包括包含齿轮油的油底壳38，其中高速齿轮28和高速轴承36被示出为部分地浸入齿轮油中。进油口40位于齿轮箱24的顶部。机舱14还容纳有多个辅助冷却***。在该示例中，示出有：与齿轮箱24关联的用于冷却齿轮油的水冷式热交换器42；以及用于冷却机舱14内侧的空气的一个或多个风扇44。
用于控制风轮机10的一个或多个控制器46也位于机舱14的内侧。控制器46接收来自与各种部件关联的多个传感器的输入信号。在该示例中，多个第一温度传感器48被配置成感测发电机22的三个相的各自温度；第二温度传感器50被配置成感测使热交换器42的冷却水的温度TW；第三温度传感器52被配置成感测变桨控制***的液压流体的温度；第四传感器54被配置成感测机舱内侧的空气的温度TN；并且第五传感器56被配置成感测机舱外侧的环境空气的温度T环境。
应该理解的是，图3是机舱14的简化图。事实上在机舱14的内侧将存在更多部件，并且所述部件可被不同地配置。例如，齿轮箱24可包括任何合适数量和布置的齿轮，或者齿轮箱24可能具有干式底壳，泵送油经过齿轮，之后将其收集在主罐中，在主罐中对油进行过滤和冷却。
图4是用于控制图2的风轮机10的风轮机控制***58的示意图。控制***58包括生产控制器60和风轮机控制器62。风轮机控制器62又包括分别与齿轮箱、发电机、变桨控制***的液压流体以及诸如上文提到的热交换器和风扇的辅助冷却***关联的多个风轮机控制模块64、66、68、70。生产控制器60和风轮机控制器62被配置成直接地通讯以及经由温度观测器模块72间接通讯。温度观测器模块72是本发明的控制***的新颖特征，并且稍后更详细地描述其运行。
各种风轮机控制模块64-70均包括各自的温度传感器和各自的温度估算器。如上文提到的，温度传感器被配置成测量与之关联的部件的温度。部件的测量温度穿过数据总线74经由风轮机控制器62被传输至生产控制器60。
温度估算器被配置成基于风轮机的运行参数、环境条件并根据热力学关系来估算其关联的部件的温度。稍后详细地描述齿轮油温度估算器的示例，并且温度估算器的进一步细节可以在申请人的共同未决专利申请W02012/025121中找到，该申请已在上文以本发明背景的形式描述过。
如本领域中熟知的，生产控制器60基于需求功率和测量到的外部参数(诸如风速)确定用于操作风轮机的功率基准和速度基准。功率基准和速度基准穿过数据总线74被传输至风轮机控制器，数据总线74根据预定控制策略来操作各种风轮机部件，以便遵循由生产控制器60设定的速度基准和功率基准值。
如果齿轮箱、发电机或液压流体的温度超过预定阈值水平，则生成报警事件。响应于该报警事件，通过减少提供给风轮机控制器62的功率基准和/或速度基准使生产控制器60确定运行的下调定额模式。如果使风轮机下调定额不足以将部件的温度降低到安全水平，则生产控制器60可采取行动来使风轮机停机。
通过预测将来发生的报警事件的可能性并且采取积极步骤来避免或延缓报警事件的发生，本发明的温度观测器模块72关注于风轮机利用率的提高。来自风轮机控制器62的温度测量值以及来自各种风轮机控制模块64-70的估算温度值穿过数据总线76被传输至温度观测器模块72。温度观测器模块72还接收来自生产控制器60的功率基准和速度基准，以及诸如环境空气温度T环境和机舱14内的温度TN的其它输入。温度观测器模块72还连接到辅助冷却***70，并且被配置成接收辅助冷却***的当前状态且控制如下文进一步描述的辅助冷却***。
基于来自各种控制模块64-70的温度测量值，温度观测器模块72预报出齿轮箱、各种发电机相、液压流体、转换器和任何其它温度关键部件的温度演变，并且确定在未来的时间是否有可能发生报警事件。温度观测器模块72将温度演变预报连同估算报警时间一起传输至生产控制器60。如果温度观测器模块72确定将来有可能发生报警事件，则可采取积极行动来防止报警事件的发生，例如通过控制加热***或冷却***和/或调整转子速度或扭矩。这保证了风轮机在冷热两种环境条件下的连续运行并且使风轮机能够在不触发报警事件的情况下过定额。现在将参考图5和图6描述一个示例。
图5是风轮机部件的温度随时间变化的图表。例如，所述部件可以是发电机、齿轮油或液压流体。时间t0和时间t1之间的实线100示出了从传感器读数获得的部件的测量温度，而从时间t1开始的点线102示出了由温度观测器模块72确定的部件的估算温度演变。
从时间t0到t1，风轮机正常运行，并且部件的测量温度低于报警阈值温度TA。在时间t1，电网运营商要求功率提升，并且生产控制器60计算出提高的功率基准值。基于提高的功率基准值以及风轮机的当前运行参数，温度观测器模块72计算出部件的预测温度演变(点线102)，这在本文中还被称为温度“预报”。
根据温度预报，温度观测器模块72预测：部件的温度将在未来的时间t2达到报警阈值温度TA。在实践中，一旦达到报警阈值温度TA，生产控制器60就开始使风轮机下调定额。温度观测器模块72将时间t2之后的该预测下调定额运行纳入预报因素。由于允许下调定额运行，温度观测器模块72预测：在未来的时间t3，部件的温度将达到延伸的报警阈值温度TEA，在这一时间生产控制器60将使风轮机停机。
如上文提到的，温度观测器模块72能够积极地控制辅助冷却***70，以防止报警事件发生，现在将参考图6进行描述。
参照图6，图6示出了部件的预报温度演变的两个轨迹。第一轨迹由点线102指示，其对应于上文描述的图5的点线。第二轨迹由虚线104指示，其代表在要求功率提升时的时间t1激活部件的冷却的情形。首先参照第一轨迹102(即没有激活冷却)，温度观测器模块72预测的是，将在时间t2达到报警阈值温度TA，并且之后将在时间t2和时间t3之间继续上升。现在参照第二轨迹104，温度观测器模块72预测的是，如果在时间t1激活了冷却，则部件的温度仍将增加，但将在时间t2保持在报警阈值温度TA之下，并且在时间t3将稳定在仍然低于报警阈值温度TA的水平。
相应地，通过在预测到的报警事件之前激活或以其它方式控制一个或多个辅助冷却***70，温度观测器模块72能够防止部件的温度上升而高于相关报警阈值温度TA，并且因此避免下调定额或使风轮机停机的需要。通过预报温度关键部件的温度演变，并且积极主动地控制辅助冷却***70，风轮机能够适应功率提升请求，甚至当风轮机运行得接近其最大限度时并且在高的环境温度下亦如此。
现在，接下来将解释其中一个温度估算器(即齿轮油温度估算器)的理论基础，并且解释温度观测器模块如何基于估算温度值来预报温度演变。
再次参照图3，齿轮油温度TO受以下因素影响：高速轴承的温度TB、经过热交换器的冷却水的流量和温度TW以及机舱内的温度TN。在运行风轮机10期间，热量从旋转齿轮26、28传递到底壳38中的油。然后从底壳提取热油并且在泵送过热交换器42之前将其过滤。热交换器中的冷却水使油冷却，被冷却且被过滤的油经由进油口40被泵送回到齿轮箱24中。
为了计算齿轮油温度TO，必须要得到添加到齿轮油或从齿轮油去除的总能量的估算值。使用牛顿冷却定律，可以使用以下公式计算具有不同温度的两个部件之间的热传递：
公式1
其中Q是损失热流量(W)，h是热传递系数(W/m2K)，A是部件之间的热传递表面积(m2)，并且T1-T2是部件之间的温度差(K)。
在以下的计算中，单个常数K轴承(W/K)用作高速轴承和齿轮油之间的能量传递常数，其中
K轴承＝h·A
公式2
然后使用以下公式计算从轴承到齿轮油的能量传递：
Q＝∫K轴承·(TB-TO)dt
公式2
其中TB是轴承的温度，并且TO是齿轮油的温度。
传递到齿轮油的总能量需要减去从齿轮油传走到机舱内的空气的能量以及传走到齿轮箱热交换器的冷却水的能量。因此，可以使用以下公式表达传递到齿轮油的总能量：
Q总＝∫(TB-TO)·K轴承dt-∫(TO-TN)·K机舱dt-∫(TO-TW)·K冷却dt
公式4
其中TN是机舱内的空气温度，TW是热交换器的冷却水的温度，K机舱是从齿轮油到机舱内的空气的热传递常数，并且K冷却是从齿轮油到冷却水的热传递常数。
齿轮油的温度与添加到齿轮油的总能量成比例地增加。相应地，可以由以下公式表达齿轮油的估算温度：
TO＝Q总·K油+TO初始
公式5
其中TO是齿轮油的估算温度；K油是齿轮油温度和添加到齿轮油的能量之间的比例常数；并且TO初始是齿轮油的初始温度。
上文的公式5可以写成时域中的温度预测器的形式，如下：
公式6
其中t是当前时间，Δt是预测间隔。
下一个任务是确定各种热常数，这需要理解冷却***是如何运行的。在该示例中，取决于齿轮油温度，冷却***在三个不同模式下运行。在第一“无冷却”模式下，风扇关闭，因而没有发生热交换器中的水的辅助冷却。在第二“低冷却”模式下，如果齿轮油的温度达到55℃则风扇以相对低的速度运行，并且当齿轮油的温度降至47℃时风扇关闭。在第三冷却模式下，当齿轮油的温度达到60℃时，风扇以相对高的速度运行，并且当温度降至52℃时风扇关闭。
这意味着，常数K冷却将取决于冷却***的运行模式具有三个不同的值。
虽然技术人员将认识到，有若干方式确定不同的加热常数，但便利的方法是使用TB、TN、TW和TO的记录数据连同公式6的离散化型式以及MATLAB脚本。MATLAB脚本扫描所有热传递常数的不同值，并且对于常数的每次变化，使用“最小二乘”法将使用公式6计算的齿轮油温度与测量温度进行比较。然后选择估算数据和测量数据之间的最小二乘误差最小的一组热传递常数。
一旦已知热传递常数，温度观测器模块72就可以使用上文的公式6预报齿轮油的温度演变。预报计算假设在预测时间间隔Δt期间变量TB、TN和TW保持恒定。通过计算微分方程的时域解可以评估平衡温度。
如果在未来的时间点控制***需要功率提升，则确定新的设定点转子速度。轴承温度TB与转子速度成比例地变化，并且温度观测器模块72访问使轴承温度与转子速度关联的查询表。这在需要功率提升时允许温度观测器模块72预报齿轮油的温度演变，现在参考图7以示例方式进一步解释。
参照图7，图7是示出了使用上文的公式6计算的齿轮油的被预报温度演变(TO)的模拟图表。该图还包括高速轴承(TB)、冷却水(TW)和机舱(TN)的预报温度演变的图表。初始参数如下：
TO(t)＝49℃(齿轮油底壳的初始温度)
TB＝50℃(高速轴承的初始温度)
TN＝30℃(机舱温度)
TW＝40℃(水温度)
在时间t＝0到t＝10秒之间，风轮机在第一设定点转子速度下运行。大约在t＝8秒时齿轮油温度TO从其t＝0时的初始值49℃下降到约46℃的平衡温度。预报假设针对预报时间周期的持续时间(在该示例中是二十秒)，TN和TW保持恒定。
温度观测器模块72接收来自生产控制器60的在t＝10秒需要功率提升的信号。功率提升将需要转子速度增加至高于第一设定点的第二设定点水平。温度观测器模块72从查询表中确定出对应于第二设定点转子速度的高速轴承的预测温度TB。温度观测器模块72还从先前记录的数据中确定出：大约在时间t＝15秒达到第二设定点转子速度，并且高速轴承温度TB在该时期线性上升。温度观测器模块72然后可以基于高速轴承TB的该预测温度上升来预测齿轮油的温度演变。相应地，预报齿轮油温度TO将从t＝10秒时的大约46℃稳步上升，直到t＝19秒时约48.5℃的新的稳定状态温度。
应当理解的是，如果对***做出改变，例如如果传感器的位置改变或者如果冷却***的运行模式变化，则热传递常数的值将改变。为了使温度预报器针对“真实”测量值更加稳健，可以利用基于卡尔曼滤波器的标准途径或等同方法。在这样的情况下，当前测量值可用于更新旧的预测并用于根据关于***的新信息来修正未来预测。此外，由于涉及简单动态，可以以从测量数据直接识别的自回归方程的形式构建温度预测器。因而，可使用最小二乘法与模型阶次辨识法一起公式化预测器。
对以上示例可做出各种修改，而不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围。

Claims (20)

1.一种控制风轮机的方法，所述方法包括：
(a)基于所述风轮机的当前运行参数并且基于需要的功率输出来预报所述风轮机的部件的温度演变；
(b)根据所述温度预报来预测因所述部件的温度超过第一阈值水平或下降到第二阈值水平之下所导致的未来的报警事件；以及
(c)调整所述风轮机的运行参数以控制所述部件的温度演变，从而避免或延缓所预测的报警事件，
其特征在于，步骤(c)包括在所预测的报警事件之前，冷却所述部件或者增强对所述部件的冷却，或者，步骤(c)包括在所预测的报警事件之前，加热所述部件或者增强对所述部件的加热。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(c)包括在所预测的报警事件之前调整转子速度、扭矩或功率输出。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)包括预报所述风轮机的功率输出的所需增加对所述部件的温度演变的影响。
4.根据权利要求3所述的方法，所述方法进一步包括：预报用于实现功率的所需增加的第一过定额策略和第二过定额策略对所述部件的温度演变的影响，其中所述第一过定额策略涉及提高转子速度，并且所述第二过定额策略涉及提高扭矩；以及选择最不可能导致未来的报警事件发生的过定额策略。
5.根据权利要求3或4所述的方法，所述方法进一步包括：即使在步骤(b)中预测出功率输出的所需增加将触发未来的报警事件，也会确定使所述风轮机能在不触发未来的报警事件的情况下运行的最大过定额功率；以及运行所述风轮机以输出所述最大过定额功率。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述部件是齿轮油、液压流体、转换器、冷却水***和/或一个或多个发电机相。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风轮机的所述当前运行参数包括测量到的温度值。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述当前运行参数包括估算出的温度值。
9.一种风轮机控制***，所述风轮机控制***包括生产控制器以及用于控制多个风轮机部件的运行的多个控制模块，所述生产控制器被配置成基于被测量参数来计算用于运行所述风轮机部件的功率基准和速度基准，其中所述***被配置成：
(a)基于所述运行参数并且基于需要的功率输出来预报所述风轮机部件中的一个或多个风轮机部件的温度演变；
(b)根据所述温度预报来预测因风轮机部件的温度超过第一阈值水平或下降到第二阈值水平之下所导致的未来的报警事件；以及
(c)调整所述风轮机的所述运行参数以控制所述风轮机部件的温度演变，从而避免或延缓所预测的报警事件，
其特征在于，所述风轮机控制***被配置成先于所预测的报警事件的发生而运行所述风轮机的一个或多个加热***或冷却***，以便避免或延缓所预测的报警事件。
10.根据权利要求9所述的风轮机控制***，所述风轮机控制***进一步包括温度观测器模块，所述温度观测器模块被布置成接收所述风轮机的运行参数并且基于所述运行参数和所述需要的功率输出来预报所述一个或多个风轮机部件的温度演变。
11.根据权利要求10所述的风轮机控制***，其中，所述温度观测器模块被配置成接收指示所述风轮机部件的温度的信息并且接收由所述生产控制器确定的所述功率基准和所述速度基准。
12.根据权利要求10或11所述的风轮机控制***，其中，所述温度观测器模块接收所述一个或多个风轮机部件的温度的估算值。
13.根据权利要求10或11所述的风轮机控制***，其中，所述温度观测器模块被配置成先于所预测的报警事件的发生而控制所述风轮机的加热***或冷却***，以便避免或延缓所预测的报警事件。
14.根据权利要求9所述的风轮机控制***，其中，所述风轮机控制***被配置成在步骤(c)中在所预测的报警事件之前调整转子速度或扭矩。
15.根据权利要求9所述的风轮机控制***，其中，所述风轮机控制***被配置成在步骤(a)中预报所述风轮机的功率输出的所需增加对所述风轮机部件的温度演变的影响。
16.根据权利要求15所述的风轮机控制***，其中，所述风轮机控制***被进一步配置成：预报用于实现功率的所述所需增加的第一过定额策略和第二过定额策略对所述风轮机部件的温度演变的影响，其中所述第一过定额策略涉及提高转子速度，并且所述第二过定额策略涉及提高扭矩；并且所述风轮机控制***被配置成选择最不可能导致未来的报警事件发生的过定额策略。
17.根据权利要求15或16所述的风轮机控制***，所述风轮机控制***被进一步配置成：即使在步骤(b)中预测到功率输出的所需增加将触发未来的报警事件，也会确定使所述风轮机能在不触发未来的报警事件的情况下运行的最大过定额功率；并且所述风轮机控制***被进一步配置成运行所述风轮机以输出所述最大过定额功率。
18.根据权利要求9所述的风轮机控制***，其中，所述被测量参数是风速和所述风轮机部件的温度。
19.一种包括根据权利要求9至18中的任一项所述的风轮机控制***的风轮机。
20.一种包括多个如权利要求19中限定的风轮机的风电场。
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