CN105298749B - 用以运行风力涡轮***的方法和*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用以运行风力涡轮***的方法和***。介绍一种风力涡轮***。该风力涡轮***包括塔架、多个叶片、由塔架支承且可旋转地联接到多个叶片上的转子、控制单元，控制单元编程成预测塔架在一个或多个未来时间点处的净能量，而且如果预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使风力涡轮***正常运行，如果预测的净能量超过设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制风力涡轮***的塔架减振。

Description

用以运行风力涡轮***的方法和***
技术领域
本公开的实施例涉及风力涡轮，并且更特别地，涉及减少风力涡轮中的塔架振荡。
背景技术
作为可再生的能量生产源，风力涡轮的重要性越来越高。在近代，风力涡轮技术越来越多地应用于大规模功率生产应用。风力涡轮典型地包括塔架和可旋转地联接到两个或更多个叶片上的转子。在不同的风状况下最大程度地增加能量输出，同时最大程度地减小风力涡轮负载是在利用风能时存在的挑战。
塔架振荡或振动可对风力涡轮引起相当大的负载，并且可能是由于各种干扰造成的，诸如紊流、大阵风和突然的阵风、减振(damping)效率低下，或者在不同风况之间的过渡。塔架可沿着任何自由度振动。例如，塔架可沿前后方向振动(通常称为塔架点头)、沿左右方向振动(通常称为塔架侧向摇头)，或者沿着其纵向轴线振动(通常称为扭转振动)。
塔架点头通常是由空气动力推力和旋转叶片引起的。每当转子叶片在塔架前面经过时，撞击在塔架上的推力减小。这种连续的风变化易于对塔架引起振荡。此外，如果转子速度使得转子叶片在每次塔架处于其极端位置(向前或向后)之一时经过塔架，则塔架振荡可扩大。前后方向的振荡有时由于空气动力减振而“自动地”最大程度地减小，这依赖于塔架的顶部沿前后方向恒定地振荡。当塔架的顶部逆风运动(或向前)时，转子推力增大。这个转子推力增大会顺风将塔架推回。顺风又协助减弱塔架振荡。类似地，当塔架的顶部顺风运动时，转子推力可减小。这个转子推力减小会逆风将塔架推回。逆风也协助减弱塔架振荡。
虽然空气动力减振在许多情况下协助减小振荡，但如果转子速度与塔架振荡同步的话，塔架可以高速率振荡，导致机械应变，而且可能损害塔架。此外，这种同步可按塔架共振频率扩大转子速度，从而潜在地损害发电机和/或连接到转子叶片上的传动系。即使当空气动力减振协助减小振荡，减振也是仅在塔架振动和振荡已经发生之后才开始的反应性技术。因此，依赖于此类减振的塔架必须足够强健，以承受住空气动力减振技术启用之前的负载。为了降低能量成本，期望可利用不同类型的塔架和叶片。为了使得设计能够有灵活性，必须预测和防止极端负载。
因此，需要一种用于防止风力涡轮中出现极端负载的高级方法和***。
发明内容
根据一个实施例，一种风力涡轮***包括塔架、多个叶片、由塔架支承且可旋转地联接到多个叶片上的转子、控制单元，控制单元编程成预测塔架在一个或多个未来时间点处的净能量，而且如果预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使风力涡轮***正常运行，如果预测的净能量超过设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制风力涡轮***的塔架减振。
根据另一个实施例，风力涡轮***包括塔架、多个叶片、由塔架支承且可旋转地联接到多个叶片上的转子、控制单元，控制单元编程成预测塔架在一个或多个未来时间点处的塔架-负载-力矩指示参数，而且如果预测的塔架-负载-力矩指示参数在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使风力涡轮***正常运行，如果预测的塔架-负载-力矩指示参数超过设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制风力涡轮***的塔架减振。
根据本技术的又一个实施例，一种运行风力涡轮的方法包括预测风力涡轮塔架在一个或多个未来时间点处的净能量，而且如果预测的净能量在设计极限内，则使用基线运行控制模型来产生用以控制风力涡轮***的塔架减振的命令，如果预测的净能量超过设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制风力涡轮***的塔架负载。
技术方案1. 一种风力涡轮***，包括：
塔架；
多个叶片；
转子，其由所述塔架支承，并且可旋转地联接到所述多个叶片上；
控制单元，其编程成进行下者：
预测所述塔架在一个或多个未来时间点处的净能量；以及
如果预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使所述风力涡轮***正常运行；
如果所述预测的净能量超过所述设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制所述风力涡轮***的塔架减振。
技术方案2. 根据技术方案1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成产生与所述塔架的塔架速度同相的塔架减振命令。
技术方案3. 根据技术方案2所述的风力涡轮***，其特征在于，所述塔架减振命令包括所需桨距角变化，其满足所述风力涡轮***的变桨速率约束、变桨加速度约束或它们两者。
技术方案4. 根据技术方案2所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成至少部分地基于非线性可变的减振系数、所述塔架的质量、所述塔架的运动方向、空气动力敏感度和所述塔架的自然频率，来产生所述塔架减振命令。
技术方案5. 根据技术方案4所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成确定所述非线性可变的减振系数，所述非线性可变的减振系数为所述塔架停止运动所剩的时间和能量减少因数的函数。
技术方案6. 根据技术方案5所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成基于查找表来确定所述非线性可变的减振系数，所述查找表将使所述塔架停止运动所剩的时间和所述能量减少因数映射到所述非线性可变的减振系数。
技术方案7. 根据技术方案5所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成至少部分地基于平面相图来确定所述非线性可变的减振系数。
技术方案8. 根据技术方案6所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成通过解基于使所述塔架停止运动所剩的时间和所述能量减少因数的函数，来确定所述非线性可变的减振系数。
技术方案9. 根据技术方案8所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成通过解两点边界值优化问题来确定所述函数。
技术方案10. 根据技术方案1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成至少部分地基于预测的塔架挠度来预测所述净能量。
技术方案11. 根据技术方案9所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成至少部分地基于当前塔架挠度、当前塔架速度和当前塔架加速度，来预测所述塔架挠度。
技术方案12. 根据技术方案11所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元编程成进一步至少基于塔架挠度、所述塔架速度和所述塔架的自然频率，来预测所述净能量。
技术方案13. 根据技术方案1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述设计极限包括所述塔架在所述塔架的最大塔架挠度极限处的最大势能。
技术方案14. 根据技术方案1所述的风力涡轮***，其特征在于，塔架-负载-力矩指示参数包括净势能、净动能或所述净势能和所述净动能的总和。
技术方案15. 一种风力涡轮***，包括：
塔架；
多个叶片；
转子，其由所述塔架支承，并且可旋转地联接到所述多个叶片上；
控制单元，其编程成进行下者：
预测所述塔架在一个或多个未来时间点处的塔架-负载-力矩指示参数；以及
如果预测的塔架-负载-力矩指示参数在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使所述风力涡轮***正常运行；
如果所述预测的塔架-负载-力矩指示参数超过所述设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制所述风力涡轮***的塔架减振。
技术方案16. 根据技术方案15所述的风力涡轮***，其特征在于，所述塔架-负载-力矩指示参数包括所述塔架的净能量、所述塔架的势能、所述塔架的动能、塔架挠度、塔架点头力矩、塔架偏航力矩、塔架基部力矩或者它们的组合。
技术方案17. 一种运行风力涡轮的方法，包括：
预测风力涡轮塔架在一个或多个未来时间点处的净能量；以及
如果所述预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使所述风力涡轮正常运行；
如果所述预测的净能量超过所述设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制所述风力涡轮的塔架负载。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的实施例的这些和其它特征和方面将变得更好理解，其中相同符号在图中表示相同部件，其中：
图1是风力涡轮的示意图；
图2是图1中显示的风力涡轮的一部分的局部剖开的透视图；
图3是示出根据本公开的一个实施例的用以运行图1和图2中指出的风力涡轮的方法的流程图；
图4是示出根据本公开的一个实施例的用以确定由非线性塔架减振模型产生的非线性可变的减振系数的方法的流程图；
图5显示根据本公开的一个实施例的可用来确定非线性可变的减振系数的相平面图的半平面的示例；以及
图6是示出根据本公开的一个实施例的用以确定塔架减振命令是否满足变桨速率约束，并且如果不满足，则修改塔架减振命令的示例方法的流程图。
具体实施方式
除非另有限定，否则本文使用的技术和科学用语与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的具有相同的含义。用语“一”和“一种”不表示数量限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。用语“或”的意思是包括性的，而且表示一个、一些或所有所列项目。在本文中使用“包括”、“包含”或“具有”及其变型的意思是包含后面所列的项目及其等效物以及额外的项目。用语“控制***”或“控制器”可包括单个构件或多个构件，它们是有源和/或无源的，而且连接或以别的方式联接在一起，以提供所描述的功能或多个功能。
图1是风力涡轮10的示意图。虽然为了示例而示出的风力涡轮10是水平轴线电功率发生风力涡轮，但在一些实施例中，风力涡轮10可包括竖向轴线构造和/或风车型风力涡轮(未显示)。风力涡轮10可联接到功率网(未显示)，以从中接收电功率来驱动风力涡轮10和/或其相关联的构件运行，以及/或者对功率网供应由风力涡轮10产生的电功率。虽然仅显示了一个风力涡轮10，但在一些实施例中，多个风力涡轮10可组合在一起，使得该组合可称为“风场”。
风力涡轮10包括塔架14、本体16(有时称为“机舱”)和转子18，转子18联接到本体16上，以围绕旋转轴线20相对于本体16旋转。转子18包括毂22和一个或多个叶片24，叶片24从毂22沿径向向外延伸，以将风能转换成旋转能。虽然在本文描述和示出了转子18具有三个叶片24，但转子18可具有任何数量的叶片24。叶片24的长度可取决于应用而改变。在一些实施例中，转子18大体面向逆风来利用风能。在某些其它实施例中，转子18面向顺风来利用风能。在一些实施例中，转子18可不完全面向逆风或顺风，而是可大体相对于风向以任何角(可为可变的)倾斜，以利用其中的能量。
转子18可包括具有任何形状、类型和构造的叶片24。例如，基于叶片24的形状、类型和构造，转子18可包括管道式转子、达里厄(darrieus)风力涡轮转子、萨渥纽斯(savonious)风力涡轮转子、传统风车转子等等。传统风车转子例如可用于泵水，诸如(但不限于)具有木制遮挡板和/或布帆的四叶片式转子。
风力涡轮10进一步包括一个或多个传感器12，传感器12联接到风力涡轮10的一个或多个构件和/或功率网上，以测量这样的构件的一个或多个参数。传感器12可包括(但不限于)构造成测量下者的传感器：一个或多个叶片24的当前转子速度、当前转子加速度、当前桨距角、位移、偏航度、力矩、应变、应力、扭转、损伤、失效、转子扭矩、功率网中的异常、发电机速度和/或供应到风力涡轮10的任何构件的功率异常。
风力涡轮10进一步包括一个或多个控制***28，控制***28联接到传感器12和风力涡轮10的至少一些构件上，以大体控制风力涡轮10的运行。在目前构想到的构造中，控制***28设置在风力涡轮10内。但是，另外或备选地，控制***28可在风力涡轮10和/或风力涡轮10的其它构件的远处。控制***28可用于进行整体***监测和控制，包括例如叶片桨距和速度调整、高速轴和偏航制动器应用、偏航和泵马达应用和/或故障监测。可在一些实施例中使用备选的分布式或集中式控制构架。
图2是图1中显示的风力涡轮10的一部分的局部剖开的透视图。风力涡轮10包括一个或多个扭矩控制装置。扭矩控制装置可包括例如转换器、发电机、电池存储装置和/或分流电阻负载。在一个特定实施例中，扭矩控制装置包括联接到转子18上的发电机26。发电机26可通过齿轮箱(未显示)可选地联接到转子18上，而且可包括任何适当类型的发电机，诸如(但不限于)绕线转子感应发电机。在一些实施例中，风力涡轮10可包括制动器30，诸如例如液压停车制动器、机电制动器、离心制动器、涡电流制动器(减速器)，或磁制动器，制动器30使转子18的旋转制动，例如使转子18低速旋转，使转子18制动而抵抗全风扭矩，以及/或者减少发电机26的电功率生产。
风力涡轮10可进一步包括用于选择性地控制叶片24的桨距角的桨距控制装置，诸如可变的叶片变桨***32。在一些实施例中，叶片24的桨距角由可变的叶片变桨***32单独控制。可变的叶片变桨***32可包括一个或多个促动器34，促动器34联接到毂22和叶片24上，以改变叶片24的桨距角。促动器34可包括(但不限于)电动机、液压缸、弹簧和/或伺服机构，而且可由任何适当的手段驱动，诸如(但不限于)液压流体、电功率、电化学功率和/或机械功率。另外或备选地，促动器34可由抽取自转子18的旋转惯量的能量和/或存储的能源(未显示)驱动，在联接到风力涡轮10上的功率网中有网异常的期间，存储的能源对风力涡轮10的构件供应功率。
如前面参照图1所提到的那样，风力涡轮10进一步包括传感器12和控制***28。控制***28例如可为处理子***、处理器、微处理器、嵌入式芯片等等。控制***28操作性地联接到制动器30和可变的桨距控制器32上。如前面参照图1所提到的那样，传感器12相对于风力涡轮10的一个或多个构件和/或功率网定位，以测量这样的构件的一个或多个参数。虽然示例性传感器12在本文被示为联接到风力涡轮10的各种构件上，包括塔架14、多个叶片24和毂22，但本文示出的传感器12不限于显示的各个传感器联接到其上的构件，也不限于在这样的构件上显示的位置。传感器12而是可联接到风力涡轮10的任何构件上和/或在功率网的任何位置联接到功率网上，以测量其的任何参数。
控制***28预测塔架14在一个或多个未来时间点处的塔架-负载-力矩指示参数，诸如净能量。控制***28包括非线性塔架减振模型29，控制***28使用非线性塔架减振模型29来产生塔架减振命令，以在预测塔架-负载-力矩指示参数超过设计极限时，控制风力涡轮10的塔架减振。如本文这样，用语“非线性塔架减振模型”指的是使用非线性可变的减振系数来产生用于控制风力涡轮10中的塔架14的塔架减振的塔架减振命令的数学模型。如本文所用，用语“非线性可变的减振系数”指的是随下者的变化而改变的系数：塔架14的应力/负载/挠度、控制塔架减振所需的能量消耗量，以及/或者为了控制塔架14的塔架减振而使塔架14停止运动所剩的时间。
图3是示出根据本公开的一个实施例的用以运行图1和图2中指出的风力涡轮10的方法300的流程图。图3的框可由控制单元28执行。参考标号302表示风力涡轮塔架14的当前塔架挠度。参考标号304表示塔架14的当前塔架速度304，并且参考标号306表示当前塔架加速度。在一个实施例中，可基于由一个或多个传感器12发送的信息来计算框302、304和306中的值。例如，在一个实施例中，可基于表示塔架14的塔架基部力矩的信息来计算当前塔架挠度。在另一个实施例中，可根据塔架顶部加速度、塔架顶部推力估计、点头和偏航力矩来计算当前塔架挠度。
在框308处，至少部分地基于当前塔架挠度302、当前塔架速度304和当前塔架加速度306来预测塔架14在一个或多个未来时间点(T)处的塔架挠度。例如可使用以下公式(1)来预测塔架挠度：
　　　(1)
其中， ypredicted是在输入未来时间T秒处的预测塔架挠度， 是当前塔架速度、是当前塔架挠度，而且是当前塔架加速度。输入未来时间T秒例如可由用户或控制单元28支配。塔架挠度例如可由控制单元28预测。
在框310处，可预测在一个或多个未来时间点处的塔架-负载-力矩指示参数。如本文所用，用语“塔架-负载-力矩指示参数”指的是指示对塔架14起作用的负载的参数，并且参数与预先设定的阈值的比较可分清塔架14的正常运行与应力异常的塔架运行。在一个实施例中，基于预测的塔架挠度来预测塔架-负载-力矩指示参数。塔架-负载-力矩指示参数例如可包括塔架14的净能量、塔架14的势能、塔架14的动能、双向塔架挠度、塔架点头、塔架偏航度或者它们的组合。净能量包括塔架14的净势能、塔架14的净动能或者净势能和净动能的总和。在一个实施例中，至少基于预测的塔架挠度来预测的净能量。在备选或额外的实施例中，至少部分地基于塔架挠度、塔架速度和塔架14的自然频率来预测净能量。例如，当塔架-负载-力矩指示参数为净能量时，则可使用以下公式(2)和(5)来预测净能量：
　　　(2)
其中，表示塔架14的净势能和净动能的总和，ω是塔架14的自然频率，Ydim是第一无量纲参数，它是ω乘以预测的无量纲塔架挠度，而且是第二无量纲参数，它是当前无量纲塔架前后速度和自然频率的除法结果。在一个实施例中，Rpredicted是表示参照图5所显示的相平面图的半径。第一无量纲参数Ydim可由以下公式(3)表示：
　　　(3)
其中，Rpredicted是在输入未来时间T处的预测塔架挠度，K是塔架模态刚度，并且Fzaero是转子推力。此外，可使用Xdim以下公式(4)表示第二无量纲参数：
　　　(4)。
公式(2)使用第一无量纲参数和第二无量纲参数来预测净能量。在一个实施例中，可使用以下公式(5)，使用有量纲参数来预测净能量，有量纲参数包括预测塔架挠度和当前塔架前后速度：
　　　(5)
其中，X0是当前塔架挠度或预测塔架挠度。参考标号312表示塔架14的设计极限。如本文所用，用语“设计极限”指的是塔架14的设计或结构限制。例如，设计极限312可包括在风力涡轮10的运行期间，在塔架14的最大塔架挠度极限下，存储在塔架14中的最大势能。在另一个示例中，设计极限312可包括塔架14的最大塔架挠度极限或者在其以上塔架14可能受损的最大塔架基部力矩。注意，由于风力涡轮的设计、结构、长度、高度、质量和其它特性的原因，一个风力涡轮的设计极限312可不同于另一个风力涡轮的设计极限312。在一个实施例中，可按风力涡轮10的试运行时间规定设计极限12的定额，而且这种额定设计极限312可随时间和风力涡轮10的使用而改变。设计极限312另外或备选地可包括塔架14的最大势能、塔架14的最大净能量、塔架14的最大动能、最大塔架基部力矩和/或最大塔架挠度。
在框314处，比较预测的塔架-负载-力矩指标与对应的设计极限312。当预测的塔架-负载-力矩指标为预测的净能量时，则比较预测的净能量与设计极限312，包括最大净能量。比较塔架-负载-力矩指示参数与设计极限312，以确保仅在塔架14上的极端应力/负载/挠度即将发生时，使用/启用非线性塔架减振模型29。因此，在框316处，当确定预测的塔架-负载力矩指标不超过设计极限312时，则在框318处，继续使用基线运行控制模型使风力涡轮10正常地运行。基线运行控制模型包括当风力涡轮10在塔架14上不经历负载/挠度/应力时，用于每天使风力涡轮10正常运行的任何适当的控制模型和/或方法。
注意，当预测的塔架-负载-力矩指标超过对应的设计极限312时，其表示塔架14的即将发生的极端应力、负载和/或挠度。当预测的塔架-负载-力矩指标超过对应的设计极限312时，则在框320处，控制单元28使用非线性塔架减振模型29来产生塔架减振命令，以控制风力涡轮10中的塔架14的塔架减振。因此，仅在塔架14上的极端应力/负载/挠度即将发生时，才使用/启用非线性塔架减振模型29。在一个特定实施例中，非线性塔架减振模型29构造成至少部分地基于非线性可变的减振系数、塔架的质量、塔架的运动方向、空气动力敏感度和塔架角速度，来产生塔架减振命令。在一个实施例中，非线性塔架减振模型29构造成产生与塔架的塔架速度同相的塔架减振命令，并且塔架减振命令包括叶片24的所需桨距角变化命令。例如，当塔架减振命令包括所需桨距角变化命令，则可使用以下公式(6)来确定叶片24的所需桨距角变化：
　　　(6)
其中，是塔架减振命令或所需桨距角变化命令，是非线性可变的减振系数，是塔架的当前速度或预测速度，M是塔架14的模态质量，是空气动力推力对桨距角的敏感度，是转子推力，并且是塔架14的自然频率。叶片24的所需桨距角变化例如可包括满足风力涡轮10的变桨速率约束、变桨加速度约束或它们两者的总桨距变化。叶片24的所需桨距角变化可包括各个叶片24的相同命令，或者可包括各个叶片24的独立桨距角命令。
此外，在框322处，可确定塔架减振命令是否满足风力涡轮10的变桨速率约束和/或变桨加速度约束。变桨速率约束例如可包括可变的叶片变桨***32和促动器34的最大变桨速率能力。变桨加速度约束例如可包括可变的叶片变桨***32和促动器34的最大变桨加速度能力。参照图6更详细地阐明根据一个实施例的确定减振命令是否满足风力涡轮10的变桨速率约束或变桨加速度约束。
图4是示出根据本公开的一个实施例的用以确定由非线性塔架减振模型29产生的非线性可变的减振系数的方法400的流程图。参考标号402表示在图3中的框310处预测的预测塔架-负载-力矩指示参数。此外，如前面参照图3所提到的那样，参考标号312表示限塔架14的设计极。
在框404处，可基于预测塔架-负载-力矩指示参数402和设计极限312来确定能量减少因数。在一个实施例中，当预测塔架-负载-力矩指示参数402为塔架14的预测的净能量时，则可基于预测的净能量和设计极限312(在塔架14的最大塔架挠度极限下的塔架14的最大净能量)来确定能量减少因数。例如，可使用以下公式(7)来确定能量减少因数：
Eratio= Ptower-load / Pdesign limit　　　(7)
其中，Eratio是能量减少因数，Ptower-load是预测塔架-负载-力矩指示参数402，并且Pdesign limit是设计极限312。在一个实施例中，当预测塔架-负载-力矩指示参数402是净能量(Rpredicted)，并且对应的设计极限312是塔架14在最大塔架挠度极限下的最大势能(Rmax)时，则可使用以下公式(8)来确定能量减少因数Eratio：
Eratio = Rpredicted/Rmax　　　(8)。
在框406处，确定使塔架14的导致塔架14的塔架挠度的运动停止所剩的时间。如本文所用，短语“停止所剩的时间”指的是自如果不使塔架14停止运动，则塔架14可能受损之前的当前时间之后的最大时限。例如，在一个实施例中，可使用以下公式(9)和(10)来确定使塔架14停止运动所剩的时间：
　　　(9)
其中，是表示使塔架14停止运动所剩的时间的角表示，而且也是在相平面图(显示图5)上形成于塔架状态(包括塔架挠度和塔架前后速度)和基准X轴之间的角，Ydim是在公式(4)中确定的第一无量纲参数，并且Xdim是在公式(3)中确定的第二无量纲参数。使用以下公式(10)，可用来确定使塔架停止运动所剩的时间：
　　　(10)
其中，是使塔架停止运动所剩的时间，并且是塔架14的自然频率。在框408处，可确定非线性可变的减振系数，它为能量减少因数和使塔架14停止运动所剩的时间的函数。在一个实施例中，可通过解基于使塔架14停止运动所剩的时间和能量减少因数的函数，来确定非线性可变的减振系数。例如可通过解两点边界值优化问题来确定该函数。例如可针对相平面图上的塔架轨线来解两点边界值优化问题，其中，塔架轨线从当前塔架位置和当前塔架速度开始，并且在塔架挠度设计极限和零塔架速度下结束，而且假设减振始终是恒定的。该解决方案可将各个塔架轨线映射到非线性可变的减振系数，非线性可变的减振系数是塔架挠度和塔架速度的2维标量函数。
函数可备选地或另外通过能量减少比和使塔架14停止运动所剩的时间来参数化。可以数字的方式解通过能量减少因数和使塔架停止运动所剩的时间而参数化的函数，以确定非线性可变的减振系数，非线性可变的减振系数看上去像图5中显示的轮廓标记。非线性可变的减振系数可存储为具有无量纲输入的查找表，而且可在线使用。在备选实施例中，可基于逼近函数来确定非线性可变的减振系数。例如，可通过解公式(11)所显示的以下逼近函数来确定非线性可变的减振系数：
　　(11)
其中，是非线性可变的减振系数，是使塔架14停止运动所剩的时间的角度表示，并且是Eratio是能量减少因数。
在一个实施例中，可基于查找表来确定非线性可变的减振系数，查找表将使塔架14停止运动所剩的时间和能量减少因数映射到非线性可变的减振系数。例如，可通过针对使塔架14停止运动所剩的时间和能量减少因数的各种可行值而解公式(11)的函数来产生查找表。
在一个实施例中，非线性塔架减振模型29可确定基于相平面图的非线性可变的减振系数。图5显示根据一个实施例，可用来确定非线性可变的减振系数的相平面图的半平面500的示例。为了说明，在图5中仅显示相平面图的半平面500。另一个半平面(未显示)与显示的半平面500反对称。在目前构想到的构造中，Y轴502表示有量纲或无量纲塔架挠度，并且X轴504表示有量纲或无量纲塔架前后速度。在一个实施例中，Y轴502表示在公式(3)中确定的第一无量纲参数，并且X轴504表示在公式(4)中确定的第二无量纲参数。
在Y轴502上显示的参考标号312表示沿顺风方向(+1)和逆风方向(-1)挠曲的风力涡轮塔架的最大塔架挠度极限。半平面500中的各种半圆508的半径表示塔架的净能量，并且写在半圆的边界线上的各种数字表示非线性可变的减振系数。最里面的半圆508的半径R0将最大净能量表示为塔架的设计极限312，并且因此在最里面的半圆上注意到的非线性可变的系数等于0(由参考标号510显示)。如由半圆508证明的那样，半圆508的半径(净能量)和塔架前后速度的变化会改变在各个对应的半圆508上注意到的非线性塔架减振系数。例如，当半圆508的半径为R1时，则非线性塔架减振系数等于0.25，而当半圆508'的半径为R2时，则非线性塔架减振系数等于0.3。
在一个实施例中，预测的净能量映射到相平面图，以确定非线性可变的减振系数。在另一个实施例中，预测塔架挠度和当前塔架前后速度映射到相平面图，以确定非线性可变的减振系数。
可通过消耗塔架14的净能量的至少一部分来控制塔架14的减振/负载/应力。例如可通过使叶片与塔架速度同相地变桨来消耗塔架14的净能量。因而，只要塔架停止运动且塔架速度为零，则桨距变化/添加可接近零。如果桨距控制装置，诸如可变的叶片变桨***32或促动器34受最大变桨速率的限制，而且如果当塔架运动时，需要激进的变桨速率，则桨距可能无法在使塔架14停止运动所剩的时间里归复为零，而且将提高塔架14的净能量，而非降低塔架14的净能量。因此在最大变桨速率和最大变桨加速度低的情况下，限制非线性塔架减振的激进程度是合乎需要的。图6是示出确定塔架减振命令是否满足变桨速率约束，如果不满足，则修改塔架减振命令的示例方法600的流程图。参考标号602表示叶片24的所需桨距角变化。如前面参照图3所提到的那样，塔架减振命令可包括所需桨距角变化命令602。参考标号604表示使塔架14停止运动所剩的时间。在框606处，基于所需桨距角变化602和使塔架14停止运动所剩的时间604来确定所需变桨速率。例如可使用以下公式(12)来确定所需变桨速率：
　　　(12)
其中，是在使塔架14停止所剩的时间里实现所需变桨变化的所需变桨速率，是塔架减振命令或所需桨距角变化命令，并且是使塔架14停止运动所剩的时间。在框608处，执行检查，以确定所需变桨速率是否大于桨距控制装置(诸如可变的叶片变桨***32或促动器34)的最大变桨速率。如本文所用，用语“最大变桨速率”指的是可由桨距控制装置实现的桨距角的额定变化速率/最大变化速率。当确定所需变桨速率大于最大变桨速率时，则在框610处，产生塔架减振变桨命令，以按最大变桨速率改变叶片24的桨距角，以对叶片24的桨距角实现所需桨距角变化。相反，当确定所需变桨速率小于或等于最大变桨速率时，则在框612处，产生塔架减振命令，以按所需变桨速率改变叶片24的桨距角，以对叶片24的桨距角实现所需桨距角变化。
虽然已经在本文示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解的是，所附权利要求意于覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (15)

1.一种风力涡轮***，包括：
塔架；
多个叶片；
转子，其由所述塔架支承，并且可旋转地联接到所述多个叶片上；
控制单元，其编程成进行下者：
预测所述塔架在一个或多个未来时间点处的净能量，所述塔架的净能量包括塔架的净势能、净动能或所述净势能和所述净动能的总和；以及
如果预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使所述风力涡轮***正常运行；
如果所述预测的净能量超过所述设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制所述风力涡轮***的塔架减振；
其中，所述非线性塔架减振模型构造成至少部分地基于非线性可变的减振系数、所述塔架的质量、所述塔架的运动方向、空气动力敏感度和所述塔架的自然频率，来产生所述塔架减振命令。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成产生与所述塔架的塔架速度同相的塔架减振命令。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮***，其特征在于，所述塔架减振命令包括所需桨距角变化，其满足所述风力涡轮***的变桨速率约束、变桨加速度约束或它们两者。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成确定所述非线性可变的减振系数，所述非线性可变的减振系数为所述塔架停止运动所剩的时间和能量减少因数的函数。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成基于查找表来确定所述非线性可变的减振系数，所述查找表将使所述塔架停止运动所剩的时间和所述能量减少因数映射到所述非线性可变的减振系数。
6.根据权利要求4所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成至少部分地基于平面相图来确定所述非线性可变的减振系数。
7.根据权利要求5所述的风力涡轮***，其特征在于，所述非线性塔架减振模型构造成通过解基于使所述塔架停止运动所剩的时间和所述能量减少因数的函数，来确定所述非线性可变的减振系数。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成通过解两点边界值优化问题来确定所述函数。
9.根据权利要求1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成至少部分地基于预测的塔架挠度来预测所述净能量。
10.根据权利要求8所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元进一步编程成至少部分地基于当前塔架挠度、当前塔架速度和当前塔架加速度来预测所述塔架挠度。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮***，其特征在于，所述控制单元编程成进一步至少基于塔架挠度、所述塔架速度和所述塔架的自然频率，来预测所述净能量。
12.根据权利要求1所述的风力涡轮***，其特征在于，所述设计极限包括所述塔架在所述塔架的最大塔架挠度极限处的最大势能。
13.一种运行如权利要求1至12中任一项所述的风力涡轮***的方法，包括：
预测风力涡轮塔架在一个或多个未来时间点处的净能量；以及
如果所述预测的净能量在设计极限内，则继续基线运行控制模型，以使所述风力涡轮正常运行；
如果所述预测的净能量超过所述设计极限，则使用非线性塔架减振模型来产生塔架减振命令，以控制所述风力涡轮的塔架负载。
14.一种风力涡轮***，包括：
塔架，其具有安装在其上的至少一个传感器；
多个叶片；
转子，其由所述塔架支承，并且可旋转地联接到所述多个叶片上；
控制单元，其编程成进行下者：
基于由所述至少一个传感器感测到的信息确定当前塔架挠度、当前塔架前后速度和当前塔架加速度；
基于当前塔架挠度、当前塔架速度和当前塔架加速度，来确定预测的塔架挠度；
基于预测的塔架挠度来预测所述塔架在一个或多个未来时间点处的塔架-负载-力矩指示参数，其中预测的塔架-负载-力矩指示参数包括预测的塔架的净能量，所述塔架的净能量包括塔架的净势能、净动能或所述净势能和所述净动能的总和；以及
将预测的塔架-负载-力矩指示参数与设计极限进行比较；
其中如果预测的塔架-负载-力矩指示参数在设计极限内，则由控制单元使用基线运行控制模型，以使所述风力涡轮***正常运行；
其中如果所述预测的塔架-负载-力矩指示参数超过所述设计极限，则由控制单元使用非线性塔架减振模型来确定非线性可变的减振系数以阻止塔架的损坏；以及
其中所述非线性塔架减振模型构造成产生与当前塔架速度同相的塔架减振命令，其中所述塔架减振命令包括叶片的所需桨距角变化命令。
15.根据权利要求14所述的风力涡轮***，其特征在于，所述多个叶片的所需桨距角变化命令包括用于各个叶片的相同命令，或者包括用于各个叶片的独立桨距角命令。
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