CN109695539B - 多台风力发电机的控制***和运行方法 - Google Patents

多台风力发电机的控制***和运行方法 Download PDF

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Abstract

一种用于运行第一风力发电机（14）和第二风力发电机（15）的方法，其中，第二风力发电机（15）布置在第一风力发电机（14）的尾流（30）中。预测模型（28）接收第一风力发电机（14）的当前风值以便预测未来时刻（25），在该未来时刻，第二风力发电机（15）的转子所扫过的区域与第一风力发电机（14）的尾流（30）局部叠覆。第二风力发电机（15）如此对所述预测做出反应，即产生一个控制信号以便相对于该第二风力发电机（15）的另一个转子叶片的俯仰角改变该第二风力发电机（15）的一个转子叶片的俯仰角。本发明还涉及适于执行所述方法的控制***。利用本发明的方法，可以减小第二风力发电机（15）的载荷。

Description

多台风力发电机的控制***和运行方法
技术领域
本发明涉及用于运行第一风力发电机和第二风力发电机的方法，其中，第二风力发电机布置在第一风力发电机的尾流中。本发明还涉及用于风力发电机的控制***。
背景技术
如果两台风力发电机彼此相邻地运行，则出现以下问题，在第一风力发电机的尾流中可能存在无序的风力状况，第二风力发电机由此可能承受更高载荷，见EP 2 063 108A2、EP 1 790 851 A2、WO 2015/039 665 A1、WO 2011/160 634A1。
发明内容
本发明基于以下目的，提出一种控制***和一种用于运行多台风力发电机的方法，从而布置在第一风力发电机的尾流中的第二风力发电机的载荷被减小。从所述的现有技术出发，该目的通过独立权利要求所述的特征实现。在从属权利要求中给出了有利的实施方式。
在本发明的方法中，给预测模型提供第一风力发电机的当前风值以便预测未来时刻，在该未来时刻，第二风力发电机转子覆盖的区域与第一风力发电机的尾流出现部分重合。第二风力发电机如此响应于所述预测，即产生一个控制信号以便相对于第二风力发电机的另一个转子叶片的俯仰角来改变第二风力发电机的一个转子叶片的俯仰角。在一个实施方式中，该控制信号在所述未来时刻之前产生。
如果第一风力发电机的尾流仅部分吹到第二风力发电机的转子，则第二风力发电机的转子非对称地承受载荷。本发明构想在于，按如下方式抵制非对称转子载荷：相对于其它转子叶片调节中的一个转子叶片，其中，预防性地进行所述调节，即在有更高载荷作用于转子之前的时刻进行所述调节（预控制）。
预测模型可以基于如下假定，即尾流在第一风力发电机的转子轴线延长区中延伸。第一风力发电机转子所覆盖的区域可以被认为是尾流横截面的起点。预测模型可以基于如下假定，尾流从该起点起以圆柱形横截面沿着转子轴线方向传播。预测模型可以基于如下假定，尾流随着至第一风力发电机转子的距离增大而径向扩大。预测模型可以基于如下假定，尾流中的风速相比于未被第一风力发电机干扰的风场被减小。该预测模型可以基于如下假定，尾流中的风速具有径向分布，根据该径向分布，在尾流中心处的风速低于在尾流周边的风速。预测模型可以基于如下假定，尾流中的紊流强度相比于未被第一风力发电机干扰的风场被增大。
该预测模型可以基于如下假定，尾流从第一风力发电机起以对应于风速的速度传播。该预测模型可以被供以：“根据尾流的传播速度求出的风速值”。
该预测模型可以基于如下假定，尾流在风向上传播。预测模型可以被供以：“从尾流传播方向中求出的风向值”。
当前风速值和/或当前风向值可以是测量值。测量值可以借助风速计来获得。风速计例如可以布置在风力发电机的舱室上。
也可能的是，当前风速值和/或当前风向值是估算值。在许多情况下，基于确定存在的参数所估算的值比测量值更加可靠。对于更高的可靠性有利的是，从作用于整个转子的空气质量流量中来推导出所述估算值。相比于设置在风力发电机上的风速计，为此提供了大许多的测量面。尤其可以从风力发电机运行参数中推导出所述估算值，其是按照在运行参数和作用于转子的空气质量流量存在关联的方式来选择的。即，如果作用于转子的空气质量流量改变，则出现与之相关的运行参数变化。作为在确定风估算值时可加以考虑的风力发电机运行参数，例如考虑采用：转子转速、一个或多个转子叶片的俯仰角、发电机转矩、塔倾斜度和/或转子叶片变形。尤其可将其中一个参数变化汇入到确定风估算值之中。在求出估算值时可以考虑这些运行参数中的多个运行参数，尤其是至少其中三个运行参数。此外可以有利地考虑估算的或基于测量数据所确定的空气密度。
可在第一风力发电机中获得当前风速值和/或当前风向值。为此该预测模型可以假定：该尾流沿着作用于第一风力发电机的风向前进。
可在第二风力发电机中获得当前风速值和/或当前风向值。为此该预测模型可以假定：第一风力发电机的尾流按照第二风力发电机处的风向传播。
可以如此设计该预测模型，即在尾流传播方向的预测中不仅考虑第一风力发电机的当前风向值，也考虑第二风力发电机的当前风向值。例如当第一风力发电机的当前风向值与第二风力发电机的当前风向值彼此不同时，可以认为尾流传播方向位于两个风向之间。
可以如此设计该预测模型，即在尾流传播速度的预测中不仅考虑第一风力发电机的风速值，也考虑第二风力发电机的风速值。例如当第一风力发电机的和第二风力发电机的风向值彼此不同时，可以假定尾流传播速度在两个风速之间。
如果该预测模型估算出尾流的传播速度和传播方向，则可以从第一风力发电机与第二风力发电机的彼此相对位置中预测在哪个未来时刻该第二风力发电机遇到第一风力发电机尾流的一定影响。
第一风力发电机的和第二风力发电机的地理位置可以在一个坐标系中被示出。如果所预测的尾流被描绘到该坐标系中，则尾流与第二风力发电机转子之间的重叠度可以被确定。尤其，沿尾流轴线所测量的、在第一风力发电机与第二风力发电机之间的轴向距离可被求出。此外，在尾流轴线与第二风力发电机轴线之间的径向距离可以被求出。从该径向距离得到尾流与被第二风力发电机转子覆盖的区域之间的重叠度。
尾流模型可以包含用于预测紊流强度的模型。为此可以获得在第一风力发电机处的紊流强度当前值。紊流强度的传播可以用该预测模型来估算并由此推导出在未来时刻在第二风力发电机处的紊流强度预测。在此，可以在该预测模型中考虑该尾流中的紊流强度一般高于在不受干扰的风场中的紊流强度。在第一风力发电机处的紊流强度当前值例如可以自第一风力发电机功率的标准偏差中来推导出。
当在第一风力发电机区域内的当前风向改变时，该预测模型可以在一个简单变型中如此行事，即，风向改变被直接传递至尾流。就是说，所预测的尾流随风向同时改变其风向。尾流在新风向上运动的速度可以从当前风速中推导出。依据第一和第二风力发电机之间的轴向距离，可以预测在多久的延迟时间后所述尾流在新方向上已传播到第二风力发电机。当前时刻和延迟时间之和表明所述预测生效的未来时刻。
试验表明，风向变化在实践中只以一定的时间延迟在尾流中继续。在预测模型中可以如下考虑到这一点：风向改变传播到第二风力发电机的时间段是作为以下两者之和被求出的：即从当前风速值中推导出的延迟时间与由尾流决定的附加时间（其产生原因是尾流并非紧随风向改变）。
精确确定该附加时间绝非易事。另一方面，该未来时刻的准确预测和尾流与第二风力发电机转子之间重叠度的准确预测对于此方法之成功是至关重要的。如果在第二风力发电机处针对即将来临的尾流载荷之预测而进行了预控制，但尾流实际上根本未出现，则风力发电机的最终载荷可能高于放弃预控制时的载荷。为了避免本发明方法的这种不利影响，第二风力发电机可以配备载荷传感器，借助于所述载荷传感器来求出风力发电机的实际载荷。载荷传感器例如可以包括在转子叶片中的应变片，借助于所述应变片可以测量转子叶片的弹性变形。
通过这种方式，该预测模型可以在自动学习过程中得到改善。如果从预测模型中导出的控制信号并未导致载荷预期减小，则可以将相应反馈发送至预测模型，使得预测模型调整其预测。换言之，该预测模型可以根据第二风力发电机的所测得的实际载荷而被改变。实际载荷的测量例如可以发生在未来时刻。预测模型的修改尤其可以涉及到一时间段，在该时间段内“风向改变”已经从第一风力发电机“传播”至第二风力发电机。
如果预测模型针对未来时刻预测出第一风力发电机的尾流与第二风力发电机的转子在局部重合的状态，则相对于第二风力发电机的另一个转子叶片的俯仰角来改变第二风力发电机的一个转子叶片的俯仰角。所述改变可能涉及到如下转子回转区段：在此出现与第一风力发电机的尾流相遇。在转子回转的其它区段中，转子叶片可以返回其在先位置。此过程可以周期性重复，因而转子叶片在到达相同的角位时又调节其俯仰角。也可以针对该转子的其它转子叶片进行相应的控制设定，从而通过周期性调节所有转子叶片来抵制非对称载荷。
转子叶片俯仰角的周期性调节一般伴随减小的风功耗。为了保持低的收益损失，第二风力发电机可以设立成：只有当前风速高于额定风速和/或第二风力发电机当前在额定功率下运行时，才进行基于预测模型的预控制。
对于所述方法可能有利的是，对于第一风力发电机和/或第二风力发电机可以存储一系列的在不同时刻所求出的风向值和/或风速值。每个风向值/风速值可以配有一个时间戳，因此可以追溯在哪个时刻收集到了所述值。这一系列存储值所经过的时间段可以被如此设定长短，即，它包含风场在最缓慢的观测风速下，从第一风力发电机运动到第二风力发电机所需要的时间段。为了存储所述数据可以采用环形存储器，在环形存储器中存储期望时间段期间的数据，并且旧的数据被新来的数据自动替换。
风速值/风向值可以与对应的时间戳一起被存储。另外，可以与时间戳一起存储与相关风力发电机的当前运行状态相关的信息。
使用预测模型所需要的计算步骤可以在第一风力发电机和第二风力发电机所属的风电场的中央计算机上执行。但也可能利用风力发电机的计算机来分散完成。
本发明的方法可以用多于两台的风力发电机来执行。尤其，所述方法可以用至少10台、最好用至少20台、更好是用至少50台风力发电机来执行。在根据本发明的风力发电机布置中，这些风力发电机在空间上如此相对布置，即，根据风向，每台风力发电机可以处于所述布置的至少另一台风力发电机的尾流中。风力发电机的布置可以被设计成风电场，该风力发电机具有针对各个风力发电机的运行进行设定的中央控制装置。
如果所述方法用多于两台的风力发电机来执行，则本发明的方法可以包含如下步骤，根据风向来完成风力发电机的排列组合，根据所述排列组合以第一和第二风力发电机配对方式来对这些风力发电机进行排列组合，从而每一对中在当前风向情况下将第二风力发电机布置在第一风力发电机的尾流中。此时可行的是，一台单独的风力发电机在第一对中扮演了第一风力发电机的角色，同时在第二对中扮演了第二风力发电机的角色。
本发明还涉及一种控制***，其具有用于收集第一风力发电机的当前风值的采集装置和具有预测模型，该预测模型被设计成在处理当前风值的情况下预测一未来时刻，在该未来时刻，布置在第一风力发电机的尾流中的第二风力发电机与第一风力发电机的尾流在局部相遇，并且其中，该控制***响应于所述预测而产生一个控制信号，以便相对于该第二风力发电机的另一个转子叶片的俯仰角来改变该第二风力发电机的一个转子叶片的俯仰角。本发明还涉及一种风力发电机的布置，其配备有这样的控制***。
在一个优选实施方式中，该控制***具有多个控制计算机。所述风预测此时最好在用于整个风电场的中央计算机上执行。用于单独机器的各自风预测自中央计算机被传递至多台单独机器的控制单元。单独机器的各自控制单元于是自所传输的风预测中产生用于单独机器的控制信号。
该控制***可利用关于本发明方法所述的其它特征来改进。该方法可以利用关于本发明控制***所述的其他特征来改进。
附图说明
在下文中参考附图借助于有利的实施方式来示例性描述本发明。附图示出：
图1：示出根据本发明的风力发电机布置；
图2：示出本发明的预测模型的示意图；
图3：示出在第一风力发电机的尾流与第二风力发电机的转子之间的局部叠覆；
图4：示出本发明的预测模型的一个方面；
图5：示出根据本发明的风力发电机布置。
具体实施方式
如图1所示的风力发电机的布置包括第一风力发电机14、第二风力发电机15和第三风力发电机16。每台风力发电机14、15、16包括转子，所述转子被风驱动转动并且驱动发电机以产生电能。每台风力发电机14、15、16还包括在图1中仅以风力发电机15为例被示出的风估算器17。
风估算器17被设计用于针对每台风力发电机14、15、16求出风速的估算值和或许风向的估算值。每个估算值从一个或多个依据作用于整个转子的空气质量流量而变化的运行参数来推导。所述运行参数例如可以包含转子转速、转子叶片俯仰角以及由转子施加的转矩。因为转子扫过大的面积，故可以用风估算器17估算出风速和或许还有风向的可靠值。风向的前提是附加测量值，最好例如是单独的叶片运动或叶片变形的测量或者塔运动或塔变形的测量。
在图1中主导的风向18上，第二风力发电机15设置在第一风力发电机14的下风口处。在风向上看在第二风力发电机15与第一风力发电机14之间的距离是这样的，即，第二风力发电机15处于第一风力发电机14的尾流30中。即，在风向18情况下，第二风力发电机15所经历的风力情况受到第一风力发电机14运行的影响。
虽然第三风力发电机16也布置在第二风力发电机15的上风口处，但第三风力发电机16朝向侧面错移，使得在第三风力发电机16的尾流30与第二风力发电机15的转子之间未出现相交。在本发明的方法开始时，在考虑当前风向的情况下求出哪台风力发电机处于另外哪台风力发电机的尾流中。在根据图1的实施例中仅涉及到第二风力发电机15，其处于第一风力发电机14的尾流中。
在图1中的时间轴19上，在当前时刻20求出所有三台风力发电机14、15、16的风估算值。风估算值被输送至预测计算机21，在预测计算机中存有预测模型28。风估算值被馈入预测模型28中，预测模型处理该风估算值以便预测第一风力发电机14的尾流30如何扩散开。
用预测模型28来求出尾流的传播方向和传播速度。在根据图1的例子中，根据当前风向18推导出传播方向，而根据风速推导出传播速度。这在图1中通过平行于第一风力发电机14的转子取向且向下风口运动的锋前线22被示意性示出。在风力发电机14、16中所估算的风向的平均值被假定为当前风向。两台风力发电机14、16自由迎风，从而风向未因更靠前的风力发电机的尾流而被歪曲。在本发明的其它实施方式中，可在确定当前风向时也考虑在第二风力发电机15中获得的估算值。可在确定当前风速时采取相应措施。
第二风力发电机15的控制单元24可以在预测计算机21询问第一风力发电机14的尾流30在未来时刻25如何推测性地影响到第二风力发电机15。在根据图1的实施例中，在未来时刻25出现第一风力发电机14的尾流30与第二风力发电机15的转子之间的部分叠覆。
作为对所述预测的反应，控制单元24在时刻25前不久产生一个控制信号，根据该控制信号，第二风力发电机15的转子叶片的俯仰角在时刻25之前依据各自转子叶片的角位被调整（预控制）。尤其，每个转子叶片可以在出现与第一风力发电机40的尾流30的相交的转子回转的角度范围内具有与在转子回转的其它角度范围时相比不同的俯仰角。即，控制单元24的控制信号可以造成俯仰角周期性变化，其中，该控制信号可以在其完整的转子回转后重复。
此外，在当前时刻20可以求出紊流强度的当前值。例如可以从与第一风力发电机14所交付的功率的标准偏差中求出紊流强度。预测计算机21可以被设计成它也求出紊流强度的传播并做出针对未来时刻25的相应预测。用于第二风力发电机15的控制单元24的控制预定值也可以取决于针对时刻25所预测的紊流强度。
在图2中示出了尾流的预测模型28所依据的几个假定条件。假设有恒定的风力状况，则在第一风力发电机14的转子叶片之后的尾流30与转子轴线同心地向后传播。在第一风力发电机14区域内，尾流30的横截面对应于被转子扫过的面。随着至第一风力发电机14的距离增大，尾流30在径向上略微扩大。
在尾流30区域中，风速低于在未被第一风力发电机14干扰的风场中的风速。风速不足在紧接于转子的区域（染黑）中达到最大程度。随着在下风向上的至第一风力发电机14的距离递增以及随着至虚线所示的尾流30中心轴线的距离递增，风速不足减弱。因此，第二风力发电机15在图2中仅涉及到在尾流30边缘区域内的轻微风速不足。
在图3中由圆圈22标出了被第二风力发电机15的转子扫过的面。根据预测模型28，尾流30在第二风力发电机15的转子的平面中也具有圆形横截面。在尾流30和被转子扫过的面22之间，在区域23内有部分叠覆。
图4示出了一种可以如何在预测模型28中描绘出风向改变的示例性可能方式。示出了在当前时刻t与过往时刻t-3Δt之间的时间间隔。在过往时刻t-3Δt，风可以来自270°，以便第二风力发电机15完全处于第一风力发电机14的尾流30中。在t-3Δt与t-2Δt之间，风向以10°转动至260°。因尾流30而出现了延迟，直到风向改变到达第二风力发电机15。在t-2Δt与t-Δt之间，风又以10°转动至250°，并且在当前时刻t之前一直保持新的风向。在曲线图中示出了直到改变后的风向已传播到尾流30之前的各自延迟。
在图5示意性所示的风电场中，设于上风口的风力发电机作为第一风力发电机14与设于下风口的第二风力发电机15分开地被示出。在第一风力发电机14和第二风力发电机15之间的基本配对关系取决于风向并且必须在每次风向改变时被调整。所有的风力发电机14、15配备有风估算器17，其发送风估算值给中央存储器33。风估算值与各自风力发电机的地理坐标和对应的时间戳一起被存储在中央存储器33内。作为其补充，总是可以存储与在相关时刻的相关风力发电机的运行状态相关的信息。
在存储器33中，在待观察的最缓慢风场为了运动经过风电场最大伸展范围所需要的期间内一直存储所述数据。待观察的最缓慢风场例如可以具有对应于风力发电机接通速度的速度。存储器33被设计成环形存储器，以便所述期间的最旧数据总是用新数据替代。
每台风力发电机14、15配备有分散的预测计算机35，其可以访问存储器33内的风估算值。针对设于下风口的第二风力发电机15，从当前风向中得到一个地理区段，在该地理区段中第一风力发电机14可能产生干扰的尾流。通过查询第一风力发电机14的存于存储器33中的地理坐标，预测计算机可以识别出可能潜在引起干扰尾流的各个风力发电机14。通过预测计算机35访问存储器33中的相关第一风力发电机的当前风估算值，预测计算机可以预测是否不久就要考虑到对于自身风力发电机15的干扰尾流30。如果是这种情况，则风力发电机15可以在干扰尾流出现前不久产生一个控制信号，根据该控制信号，周期性地俯仰调节该转子叶片。

Claims (15)

1.一种用于运行第一风力发电机（14）和第二风力发电机（15）的方法，其中，该第二风力发电机（15）布置在该第一风力发电机（14）的尾流（30）中，其中，给预测模型（28）提供该第一风力发电机（14）的当前风值，以预测未来时刻（25），在该未来时刻，该第二风力发电机（15）的转子所扫过的区域与该第一风力发电机（14）的尾流（30）部分地相遇，并且其中，该第二风力发电机（15）如此对所述预测做出反应，即产生一个控制信号，以相对于该第二风力发电机（15）的另一个转子叶片的俯仰角改变该第二风力发电机（15）的一个转子叶片的俯仰角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该控制信号在该未来时刻（25）之前产生。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该预测模型（28）包含如下假定：所述尾流（30）随着至该第一风力发电机（14）的距离增大而在径向上扩大；和/或该预测模型包含如下假定：该尾流（30）中的风速相比于未被该第一风力发电机（14）干扰的风场被减小。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该预测模型（28）包含如下假定：该尾流（30）中的风速具有径向分布，根据所述径向分布，在该尾流（30）的中心处的风速低于在该尾流（30）的周边处的风速。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该预测模型（28）包含如下假定：该尾流（30）中的紊流强度相比于未被该第一风力发电机（14）干扰的风场被增大。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该当前风值是结合作用于整个转子的风荷载所估算的估算风值。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在预测该尾流（30）的传播方向时，用到该第一风力发电机（14）的当前风值和/或该第二风力发电机（15）的当前风值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该预测模型（28）将风预测情况映射到一个地理坐标系中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该第一风力发电机（14）的设立地点和/或该第二风力发电机（15）的设立地点由该地理坐标系内的坐标限定。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该当前风值包含用于紊流强度的值，其中，从该第一风力发电机（14）的功率的标准偏差中推导出该用于紊流强度的值。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该预测模型（28）中，求出风向变化从第一风力发电机（14）传播到第二风力发电机（15）的时间段，作为从当前风速值中推导出的延迟时间与由尾流决定的附加时间之和。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该第二风力发电机（15）配备有载荷传感器，借此求出该第二风力发电机（15）的当前载荷。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法只在当前风速高于额定风速和/或该第二风力发电机（15）当前在额定功率下运行时起效。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对于该第一风力发电机（14）和/或该第二风力发电机（15），存储一系列在不同时刻求出的当前风值。
15.一种控制***，具有用于收集第一风力发电机（14）的当前风值的采集装置并具有预测模型（28），该预测模型设计用于在处理当前风值情况下预测未来时刻（25），在该未来时刻，布置在该第一风力发电机（14）的尾流（30）中的第二风力发电机（15）与该第一风力发电机（14）的尾流（30）在局部相遇，并且其中，该控制***响应于所述预测而产生一个控制信号，以便相对于该第二风力发电机（15）的另一个转子叶片的俯仰角改变该第二风力发电机（15）的一个转子叶片的俯仰角。
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