CN109952430B - 用于控制风能设备的方法和相关的风能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制风能设备(100)的方法，一种相关的风能设备(100)和一种具有多个风能设备(100)的风电场。所述方法包括：提供风速(350)和迎流方向(320)，其由所述风能设备(100)的测风设备确定；与所述风速(350)相关地提供所述迎流方向(320)的修正值(330)；与所述风速相关地执行所述迎流方向(320)的所述修正值(330)的学习法。所述学习法包括多个优化步骤(200)，其中所述优化步骤的实施与已经针对所提供的风速执行的优化步骤相关。本发明能够实现改进的风跟踪。

Description

用于控制风能设备的方法和相关的风能设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制风能设备的方法和一种具有控制模块的风能设备以及一种风电厂。

背景技术

已知的是，基于风速计或类似设备控制风能设备，所述风速计或类似设备被提供用于确定在风能设备的吊舱的区域中的风速和迎流方向。风能设备，尤其风能设备的方位位置被控制为，使得风检测设备的迎流方向对应于与当前存在的风速相关的值。闭环控制的目的是，基于所检测到的迎流方向得到风能设备的尽可能最好的定向，其中用尤其与风速相关的修正项修正测量出的迎流方向。

这种风向修正表格至今为止在风能设备的样机处借助于设置在其旁边的测风杆确定，随后传输到这批风能设备的其余风能设备。这两个设备经受自由地迎流，随后确定风向修正表格，使得风能设备刚好处于风中。

在风电厂中的风能设备中，尤其在安装测风设备时出现安装不准确性，所述测风设备例如可能斜几度地安装在吊舱上。测风设备的所述错误设置直接传递到用于风向跟踪的控制装置上进而必须针对每个设备个体地确定并且手动地检测和维持相应的修正值。

此外，尤其由于转子叶片的例如具有后缘区段的设计方案，也存在吊舱和风速计之间的迎流方向的差别，所述差别同样需被修正。

通过手动地确定每个设备的风向修正表格的错误，在装配和维护时产生大的耗费以及更容易受错误确定影响。

发明内容

以此为背景，本发明的目的是，提供一种用于控制风能设备的方法以及相关的风能设备，所述风能设备能够实现改进的风跟踪。

根据本发明提供一种用于控制风能设备的方法。所述方法包括：提供风速和迎流方向，其由风能设备的测风设备确定；与风速相关地提供迎流方向的修正值并且与风速相关地执行迎流方向的修正值的学习法。所述学习法包括多个优化步骤，其中优化步骤的实施与已经针对所提供的风速所执行的优化步骤相关。

迎流方向的修正值或以修正值修正的迎流方向优选用于风能设备的塔的方位运动和方位闭环控制。通过迎流方向的修正值确保，与风速相关地，风能设备随时最优地处于风中。在实际执行所述闭环控制时，自然要考虑其他边界条件，例如方位跟踪装置的磨损。

因此，根据本发明的方法适合于逐渐地借助于学习法学习个体的风能设备的风向修正表格，而不需要手动地确定修正值。在学习法或优化步骤的实施与已经针对所提供的风速所执行的优化步骤相关之后，还能够实现，所述方法确定初始的修正值并且在可确定的学习阶段之后适合于持久地运行风能设备，在所述学习阶段期间风能设备的一个或多个修正值趋于稳定。

在一个实施方式中，针对风能设备的特定的工作点确定修正值。由此，在一个实施方式中，与风能设备的工作点相关地提供迎流方向的修正值。针对特定的工作点能够确定，已经执行了学习法的几个优化步骤。与针对特定的工作点已经执行了几个优化步骤相关地，随后进行其他优化步骤的实施。

在一个实施方式中，在两个针对风速执行的优化步骤之间的时长随着所实施的优化步骤的数量增加。在学习法开始时，针对风速或优选针对特定的工作点不存在数据或仅存在非常少的数据。存在越多数据，针对特定的风速或特定的工作点的修正值就越准确。相应地，随着已经实施的优化步骤的数量以降低所实施的优化步骤的频率的方式来设计就足够了。每个优化步骤优选包括风能设备的方位调整，所述方位调整伴随着功率下降。如已经提到的那样，也期望的是，将方位调整的频率保持在合理的范围。在磨合运转期间优化步骤的执行例如能够每隔几分钟进行。如果设备已逐渐进入正常运转，那么频率例如能够降低到按小时执行。优化步骤的按小时执行在实施本来就执行的风跟踪的的过程中是不引入注目的并且在风能设备的整个使用寿命期间能够在磨损不提高的情况下执行。通过仅降低频率而不将实施方法整个终止的方式，也能够考虑在较晚的时间点发生的变化并且风能设备总是以最佳地修正风跟踪的方式运行。

在一个实施方式中，修正值修正测量出的迎流方向，以闭环控制风能设备的方位位置。

在一个实施方式中，每个优化步骤包括方位角首先沿一个方向然后沿另一方向的改变。方位角的改变优选对应于吊舱例如向左和向右的转动。在一个实施方式中，风能设备例如首先向左修正5°然后向右修正5°。不言而喻，所述改变首先向左然后向右以及也将示例性列举的5°应理解为是优选的实施方案，其中本领域技术人员也考虑实施改变的其他顺序和大小。

优选地，不仅在沿一个方向改变之后而且在沿另一方向改变之后比较优化参数并且提供用于改变修正值的建议，直至优化参数的变化与所述改变对称。在一个实施方式中，优化参数是功率下滑，以至于在沿一个方向和沿另一方向改变时进行功率变化的比较。在另一实施方式中，尤其在风能设备以额定功率运行时，修正值的改变不引起功率下滑。在所述实施方式中，更接近最佳值的修正角度能够是如下值，其中设备还能够借助于更高的叶片角产生额定功率。

在一个实施方式中，每个优化步骤还包括：在沿一个方向和另一方向改变方位角之后确定风能设备的相应的功率下降；评估这两次功率下降并且确定在功率下降较小时所述改变的方向。可选地，每个优化步骤还包括：提供修正值的朝着较小的功率下降的变化。功率的变化，即功率梯度，朝着最优值是更平缓的，也就是说功率损耗是不那么大的。在最优值处，针对沿一个方向和沿另一方向的转动的梯度是同样大的，也就是说优化步骤的随后反复的实施不再引起提供变化的修正值。

在一个实施方式中，如果风能设备产生额定功率并且在方位角沿一个方向和另一方向改变时不产生功率下降，那么每个优化步骤还包括：提高转子叶片的叶片角；确定最大叶片角，针对所述最大叶片角，风能设备能够产生额定功率；并且可选地提供修正值沿如下方向的变化，针对所述方向，风能设备能够以更高的叶片角产生额定功率。换言之，能够经由确定可实现额定功率的最大叶片角，也在额定功率下优化风跟踪。

在一个实施方式中，仅在湍流标准低于阈值时，才执行学习法的优化步骤。通过湍流标准能够保证，通过优化步骤可能确定的改进不基于当前存在的风况的变化而实现，而是通过改进修正值实现。为此，阵风的或湍流风不适合。

在一个实施方式中，湍流标准包括在功率的瞬时值和一分钟平均值之间的差别。公差标准的其他实施方式对于本领域技术人员来说可简单地实施，例如涡流标准能够包括在功率的和/或风速的一分钟平均值和十分钟平均值之间的差别。如果最后一分钟的和最后十分钟的功率和/或风速并未显著不同，那么能够认为少阵风。在另一实施方式中，仅在风向的波动低于阈值时，才执行学习法的优化步骤。由此保证，仅在风向刚好不经常波动，即所述设备不进行大量风跟踪或甚至确定斜向迎流时，才应用学习法。

在一个实施方式中，在优化步骤开始之前或结束之后确定风速。风速测量尤其会受风能设备的斜向迎流影响。在优化步骤期间造成短时间的斜向迎流，所述斜向迎流在优化步骤期间不对称地歪曲特定的风速。通过在开始之前或在结束之后确定风速的方式，防止：例如在修正值的特征曲线族中产生不对称，所述修正值可能优选是例如围绕方位位置的一个转动方向。

在一个实施方式中，所述方法还包括提供吊舱位置，其中与吊舱位置相关地提供修正值并且与吊舱位置相关地执行学习法。通过附加于迎流方向提供吊舱位置，修正值能够考虑场效应，例如尾流效应。由此，通过根据本发明的方法也能够实现在无手动的耗费的情况下针对不同风向优化场之内的不同设备。换言之，吊舱位置指示风的天空方向。

在一个实施方式中，基于特征曲线族提供修正值。特征曲线族的应用是广泛的。特征曲线族的不同维度能够用于根据本发明的方法。将其中提到的、尤其与风速、工作点和/或吊舱位置的相关的特征曲线族理解为示例性的，也可设想特征曲线族的其他相关性。

优选地，与风速和运行特征曲线和/或与风速和风能设备的转速相关地，列表说明特征曲线族。然而，在其他实施方式中，如提到那样，例如其他风能设备的尖速比或其他相关性可纳入特征曲线族中。

在一个实施方式中，平滑相邻的特征曲线族单元。学习法的特征曲线组单元的量化例如能够与自动地产生的或预设的特征曲线组的量化不同。尤其地，能够将更粗略的量化用于学习法，以便保持特征曲线族的待优化的修正值的数量是可管理的。为了确保，不连续性不表现为突变式的风跟踪，彼此邻接的特征曲线族单元优选能够彼此相适应。

在一个实施方式中，优化步骤提供修正值的变化，尤其改进。

在一个实施方式中，修正值的变化是恒定的量值，例如在方位位置的情况下是0.1°或0.01°。在其他实施方式中，修正值的变化也能够与至今为止的学习法相关，例如如果出现越小的变化，那么针对特定的工作点或特定的风速已经进行了更多优化步骤。在另一实施方式中，在执行优化步骤期间能够针对修正值的确定缩放上述功率损耗。换言之，较大的功率损耗能够用于修正的较大的变化，因为能够认为，修正值距最优值尚有一段距离。

在一个实施方式中，提供修正值的十分之一度或百分之一度的恒定的变化。在其他实施方式中，也可设想其他恒定的修正值。

在一个实施方式中，与功率下降相关地提供修正值的变化。优选地，将修正值限制为特定的幅度。由此，能够限制测量异常值的作用。例如能够将修正限制为0.2°，其中其他值也适合作为界限。

在本发明的另一方面中，提供具有控制模块和测风设备的风能设备。测风设备设计用于提供风速和迎流方向。控制模块设计用于，与风速相关地提供迎流方向的修正值并且与风速相关地执行迎流方向的修正值的学习法。所述学习法包括多个优化步骤，其中优化步骤的实施与已经针对所提供的风速执行的优化步骤相关。

根据本发明的风能设备能够实现与根据本发明的方法所实现的优点相同的优点。根据本发明的风能设备也能够显示出所述方法的所有特别的设计方案并且与所有有利的方面进行组合。

同样本发明涉及一种具有根据本发明的风能设备的风电场。

附图说明

下面，本发明的其他有利的设计方案参照附图变得清楚。附图示出：

图1示出风能设备的示意图。

图2示例地示出根据本发明的方法的学习法的执行。

图3示出根据本发明的方法的示意结构图。

下面，相同的附图标记能够表示类似的，然而不相同的元件。此外，相同的元件能够以不同的比例示出。

具体实施方式

图1示出具有塔102和吊舱104的风能设备100。在吊舱104上设置有具有三个转子叶片108和导流罩110的转子106。转子106在运行时通过风进入转动运动进而驱动在吊舱104中的发电机。

图2示例地示出学***线上记录时间t，也就是说四个吊舱104对应于在不同的彼此跟随的时间的风能设备。

风能设备在步骤210中首先沿风向204定向。在所述时间期间，风能设备产生功率P，其用215表示。在图2下部中，在水平线上相对于所实现的功率P记录时间t。在优化步骤开始时，风能设备在步骤220中以角度222沿方位方向扭转。在本实例中，角度222从风204起向左标记，在另一实施例中然而也能够对应于其他方向。在位于所述位置期间，风能设备产生功率P，其用225表示并且与风能设备处于风中时所达到的功率215相比减小了值224。

在步骤220中向左扭转之后，风能设备在步骤230中再转入风中。所达到的功率235对应于之前实现的功率215。如果功率235与功率215不同，那么这是阵风的表示，这造成学习法或优化步骤200的暂停。

接着，在步骤240中风能设备在本实例中向右扭转了调整角度242。将在步骤240中位于方位位置期间的功率和在步骤230期间的功率235之间的差244与功率差224比较。如果值224与值244不同，那么这表示：由风能设备执行的风向修正不是最佳的并且通过学习法得到改进的闭环控制值或关于闭环控制值的修正系数。在本实施例中，能够将学习法200理解为方位角的最大功率点追踪(MPPT)。MPPT法在图2中示出的情况下推断出：在风能设备在步骤210至240中运行的工作点处，风向修正进一步向左移动，因为向左转动与向右转动相比造成更小的功率下滑。

图3示出根据本发明的用于控制风能设备的方法300的示例性的结构图。所述方法300的中央元件是风跟踪***310，其保证对风能设备闭环控制以跟踪风。所述单元也以偏航单元已知。

在闭环控制运行中，风向跟踪***310经由输入端312来提供风向测量320，所述风向测量在步骤325处以风向修正角度330修正。作为迎流方向的闭环控制值适合的不仅是风向修正角度330还有所产生的差，如在本实例中所示出的那样，其中相应地调整风向跟踪***310。风向测量320优选基于风速计进行，所述风速计安装在风能设备100的吊舱104上。

由修正特征曲线族340确定风向修正角度330，其中修正特征曲线族340作为输入变量具有风速350并且可选地，附加地具有尖速比、转速或功率特征曲线360和吊舱位置370，所述吊舱位置对应于风的天空方向。修正特征曲线族340相应地具有一个或多个维度。

输入变量350和可选的输入变量360和/或370用于借助于修正特征曲线族340得到风向修正角度330并且修正风向测量320。

图2中扼要地示出的MPPT法200在其注意到需要修正时，经由步骤380用于修正特征曲线族340的修正。

将指数390以及修正计数器400输送给MPPT法200。指数390给出修正特征曲线族的值，所述值从输入参数350和可选的输入参数360或370中得到。修正计数器400给出如下值，所述值表示：特征曲线族值在指数390处已经运行经过MPPT法200多少次并且必要时已经修正了多少次。优选地，MPPT法的两个彼此跟随的学习步骤之间的时间间隔与修正计数器400相关并且随着修正计数器值400的升高而升高。如已经在图2中所描述的那样，MPPT法200需要功率值410并且可选地需要叶片角420作为其他输入变量。如果MPPT法200在步骤220和240中吊舱扭转时未确定有功率下降，也就是说如果风能设备以额定功率运行，那么使用叶片角420。在风能设备100尚能够用较高的叶片角产生额定功率时，风向修正角度330更接近最佳值。

如果阵风识别装置430确定存在阵风，那么MPPT法200暂停。为此，阵风识别装置430检测功率410并且例如确定瞬时功率与前一分钟的一分钟平均值功率的差。如果所述功率的该差高于预定的阈值，那么存在阵风，所述阵风可能导致学习法轻易被歪曲。尤其在存在阵风时与吊舱104能够以足够的量围绕方位轴线转动相比，风速更快地变化。

此外，存在斜向迎流识别单元440，如果斜向迎流识别装置440借助于输入的吊舱位置370和风向测量320探测到：风向恰好频繁地波动，由此风能设备100总归已执行多次风跟踪或甚至已确定斜向迎流，那么所述斜向迎流识别单元同样引起MPPT法200的暂停。

为了形成修正步骤，也可称作为学习步骤的优化步骤经由第二输入端314提供给风向跟踪***300。相应的调整角度变化曲线例如在图2的步骤210至240中示出。

优选地，在每个优化步骤中以恒定的调整角度，例如5°调整方位角。所述调整交替地沿参照分别至今为止假定为理想的设备定向的任意方向进行。在其他实施例中，也可设想与修正计数器400的数量或其他参数相关的用来调整设备的度调整角度。

修正步骤380的强度在本实施例中与探测到的功率差，也就是说功率240和224之间的差成比例。替选地，也能够将绝对的功率差224或244用于修正步骤的缩放。背后的想法是，功率梯度朝最佳值方向更扁平，也就是说修正越接近最优值，功率损耗就越不那么大。在最佳值处用于向左转动和向右转动的梯度是同样大的，也就是说随后反复实施MPPT法200不再造成变化。在其他实施例中，修正步骤380也能够固定地预设并且是恒定的。

尤其如果使用具有后缘区段的转子叶片108，那么风偏转的强度与从风中提取的扭矩相关。扭矩可通过尖速比，也就是说环周速度与风速的比表示。替选地，为了基于风速350列表说明修正特征曲线族340，由此也能够进行与尖速比相关的列表说明。因为风速350不包含关于扭矩的信息，所以优选将第二维度加入修正特征曲线族340中。优选地，由此附加地与选择作为输入360的功率特征曲线相关地产生修正特征曲线族340。替选于对风速350和运行特征曲线的列表说明，也可行的是，列表说明关于风速350和尖速比或转速360的修正特征曲线族340。附加的关于吊舱位置370的维度能够实现，对修正特征曲线族340的绝对风向求积分进而能够实现方向相关的风向修正，所述风向修正例如考虑场效应。

风速测量受风能设备100的斜向迎流影响，因为风，在来自一个方向的斜向迎流的情况下，与在来自相反方向的斜向迎流的情况下相比，更好地通过转子108吹动。在优化步骤中向左和向右分别短时间产生的斜向迎流，在执行优化步骤期间不对称地歪曲风速测量。为了避免在特征曲线族340中存在不对称性，其中已经优选一个转动方向，在优化步骤期间不允许评估风速测量。风速必须在优化步骤之前或在优化步骤之后测量并且选择在特征曲线族340中的相关的指数390。

在自动地构造的特征曲线族340中可能造成不连续性。所述不连续性例如通过在吊舱104上的上部构造解释，所述上部构造会歪曲风向测量。本来期望的是，也在修正特征曲线族340中检测所述不连续性。然而由于粗略的量化，这无法完美地实现。为了使在特征曲线族340中的所述不连续性不因风向跟踪装置310导致突变式的风跟踪，优选使用平滑算法，所述平滑算法使修正特征曲线族340的相邻的单元相互适应。

Claims (21)

1.一种用于控制风能设备（100）的方法，所述方法包括：

提供风速（350）和迎流方向（320），其由所述风能设备（100）的测风设备确定；

与所述风速（350）相关地提供所述迎流方向（320）的修正值（330）；

与所述风速相关地执行所述迎流方向（320）的所述修正值（330）的学习法，其特征在于，

所述学习法包括多个优化步骤（200），其中所述优化步骤的实施与已经针对所提供的风速执行的优化步骤相关，

并且其中在两个针对风速执行的优化步骤之间的时长随着所执行的优化步骤的数量而增加。

2.根据权利要求1所述的方法，其中与所述风能设备（100）的工作点相关地提供所述迎流方向（320）的修正值（330）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述修正值（330）修正（325）测量出的所述迎流方向（320）以闭环控制所述风能设备的方位位置。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个优化步骤包括：首先沿一个方向然后沿另一方向改变所述风能设备（100）的方位角。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述方位角对称地首先沿一个方向然后沿另一方向改变。

6.根据权利要求4所述的方法，其中每个优化步骤还包括：

- 在沿一个方向和另一方向改变所述方位角之后，确定所述风能设备（100）的相应的功率下降（224，244）；

- 评估这两次功率下降（224，244）并且确定在功率下降较小时所述改变的方向，并且

- 提供所述修正值的朝向较小的功率下降的变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其中如果所述风能设备产生额定功率并且在将所述方位角沿一个方向和另一方向改变时不产生功率下降（224，244），那么每个优化步骤还包括：

- 提高转子叶片的叶片角；

- 确定最大叶片角，针对所述最大叶片角，所述风能设备能够产生额定功率；并且

- 提供所述修正值沿如下方向的变化，针对所述方向，所述风能设备能够以更大的叶片角产生所述额定功率。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中仅在湍流标准低于阈值时，才执行所述学习法的优化步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述湍流标准包括在功率的瞬时值和一分钟平均值之间的差别。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中仅在风向的波动低于阈值时，才执行所述学习法的优化步骤。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中在优化步骤开始之前或结束之后确定所述风速（350）。

12.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括：

提供吊舱位置（370），其中与所述吊舱位置（370）相关地提供所述修正值（330）并且与所述吊舱位置（370）相关地执行所述学习法（200）。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中基于特征曲线族（340）提供所述修正值（330）。

14.根据权利要求13所述的方法，其中与风速（350）和运行特征曲线和/或与风速（350）和所述风能设备的转速相关地，列表说明所述特征曲线族（340）。

15.根据权利要求13所述的方法，其中平滑相邻的特征曲线族单元。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述优化步骤提供所述修正值（330）的变化。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述优化步骤提供所述修正值（330）的改进。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述优化步骤提供恒定的变化，或者提供与功率下降相关地缩放的变化。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述优化步骤提供1/10°或1/100°的变化。

20.一种具有控制模块和测风设备的风能设备（100），其中所述测风设备设计用于提供风速（350）和迎流方向（320），

其中所述控制模块设置用于，

与所述风速（350）相关地提供所述迎流方向（320）的修正值（330）并且与所述风速（350）相关地执行所述迎流方向（320）的所述修正值（330）的学习法（200），

其特征在于，

所述学习法（200）包括多个优化步骤，其中所述优化步骤的实施与已经针对所提供的风速执行的优化步骤相关，

并且其中在两个针对风速执行的优化步骤之间的时长随着所执行的优化步骤的数量而增加。

21.一种具有多个根据权利要求20所述的风能设备（100）的风电场。

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