CN111396251B - 基于最大推力限制操作风力涡轮机的方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种操作具有转子的风力涡轮机的方法。从风力涡轮机的一个或多个传感器接收传感器数据，并且基于所述传感器数据获得最大载荷值。所述最大载荷值指示作用在风力涡轮机的部件(例如转子叶片)上的最大载荷。基于所述最大载荷值获得估计的极限载荷值(例如50年返回载荷)，并将其与基准值进行比较。基于所述比较设定最大推力限制，并且根据所述最大推力限制来操作风力涡轮机，使得作用在转子上的风推力不超过所述最大推力限制。

Description

基于最大推力限制操作风力涡轮机的方法
技术领域
本发明涉及一种操作风力涡轮机的方法，其中使用最大推力限制来限制作用在风力涡轮机的转子上的风推力。
背景技术
EP2799711公开了一种操作风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机具有带多个叶片的转子、用于确定风力涡轮机上的一个或多个载荷的***、关于风力涡轮机操作的数据的历史寄存器以及控制风力涡轮机的一个或多个操作参数的控制***。该方法包括确定风力涡轮机上的载荷，以及将确定的风力涡轮机上的载荷存储在历史寄存器中。该方法还包括从历史寄存器中获得指示随着时间的推移而累积的风力涡轮机上的载荷的特征；以及根据所获得的指示随着时间的推移而累积的载荷的特征来确定一个或多个风推力限制。控制风力涡轮机的一个或多个操作参数以将风力涡轮机上的风推力保持在确定的风推力限制内。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种操作具有转子的风力涡轮机的方法，所述方法包括：从所述风力涡轮机的一个或多个传感器接收传感器数据；基于所述传感器数据获得最大载荷值，其中所述最大载荷值指示作用在所述风力涡轮机的部件上的最大载荷；基于所述最大载荷值获得估计的极限载荷值；将所述估计的极限载荷值与基准值进行比较；基于所述比较设定最大推力限制；以及根据所述最大推力限制操作所述风力涡轮机，以使作用在所述转子上的风力推力不超过所述最大推力限制。
本发明基于估计的极限载荷值来设定最大推力限制，而不是如EP2799711中那样基于指示随着时间的推移而累积的载荷的特征来设定最大推力限制。
可选地，所述风力涡轮机的所述部件是转子的叶片，并且所述最大载荷值指示沿摆振方向作用在转子的叶片上的、例如由叶片中的载荷传感器测量的最大的力或力矩。替代地，所述最大载荷值可以指示作用在另一部件(例如转子或承载转子-机舱组件的塔架)上的最大载荷。
可选地，所述风力涡轮机载荷的所述部件是转子的叶片，并且所述估计的极限载荷值指示沿摆振方向作用在转子的叶片上的估计的力或力矩。替代地，所述估计的极限载荷值可以指示作用在另一部件(例如转子或承载转子-机舱组件的塔架)上的极限载荷。
可选地，每个最大载荷值指示在相应时间间隔(例如10分钟时间间隔或任何其他持续时间的时间间隔)期间作用在风力涡轮机部件上的最高载荷。
所述估计的极限载荷值可以指示作用在所述风力涡轮机的所述部件上或作用在所述风力涡轮机的另一部件上的估计的极限载荷。例如，所述最大载荷值和所述估计的极限载荷值可以都是叶片载荷值，或者所述最大载荷值可以是叶片载荷值，而所述估计的极限载荷值可以是指示作用在另一部件(例如转子或承载转子-机舱组件的塔架)上的风推力的推力值。
可选地，所述估计的极限载荷值通过对所述最大载荷值的统计分析(例如通过外推法、通过基于Gumbel分布的分析或通过代理模型的操作)获得。
可选地，所述估计的极限载荷值是指示估计的返回时间为给定的持续时间(例如，50年的持续时间或任何其他给定的持续时间，例如30或40年)的载荷的返回载荷值。
可选地，所述基准值通过模拟、例如通过基于涡轮机模型和气候数据进行风力涡轮机分析而获得。
可选地，将所述估计的极限载荷值与所述基准值进行比较包括获得所述估计的极限载荷值与所述基准值之间的比率；并且基于所述比较设定所述最大推力限制包括基于所述比率设定所述最大推力限制。所述比率可以是两个值的简单比率，或者其可以包括安全因子。
优选地，每个最大载荷值和/或所述估计的极限载荷值指示力或力矩(例如叶片弯矩)的瞬时大小。
本发明的另一方面提供了一种被配置为执行所述第一方面的方法的风力涡轮机或风力涡轮机控制***。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出了风力涡轮机；
图2是示出用于控制图1的风力涡轮机的操作的风力涡轮机控制***的示意图；
图3示出了操作图1的风力涡轮机的方法；以及
图4示出了操作图1的风力涡轮机的替代方法。
具体实施方式
图1示出了风力涡轮机1，并且图2示出了被配置为通过执行图3或图4所示的方法来控制风力涡轮机1的风力涡轮机控制***。
风力涡轮机1包括安装在基底上的塔架2；以及位于塔架2的顶点处的转子-机舱组件3、4。这里描绘的风力涡轮机1是陆上风力涡轮机，因此基底埋在地下，但是风力涡轮机1也可以是海上设施，在这种情况下，基底可以由合适的海上平台提供。
转子4经由齿轮箱可操作地联接到容纳在机舱3内侧的发电机。转子4包括中心轮毂5和多个转子叶片6，转子叶片6从中心轮毂5向外突出。应当注意，该风力涡轮机1是常见类型的水平轴风力涡轮机(HAWT)，因此转子4安装在机舱3处以围绕限定在轮毂5的中心处的基本水平的轴线旋转。虽然图1所示的示例具有三个叶片，但是本领域技术人员将意识到其他数量的叶片也是可能的。
当风吹向风力涡轮机1时，叶片6产生提升力，该提升力使转子4旋转，这继而引起传动系内的部件旋转，以便允许机舱3内的发电机产生电能。
风力涡轮机1具有图2所示的各种传感器，包括：功率传感器7，其测量由发电机产生的功率；桨距传感器8，其测量叶片6的桨距角；速度传感器9，其测量转子4的旋转速度；以及叶片载荷传感器10，每个叶片载荷传感器10测量沿摆振方向作用在相应叶片6上的弯矩(单位为kNm)。
传感器7-10产生传感器数据。来自每个传感器的传感器数据可以是数据值的时间序列——例如每秒一个值。可以在每10分钟的时间间隔内对传感器数据进行一次分析，以获得每个10分钟时间间隔的最大数据值(该时间间隔中的最高数据值)、最小数据值(该时间间隔中的最低数据值)和标准差。最大数据值、最小数据值和标准差可选地与传感器数据一起被记录在数据中心20中。
与叶片载荷传感器10相关联的最大数据值在下文中称为最大叶片载荷值。每个最大叶片载荷值指示在给定的10分钟时间间隔内沿摆振方向(即，从转子平面向外的方向)作用在转子的相应叶片上的最大弯矩(单位为kNm)。因此，每个最大叶片载荷值指示在10分钟时间间隔内特定点处的摆振方向弯矩的瞬时大小。
推力限制器30根据最大推力限制来操作风力涡轮机，使得作用在转子4上的风推力不超过最大推力限制。具体地，当风推力接近最大推力限制时，推力限制器30经由桨距控制器31来调节叶片6的桨距角，以避免超过最大推力限制。可以根据风速、叶片桨距角以及转子或发电机旋转速度估计风推力。最大推力限制可以根据风速和叶片载荷标准差来计算。
涡轮机模拟器40基于风力涡轮机模型41和与风力涡轮机的位置相关联的一组历史气候数据42进行一组模拟。每个模拟的输出是基准的50年返回载荷值，该基准的50年返回载荷值被存储在数据库43中。
图1的控制***的某些元件(例如，传感器7-10、推力限制器20和桨距控制器31)可以是风力涡轮机1的一部分，而其他元件(例如，数据中心20和涡轮机模拟器40)可以位于风力涡轮机1的远处。
每个模拟都基于相应的最大推力限制。下表1给出了涡轮机模拟器40进行四个模拟、每个模拟均基于相应的推力限制值的示例。每个模拟都基于风力涡轮机模型41和一组历史气候数据42生成一组模拟的最大叶片载荷值，然后使用该模拟的最大叶片载荷值通过外推法或Gumbel分析来获得基准的50年返回载荷值，该值在表1中示出。基准的50年返回载荷值是指示估计的返回时间为50年的叶片载荷的大小的极限载荷值。在这种情况下，推力限制值300N与基准的50年返回载荷1000knM相关联，而推力限制值320N与基准的50年返回载荷1200knM相关联。表1还包括将在稍后进行解释的估计的50年返回载荷。
表1
Figure GDA0003458124210000041
Figure GDA0003458124210000051
推力限制器30被配置为通过图3的方法来调节最大推力限制。在第一操作时段(例如1000分钟)中，推力限制器30根据最低的最大推力限制来操作风力涡轮机，在表1的示例中该最低的最大推力限制是300N。
在第一操作时段期间获取叶片载荷数据，并将该叶片载荷数据与该操作时段内所测量的100个最大叶片载荷值一起存储在数据中心20中。然后，在步骤51中，通过统计途径(例如外推法或Gumbel分析)，将所测量的最大叶片载荷值50用于获得估计的50年返回载荷值。估计的50年返回载荷值是指示估计的返回时间为50年的叶片载荷的大小的极限载荷值。
在上面的示例中，第一操作时段相对较短(1000分钟)，但是如果需要对50年返回载荷进行准确估计，则第一操作时段可以更长(可能长达一年或更长时间)。
在步骤52中，将在步骤51中获得的估计的50年返回载荷值与来自数据库43的基准的50年返回载荷值53进行比较，该基准的50年返回载荷值53已经通过具有相同的最大推力限制的模拟获得。该模拟在风力涡轮机1***作之前以及在执行图3的方法之前由涡轮机模拟器40离线进行。
在步骤54中，基于在步骤52中的比较确定新的最大推力限制。例如，如果估计的50年返回载荷值小于基准的50年返回载荷值，则最大推力限制可以增大，并且如果估计的50年返回载荷值大于基准的50年返回载荷值，则最大推力限制可以减小。
同样，在步骤52中可以将估计的50年返回载荷值与设计限制基准值进行比较。如果估计的50年返回载荷值小于基准的50年返回载荷值和设计限制基准值，则最大推力限制可以增大。如果估计的50年返回载荷值大于设计限制基准值，则最大推力限制可以减小。
在步骤55中，在推力限制器30中改变新的最大推力限制，使得在以56指示的随后的操作时段期间，风力涡轮机***作，使得作用在转子上的风推力不超过新的最大推力限制。
在表1的情况下，估计的50年返回载荷值为600knM，其小于基准的50年返回载荷值，因此对于随后的操作时段，最大推力限制增大到340N。对于随后的操作时段，估计的50年返回载荷值增大到1300knM，如下表2所示。
表2
最大推力限制 300N 320N 340N 360N
基准的50年返回载荷 1000kNm 1200kNm 1400kNm 1600kNm
估计的50年返回载荷 1300kNm
通过在控制器中增大最大推力限制，可以在随后的操作时段中提高涡轮机的功率性能，而不会将叶片暴露于过多的潜在破坏性弯曲载荷。
应当注意，表1和表2中所示的推力限制和载荷仅出于说明目的，实际值可以与所示的有所不同。
图4显示了类似于图3的方法，并且等效的特征被赋予相同的附图标记。
涡轮机模拟器40产生三个基准的50年返回载荷值，每个基准的50年返回载荷值与不同的最大推力限制相关联。这些基准的50年返回载荷值在图4中称为A、B和C。所测量的最大叶片载荷值50用于获得估计的50年返回载荷值，估计的50年返回载荷值在图4中标记为A1。
通过计算相关联的比率：(A1)/(A*安全因子)；(A1)/(B*安全因子)；和(A1)/(C*安全因子)，将估计的50年返回载荷值A1与基准的50年返回载荷值A、B、C进行比较。安全因子是诸如1.2或1.35的系数。如果该比率小于1，则最大推力限制可以增大；并且如果该比率大于1，则最大推力限制可以减小。
可选地，可以通过考虑选址不确定性、测量不确定性等通过重新校准来更改安全因子。
在上面给出的示例中，最大载荷值50和估计的50年返回载荷值A1指示沿摆振方向作用在转子叶片6上的力矩。在本发明的其他实施例中，最大载荷值50和/或估计的50年返回载荷值A1可以指示作用在风力涡轮机的不同部件上的最大载荷。
类似地，基准的50年返回载荷值53、A/B/C指示沿摆振方向作用在转子的叶片6上的力矩。在本发明的其他实施例中，基准的50年返回载荷值53、A/B/C可以指示作用在风力涡轮机的不同部件上的载荷。
在上面的示例中，在步骤52中比较50年返回载荷。在本发明的其他实施例中，可以通过统计分析来计算不同的极限载荷值，然后将它们相互比较。例如，可以外推所测量的最大叶片载荷值50，以建立估计的最大叶片载荷值在未来一段时间(例如50年)中的分布，以及将第90个百分点的载荷值与通过涡轮机模拟器40获得的等效的第90个百分点的载荷值相比较。
尽管上面已经参考一个或多个优选实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下进行各种改变或修改。

Claims (11)

1.一种操作具有转子的风力涡轮机的方法，所述方法包括：
从所述风力涡轮机的一个或多个传感器接收传感器数据；
基于所述传感器数据获得最大载荷值，其中所述最大载荷值指示作用在所述风力涡轮机的部件上的最大载荷；
基于所述最大载荷值获得估计的极限载荷值，其中，通过对所述最大载荷值的统计分析来获得所述估计的极限载荷值；
将所述估计的极限载荷值与基准值进行比较，其中，将所述估计的极限载荷值与所述基准值进行比较包括获得所述估计的极限载荷值与所述基准值之间的比率；
基于所述比较设定最大推力限制，其中，基于所述比较设定所述最大推力限制包括基于所述比率设定所述最大推力限制；以及
根据所述最大推力限制操作所述风力涡轮机，以使作用在所述转子上的风力推力不超过所述最大推力限制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述风力涡轮机载荷的所述部件是所述转子的叶片，并且所述最大载荷值指示沿摆振方向作用在所述转子的叶片上的最大的力或力矩。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述风力涡轮机载荷的所述部件是所述转子的叶片，并且所述估计的极限载荷值指示沿摆振方向作用在所述转子的叶片上的估计的力或力矩。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述估计的极限载荷值指示作用在所述风力涡轮机的所述部件上或作用在所述风力涡轮机的另一部件上的估计的极限载荷。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述估计的极限载荷值是返回载荷值，所述返回载荷值指示估计的返回时间为给定的持续时间的载荷。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述给定的持续时间是50年，并且所述估计的极限载荷值是50年返回载荷值。
7.根据权利要求1或2所述的方法，还包括通过模拟来获得所述基准值。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个最大载荷值和/或所述估计的极限载荷值指示力或力矩的瞬时大小。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个最大载荷值指示在相应时间间隔期间作用在所述风力涡轮机的部件上的最高载荷。
10.一种风力涡轮机，其被配置为执行前述权利要求中任一项所述的方法。
11.一种风力涡轮机控制***，其被配置为执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
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