CN118103595A - 用于控制风力涡轮机叶片桨距的自适应变桨参考速率 - Google Patents

Abstract

本公开涉及控制风力涡轮机的叶片桨距，该风力涡轮机具有多个转子叶片和用于调整每个转子叶片的桨距的液压变桨***。本公开描述了一种方法，该方法包括获取指示液压变桨***中的可用液压压力的当前水平的测量值，以及基于获取的测量值确定指示液压***将调整转子叶片的桨距的速率的自适应变桨参考速率。该方法包括根据确定的自适应变桨参考速率控制液压变桨***调整转子叶片的桨距。

Description

用于控制风力涡轮机叶片桨距的自适应变桨参考速率

技术领域

本发明涉及控制风力涡轮机的叶片桨距，特别是涉及根据确定的自适应变桨参考速率控制叶片桨距。本发明的各方面涉及方法、控制器和风力涡轮机。

背景技术

在风力涡轮机中，使用液压变桨***控制转子叶片的桨距角，以优化风能生产，以及确保风力涡轮机在存在相对较强的风力时不会承受极端负载。

液压变桨***被用于响应于风力涡轮机附近的风力条件调整叶片桨距角。液压***包括液压缸和可在液压缸中移动的变桨活塞。蓄能器与缸液压连接，以储存能量和吸收液压***中的脉动。蓄能器中的压力由一个或多个液压泵提供。

叶片桨距根据风力涡轮机的控制器确定的桨距参考进行控制。特别是，可以基于风力测量值，将桨距参考确定为期望的叶片桨距(如在最大化能量捕获方面)，液压***基于该确定调整实际叶片桨距。

液压***需要有足够的压力，才能根据确定的桨距参考控制叶片桨距。因此，在某些风力涡轮机运行模式下，液压***可以按预先确定的恒定速率调整叶片桨距。也就是说，在某些控制操作中，液压***根据预先确定的恒定变桨参考速率控制叶片桨距。该变桨参考速率通常在风力涡轮机的设计阶段就已预先确定，其设置水平旨在确保始终有足够的压力可用来控制叶片桨距。然而，预先确定的恒定变桨参考速率通常不同于风力涡轮机运行期间与液压***的实际容量相对应的变桨参考速率。

在某些风力涡轮机运行模式中，需要对叶片桨距进行相对较大的改变；然而，进行这些改变的速率受到预先确定的恒定变桨参考速率的限制。如果风力涡轮机比需要的时间花费更长的时间才能达到期望的运行设置，就会导致能量捕获效率低下。

另一方面，在某些其他风力涡轮机运行模式下，液压泵可能不那么容易加压，例如，如果用于这样做的可用动力减少的话。在这种情况下，存在如下风险：根据预先确定的恒定变桨参考速率控制叶片桨距可能会耗尽液压***中的压力水平，这可能会导致液压***无法工作。这可能会导致风力涡轮机强制停机，进而可能会导致长时间丧失电力生成能力。

US2019/0078555描述了获取指示液压变桨***中当前液压压力水平的测量值，用于控制风力涡轮机的叶片桨距。

本发明正是在这一背景下提出的。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种控制风力涡轮机的叶片桨距的方法。风力涡轮机包括多个转子叶片和用于调整每个转子叶片的桨距的液压变桨***。该方法包括获取指示液压变桨***中的可用液压压力的当前水平的测量值。该方法包括基于获取的测量值确定自适应变桨参考速率，该自适应变桨参考速率指示液压***将调整转子叶片的桨距的速率。该方法包括根据确定的自适应变桨参考速率控制液压变桨***调整转子叶片的桨距。

确定自适应变桨参考速率可以包括基于获取的液压压力测量值确定增益系数，还可以包括将确定的增益系数应用于预先确定的恒定变桨参考速率，以获取自适应变桨参考速率。

确定的增益系数可以与液压压力的当前水平成正比。

液压变桨***可以包括多个液压泵。预先确定的恒定变桨参考速率可以与仅使用其中一个液压泵时可用的变桨参考速率相对应。

自适应变桨速率参考可以被确定为随测量的液压压力线性变化。

该方法可以在风力涡轮机以启动模式运行时实施，在该启动模式下，风力涡轮机的发电机速度将在风力涡轮机为其所连接的电网生产电力之前提高。

确定的增益系数可以大于或等于1。

确定的增益系数可以小于或等于最大增益系数，该最大增益系数指示允许应用于预先确定的恒定变桨参考速率的最大增益。

该方法可以在风力涡轮机暂停时实施，即在风力涡轮机从例如电力生产模式转变为停止风力涡轮机运行的模式时实施。可以使用液压***的比例阀实施以这种方式暂停风力涡轮机。

该方法可以在风力涡轮机以电力节省模式(或空闲功率模式)运行时实施，在该电力节省模式下，相对于风力涡轮机的正常运行模式，风力涡轮机在电力消耗约束下运行。在电力节省模式下，风力涡轮机可以从风力涡轮机的电池或风力涡轮机所连接的电池中消耗电力。

确定的增益系数可以小于或等于1。

确定的增益系数可以大于或等于最小增益系数，该最小增益系数指示允许应用于预先确定的恒定变桨参考速率的最小增益。

在电力节省模式下，液压变桨***的液压泵可以被启动，以在测量的液压压力降低到下阈值压力以下时增加液压变桨***中的液压压力。只有当测量的液压压力增加到大于下阈值压力的变桨控制阈值压力以上时，才可以控制液压变桨***调整转子叶片的桨距。可选地，当测量的液压压力增加到大于下阈值压力和变桨控制阈值压力的上阈值压力以上时，可以停用液压变桨***，不再增加液压变桨***中的液压压力。

液压变桨***中的可用液压压力的当前水平可以与液压变桨***的一个或多个蓄能器中的组合压力相对应。

根据本公开的另一方面，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令被一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述方法。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的叶片桨距的控制器。风力涡轮机包括多个转子叶片和用于调整每个转子叶片的桨距的液压变桨***。控制器被配置为接收来自至少一个液压压力传感器的数据，所述数据指示液压变桨***中的可用液压压力的当前水平。控制器被配置为基于获取的测量值确定变桨速率参考，所述变桨速率参考指示液压***将调整转子叶片的桨距的速率。控制器被配置为传输控制信号，所述控制信号被配置为根据确定的变桨速率参考控制液压变桨***调整转子叶片的桨距。

根据本公开的另一方面，提供了一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括上述控制器。

附图说明

现在将参照附图对本公开的示例进行描述，其中：

图1显示了根据本公开的一个方面的风力涡轮机的示意性图示；

图2显示了根据控制器的一个方面的图1风力涡轮机的控制器的示意性图示；

图3图示了根据本公开的一个方面的由图2的控制器执行的方法的步骤；

图4显示了将用于控制图1的风力涡轮机的转子叶片的桨距调整值的增益系数如何随图1的风力涡轮机的液压变桨***中的液压压力变化的示例。

图5显示了在与图4不同的示例中，增益系数如何随液压压力变化；以及

图6显示了在与图4和图5不同的另一个示例中，增益系数如何随液压压力变化。

具体实施方式

图1显示了风力涡轮机10，其中可以并入本公开的示例。风力涡轮机10包括塔架12，塔架12支撑着机舱14，机舱14上安装有转子16。转子16包括从轮毂20沿径向延伸的多个风力涡轮机叶片18。在本示例中，转子16包括三个叶片18和单个转子16，尽管包括任何合适数量的叶片和转子的其他配置也是可能的。

图2显示了根据本公开的一个示例的风力涡轮机控制***22，该控制***22可以在图1的风力涡轮机10中实施。在这里，控制***22包括由控制单元或(总)控制器26控制的致动器***24。在此特定示例中，致动器***24可以是或可以包括用于控制风力涡轮机叶片18中的一个或多个风力涡轮机叶片的桨距的液压变桨***，该液压变桨***包括被布置用于调整叶片桨距的液压致动器28。致动器28的实际位置可由向液压致动器28提供定位命令信号的致动器位置控制单元29控制。风力涡轮机10的每个叶片18都可以复制控制器26和致动器***24，使得可以独立控制每个叶片18的位置。替代地，也可以提供单个控制器26来控制风力涡轮机10的叶片桨距。控制器26可以被视为液压变桨***的一部分，也可以与液压变桨***分开。例如，控制器26可以定位在风力涡轮机10的机舱14中。

更详细地说，对于每个转子叶片18，液压变桨***可以包括用于调整叶片18的桨距角的液压缸，可在液压缸中移动的变桨活塞，以及布置在变桨活塞相应侧的第一和第二入口。蓄能器可以液压连接到该缸。蓄能器中的压力由一个或多个液压泵提供。该缸可以响应于风力测量值调整转子叶片18的桨距角，蓄能器可以吸收液压***中的脉动并用作能量备份。每个叶片18的液压变桨***可以位于风力涡轮机10的转子轮毂20中。

每个液压变桨***可以将对应的叶片18变桨到例如-90度到+90度范围内的任何位置。在风力涡轮机10的正常运行模式期间，液压变桨***可以作为单独的***运行，从而调整到基于风力涡轮机的运行条件(如风力涡轮机10附近的风力条件)确定的单独的桨距参考角。

液压变桨***被控制为以某个变化速率调整叶片桨距。也就是说，液压变桨***根据某个变桨参考速率进行控制，以便将叶片桨距调整到期望的角度或桨距参考。通常，在某些运行模式下，变桨参考速率是恒定速率，并在风力涡轮机的设计阶段预先确定。一般来说，这种恒定速率被设置在一个水平上，目的是确保液压变桨***中始终有足够的压力可用来将叶片调整到确定的期望桨距。

在一个示例中，风力涡轮机可以包括多个液压泵(如三个)。恒定变桨参考速率可以被设置为使得，多个液压泵中的一个(如容量最小的一个)在将风力涡轮机从停止状态(如其中转子叶片变桨90度)改变直至达到风力涡轮机的正常运行模式(如电力生产状态)时可以持续为所有蓄能器(如三个蓄能器)提供压力。因此，在这种情况下，预先确定的恒定变桨参考速率被设置为不同于变桨参考速率的值，该值与风力涡轮机在这种运行模式下运行时液压***的实际容量相对应。

本发明提供了一种自适应(不是预先确定的)变桨参考速率，通过该变桨参考速率控制风力涡轮机液压变桨***。特别是，自适应变桨参考速率是基于液压变桨***在给定时间步长内的实际液压容量确定的。这样做的好处是提高了风力涡轮机的电力生成能力，并降低风力涡轮机停机的风险。特别是，在可用液压压力水平较高的情况下，变桨参考速率可以提高，从而更快地达到期望的桨距参考角(可能与最大化能量捕获相关联)。另一方面，在可用液压压力水平降低的情况下，可以降低变桨参考速率，以避免液压压力的存量被耗尽(在变桨参考速率较高时会更快地发生)，从而降低风力涡轮机强制停机的风险。

图3图示了根据本发明由控制器26(或控制***22)执行的方法30的步骤。在步骤32中，控制器26获取指示风力涡轮机10的液压变桨***中的可用液压压力的当前水平的测量值。变桨***可以包括多个用于调整转子叶片18的桨距的液压缸，每个缸都可以具有与之相关联的蓄能器。因此，测量值可以涉及测量多个蓄能器中每个蓄能器的液压压力，并根据需要进行组合以获取可用液压压力的当前水平。因此，每个蓄能器都可以具有用于测量其中当前液压压力的相关联传感器。

在方法30的步骤34中，控制器26确定自适应变桨参考速率，该自适应变桨参考速率指示液压***将调整转子叶片18的桨距的速率。该确定基于获取的可用液压压力的测量值。控制器26用于基于获取的测量值确定自适应变桨参考速率的特定逻辑可以任何合适的方式定义。不过，一般来说，液压变桨***中液压压力水平的提高可能会导致自适应变桨参考速率的提高。

在一个示例中，确定自适应变桨参考速率可以被实现为：基于获取的测量值确定调度增益系数，然后将确定的增益应用于基线恒定变桨参考速率，以获取自适应变桨参考速率。例如，该基线速率可以是已知方法中使用的预先确定的恒定变桨参考速率，如上所述。

图4图示了这种调度增益40如何随风力涡轮机10的液压变桨***中的测量或可用液压压力变化的一个示例。在图示示例中，调度增益在最小增益值42a和最大增益值42b之间随着液压***中液压压力的增加而线性增加。特别是，直至可用液压压力值达到某一(最小)液压压力值44a，增益40恒定在最小增益值42a；在某一(最大)液压压力值44b时，增益40线性增加到最大增益值42b；在可用液压压力值大于最大液压压力值44b时，增益40恒定在最大增益值42b。

图4指示了低液压压力值46a和高液压压力值46b，它们可以代表液压***中可能存在的最低和最高液压压力值。这些低液压压力值46a和高液压压力值46b可以与相应的代表最低增益和最高增益的低增益值48a和高增益值48b相关联，如果从低压力值46a到高压力值46b一直定义线性增加的增益，则低增益值48a和高增益值48b可以被应用以获取自适应变桨参考速率。

最小和最大增益值42a和42b是可以根据需要进行调节的参数。在图示示例中，最小增益42a略大于低增益值48a，最大增益42b略小于高增益值48b。这种方法可能有利于避免液压***在其极端限度下运行。不过，在不同的示例中，最小增益42a和最大增益42b可以被分别调节为等于低增益值48a和高增益值48b。

在图4所示的广义示意性示例中，Y轴上可能的增益值可以包含小于和大于1的值。也就是说，调度增益可以根据需要应用于降低或增加基线变桨参考速率。因此，在这种情况下，最小增益值可以小于1，最大增益值可以大于1。

虽然图4图示了液压压力和增益之间的线性关系(至少在最小和最大增益值42a和42b之间)，但一般来说，增益可以简单地与液压压力直接成正比。如图4所示的恒定梯度可能是有益的，因为它可以简单地调节控制器；不过，也可以根据情况定义不同的形状，如二次曲线。

在方法30的步骤34中，控制器26根据确定的自适应变桨参考速率控制液压变桨***22调整转子叶片18的桨距。以此方式，方法30作为反馈控制回路进行运行，该反馈控制回路使用测量的变桨液压***中的压力水平，基于液压***的真实容量计算自适应变桨参考速率。

所描述的自适应变桨参考速率可用于在风力涡轮机10的正常运行期间控制叶片桨距(注意在正常运行中，诸如发电机速度的其他因素也用于控制涡轮机)。然而，如下文所述，在某些其他运行模式期间使用所描述的自适应变桨参考速率可以实现甚至更大的益处。

风力涡轮机10启动时，在连接风力涡轮机转换器并对其充电、开始向电网生产电力之前，需要将转子叶片18向风中变桨，以提高风力涡轮机10的发电机速度。在风力涡轮机10开始为电网生成电力之前的该启动时段可称为风力涡轮机10的启动运行模式。由于叶片18在停机时段期间可能基本完全变桨到风之外，因此可能需要将叶片18变桨通过相对较大的角度来达到期望的桨距。在启动模式期间，风力涡轮机10可以完全由叶片桨距调整值来控制。

如果叶片18可以向风中变桨的速率被限制在小于启动模式期间液压***的容量的预先确定速率下，那么风力涡轮发电机达到连接到电网所需的最小速度的时间就会增加。因此，这意味着风力涡轮机10不能为电网生产电力的时间会增加，从而会降低涡轮机效率。现有的在启动模式期间提高风力涡轮发电机速度的解决方案使用恒定的变桨参考速率来向风中变桨，该恒定的变桨参考速率脱机计算为(风力涡轮机的多个泵中的)单个液压泵在一段时间内可维持的变桨速率，以考虑泵的故障。

图5图示了当风力涡轮机10在启动模式下运行时，调度增益50如何随液压变桨***中测量或可用的液压压力变化的示例。更一般地说，图5图示了当液压***有容量维持大于预先确定的恒定参考速率的变桨参考速率时，可以如何改变调度增益的示例。即使在这种情况下，也只有在需要相对较大的桨距角变化时(可能是只在某些运行模式下，包括启动模式下)，才值得使用图5的增益调度。

如图5所示，计算介于1和最大增益值52之间的增益调度50，该调度增益50与液压变桨蓄能器的压力成正比。然后将该调度增益50乘以恒定变桨参考速率，恒定变桨参考速率可以与多个液压泵中只有一个工作时可允许的最大变桨速率相对应。因此，当多余一个泵可用于提供压力时，这将给出更高的自适应变桨速率参考速率，从而优化了现有液压***的使用，并减少了风力涡轮机10的启动时间。

压力水平的调节需要考虑到风力涡轮机10上存在的液压泵的数量来执行，并留出安全余量以避免蓄能器耗尽而导致风力涡轮机10可能停机。在这方面，以与图4所示示例相对应的方式，增益50在可用液压压力值直到达到最小液压压力值54a时恒定为1，在最大液压压力值54b时线性增加到最大增益值52，在可用液压压力值大于最大液压压力值54b时恒定在最大增益值52。

代表液压***中可能存在的最高液压压力值的高液压压力值56被定义，并且以与图4相对应的方式与高增益值58相关联。最大增益52可以被设置为小于或等于高增益值58。

所描述的自适应变桨参考速率可能特别有益的另一种运行模式是，当风力涡轮机10的液压容量降低时需要调整叶片桨距。在这种模式下，如果使用高于能够维持的速率的预先确定的恒定变桨参考速率，则可能会发生液压***放电。这可能会导致变桨***无法运行。

一种这样的运行模式可以是电力节省模式或空转功率模式，在这种模式下，可用于运行或控制风力涡轮机10的功率较小。特别是，在电力节省模式下，涡轮机10可以与电网断开连接，转而通过使用电池为涡轮机供电，例如以保持叶片18与风对齐。在电力节省模式下，风力涡轮机10的大部分功能都被禁用。特别是，液压***可以减少用于控制叶片桨距的泵的数量。例如，在正常运行时，液压***可以使用多个(如三个)交流(AC)泵来进行叶片桨距控制，而在电力节省模式下，液压***可以仅使用单个直流(DC)泵(即不同于交流泵)来进行叶片桨距控制，该直流泵可能比正常运行时的任何泵都要小。

因此，更一般地说，在电力节省模式下，用于在液压***中建立压力的一个或多个泵的容量相对于正常运行期间用于控制相同变桨***的泵的容量要小。此外，在电力节省模式下，液压***的控制策略可以基于滞后带，而不是正常模式下的连续运行。这意味着在电力节省模式下，一个或多个液压泵并非始终处于工作状态，尤其是只有当压力下降到规定值以下时它们才会启动。滞后可用于避免泵的持续启动和停用，其中泵被启动的压力小于它们被停用的压力。此外，如果压力下降到小于启动值的某个触发值，则可能需要强制停机。为了避免在达到泵启动压力时压力立即下降到该触发点，可以不在泵启动时立即调整叶片桨距。相反，可以等到压力积累到足够大时再进行叶片桨距控制。只是作为示意性示例，触发点压力可以约为210bar，泵启动压力可以约为222bar，泵停用压力可以约为250bar。

图6图示了当风力涡轮机10在电力节省模式下运行时，调度增益60如何随液压变桨***中测量或可用的液压压力变化的示例。更一般地说，图6图示了当液压***容量降低，使得维持预先确定的恒定参考速率的风险更大或无法维持预先确定的恒定参考速率时，可以如何改变调度增益的示例。

如图6所示，计算最小增益值62和1之间的增益调度60，该增益调度60与液压变桨蓄能器的压力成正比。然后将该增益调度60乘以预先确定的(基线)变桨参考速率，以获取自适应变桨参考速率。因此，这将给出基于可用压力并且低于预先确定的(基线)变桨参考速率的自适应变桨参考速率。这降低了液压***压力水平耗尽的风险，液压***压力水平耗尽可能需要利用蓄能器中的剩余压力停止风力涡轮机10，以作为安全停机。

以与图4所示的示例对应的方式，增益60在可用液压压力值直到达到最小液压压力值64a时恒定在最小增益值62，在最大液压压力值64b时线性增加到1，在可用液压压力值大于最大液压压力值64b时恒定为1。

代表液压***中可能的最低液压压力值的低液压压力值66被定义，并且以与图4相对应的方式与低增益值68相关联。最小增益62可以被设置为大于或等于低增益值68。低增益值68可以为零，即不调整叶片桨距。对最小增益62的调节需要考虑到当液压压力在所选低值以下时的预期变桨速率来执行。对压力水平阈值的调节需要考虑到液压泵的运行和控制来执行。

方法30可以基本连续执行，如在每个时间步长处执行，也可以定期执行，如在规定数量的时间步长之后执行。方法30可以仅在风力涡轮机10以特定运行模式(如启动模式、电力节省模式、风力涡轮机10暂停等)运行时执行。

在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以对所描述的示例进行许多修改。

Claims (15)

1.一种控制风力涡轮机的叶片桨距的方法，所述风力涡轮机包括多个转子叶片和用于调整每个转子叶片的桨距的液压变桨***，所述方法包括：

获取指示所述液压变桨***中的可用液压压力的当前水平的测量值；

基于获取的测量值确定自适应变桨参考速率，所述自适应变桨参考速率指示所述液压***将调整所述转子叶片的桨距的速率；以及

根据确定的自适应变桨参考速率控制所述液压变桨***调整所述转子叶片的桨距。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述自适应变桨参考速率包括基于获取的测量值确定增益系数，并将确定的增益系数应用于预先确定的恒定变桨参考速率，以获取所述自适应变桨参考速率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，确定的增益系数与液压压力的当前水平成正比。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，所述液压变桨***包括多个液压泵，并且其中，所述预先确定的恒定变桨参考速率与仅使用所述液压泵中的一个时可达到的变桨参考速率相对应。

5.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述自适应变桨速率参考被确定为随测量的液压压力线性变化。

6.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述方法在所述风力涡轮机以启动模式运行时实施，在所述启动模式下，所述风力涡轮机的发电机速度将在所述风力涡轮机向所述风力涡轮机连接的电网生产电力之前提高。

7.根据从属于权利要求2的权利要求6所述的方法，其中，确定的增益系数大于或等于1。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定的增益系数小于或等于最大增益系数，所述最大增益系数指示允许应用于所述预先确定的恒定变桨参考速率的最大增益。

9.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述方法在所述风力涡轮机以电力节省模式运行时实施，在所述电力节省模式下，相对于所述风力涡轮机的正常运行模式，所述风力涡轮机在电力消耗约束下运行。

10.根据从属于权利要求2的权利要求9所述的方法，其中，确定的增益系数小于或等于1。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定的增益系数大于或等于最小增益系数，所述最小增益系数指示允许应用于所述预先确定的恒定变桨参考速率的最小增益。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，在所述电力节省模式下，当测量的液压压力降低到下阈值压力以下时，启动所述液压变桨***的液压泵以增加所述液压变桨***中的液压压力，并且其中，只有当测量的液压压力增加到大于所述下阈值压力的变桨控制阈值压力以上时，才控制所述液压变桨***调整所述转子叶片的变桨；可选地其中，当测量的液压压力增加到大于所述下阈值压力的上阈值压力以上时，停用所述液压变桨***，不再增加所述液压变桨***中的液压压力。

13.根据任一项前述权利要求所述的方法，其中，所述液压变桨***中的可用液压压力的当前水平与所述液压变桨***的一个或多个蓄能器中的组合压力相对应。

14.一种用于控制风力涡轮机的叶片桨距的控制器，所述风力涡轮机包括多个转子叶片和用于调整每个转子叶片的桨距的液压变桨***，所述控制器被配置为：

从所述风力涡轮机的至少一个液压压力传感器接收数据，所述数据指示所述液压变桨***中的可用液压压力的当前水平；

基于获取的测量值确定自适应变桨速率参考，所述自适应变桨速率参考指示所述液压***将调整所述转子叶片的桨距的速率；以及

传输控制信号，所述控制信号被配置为根据确定的自适应变桨速率参考控制所述液压变桨***调整所述转子叶片的桨距。

15.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求14所述的控制器。