JP2010506094A - 風力タービンの制御システム - Google Patents
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Abstract
Description
風力タービンの操作状態は、タービンアクチュエータによって調整される。
本発明はまた、タービン動作に関連する測定値を取得するステップを含む、風力タービンを制御する方法にも関するものである。
● タービンの操作状態:これらは例えばジェネレータ速度、ピッチ角、電力、加速度等のタービンアクチュエータが作動させるパラメータである。
● 負荷状態:これらはタービン構造内部の機械的負荷である。
● 応力状態:これらは構造上のいずれかのポイントにおけるタービン内の応力である。
● 損傷状態:これらは応力状態が存在するポイントにおける損傷率及び蓄積した損傷である。
● 状態重みマトリックス:このマトリックスにより、目的機能全体に対する各システム状態の相対的重要度が得られる。
● 制御重みマトリックス:このマトリックスにより、目的機能全体に対する制御入力値の相対的重要度が得られる。
● 損傷率マトリックス:このマトリックスにより、目的機能全体に対する様々な重要な構造ポイントの損傷率の相対的重要度が得られる。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、タービン構造の選択部分の損傷が蓄積する速度を常に計算するステップを含む。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、タービン構造内の応力分布を常に計算するステップを含む。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、風の流入状態と制御入力値に影響されやすい風力タービンの操作状態を測定するステップを含む。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、タービン上流の風の流入状態を測定し、現在の風の擾乱状態を測定し、今後予測される風の流入及び擾乱状態を計算するステップを含む。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、後退区間最適化の問題を繰り返し解くことにより連続的に最適化される風力タービン性能の目的関数を生成することによって、タービンの一以上の操作、負荷、応力又は損傷状態を制御するステップを含む。
ある実施形態では、風力タービンを制御する方法は、タービンアクチュエータに送られる最適制御入力値シーケンスを計算するのに使用する制御設定値を計算するステップを含む。上述したように、制御設定値は上位コントローラによって計算され、最適制御入力値シーケンスは下位コントローラによって計算される。
本発明のある特定の実施形態を、添付の図を参照しながら、限定しない例のみを用いて下記に説明する。
センサ構成及び上位コントローラの間にあるのは、センサによって取得された測定値を統計データに処理する統計処理機Cであり、統計データは上位コントローラUに入力される。
タービン性能データベースIは、タービンの操作状態を風流入状況及び適用されたタービン制御設定値の関数として保存する。保存された変動値は、電力、ジェネレータ速度、ピッチ位置、ピッチアクチュエータ、デューティサイクル、ギアボックス温度、ナセル加速度レベル等を含んでいてよい。
風流入統計モデルPは、測定された各風流入状態の統計分布を作成するのに使用される。
構造疲労モデルMは、損傷率状態及び蓄積した損傷状態を上述した保存されたデータベース変動値の多重変動回帰値として処理する。回帰変動値は、風流入統計値とタービン制御システムの設定値である。
センサ構成と下位コントローラの間にあるのは、センサによって取得された測定値を瞬時値または状態に処理する瞬時測定値処理装置Fであり、瞬時値または状態は、下位コントローラLに入力される。「瞬時」という用語は、「個別の複数の時点」とは異なり「常に」と解釈されるべきである。
空力弾性タービンモデルRは、風流入の擾乱と被制御アクチュエータからの入力を受ける風力タービンの動き具合(すなわち、その操作状態)を表す。このモデルはオフラインで使用され、最適オフラインコントローラの場合は最適なフィードバックゲインを得てもよく、又はオンラインの最適化された制御戦略を使用しているときは、目的機能の一部として含まれていてもよい。空力弾性タービンモデルRは、タービンの操作状態の簡単な線形化したモデルである、又は完全に非線形の弾性シミュレーションであってよい。
連続時間損傷モデルVは、上述の計算された応力状態及び物質損傷特性を受け取り、風力タービン構造の各重要ポイントにおける損傷が蓄積した速度、損傷率状態を決定する。結果的に得られた信号は、オフライン最適コントローラの場合には、直接フィードバックに使用することができ、オンライン最適コントローラに使用される場合には、目的機能の一部として使用することができる。
最適コントローラXは、2つの異なる制御方法に従って操作が可能である:
● オフライン最適制御:この制御方法では、制御システムの最適ゲインがオフラインで計算され、センサ信号が線形又は非線形の直接フィードバックに使用される。
● オンライン最適制御:この制御方法では、風力タービンの空力弾性、構造及び損傷力学が制御システム内の内部モデルとして使用される。このモデルは、後退予測/制御区間における最適化ルーティンによって連続的に最小化される目的機能の一部となる。風力タービンのセンサにより、内部モデルエラーを考慮して内部モデルが更新される。
オンラインの最適制御システムを実施する一つの方法は、線形及び非線形両方のモデル予測制御(MPC)を用いる方法である。この方法は、風擾乱予測を用いて短期の予測区間の風流入状態を予測する。
つまり、開ループ最適シーケンスは、各コントローラの時間ステップの始めに計算された制御区間における最適制御入力値のシーケンスであり、閉ループ最適シーケンスは、制御区間において繰り返し計算されなければならない最適なフィードバック機能のシーケンスである。ともかく、制御システムによって、風力タービンアクチュエータに送られる最適制御入力値シーケンスが得られる。
センサから送られるデータは下位コントローラLに直接高速で送られて、直接又は間接フィードバックに使用され、及び/又は統計データに処理されて上位コントローラUに低速で送られ、予測用に保存及び使用される。
説明したように、制御設定値は上位コントローラから下位コントローラに送られ、下位コントローラに目的機能をいかに形成するか、そして下位コントローラがどんな制限下で稼働しなければいけないかを伝える重み付け変動値、システム制限及び参照軌道が含まれる。
Claims (21)
- 風力タービン用制御システムであって、タービン動作に関する測定値を取得するセンサ構成(B、E、H)と、前記測定値の統計的処理に基づいてタービンの一以上の操作状態に対する最適値を個々の時点で計算する上位コントローラ(U)とを備え、前記測定値から瞬時値を算出する測定モジュール(F)と、上位コントローラ(U)によって計算される最適値及び前記瞬時値を受け取り、タービン(D)の一以上の状態に対する最適値を常に計算する下位コントローラ(L)も備えることを特徴とする、風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、タービン構造の選択部分に損傷が蓄積される率を常に計算する連続時間損傷計算モデル(V)を備えている、請求項1に記載の風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、風力タービン構造内の応力分布を常に計算する風力タービン構造計算モジュール(T)を備える、請求項1又は2に記載の風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、風力タービン構造内部の機械的負荷分布を計算する内部負荷計算モジュール(S)を備える、請求項1〜3のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、風の流入状態及び操作上の作用に影響されやすい風力タービン(D)の操作状態を測定する空力弾性風力タービン計算モジュール(R)を備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、タービン(D)上流の風の流入状態を測定し、現在の風擾乱(A)状態を測定し、今後予想される風の流入及び擾乱状態を計算する風擾乱計算モジュール(Q)を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 前記下位コントローラ計算モジュール(Q、R、S、T、V)のうちの一以上が、測定値モジュール(F)から瞬時値を受け取る、請求項2〜6のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 下位コントローラ(L)が、前記下位コントローラ計算モジュール(Q、R、S、T、V)のうちの一以上から計算結果を受け取る最適コントローラ(X)を備える、請求項2〜7のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 最適コントローラ(X)が、タービンアクチュエータ(G)に瞬時値を直接フィードバックすることにより、タービン(D)の操作、負荷、応力及び損傷状態のうちの一以上を制御する、請求項8に記載の風力タービン用制御システム。
- 最適コントローラ(X)が、後退区間最適化問題を繰り返し解くことにより連続的に最適化される風力タービン性能の目的関数を生成することによって、タービン(D)の操作、負荷、応力及び損傷状態のうちの一以上を制御する、請求項8に記載の風力タービン用制御システム。
- 上位コントローラ(U)が下位コントローラ(L)に送られる制御設定値を計算し、下位コントローラ(L)がタービンアクチュエータ(G)に送られる最適制御入力値シーケンスを計算する、請求項1〜10のいずれか1項に記載の風力タービン用制御システム。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の制御システムを備える風力タービン。
- タービンの動作に関連する測定値を取得するステップを含む風力タービンの制御方法であって、前記測定値から瞬時値を算出するステップ、及び前記瞬時値に基づいてタービンの一以上の状態に対する最適値を常に計算するステップも含むことを特徴とする方法。
- タービン構造の選択部分に損傷が蓄積される率を常に計算するステップを含む、請求項13に記載の風力タービンの制御方法。
- 風力タービン構造内の応力分布を常に計算するステップを含む、請求項13又は14に記載の風力タービンの制御方法。
- 風力タービン構造内部の機械的負荷分布を計算するステップを含む、請求項13〜15のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
- 風の流入状態及び制御入力値に影響されやすい風力タービンの操作状態を測定するステップを含む、請求項13〜16のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
- タービン上流の風の流入状態を測定するステップ、現在の風の擾乱状態を測定するステップ、及び今後予測される風の流入状態及び擾乱状態を計算するステップを含む、請求項13〜17のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
- 瞬時値をタービンアクチュエータに直接フィードバックすることにより、タービンの操作、負荷、応力、及び損傷状態のうちの一以上を制御するステップを含む、請求項13〜18のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
- 後退区間最適化問題を繰り返し解くことにより連続的に最適化される風力タービン性能の目的関数を生成することによって、タービンの操作、負荷、応力、及び損傷状態のうちの一以上を制御するステップを含む、請求項13〜18のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
- タービンアクチュエータ(G)に送られる最適制御入力値シーケンスを計算するのに使用される制御設定値を計算するステップを含む、請求項13〜20のいずれか1項に記載の風力タービンの制御方法。
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