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CN106415003A - 动态螺距控制系统 - Google Patents

动态螺距控制系统 Download PDF

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CN106415003A
CN106415003A CN201580033150.5A CN201580033150A CN106415003A CN 106415003 A CN106415003 A CN 106415003A CN 201580033150 A CN201580033150 A CN 201580033150A CN 106415003 A CN106415003 A CN 106415003A
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马丁·布罗森
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Abstract

本发明涉及主要用于风力涡轮机叶片的动态螺距控制系统，所述系统独立地计算所述风力涡轮机叶片的螺距位置，所述控制系统执行反馈调节。等待审批的本发明申请的目的是执行有效的螺距调节，并且由此减小塔架和转子上的推力。如果所述系统基于在大致相同位置中的先前叶片上的负荷来执行叶片螺距的前馈调节，那么可以实现所述目的。因此可以实现：相对于围绕所述风力涡轮机吹动的风，所述先前叶片上的实际负荷已通过相同位置。因此可以实现：在短暂延迟之后使用测量的参数来对通过相同位置的下一个风力涡轮机叶片执行非常精确且高效的调整。所述前馈调节可以与用于所述风力涡轮机叶片的螺距控制的现有控制参数相结合。

Description

动态螺距控制系统
技术领域
本发明涉及主要用于风力涡轮机叶片的动态螺距控制系统，所述系统独立地计算风力涡轮机叶片的螺距位置，所述控制系统基于以下输入参数中的至少某个参数来执行反馈调节：基于倾斜/偏斜的单独螺距控制(IPC)算法、螺距偏移、每个叶片的负荷等级、塔架的负荷等级、电力生产和转子速度。
发明背景
WO 2013/182204公开了操作风力涡轮机的方法。风力涡轮机包括带有至少两个叶片的涡轮机转子，每个叶片具有可变螺距角。所述方法包括：确定叶片上的机械负荷；基于叶片上的机械负荷来确定涡轮机转子受到的不对称负荷力矩；确定来源于不对称负荷力矩的高次谐波；以及确定用于叶片中的每个的单独螺距控制信号，以便改变每个叶片的螺距角以补偿不对称负荷力矩。至少基于高次谐波来确定用于每个叶片的单独螺距控制信号。
发明目的
本发明的目的是执行有效的螺距调节，并且由此减小塔架和转子上的推力。本发明的另一个目的是增加风力涡轮机的电力生产。
发明内容
如果系统基于在大致相同位置中的先前叶片上的负荷来执行叶片螺距的前馈调节，那么可以实现上述目的。
因此可以实现：相对于围绕风力涡轮机吹动的风，先前叶片上的实际负荷已通过相同位置。因此可以实现：在短暂延迟之后使用测量的参数来对通过相同位置的下一个风力涡轮机叶片执行非常精确且高效的调整。前馈调节可以与用于风力涡轮机螺距控制的现有控制参数相结合。因此，可以使用表示风力涡轮机实际操作情况的其他参数，所述实际操作情况仍然可以影响叶片中的每个的调节。风力涡轮机控制系统的全部常规调节仍然可以具有与前馈调节相结合的高优先级。
在本发明的优选实施方案中，前馈算法可以使用前一个叶片产生的螺距需求。因此可以实现：前一个叶片的需求和它的实际负荷可以用作前馈调节的参数。
在本发明的另一个优选实施方案中，前馈算法可以使用可变延迟以使转子方位角位置与螺距执行器动力学相匹配。因此可以实现：取决于现代风力涡轮机中所使用的不同的转子速度，前馈调节将得到正确延时，以便利用既定风力情况中的最高产量。
在本发明的另一个优选实施方案中，前馈算法可以使用比例因子以减小前馈信号。通过使用比例因子实现：传统的螺距调节(诸如常见的螺距调节和电力生产调节或外部电力调节)仍然可以影响前馈活动中的螺距调节。
在本发明的另一个优选实施方案中，螺距伺服机构可以至少从用于前馈调节的总螺距控制系统、IPC系统和周期螺距控制系统接收输入。以这种方式，现有反馈信号可以与先前公开的前馈调节相结合。
等待审批的本专利申请还公开了如先前所公开并且在以下操作步骤中被修改的用于动态螺距控制的方法：
a.将每个叶片上的实际负荷等级输入到系统，
b.将风力涡轮机的电力生产输入到系统，
c.将转子速度输入到系统，
d.基于所述输入执行调节，并且对风力涡轮机叶片的螺距执行前馈调节，
e.基于与转子角速度相关的实际叶片处和先前叶片处的负荷，对实际叶片执行动态螺距调节。
因此可以基于由前馈调节进行修改的传统反馈调节来实现螺距调节。
控制器特征将螺距基准叠加在现有螺距基准之上。这种附加的螺距基准将基于来自每个单独叶片的叶片负荷信号，而不是基于倾斜/偏斜力矩(现有控制器就是这样)。这种控制算法将被称作“单独螺距控制前馈”或“IPC前馈”。
应用到风力涡轮机的现有单独螺距控制(IPC)算法是以周期螺距控制的形式使用螺距基准上的正弦曲线来控制静态倾斜/偏斜负荷。通过过滤来移除所估算的倾斜/偏斜负荷中的3p面，以避免对塔影效应有影响。这是经过证实的用于处理静态倾斜/偏斜和所得叶片疲劳的算法。很大程度上，这还将减少由于切变补偿引起的叶片上的极端负荷。对于大型转子来说，驱动一些极端叶片负荷的是不同的现象。
可以示出这种现象的代表性曲线图，其中绘制出了关于极端叶片负荷情况下的叶片负荷和倾斜负荷性态。接近极端叶片负荷，倾斜暴露于在t＝90-100s时累积并且在接近t＝115s时减弱的3p共振。在这个阶段，若干接近极端的叶片负荷峰值出现。如叶片负荷信号所指示，三个叶片上的平均值不处于严重等级；因此，推力限制器将不反应或仅轻微反应。
这种单独螺距控制算法的概念思想是，基于每个叶片的当前负荷等级来用螺距偏移补充基于倾斜/偏斜的IPC算法(反馈控制)。作为这个思想的自然扩展，前一个叶片的螺距性态将被馈送到负荷控制和前馈控制中。
控制概念是单独螺距控制算法。以下针对叶片中的一个简要描述了所述算法(对于每个叶片，存在相同算法)。
IPC前馈算法计算螺距需求，所述螺距需求将被补充到周期倾斜/偏斜螺距需求。这种螺距需求是反馈部分和前馈部分的总和。
反馈部分
叶片负荷测量值通过高通滤波器进行以消除通常不可靠的平均负荷等级。添加超前补偿器，以增加控制器对高动态信号的反应。此外，根据叶片负荷等级来调度超前补偿器增益，以限制螺距活动。
前馈部分
前馈算法使用前一个叶片产生的螺距需求以及比例因子，对其进行可变地延迟以使转子方位角位置与螺距执行器动力学相匹配。
附图描述
图1示出风力涡轮机，以及
图2示出IPC算法的可能概念整合。
发明详述
图1示出风力涡轮机4，其包括塔架6、机舱8和带有叶片12的转子。另外，示出电力和螺距控制系统14。
通过本发明，有可能减小在塔架6和叶片12两者处的最大推力。本发明的优点是，可以执行推力的这种减小，并且可能增加电力生产。
图2示出IPC算法的可能概念整合。附图示出螺距偏移的整合点以及由此相关信号的整合点。对于两种IPC算法，将两组矢量命名为IPCA和IPCB。
以下描述当将单独螺距基准与螺距偏移叠加时的相关关注点/难题。这个整合关注点是许多IPC算法的一般特征。优选的是，避免总螺距控制(速度控制)的交叉耦合。
对螺距角基准的贡献有可能干扰总螺距控制(即，速度控制)。其他类型的IPC算法(诸如现有的周期螺距控制)已经确保三个叶片上的平均值总是＝0，由此减小了干扰总螺距控制的风险。IPC并未被设计来保证三个叶片上的平均值＝0，因此可能存在对速度控制的干扰。然而，IPC被设计成仅仅对叶片负载的变化有反应，即，不是对平均值有反应，因此预期每个叶片随着时间的平均值＝0。对于受到IPC影响的总螺距控制，外部条件必须使得全部三个叶片暴露于相同的负荷变化，例如相干阵风，它将导致针对全部叶片的IPC成为正的。重要的是，注意IPC在这种情况下将使叶片没有负荷，并且由此实际上帮助速度控制。
IPC旨在与现有周期螺距控制共存。简言之，两种算法之间的不同之处是：周期螺距控制试图经由三个叶片的周期螺距偏移使机舱倾斜/偏斜负荷最小化，而IPC试图通过先前描述的前馈算法和反馈算法使局部叶片坐标系中的负荷变动最小化。不需要特别添加其他要素到IPC的设计来消除IPC与周期螺距控制之间不想要的干扰。
使两个控制器之间的交叉耦合效应最小化的另一个选项是简单地包括关于叶片负荷测量值的滤波器。这样做的动机是，1p负荷是静态倾斜/偏斜负荷，这些负荷是周期螺距控制的范围。然而，设计中并不包括这种解决方案，因为它针对反应范围内的全部频率在IPC响应时间中引起相位延迟。因此，可能损害处理极端负荷的能力。
避免产生失速的螺距
总螺距控制通过最小螺距约束针对使叶片螺距进入失速状态具有某种程度的保护。因为不允许低于最低贡献，例如0:5度，所以IPC设计具有某种程度的失速保护。再次，IPC仅对消除由IPC引起的失速中静态操作的变化有反应。

Claims (5)

1.适于主要用于风力涡轮机叶片的动态螺距控制的系统，所述系统独立地计算所述风力涡轮机的螺距角前部位置，所述控制系统至少基于以下输入参数来独立地对每个叶片执行反馈调节：
每个叶片上的负荷等级，
所述风力涡轮机的电力生产，
转子速度，
来自前一个叶片控制器的控制动作前馈，
其特征在于，所述系统还基于与所述转子的角速度相关的所述叶片处和前一个叶片处的所述负荷，对所述风力涡轮机的所述螺距执行前馈调节。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，前馈调节算法使用至少所述前一个叶片产生的螺距角。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述前馈调节算法基于转子角速度测量使用可变时间延迟。
4.根据权利要求1-3任一项所述的系统，其特征在于，所述前馈调节算法使用比例因子，以取决于风力涡轮机操作来扩展所述前述调节算法。
5.用于如权利要求1至4中所公开的动态螺距控制的方法，其特征在于以下操作步骤：
a.将每个叶片上的实际负荷等级输入到系统，
b.将风力涡轮机的电力生产输入到所述系统，
c.将转子速度输入到所述系统，
d.基于所述输入执行调节，并且对所述风力涡轮机叶片的螺距执行前馈调节，
e.基于与所述转子的角速度相关的实际叶片和所述先前叶片处的负荷，对所述实际叶片执行动态螺距调节。
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