本發(fā)明涉及在檢測到故障條件的情況下控制風(fēng)力渦輪機(jī)的手段。

背景技術(shù)：

通常，運(yùn)營風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)力渦輪機(jī)場的目的在于，使投入的資金獲得最大的收益；因此，風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)造成：在保持風(fēng)力渦輪機(jī)處于運(yùn)轉(zhuǎn)極限內(nèi)的前提下，使輸出功率最大化，即，使風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，以便從可利用的風(fēng)能中獲得最大的能量。

盡管風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)被設(shè)計成考慮到多種且多變的條件(風(fēng)力渦輪機(jī)就是在這些條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的)，但仍有可能出現(xiàn)故障條件，導(dǎo)致需要將渦輪機(jī)關(guān)停，或者切換為安全模式運(yùn)轉(zhuǎn)。故障條件可能涉及部件故障，因而需要維修或保養(yǎng)；或者，故障條件可能涉及如下條件：如果風(fēng)力渦輪機(jī)未關(guān)停或以安全模式運(yùn)轉(zhuǎn)，則這些條件可能導(dǎo)致部件故障。

現(xiàn)有的風(fēng)力渦輪機(jī)關(guān)停系統(tǒng)以渦輪機(jī)狀態(tài)的小子集的測量值(例如，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、塔頂加速度和載荷測量值等)為基礎(chǔ)；如果測量值超出給定的極限，則生成故障信號。當(dāng)關(guān)停風(fēng)力渦輪機(jī)時，可以例如根據(jù)故障類型選擇給定的關(guān)停程序，從而將故障條件考慮在內(nèi)。這種關(guān)停程序以設(shè)計之初就考慮到的故障情形為基礎(chǔ)。

本發(fā)明的發(fā)明人意識到，如果在操作風(fēng)力渦輪機(jī)期間出現(xiàn)故障條件，則需要有操作風(fēng)力渦輪機(jī)的其他方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有益的是，以如下方式控制風(fēng)力渦輪機(jī)：如果出現(xiàn)故障條件，則將風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)際操作狀態(tài)考慮在內(nèi)；而在風(fēng)力渦輪機(jī)以安全模式操作或關(guān)停的情況下，將風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)際操作狀態(tài)與后續(xù)操作聯(lián)系起來。

因此，根據(jù)第一方面，提供一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括：

接收風(fēng)力渦輪機(jī)的當(dāng)前操作狀態(tài)，并基于當(dāng)前狀態(tài)計算控制軌跡和安全模式軌跡，其中，軌跡包括至少一個變量的時間序列；以及

如果接收到指示風(fēng)力渦輪機(jī)的故障條件的故障信號，則使用安全模式軌跡控制風(fēng)力渦輪機(jī)；

如果未接收到故障信號，則使用控制軌跡控制風(fēng)力渦輪機(jī)；

其中，使用模型預(yù)測控制(modelpredictivecontrol，mpc)程序計算安全模式軌跡。

在本發(fā)明中，渦輪機(jī)的操作以計算出的控制軌跡為基礎(chǔ)。軌跡是變量在特定時間段的時間序列，其包括與變量相關(guān)的操作參數(shù)的下一個變量值以及特定參數(shù)的預(yù)測或期望數(shù)量的未來變量值。例如，控制軌跡可以是節(jié)距軌跡，其包括下一個節(jié)距指令以及期望或預(yù)測數(shù)量的未來節(jié)距指令。

風(fēng)力渦輪機(jī)包括控制系統(tǒng)，用以控制風(fēng)力渦輪機(jī)的各個要素，例如葉片節(jié)距設(shè)定、電能轉(zhuǎn)換設(shè)定點(diǎn)、偏航馬達(dá)等。這種控制系統(tǒng)還包括安全模式控制器，安全模式控制器負(fù)責(zé)以安全方式操作風(fēng)力渦輪機(jī)。安全模式控制器可以集成到通用控制器中，也可以在實(shí)施例中被視為通用控制器的功能單元，用以在安全模式操作期間控制風(fēng)力渦輪機(jī)。

在本發(fā)明中，控制系統(tǒng)設(shè)置成用于接收故障條件，并且在接收到這種故障條件時，能夠確保使用安全模式軌跡來控制風(fēng)力渦輪機(jī)。使用模型預(yù)測控制(mpc)程序計算安全模式軌跡。

使用mpc算法計算安全模式軌跡是有利的，這是因?yàn)閙pc算法非常適于將當(dāng)前狀態(tài)考慮在內(nèi)，進(jìn)而基于風(fēng)力渦輪機(jī)的實(shí)際狀態(tài)計算出操作軌跡。mpc算法可能非常適用于安全模式操作，這是因?yàn)檫@種算法直接將系統(tǒng)變量的約束條件考慮在內(nèi)，進(jìn)而便于在安全操作極限內(nèi)找到最優(yōu)操作軌跡。

在實(shí)施例中，安全模式軌跡是關(guān)停軌跡。關(guān)停軌跡是如下控制軌跡：該控制軌跡從風(fēng)力渦輪機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)開始控制風(fēng)力渦輪機(jī)，直至使得風(fēng)力渦輪機(jī)停機(jī)，即關(guān)停。

通常，安全模式軌跡是以安全方式控制風(fēng)力渦輪機(jī)的控制軌跡。安全方式是在安全操作極限內(nèi)操作風(fēng)力渦輪機(jī)的方式。這可以基于特定的故障條件，并且可以是如下控制模式：除了關(guān)停之外，該控制模式包括功能性簡化的模式、功率輸出減小的模式、操作空間減小的模式等。

在實(shí)施例中，在接收到故障信號之前不計算安全模式軌跡。這樣，在計算安全模式軌跡時，除了特定的當(dāng)前狀態(tài)之外，計算出的軌跡還可以將操作故障考慮在內(nèi)。通過將故障條件包含到模型預(yù)測控制程序中并將其作為一個或多個約束條件，并且/或者通過基于故障的類型選擇適當(dāng)?shù)某杀竞瘮?shù)，可以方便地獲得上述軌跡。這樣，mpc程序成為動態(tài)適應(yīng)性約束條件和目標(biāo)函數(shù)，以便在故障條件下控制渦輪機(jī)行為。因此，在安全模式情況下，可以在安全操作極限內(nèi)找到最優(yōu)化操作軌跡。

在實(shí)施例中，盡管只有安全模式軌跡是使用mpc程序計算出來的，但有利的是，控制軌跡也是使用模型預(yù)測控制(mpc)程序計算出來的。這樣，使用統(tǒng)一控制框架來處理安全模式控制和正常操作控制。

在“具體實(shí)施方式”部分描述其他實(shí)施例。

在其他方面，本發(fā)明還涉及用于風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器以及風(fēng)力渦輪機(jī)場控制器，風(fēng)力渦輪機(jī)場控制器至少用于控制從風(fēng)力渦輪機(jī)場中選擇的渦輪機(jī)。此外，本發(fā)明涉及由本發(fā)明的任一方面所控制的風(fēng)力渦輪機(jī)。

通常，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的多個實(shí)施例和方面可以任意地組合和聯(lián)合。通過參考下文所描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些方面及其他方面、特征和/或優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。

附圖說明

下面參考附圖并僅以實(shí)例的方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中，

圖1示意性地示出控制系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)的元件的實(shí)施例；

圖2以示意性功能框圖的方式示出本發(fā)明的常規(guī)實(shí)施例的一些方面；

圖3示出使用mpc算法確定的控制軌跡的實(shí)例；

圖4至圖7示出不同的故障條件情形下的安全模式軌跡的實(shí)例；以及

圖8示出本發(fā)明的實(shí)施例的原理的流程圖。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出控制系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)的元件的實(shí)施例。風(fēng)力渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子葉片1，轉(zhuǎn)子葉片1經(jīng)由變速箱3機(jī)械地連接至發(fā)電機(jī)2。發(fā)電機(jī)2產(chǎn)生的電能經(jīng)由變電器5進(jìn)入電網(wǎng)4。發(fā)電機(jī)2可以是雙饋異步發(fā)電機(jī)，也可以使用其他類型的發(fā)電機(jī)。

控制系統(tǒng)包括多個元件，這些元件包括至少一個控制器6，控制器6具有處理器和存儲器，處理器能夠基于存儲在存儲器中的指令執(zhí)行計算任務(wù)。通常，風(fēng)力渦輪機(jī)控制器6能夠確保風(fēng)力渦輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生符合要求的功率輸出水平。這是通過調(diào)節(jié)節(jié)距角和/或變電器的電能提取率來實(shí)現(xiàn)的。另外，控制系統(tǒng)6包括節(jié)距系統(tǒng)和功率系統(tǒng)，節(jié)距系統(tǒng)包括使用節(jié)距基準(zhǔn)8的節(jié)距控制器7，功率系統(tǒng)包括使用功率基準(zhǔn)10的功率控制器9。風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子葉片的節(jié)距可以利用節(jié)距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子可以包括：共用節(jié)距系統(tǒng)，其在同一時刻調(diào)節(jié)全部轉(zhuǎn)子葉片的全部節(jié)距角；以及個體節(jié)距系統(tǒng)，其能夠分別地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的節(jié)距。盡管圖中示出了兩個轉(zhuǎn)子葉片，但可以使用任意數(shù)量的轉(zhuǎn)子葉片，特別是三個轉(zhuǎn)子葉片。

圖2進(jìn)一步示出與軌跡計算器模塊20有關(guān)的控制系統(tǒng)6的元件，軌跡計算器模塊20接收風(fēng)力渦輪機(jī)23的當(dāng)前操作狀態(tài)并基于操作狀態(tài)計算用于后續(xù)正常操作的控制軌跡和安全模式軌跡。控制系統(tǒng)6設(shè)置成：根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)，基于控制軌跡或安全模式軌跡來控制風(fēng)力渦輪機(jī)。也就是說，如果故障信號指示風(fēng)力渦輪機(jī)的故障條件，則使用安全模式軌跡22控制風(fēng)力渦輪機(jī)；否則，使用控制軌跡控制風(fēng)力渦輪機(jī)，以便風(fēng)力渦輪機(jī)繼續(xù)進(jìn)行正常操作21。

在實(shí)施例中，故障信號是基于操作狀態(tài)推斷出來的，或者可以是例如由發(fā)送故障信號的傳感器或其他單元提供的專用信號24。

在本發(fā)明中，使用模型預(yù)測控制(mpc)程序來計算安全模式軌跡。

圖3示出關(guān)于被測操作變量y及由mpc計算出的控制變量u的mpc程序的常規(guī)方面。圖的上部30示出變量y的狀態(tài)軌跡，圖的下部31示出控制變量u的控制軌跡。

操作軌跡和控制軌跡可以包括但不限于一個或多個如下參數(shù)：節(jié)距值(包括集體節(jié)距值和個體節(jié)距值)、轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子加速度、塔體移動、與功率相關(guān)的參數(shù)、與扭轉(zhuǎn)相關(guān)的參數(shù)以及這些參數(shù)的導(dǎo)數(shù)。

在實(shí)施例中，操作軌跡是預(yù)測的操作狀態(tài)軌跡。狀態(tài)是操作參數(shù)的集合(通常稱為向量)。風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)的實(shí)例是：

包括節(jié)距值θ、轉(zhuǎn)子角速度ω、塔頂位置s以及這些參數(shù)的時間導(dǎo)數(shù)。可以使用其他參數(shù)以及更多的參數(shù)來限定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)x^*。

風(fēng)力渦輪機(jī)的當(dāng)前操作狀態(tài)的狀態(tài)值可以以測得的傳感器讀數(shù)為基礎(chǔ)，這些傳感器設(shè)置成用于測量與風(fēng)力渦輪機(jī)的物理狀態(tài)值相關(guān)的傳感器數(shù)據(jù)。另外，還可以使用估計值或計算值。在實(shí)施例中，可以利用狀態(tài)計算器(例如，呈諸如觀測器或卡爾曼濾波器等負(fù)責(zé)確定當(dāng)前操作狀態(tài)的專用計算單元的形式)確定狀態(tài)。

軌跡也可以表述為控制軌跡。控制軌跡的實(shí)例可以是：

包括節(jié)距基準(zhǔn)信號和功率基準(zhǔn)信號。可以使用其他參數(shù)以及更多的參數(shù)來限定風(fēng)力渦輪機(jī)控制信號

圖3示出多個離散的時間階段的被測變量y的軌跡34，圖中示出當(dāng)前時刻k、多個過去時間階段32和多個未來時間階段33(有時也分別稱為狀態(tài)變量y和控制變量u的預(yù)測時域和控制時域)。使用實(shí)心圓來標(biāo)注已知的變量值(即，以已測得的值為基礎(chǔ)的變量值)并使用空心圓來標(biāo)注預(yù)測的變量值。軌跡可以包括預(yù)測值的時間序列，即，僅包括空心圓。軌跡不一定要包括過去的值和已知的值，但在某些實(shí)施例中可能是必要的。具體地說，被測變量的軌跡可以包括當(dāng)前值35。軌跡可以跨越若干秒(例如，5至10秒)的時間序列。然而，軌跡可以基于特定的實(shí)施情況而增長或縮短。

作為實(shí)例，軌跡示出了轉(zhuǎn)子速度ω，并且轉(zhuǎn)子速度ω處于設(shè)定點(diǎn)被設(shè)定在增大轉(zhuǎn)子速度的情況下。軌跡示出了當(dāng)前的轉(zhuǎn)子速度35和預(yù)測的轉(zhuǎn)子速度。另外，示出了作為示例變量的允許的最大值和最小值。

圖3還示出了利用mpc算法確定的常規(guī)控制軌跡36的實(shí)例。圖3示出操作狀態(tài)軌跡34與常規(guī)控制軌跡36之間的關(guān)系。在實(shí)施例中，常規(guī)控制軌跡可以是使用預(yù)測的操作狀態(tài)軌跡計算出的安全模式軌跡。

在已知被測變量的當(dāng)前第k個值的同時，使用mpc程序計算控制軌跡的當(dāng)前值37。

圖中還示出u的控制軌跡值的最大允許值和最小允許值。

作為實(shí)例，軌跡示出用于節(jié)距角的軌跡，即u＝θ。因此，給出了設(shè)定點(diǎn)以增大轉(zhuǎn)子速度，因而節(jié)距角減小。軌跡示出下一個節(jié)距設(shè)定值37和預(yù)測的未來節(jié)距設(shè)定值，以滿足新的設(shè)定點(diǎn)設(shè)定值。

模型預(yù)測控制(mpc)是一種多變量控制算法，它使用滾動預(yù)測時域上的最優(yōu)化成本函數(shù)j來計算優(yōu)化控制動作。

最優(yōu)化成本函數(shù)可以是如下函數(shù)：

參考圖3，ri是用于第i個變量的設(shè)定點(diǎn)，yi和ui是第i個軌跡變量，是限定該變量的相對重要性的加權(quán)矩陣，并且是限定與該變量的變化量有關(guān)的懲罰值的加權(quán)矩陣。

通過在控制器中使用mpc程序來計算安全模式軌跡，解決了n個時間階段(控制和預(yù)測時域)的最優(yōu)化問題。結(jié)果得到整個時域的最優(yōu)輸入順序，從而可以在安全模式期間用它來控制渦輪機(jī)。

在實(shí)施例中，通過利用模型預(yù)測控制(mpc)在線計算安全模式軌跡的形式，在線解決動態(tài)最優(yōu)化問題，從而計算出關(guān)停軌跡。典型地，利用目標(biāo)函數(shù)(成本函數(shù))和多個約束條件(例如，最大/最小限制值、變化率限制值等)來表述在上面這種應(yīng)用中解決的最優(yōu)化問題。當(dāng)將這種控制方案應(yīng)用在正常操作中時，目標(biāo)函數(shù)被典型地表述為用于提供載荷與電能產(chǎn)出之間的平衡，并利用約束條件來約束某些操作參數(shù)，例如轉(zhuǎn)子速度、節(jié)距位置和速度、以及發(fā)電機(jī)扭矩。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過應(yīng)用反映故障系統(tǒng)的當(dāng)前性能的成本函數(shù)和約束條件(例如，發(fā)電機(jī)的突發(fā)性損耗、電網(wǎng)線路的損耗、節(jié)距調(diào)節(jié)性能的全部或部分損耗)來處理故障。

在實(shí)施例中，當(dāng)接收到故障信號時，使用mpc程序來計算安全模式軌跡。這樣，在確定安全模式軌跡時，將故障的類型考慮在內(nèi)。故障條件可以是包括在模型預(yù)測控制程序中的約束條件，并且模型預(yù)測控制程序的成本函數(shù)以故障的類型為基礎(chǔ)。

在示例性實(shí)施例中，用于正常生產(chǎn)的最優(yōu)化問題具有以下形式：

u^*(t)＝argminj0(s(t),p(t),u(t))，

并且符合以下約束條件：

-5≤θi≤90,i∈{1,2,3}

pe≤3mw

函數(shù)argmin是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)算子，它表示在成本函數(shù)j0取得最小值時的自變量值，并且在s、p、u和t所形成的參數(shù)空間中找到這些點(diǎn)。參數(shù)表示額定轉(zhuǎn)子速度，θi表示節(jié)距角(其具有導(dǎo)數(shù))，并且pe表示渦輪機(jī)的額定功率。

在本文中，名義成本函數(shù)j0使用控制信號u(t)來提供功率(p)與載荷(s)之間的平衡，而約束條件限制轉(zhuǎn)子速度、葉片節(jié)距角、葉片節(jié)距調(diào)節(jié)速度和電功率?？刂菩盘柕湫偷赜扇缦滤龅娜~片節(jié)距角和用于變電器的功率基準(zhǔn)組成：

圖4示出在如下情況下軌跡的實(shí)例：在時刻t＝tf之后發(fā)生變電器故障40，因而有效地阻止任何電能產(chǎn)出。在這種情況下，成本函數(shù)和約束條件中可能的變化可以是：

u^*(t)＝argminj1(s(t),u(t))，

符合以下約束條件：

-5≤θi≤90,i∈{1,2,3}

pe＝0

這樣，電能產(chǎn)出不再是成本函數(shù)的一部分，而是被限制為零，這是因?yàn)椴辉倌馨l(fā)電了。雖然當(dāng)失去電能產(chǎn)出能力時，轉(zhuǎn)子速度表現(xiàn)出少量過調(diào)，但在朝著停止的方向調(diào)節(jié)節(jié)距的同時，繼續(xù)進(jìn)行個體節(jié)距調(diào)節(jié)動作，從而利用節(jié)距動作使得轉(zhuǎn)子速度變?yōu)殪o止。

實(shí)際上，這將會有效地禁止變電器所控制的發(fā)電機(jī)扭矩被用作控制渦輪機(jī)的手段，從而通過調(diào)節(jié)葉片的節(jié)距調(diào)節(jié)來控制渦輪機(jī)。其他設(shè)計方案可以包括采用電力制動器或機(jī)械力制動器的能力。在這種情況下，控制信號可以包括用于制動器的布爾啟動信號。

圖5示出在如下情況下軌跡的實(shí)例：在時刻t＝tf發(fā)生故障50，該故障與調(diào)節(jié)葉片的節(jié)距的能力下降有關(guān)，例如，一個葉片機(jī)械地卡在例如10度處。在這種情況下，可以以下降模式繼續(xù)操作渦輪機(jī)。當(dāng)一個葉片卡住時，其他兩個葉片各自的節(jié)距活動性增強(qiáng)，以補(bǔ)償卡住的葉片。同時，它們調(diào)節(jié)節(jié)距，以停止轉(zhuǎn)動。保留電能，以便輔助轉(zhuǎn)子制動。

關(guān)于以最優(yōu)化為基礎(chǔ)的方案，可以將問題轉(zhuǎn)化為“將一個葉片的葉片節(jié)距調(diào)節(jié)速度限制為0度/秒”，由此來理解這種操作模式：

u^*(t)＝argminj0(s(t),p(t),u(t))，

符合以下約束條件：

-5≤θi≤90,i∈{1,2}

pe≤3mw

圖6示出在另一種情況下軌跡的實(shí)例，該情況是：在時刻t＝tf發(fā)生故障60，該故障與調(diào)節(jié)葉片的節(jié)距的能力下降有關(guān)。在本實(shí)例中，葉片3的葉片節(jié)距調(diào)節(jié)液壓機(jī)構(gòu)僅能保證該葉片的恒定的節(jié)距調(diào)節(jié)速率。其余兩個葉片各自的節(jié)距調(diào)節(jié)活動性增強(qiáng)，以補(bǔ)償?shù)谌齻€葉片不能為個體節(jié)距控制出力的缺陷。由于故障葉片沒有卡住而可以調(diào)節(jié)節(jié)距，所以使得轉(zhuǎn)子比例如2稍快一些地靜止下來：

u^*(t)＝argminj0(s(t),p(t),u(t))

符合以下約束條件：

-5≤θi≤90,i∈{1,2}

pe≤3mw

圖7示出在如下情況下軌跡的實(shí)例：故障導(dǎo)致以安全模式進(jìn)行后續(xù)操作，其中，渦輪機(jī)進(jìn)行操作，但電能產(chǎn)出減少。

在本實(shí)施例中，渦輪機(jī)具有分別調(diào)節(jié)葉片的節(jié)距的能力，但在時刻t＝tf發(fā)生故障70，導(dǎo)致一個葉片以恒定的節(jié)距調(diào)節(jié)速率退回到安全狀態(tài)。其余兩個葉片各自的節(jié)距活動性增強(qiáng)，以補(bǔ)償?shù)谌齻€葉片不能為個體節(jié)距控制出力的缺陷。將兩個無故障葉片的節(jié)距角調(diào)節(jié)至不會使轉(zhuǎn)子靜止而會使轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)的角度，從而盡管存在故障葉片，仍然允許適當(dāng)?shù)碾娔墚a(chǎn)出。

在使用模型預(yù)測控制(mpc)程序來計算控制軌跡和安全模式軌跡兩者的實(shí)施例中，可以在檢測到給定故障情形(即，在接收到故障信號)時改變成本函數(shù)和約束，但在其他情況下使用相同的mpc程序。在這種實(shí)施例中，在每個取樣時間，僅計算一個最優(yōu)控制信號。

在實(shí)施例中，在操作風(fēng)力渦輪機(jī)期間，不斷地計算安全模式軌跡。在這種實(shí)施例中，在每個時間步驟中估計可能的故障情形。也就是說，使用“假設(shè)分析”型方案，即，不斷地為未來可能的故障情形準(zhǔn)備控制信號軌跡?？梢曰陲L(fēng)力渦輪機(jī)的操作狀態(tài)計算兩個或更多的完整安全模式軌跡，并且可以基于故障信號選擇特定的完整安全模式軌跡?？梢曰谟煽刂葡到y(tǒng)執(zhí)行的選擇程序進(jìn)行選擇。這種選擇程序可以執(zhí)行選擇標(biāo)準(zhǔn)，以便從可用的軌跡中選擇最適當(dāng)?shù)陌踩Ｊ杰壽E。

在安全模式軌跡為關(guān)停軌跡的實(shí)施例中，關(guān)停軌跡的時間序列可以也可以不貫穿整個關(guān)停過程。如果關(guān)停軌跡的時間序列貫穿整個關(guān)停過程，即，如果在開始關(guān)停之前計算出完整關(guān)停軌跡，則可以使用完整關(guān)停軌跡來控制風(fēng)力渦輪機(jī)。這樣的優(yōu)點(diǎn)在于，即使用于解決最優(yōu)化問題的機(jī)構(gòu)失效，也能執(zhí)行給定的控制軌跡。

在另一個實(shí)施例中，mpc程序是滾動時域程序(recedinghorizonroutine)，從而可以獲得如下益處：在關(guān)停的過程中，反復(fù)地計算關(guān)停軌跡并將其用作滾動時域軌跡，并使用最后計算出的關(guān)停軌跡來控制風(fēng)力渦輪機(jī)。在這種實(shí)施例中，在時刻t，對當(dāng)前狀態(tài)取樣，并為未來時域[t,t+t]計算成本最小化控制策略。在關(guān)?？刂菩盘栔?，僅使用當(dāng)前樣本k的第一個預(yù)測值；然后，再次對渦輪機(jī)狀態(tài)取樣，并從新的當(dāng)前狀態(tài)開始重復(fù)計算，從而形成新的關(guān)停軌跡和新的預(yù)測狀態(tài)軌跡。這樣，能夠確保在整個關(guān)停過程中使用最優(yōu)化軌跡。

在另一個實(shí)施例中，關(guān)停過程是兩步式過程。在第一步中，計算安全模式軌跡，以使渦輪機(jī)進(jìn)入安全區(qū)域，從該安全區(qū)域獲知安全關(guān)停軌跡。在第二步中，使用安全關(guān)停軌跡來使渦輪機(jī)完全停止?？梢灶A(yù)先計算出安全關(guān)停軌跡的第二部分，或者安全區(qū)域可以是如下操作狀態(tài)：從該狀態(tài)開始，關(guān)停操作是很平常的。

在實(shí)施例中，可以使用簡化系統(tǒng)模型來計算關(guān)停軌跡，其中，mpc程序使用風(fēng)力渦輪機(jī)的操作狀態(tài)的子集來計算安全模式軌跡?？梢圆捎迷S多與全面計算類似的方式來完成使用簡化模型的軌跡計算；然而，在風(fēng)力渦輪機(jī)中實(shí)施上述計算所需的計算資源比全面mpc控制器的少。

在實(shí)施例中，風(fēng)力渦輪控制器設(shè)置成：執(zhí)行能夠?qū)ξ磥頃r間段的控制軌跡進(jìn)行驗(yàn)證的至少一個驗(yàn)證程序，以確定控制軌跡成立或不成立——如果控制軌跡不成立，則生成故障信號。通過驗(yàn)證操作軌跡，控制系統(tǒng)能夠確定：不僅在當(dāng)前時刻，而且在包括在操作軌跡中的未來時間段的至少一部分，系統(tǒng)能否以安全方式操作。這樣，在疑難情況實(shí)際發(fā)生之前，控制系統(tǒng)能夠?yàn)樵撉闆r做好準(zhǔn)備。也就是說，控制器能夠及時地進(jìn)入安全模式操作，而非僅在檢測到疑難狀況時才做出反應(yīng)。

能夠在疑難狀態(tài)實(shí)際出現(xiàn)之前或者發(fā)展到疑難狀態(tài)之前，就對疑難狀態(tài)采取措施——這樣有利于保護(hù)渦輪機(jī)。另外，還可以帶來如下益處：由于要么在故障發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)故障，要么至少在故障發(fā)生的初期發(fā)現(xiàn)故障，所以可以使安全模式操作(包括關(guān)停)所導(dǎo)致的停工期縮短。這樣可以進(jìn)一步降低維修成本。此外，由于能夠減少機(jī)械載荷要求，所以可以降低負(fù)載元件的成本。在本發(fā)明的實(shí)施例中，這種設(shè)備可以應(yīng)用在可控的關(guān)停操作——而不是緊急關(guān)停操作——所規(guī)定的許多故障情形下。

除了驗(yàn)證控制軌跡之外，或者可選地除了驗(yàn)證控制軌跡之外，可以對未來時間段的安全模式軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，以確定安全模式軌跡成立或不成立；如果安全模式軌跡不成立，則使用預(yù)定的關(guān)停軌跡來控制風(fēng)力渦輪機(jī)以關(guān)停。

預(yù)定的關(guān)停軌跡可以存儲在控制器的存儲器中。存儲器可以存儲一個或更多的預(yù)先編寫的關(guān)?？刂栖壽E，例如，已知的在載荷極限內(nèi)操作風(fēng)力渦輪機(jī)的適當(dāng)?shù)目刂栖壽E?？蛇x地或附加地，控制器還可以存儲最后的一個成立的關(guān)?？刂栖壽E或者可供選擇的多個給定的成立的關(guān)停控制軌跡。可以不斷地用最新計算出的軌跡來更新存儲在存儲器中的實(shí)際軌跡。

在實(shí)施例中，還可以在額外的約束條件下執(zhí)行mpc最優(yōu)化；該額外的約束條件是，未來時間段的控制軌跡可以不包括如下操作狀態(tài)：在該操作狀態(tài)下，找不到到安全模式軌跡的mpc運(yùn)算的解。也就是說，對控制軌跡上任意未來的點(diǎn)而言，在選定的或給定的故障條件下，能夠找到這種故障情形的解。因此，渦輪機(jī)操作被限定在如下操作條件的區(qū)域內(nèi)：如果存在潛在故障，則該區(qū)域中存在關(guān)停軌跡。這樣，能夠確?？刂栖壽E的遞歸可行性，即，能夠確保風(fēng)力渦輪機(jī)決不進(jìn)入如下狀態(tài)：在該狀態(tài)下，找不到符合任何給定故障的安全關(guān)停軌跡。因此，能夠確保：沿著給定的控制軌跡的任何狀態(tài)下，存在可行的關(guān)停解。

驗(yàn)證還可以包括：對未來時間段的給定操作狀態(tài)軌跡進(jìn)行驗(yàn)證。如果操作軌跡不成立，則生成故障信號。

在實(shí)施例中，驗(yàn)證程序?qū)⒁粋€或多個操作軌跡的一個或多個參數(shù)值與這些參數(shù)的給定約束值進(jìn)行比較，其中，如果一個或多個經(jīng)過比較的參數(shù)值不超過約束值，則驗(yàn)證成立。這樣，驗(yàn)證程序簡單地檢查一個或多個預(yù)測的軌跡，以確保在預(yù)測的時期內(nèi)，預(yù)測的軌跡值處于適當(dāng)?shù)臉O限內(nèi)。實(shí)例包括：檢查預(yù)測的節(jié)距軌跡處于允許的節(jié)距值內(nèi)，并且預(yù)測的塔頂移動量處于允許的數(shù)值內(nèi)。通常，能夠選擇并驗(yàn)證用于安全性臨界參數(shù)的軌跡，以使其處于允許的約束極限內(nèi)。還可以使用更多或其他驗(yàn)證程序。

在實(shí)施例中，控制系統(tǒng)可以被劃分成兩個子系統(tǒng)——主控制器子系統(tǒng)和安全性控制器子系統(tǒng)?？梢砸匀魏芜m當(dāng)?shù)姆绞皆谖锢砩匣蜻壿嬌蠈?shí)現(xiàn)這種劃分。

控制系統(tǒng)可以基于通用的或標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計算設(shè)備，而安全性系統(tǒng)可以基于安全性認(rèn)證計算設(shè)備和經(jīng)過嚴(yán)格測試的軟件。典型地，可以根據(jù)關(guān)于功能安全性的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中給出的原則來構(gòu)造控制系統(tǒng)的安全性相關(guān)部分。這些標(biāo)準(zhǔn)包括例如iso13849、iec61508和iec62061。除了符合有關(guān)可靠性和診斷覆蓋率的具體的、定量的要求之外，還要保證根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造的系統(tǒng)不受系統(tǒng)故障(例如，軟件缺陷)的影響。因此，控制系統(tǒng)可以被劃分成：常規(guī)控制范圍，其使用標(biāo)準(zhǔn)計算設(shè)備執(zhí)行計算任務(wù)；以及安全性控制范圍，其使用安全性相關(guān)計算設(shè)備執(zhí)行計算任務(wù)。

在實(shí)施例中，在風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的常規(guī)控制范圍中執(zhí)行模型預(yù)測控制(mpc)程序，從而在常規(guī)控制范圍中計算安全模式軌跡。這樣可以降低控制系統(tǒng)的成本，這是因?yàn)橛糜诓僮鳒u輪機(jī)的預(yù)測軌跡的實(shí)時計算對計算性能的要求相當(dāng)高。

為了提高安全性水平，可以在風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的安全性范圍中執(zhí)行驗(yàn)證程序。驗(yàn)證程序的目的在于驗(yàn)證安全模式軌跡。

這樣，可以將計算量繁重的計算任務(wù)布置在控制系統(tǒng)的正常操作范圍中，同時安全性控制器的任務(wù)是驗(yàn)證主控制器的結(jié)果。與執(zhí)行復(fù)雜計算本身相比，可以以對計算性能要求低得多的方式來驗(yàn)證復(fù)雜計算的結(jié)果(包括：例如，數(shù)值優(yōu)化)。因此，能夠?qū)Ⅱ?yàn)證布置在控制系統(tǒng)的安全性相關(guān)范圍內(nèi)。最終獲得的安全性水平可能與在安全性范圍內(nèi)執(zhí)行實(shí)際計算而獲得的安全性水平一樣高。

然而，如果安全性系統(tǒng)的計算資源允許，則可以在風(fēng)力渦輪機(jī)控制器的安全性范圍中執(zhí)行模型預(yù)測控制(mpc)程序，以便在安全性范圍中計算出安全模式軌跡?？赡芤鬄榘踩Ｊ杰壽E匹配較高的安全性水平，并且在安全性控制器中計算出的軌跡可以在不經(jīng)進(jìn)一步驗(yàn)證的情況下使用。

在另一個實(shí)施例中，可以在風(fēng)力渦輪機(jī)場控制器中實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例的常規(guī)方面，風(fēng)力渦輪機(jī)場控制器設(shè)置成用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)場中的一個或多個風(fēng)力渦輪機(jī)。在這種實(shí)例中，風(fēng)場控制器可以控制一個或多個選定的風(fēng)力渦輪機(jī)。在這種實(shí)施例中，可以分布式地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力渦輪機(jī)控制器，其中，在風(fēng)力渦輪機(jī)中實(shí)現(xiàn)控制器的一部分，并在風(fēng)場中實(shí)現(xiàn)控制器的其余部分。

圖8示出本發(fā)明的實(shí)施例的原理的流程圖。

在第一步81中，確定或接收風(fēng)力渦輪機(jī)的當(dāng)前操作狀態(tài)，并基于當(dāng)前操作狀態(tài)計算控制軌跡83和安全模式軌跡82。盡管這兩種軌跡都可以使用模式預(yù)測控制(mpc)程序來計算，但至少安全模式軌跡是利用mpc程序計算的。

接收或存取用于指示是否存在故障條件的故障信號84。如果故障信號指示風(fēng)力渦輪機(jī)的故障條件，則使用安全模式軌跡85控制風(fēng)力渦輪機(jī)；如果未接收到故障信號或者故障信號并不指示故障條件，則使用控制軌跡86控制風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)行正常模式操作。可以基于實(shí)際故障條件87計算安全模式軌跡。

盡管參考具體的實(shí)施例對本發(fā)明做了描述，但在任何情況下都不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明被限制為上述實(shí)施例?？梢岳萌魏芜m當(dāng)?shù)氖侄蝸韺?shí)施本發(fā)明，并且根據(jù)隨附的權(quán)利要求書來理解本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求書中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被理解為限定本發(fā)明的范圍。