本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)的控制，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)的部分負(fù)載控制器和滿載控制器。

背景技術(shù)：

風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)可以包括部分負(fù)載控制器和滿載控制器，以確定分別用于變槳致動器和發(fā)電機(jī)的槳距基準(zhǔn)和功率基準(zhǔn)。被選擇用于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速的部分負(fù)載控制器的目的是從風(fēng)能的給定可用量中優(yōu)化電力產(chǎn)出。被選擇用于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速的滿載控制器的目的是產(chǎn)生風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的標(biāo)稱功率。

在部分負(fù)載控制器與滿載控制器之間切換是必需的，因?yàn)轱L(fēng)速在低于額定風(fēng)速與高于額定風(fēng)速的風(fēng)速之間改變。這樣的切換可能在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)負(fù)載、利用風(fēng)能和其他操作條件上具有不良影響。

因此，問題在于風(fēng)力渦輪機(jī)的已知控制方案可能難以處理在不同控制方案之間切換。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是改進(jìn)風(fēng)力渦輪機(jī)在部分負(fù)載和滿載期間的控制，特別是避免與依賴于風(fēng)速部分負(fù)載控制器與滿載控制器之間切換相關(guān)的缺點(diǎn)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是降低由于在部分負(fù)載控制器與滿載控制器之間切換而造成的風(fēng)力渦輪機(jī)部件的結(jié)構(gòu)負(fù)載和振蕩。

在本發(fā)明的第一方面中提供一種用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，其中風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有至少一個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子以及連接到轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，所述葉片具有能夠依賴于槳距請求控制的槳距角，所述發(fā)電機(jī)具有能夠依賴于發(fā)電機(jī)請求控制的電力產(chǎn)出，其中發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)速度能夠經(jīng)由槳距請求和發(fā)電機(jī)請求控制，所述方法包括：

-通過依賴于第一發(fā)電機(jī)速度誤差確定發(fā)電機(jī)請求來控制發(fā)電機(jī)速度，所述第一發(fā)電機(jī)速度誤差依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)、發(fā)電機(jī)速度和第一速度修正確定，其中發(fā)電機(jī)請求通過將第一發(fā)電機(jī)速度誤差最小化確定，其中第一速度修正被確定以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)，其中第一速度修正被確定以使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)請求接近最大發(fā)電機(jī)請求，其中最大發(fā)電機(jī)請求是部分負(fù)載控制器的飽和極限，并且其中第一速度誤差以可變的第一增益被放大，

-通過依賴于第二發(fā)電機(jī)速度誤差確定槳距請求來控制發(fā)電機(jī)速度，所述第二發(fā)電機(jī)速度誤差依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)、發(fā)電機(jī)速度和第二速度修正確定，其中槳距請求通過將第二發(fā)電機(jī)速度誤差最小化確定，其中第二速度修正被確定以使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)，其中第二速度修正被確定以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，槳距請求接近最小槳距請求，其中最小槳距請求是滿載控制器的飽和極限，并且其中第二速度誤差以可變的第二增益被放大，

-確定可變的第一和第二增益，以使得至少對于低于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益大于第二增益，使得至少對于高于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益小于第二增益，并且使得至少對于在額定風(fēng)速附近的單一風(fēng)速而言，第一增益等于第二增益。

有利地，通過針對第一和第二速度誤差確定發(fā)電機(jī)請求、槳距請求和增益三者來控制發(fā)電機(jī)速度，可以通過針對高于和低于額定風(fēng)速的風(fēng)速更新發(fā)電機(jī)請求和槳距請求兩者來連續(xù)地控制發(fā)電機(jī)速度。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)請求和槳距請求兩者依賴于可變的增益和已調(diào)節(jié)的第一和第二誤差適配，所以無需在針對低于額定風(fēng)速的風(fēng)速確定發(fā)電機(jī)請求與針對高于額定風(fēng)速的風(fēng)速確定槳距請求之間切換。

第一速度修正的確定可以通過將第一速度修正設(shè)定或確定到較小值(例如0或接近于0)來執(zhí)行，第一速度修正的確定被執(zhí)行以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)。

第一速度修正的確定可以通過針對高于額定風(fēng)速的風(fēng)速修正第一發(fā)電機(jī)速度誤差(即，將第一發(fā)電機(jī)速度誤差降低或增加到非0值)來執(zhí)行，第一速度修正的確定被執(zhí)行以使得發(fā)電機(jī)請求接近最大發(fā)電機(jī)請求(即，部分負(fù)載控制器的飽和極限)。速度誤差的修正可以通過以第一速度修正值修正第一發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)(例如通過將已修正第一速度修正值與第一發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)相加)來執(zhí)行。

部分負(fù)載控制器的飽和極限是限制來自確定發(fā)電機(jī)請求的部分負(fù)載控制器的輸出的極限。

第二速度修正的確定可以通過就第一速度修正設(shè)定或確定到較小值(例如0或接近于0)來執(zhí)行，第二速度修正的確定被執(zhí)行以使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)。

第二速度修正的確定可以通過針對高于額定風(fēng)速的風(fēng)速修正第二發(fā)電機(jī)速度誤差(即，將誤差速度降低或增加到非0值)來執(zhí)行，第二速度修正的確定被執(zhí)行以使得槳距請求接近最小槳距請求(即，滿載控制器的飽和極限)。速度誤差的修正可以通過以第二速度修正值修正第二發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)(例如通過將已修正第二速度修正值與第二發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)相加)來執(zhí)行。

滿載控制器的飽和極限是限制來自確定槳距請求的滿載控制器的輸出的極限。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，所述方法包括通過針對低于、高于和處于額定風(fēng)速的風(fēng)速確定發(fā)電機(jī)請求、槳距請求和第一和第二增益來控制發(fā)電機(jī)速度。所述方法可以還包括確定第一和第二速度修正。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一和第二增益被確定以使得第一和第二增益的和在包括額定風(fēng)速的風(fēng)速范圍中是基本上恒定的。例如，第一和第二增益被確定以使得第一和第二增益的和在從切入風(fēng)速延伸到切出風(fēng)速的風(fēng)速范圍中是基本上恒定的，其中所述范圍包括額定風(fēng)速。有利地，通過以增益的和應(yīng)當(dāng)是恒定的這一標(biāo)準(zhǔn)約束第一和第二增益的確定，可以確保來自部分負(fù)載控制器和滿載控制器的結(jié)合的控制動作是恒定的。在相對較大和較小的風(fēng)速下(例如在完全滿載或部分負(fù)載中)，增益的和可以被允許大于接近額定風(fēng)速而不會導(dǎo)致控制器不穩(wěn)定。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一增益和/或第二增益依賴于實(shí)際槳距與槳距基準(zhǔn)之間的差距確定。因?yàn)閷?shí)際槳距在部分負(fù)載期間通常接近于槳距基準(zhǔn)，所以這能夠被用于確定增益，例如通過在槳距差距較小時(shí)將第一增益設(shè)定到相對較大的值(大于第二增益的值)，或通過將增益確定為槳距差距的函數(shù)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一增益和/或第二增益依賴于實(shí)際功率與功率基準(zhǔn)之間的差距確定。因?yàn)閷?shí)際功率在滿載期間通常接近于功率基準(zhǔn)，所以這能夠用于確定增益，例如通過在功率差距較小時(shí)將第二增益設(shè)定到相對較大的值(大于第一增益的值)，或通過將增益確定為功率差距的函數(shù)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一速度修正依賴于實(shí)際槳距與槳距基準(zhǔn)之間的差距確定。通過以這樣的方式確定第一速度修正，第一速度修正隨著槳距差距增加(即，在風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)入滿載操作時(shí))而逐漸增加(或減少)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第二速度修正依賴于實(shí)際功率與功率基準(zhǔn)之間的差距確定。因此，第二速度修正隨著功率差距增加(即，在風(fēng)力渦輪機(jī)進(jìn)入部分負(fù)載操作時(shí))而逐漸增加(或減少)。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第一發(fā)電機(jī)速度誤差依賴于第一已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)和發(fā)電機(jī)速度確定，其中第一已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)通過將第一速度修正與發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)相加確定。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，第二發(fā)電機(jī)速度誤差依賴于第二已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)和發(fā)電機(jī)速度確定，其中第二已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)通過將第二速度修正與發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)相加確定。

本發(fā)明的第二方面涉及一種用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)，其中風(fēng)力渦輪機(jī)包括具有至少一個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子以及連接到轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)，所述葉片具有能夠依賴于槳距基準(zhǔn)控制的槳距，所述發(fā)電機(jī)具有能夠依賴于發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)控制的電力產(chǎn)出，其中轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)速度能夠經(jīng)由槳距基準(zhǔn)和發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)控制，控制系統(tǒng)包括，

-部分負(fù)載速度誤差計(jì)算單元，其配置成用于依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)、發(fā)電機(jī)速度和第一速度修正確定第一發(fā)電機(jī)速度誤差，

-滿載速度誤差計(jì)算單元，其配置成用于依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)、發(fā)電機(jī)速度和第二速度修正確定第二發(fā)電機(jī)速度誤差，

-第一速度修正計(jì)算單元，其配置成用于確定第一速度修正，以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)，并且使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)請求接近最大發(fā)電機(jī)請求，其中最大發(fā)電機(jī)請求是部分負(fù)載控制器的飽和極限，

-第二速度修正計(jì)算單元，其配置成用于確定第二速度修正，以使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)，并且使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，槳距請求接近最小槳距請求，其中最小槳距請求是滿載控制器的飽和極限，

-部分負(fù)載控制器，其配置成用于通過依賴于第一發(fā)電機(jī)速度誤差、將第一發(fā)電機(jī)速度誤差最小化確定發(fā)電機(jī)請求來控制發(fā)電機(jī)速度，其中部分負(fù)載控制器配置成用于以可變的第一增益將第一速度誤差放大，

-滿載控制器，其配置成用于通過依賴于第二發(fā)電機(jī)速度誤差、將第二發(fā)電機(jī)速度誤差最小化確定槳距請求來控制發(fā)電機(jī)速度，其中滿載控制器配置成用于以可變的第二增益將第二速度誤差放大，

-增益調(diào)度器，其配置成用于確定可變的第一和第二增益，以使得至少對于低于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益大于第二增益，使得至少對于高于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益小于第二增益，并且使得至少對于在額定風(fēng)速附近的單一風(fēng)速而言，第一增益等于第二增益。

本發(fā)明的第三方面涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括根據(jù)第二方面的控制系統(tǒng)。

通常，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，本發(fā)明的各個(gè)方面可以以任何可能的方式結(jié)合和耦合?；鶞?zhǔn)下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些和其它方面、特征和/或優(yōu)點(diǎn)將變得顯然并得以闡明。

附圖說明

將僅通過實(shí)施例的方式參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中：

圖1展示風(fēng)力渦輪機(jī)，

圖2示出用于風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)，

圖3示出槳距、發(fā)電機(jī)速度和產(chǎn)出功率在部分負(fù)載和滿載區(qū)域中的變化，

圖4示出用于風(fēng)力渦輪機(jī)的替代控制系統(tǒng)，

圖5示出用于控制系統(tǒng)的可變的增益的實(shí)施例，

圖6示出預(yù)先確定的第一和第二速度修正函數(shù)的實(shí)施例，以及

圖7主要展示可變的增益能夠如何依賴于槳距和功率差距確定。

具體實(shí)施方式

圖1示出風(fēng)力渦輪機(jī)100，其包括塔架101以及具有至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片103的轉(zhuǎn)子102。在此展示出三個(gè)葉片，然而葉片的數(shù)量可以改變。轉(zhuǎn)子連接到機(jī)艙104，所述機(jī)艙安裝在塔架101的頂部上。轉(zhuǎn)子適于驅(qū)動定位在機(jī)艙內(nèi)部的發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子102能夠通過風(fēng)的動作旋轉(zhuǎn)。通過風(fēng)引起的轉(zhuǎn)子葉片103的旋轉(zhuǎn)能量經(jīng)由軸桿傳遞到發(fā)電機(jī)。因此，風(fēng)力渦輪機(jī)100能夠借助于轉(zhuǎn)子葉片將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并且隨后借助于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力渦輪機(jī)100還可以以通用縮寫wtg(風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī))指代。

葉片103的槳距角能夠依賴于槳距請求控制。轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)效率、并且由此發(fā)電機(jī)速度和電力產(chǎn)出能夠通過改變槳距角調(diào)節(jié)。

發(fā)電機(jī)的電力產(chǎn)出還能夠依賴于到發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)請求控制。發(fā)電機(jī)請求可以采用功率請求或轉(zhuǎn)矩請求的形式，所述功率請求或轉(zhuǎn)矩請求設(shè)定將通過發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的期望功率量。

因此，發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)速度以及由此電力產(chǎn)出能夠通過調(diào)節(jié)槳距請求、發(fā)電機(jī)請求或兩者來調(diào)節(jié)。

圖2示出用于風(fēng)力渦輪機(jī)100的控制系統(tǒng)200。控制系統(tǒng)配置有確定發(fā)電機(jī)請求preq的部分負(fù)載控制器203以及依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref(例如最優(yōu)發(fā)電機(jī)速度ωopt或額定發(fā)電機(jī)速度ωrated)與測量到的發(fā)電機(jī)速度ωm之間的差距確定槳距請求θreq的滿載控制器204。滿載控制器204可以附加地接收槳距基準(zhǔn)θref。

發(fā)電機(jī)請求preq被提供給發(fā)電機(jī)207。發(fā)電機(jī)可以包含發(fā)電機(jī)控制器，所述發(fā)電機(jī)控制器接收發(fā)電機(jī)請求preq并且控制發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生被請求的功率preq。因此，發(fā)電機(jī)可以被定義為包含發(fā)電機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)和其他單元并且配置成根據(jù)被請求的量產(chǎn)生功率的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

槳距請求θreq被提供給變槳系統(tǒng)208，所述變槳系統(tǒng)執(zhí)行葉片103的槳距調(diào)節(jié)。變槳系統(tǒng)可以包含槳距控制器，所述槳距控制器接收槳距請求θreq并且控制變槳致動器以將槳距設(shè)定到被請求的槳距。

部分負(fù)載狀態(tài)的特征在于，風(fēng)速v不足夠大以使得能夠從發(fā)電機(jī)發(fā)出標(biāo)稱或額定電力。在這個(gè)狀態(tài)中，槳距θ和轉(zhuǎn)子速度被控制以優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)100的空氣動力學(xué)效率。轉(zhuǎn)子速度和發(fā)電機(jī)速度ωr通過將轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)軸桿連接的齒輪的傳動比連結(jié)。在實(shí)踐中，在部分負(fù)載狀態(tài)中，槳距θ作為風(fēng)速的函數(shù)僅略微改變并且可以被設(shè)定到將轉(zhuǎn)子的空氣動力學(xué)效率最大化的最優(yōu)槳距θopt。發(fā)電機(jī)速度ωr可以被控制以通過跟蹤期望的發(fā)電機(jī)速度ωref提取盡可能多的功率。在部分負(fù)載狀態(tài)中，發(fā)電機(jī)速度ωr經(jīng)由影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的發(fā)電機(jī)請求preq控制。

因此，在部分負(fù)載中，部分負(fù)載控制器203計(jì)算將發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref與測量到的發(fā)電機(jī)速度ωm之間的差距最小化的發(fā)電機(jī)請求preq(即，用于發(fā)電機(jī)207的功率或轉(zhuǎn)矩設(shè)定點(diǎn))。

滿載狀態(tài)的特征在于，風(fēng)速v足夠大以使得能夠發(fā)出標(biāo)稱或額定電力。因此，發(fā)電機(jī)速度和發(fā)電機(jī)功率可以被控制以實(shí)現(xiàn)接近于標(biāo)稱功率的電力產(chǎn)出。這通過將發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)ωref設(shè)定到額定發(fā)電機(jī)速度ωrated來實(shí)現(xiàn)。在滿載狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子速度ωr經(jīng)由槳距θ控制，以便通過葉片實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的受控制的(例如基本上恒定的)提取。

因此，在滿載中，滿載控制器204計(jì)算將發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref(在此是ωrated或欠額定的發(fā)電機(jī)速度)與測量到的發(fā)電機(jī)速度ωm之間的差距最小化的槳距請求θreq。

滿載控制器可以配置成在部分負(fù)載期間將槳距請求θreq設(shè)定到槳距基準(zhǔn)θref，例如最優(yōu)槳距θopt。向滿載控制器204的輸入θref在滿載期間可以被忽略。

期望的發(fā)電機(jī)速度ωref可以通過速度計(jì)算器201依賴于估算出或測量到的風(fēng)v的風(fēng)速能量含量以及預(yù)先確定的葉片的空氣動力學(xué)特性確定。期望的槳距θref可以通過槳距計(jì)算器202依賴于估算出或測量到的風(fēng)v的風(fēng)速能量含量、預(yù)先確定的葉片的其他空氣動力學(xué)特性以及可能的轉(zhuǎn)子速度ωr確定。

部分負(fù)載控制與滿載控制之間的轉(zhuǎn)移可以在期望的電能產(chǎn)出量大于或小于風(fēng)的能量含量時(shí)被調(diào)用。作為實(shí)施例，因?yàn)轱L(fēng)能依賴于風(fēng)速，所以部分負(fù)載控制與滿載控制之間的轉(zhuǎn)移可以在風(fēng)速v越過給定閾值(例如通過額定風(fēng)速vrated給出)時(shí)被調(diào)用。轉(zhuǎn)換器205確定(例如通過將期望的能量產(chǎn)出量與風(fēng)能量含量比較)部分負(fù)載控制器203或滿載控制器204中的哪個(gè)應(yīng)當(dāng)啟動。

部分負(fù)載控制器與滿載控制器之間的切換可能導(dǎo)致wtg的不同操作參數(shù)中的不期望的或不平滑的改變。例如，部分負(fù)載與滿載狀態(tài)之間的切換可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的超速、不期望的塔架負(fù)載，不期望的葉片負(fù)載以及由于高變槳速度引起的高變槳系統(tǒng)需求。

圖3示出部分負(fù)載和滿載的區(qū)域以及作為風(fēng)速v的函數(shù)的槳距(θ)、發(fā)電機(jī)速度(ωr)和產(chǎn)生的功率(p)的變化。

在圖3中示出的實(shí)施例中，部分負(fù)載從切入風(fēng)速(在此是5m/s但是可能有所不同)發(fā)生并且直到額定風(fēng)速(在此是13m/s)為止。在這個(gè)區(qū)域中，渦輪機(jī)利用可用的風(fēng)產(chǎn)生盡可能多的功率。

滿載從額定風(fēng)速發(fā)生并且直到切出風(fēng)速為止。在這個(gè)區(qū)域中，渦輪機(jī)產(chǎn)生額定功率(例如3mw)。

發(fā)電機(jī)速度可以從切入風(fēng)速增大直到在某個(gè)風(fēng)速(在此是9m/s)下達(dá)到最大。

在部分負(fù)載中，對于大于5m/s的風(fēng)速、最大到額定風(fēng)速而言，最優(yōu)槳距θopt是幾乎恒定的。槳距請求θref可以被設(shè)定以在部分負(fù)載期間跟隨最優(yōu)槳距。

圖4示出用于風(fēng)力渦輪機(jī)的控制系統(tǒng)400?？刂葡到y(tǒng)400包括部分負(fù)載控制器403和滿載控制器404，所述部分負(fù)載控制器和滿載控制器配置成確定發(fā)電機(jī)請求preq和槳距請求θreq以在部分負(fù)載和滿載模式中控制發(fā)電機(jī)速度ωr。與控制系統(tǒng)200相反，控制系統(tǒng)400配置成使得部分負(fù)載控制器403和滿載控制器404在部分負(fù)載和滿載兩者中連續(xù)地操作，而在風(fēng)速增加或減少超過額定風(fēng)速時(shí)不在控制器之間進(jìn)行任何切換。

控制系統(tǒng)400包括部分負(fù)載速度誤差計(jì)算單元401，所述部分負(fù)載速度誤差計(jì)算單元配置成依賴于期望的發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref(例如最優(yōu)發(fā)電機(jī)速度ωopt)、發(fā)電機(jī)速度ωm和第一速度修正δplc確定第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω。第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω被提供給部分負(fù)載控制器403，所述部分負(fù)載控制器配置成通過將第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω最小化確定發(fā)電機(jī)請求preq。用于將速度誤差最小化的功能可以通過部分負(fù)載控制器403的第一控制器部件411所包括的pi控制器、或其他類型的控制器實(shí)施。

發(fā)電機(jī)速度ωm是實(shí)際或測量到的發(fā)電機(jī)速度。

部分負(fù)載控制器403還包括第一放大限制器412，所述第一放大限制器配置成將來自第一控制器部件411的最大輸出限制到最大發(fā)電機(jī)請求pmax，例如限制到最大額定發(fā)電機(jī)功率prated或最大欠額定功率pderated，并且配置成將來自第一控制器部件411的最小輸出限制到0。限制器412的極限也被稱為飽和極限。因此，最大發(fā)電機(jī)請求是部分負(fù)載控制器的飽和極限。

第一速度修正δplc被確定以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度ωm接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref，并且使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref(以及由此第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω)降低。在第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω降低時(shí)，控制器部件將會嘗試增加被輸出的發(fā)電機(jī)請求preq以減小測量到的發(fā)電機(jī)速度ωm，以便增加誤差e1ω(例如回到0)。因?yàn)閬碜缘谝豢刂破鞑考?11的輸出通過第一放大限制器412限制到最大發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)pmax，所以對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，確定出的發(fā)電機(jī)請求preq將會接近最大發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)pmax。

控制系統(tǒng)400還包括滿載速度誤差計(jì)算單元402，所述滿載速度誤差計(jì)算單元配置成依賴于發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref、發(fā)電機(jī)速度ωm和第二速度修正δflc確定第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω。第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω被提供給滿載控制器404，所述滿載控制器配置成通過將第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω最小化確定槳距請求θreq。類似于部分負(fù)載控制器403，將速度誤差最小化的功能可以通過滿載控制器404的第二控制器部件421所包括的pi控制器實(shí)施。

滿載控制器404還包括第二放大限制器422，所述第二放大限制器配置成將來自第二控制器部件421的最大輸出限制到最大槳距請求θmax，并且配置成將來自第二控制器部件421最小輸出限制到最小槳距請求θmin，例如最優(yōu)槳距請求θopt。下限θmin可以是固定值，或下限θmin可以被連續(xù)地或有規(guī)律地調(diào)節(jié)以等于期望的槳距θref，例如通過槳距計(jì)算器202確定的那樣。限制器422的極限也被稱為飽和極限。因此，最小槳距請求θmin被稱為滿載控制器的飽和極限。

第二速度修正δflc被確定以使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言發(fā)電機(jī)速度ωm接近發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref，并且使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref增加并且由此第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω增加。在第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω增加時(shí)，第二控制器部件421將會嘗試減少被輸出的槳距請求(θreq)以增加測量到的發(fā)電機(jī)速度ωm，以便減少第二誤差e2ω(例如回到0)。因?yàn)閬碜缘诙刂破鞑考?21的輸出通過第二放大限制器422限制到最小槳距請求θmin，所以對于低于額定風(fēng)速vrated的風(fēng)速而言確定出的槳距請求θreq將會接近最小槳距θmin。

部分負(fù)載控制器403配置成以可變的第一增益g1將第一速度誤差e1ω放大?？勺兊脑鲆鎔1可以是第一控制器部件411所包括的pi控制器中的比例增益。類似地，滿載控制器404配置成以可變的第二增益g2將第一速度誤差e2ω放大。增益g2可以類似地是第二控制器部件421所包括的pi控制器中的比例增益。

控制系統(tǒng)400(例如增益調(diào)度器410)配置成確定可變的第一和第二增g1，g2，以使得至少對于低于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益g1大于第二增益g2，使得至少對于高于額定風(fēng)速的某些風(fēng)速而言，第一增益g1小于第二增益g2，并且使得至少對于在額定風(fēng)速附近的單一風(fēng)速而言，第一增益g1等于第二增益g2。

如圖所示，部分負(fù)載速度誤差計(jì)算單元401可以配置成依賴于第一已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ω_refplc和發(fā)電機(jī)速度ωm(例如通過從ω_refplc中減去ωm)確定第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω。第一已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)可以通過將第一速度修正δplc與發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref相加(或相減，取決于δplc的符號)確定。明確地，速度誤差e1ω能夠等同地通過將δplc與ωm相加(或相減)并且從ωref中減去這個(gè)信號確定。

類似地，滿載速度誤差計(jì)算單元401可以配置成依賴于第二已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ω_refflc和發(fā)電機(jī)速度ωm確定第二發(fā)電機(jī)速度誤差e2ω，其中第二已修正發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)可以通過將第二速度修正δflc與發(fā)電機(jī)速度基準(zhǔn)ωref相加確定。用于確定第一發(fā)電機(jī)速度誤差e1ω的替代提及等同地應(yīng)用于e2ω的確定。

圖5示出作為風(fēng)速v的函數(shù)的第一和第二增益g1，g2的實(shí)施例。如圖所示，第一和第二增益g1，g2可以被確定以使得在包括額定風(fēng)速并且可能地從切入風(fēng)速延伸到切出風(fēng)速的風(fēng)速范圍中，第一和第二增益的和是基本上恒定的，例如等于1。例如，在處于額定風(fēng)速附近的風(fēng)速范圍中，例如在從(vrated-0.1×vrated)延伸到(vrated+0.1×vrated)的范圍中，增益的和可以被約束到最大恒定值。在額定風(fēng)速下或附近，第一增益g1等于第二增益g2，例如等于0.5。作為風(fēng)速的函數(shù)的第一和第二增益g1，g2的值可以根據(jù)如圖5所示的預(yù)先確定的曲線給出，即，從函數(shù)或查找表中給出，所述查找表提供作為風(fēng)速的函數(shù)的預(yù)先確定的增益值(g1，g2)。替代地，第一和第二增益g1，g2的值可以依賴于風(fēng)力渦輪機(jī)的其他操作參數(shù)確定。

對于任何風(fēng)速而言，增益g1，g2中任一者都不為0，因?yàn)椴糠重?fù)載控制器403和滿載控制器404兩者必需啟動以確保兩個(gè)控制器之間的耦合。

控制系統(tǒng)400所包括的增益調(diào)度器410可以配置成用于確定可變的增益g1，g2是否依賴于風(fēng)速或其他操作參數(shù)(如下所述)確定。

例如，增益調(diào)度器410可以配置成確定可變的第一和第二增益g1，g2，以使得對于低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，第一增益g1大于第二增益g2，使得對于高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，第一增益g1小于第二增益g2，并且使得在額定風(fēng)速下，第一增益g1等于第二增益g2。附加地，增益調(diào)度器410可以配置成確定增益g1，g2，以使得在包括額定風(fēng)速的風(fēng)速范圍中，第一和第二增益的和是恒定的，或基本上恒定的。

展示出的用于g1和g2的增益曲線可以具有與在圖5中展示出的不同的形狀。因此，最接近vrated處的曲線的斜率可以更陡或更緩。更遠(yuǎn)離vrated處的曲線還可以具有其他斜率，包括基本上平坦(0斜率)部分。曲線可以如圖所示是平滑曲線，但也能夠由分段線性的曲線單元形成。一般而言，曲線應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的。

由于作為風(fēng)速v的函數(shù)的第一和第二增益g1，g2的逐漸改變，因此無需在部分負(fù)載控制器與滿載控制器之間切換。亦即，對于遠(yuǎn)低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，部分負(fù)載控制器403具有主導(dǎo)控制動作，因?yàn)闈M載控制器的增益較低。對于遠(yuǎn)高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，滿載控制器404具有主導(dǎo)控制動作，因?yàn)椴糠重?fù)載控制器的增益較低。在風(fēng)速接近并且超過額定風(fēng)速時(shí)，先前主導(dǎo)的控制器(例如部分負(fù)載控制器)的控制動作降低，并且另一控制器(在這種情況下，滿載控制器)的控制動作逐漸增加。

第一速度修正δplc的目的是確保對于增加到高于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，發(fā)電機(jī)請求preq被推向最大發(fā)電機(jī)基準(zhǔn)pmax。pmax可以被設(shè)定到固定的prated或pderated。以這種方式，發(fā)電機(jī)207被控制以在滿載期間將電力產(chǎn)出限制到pmax。

第二速度修正δflc的目的是確保對于減少到低于額定風(fēng)速的風(fēng)速而言，槳距請求θreq被推向最小槳距θmin，例如最優(yōu)槳距θopt。以這種方式，變槳系統(tǒng)被控制以在部分負(fù)載期間提取盡可能多的風(fēng)力。

第一和第二增益g1，g2的目的是確保對于在額定風(fēng)速周圍的風(fēng)速而言(即，對于處于高于和低于額定風(fēng)速的范圍中的風(fēng)速而言)，部分負(fù)載控制器403和滿載控制器404的控制動作的加權(quán)分布。

第一和第二速度修正δplc，δflc的值可以根據(jù)預(yù)先確定的函數(shù)或查找表給出，所述查找表提供作為風(fēng)速的函數(shù)的速度修正δplc，δflc的值。圖6示出預(yù)先確定的第一和第二速度修正函數(shù)δplc，δflc的實(shí)施例。展示出的用于δplc和δflc的增益曲線可以具有與在圖6中展示出的不同的形狀。因此，最接近vrated處的曲線的斜率可以更陡或更緩。更遠(yuǎn)離vrated處的曲線還可以具有其他斜率，包括基本上平坦(0斜率)部分。曲線可以如圖所示是平滑曲線，但也能夠由分段線性的曲線單元形成。一般而言，曲線應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的。

替代地，如圖4所示，第一和第二速度修正值δplc，δflc可以依賴于風(fēng)力渦輪機(jī)的操作參數(shù)確定。

為此目的，控制系統(tǒng)400包括第一和第二速度修正計(jì)算單元405，406。

第一速度修正計(jì)算單元405配置成用于依賴于實(shí)際槳距θm(例如被請求的槳距θreq)與槳距基準(zhǔn)θref之間的差距確定第一速度修正δplc。因此，在被請求的槳距θreq可以等于槳距基準(zhǔn)θref的部分負(fù)載中，第一速度修正δplc可以等于或接近于0。在被請求的槳距大于最優(yōu)槳距的滿載中，為了降低空氣動力學(xué)效率，第一速度修正δplc的值為負(fù)值。

第二速度修正計(jì)算單元406配置成用于依賴于實(shí)際功率(例如被請求的功率preq)與功率基準(zhǔn)pref(例如額定或欠額定功率基準(zhǔn)prated，pderated)之間的差距確定第二速度修正δflc。因此，在被請求的功率preq小于額定或欠額定功率基準(zhǔn)的部分負(fù)載中，第二速度修正δflc的值變?yōu)樨?fù)值。在被請求的功率preq可以等于prated或pderated的滿載中，第二速度修正δflc可以等于或接近于0。

根據(jù)這些實(shí)施例，增益kpl和kfl具有恒定的正值。然而，所述增益也能夠具有恒定的負(fù)值。

應(yīng)當(dāng)理解的是，第一和第二速度修正計(jì)算單元405，406還可以實(shí)施用于從預(yù)先確定的函數(shù)或查找表中確定作為風(fēng)速的函數(shù)的第一和第二速度修正δplc，δflc的值的功能。

增益調(diào)度器可以配置成依賴于實(shí)際槳距θm(例如被請求的槳距θreq)與槳距基準(zhǔn)θref之間的差距確定第一增益g1或第二增益g2。

替代地或附加地，第一增益g1或第二增益g2可以依賴于實(shí)際功率pm(例如被請求的功率preq)與功率基準(zhǔn)pref(例如prated)之間的差距確定。

圖7主要展示增益g1，g2能夠如何依賴于如上所述的槳距和功率差距確定。曲線701和702展示依賴于風(fēng)速v的分別用于實(shí)際槳距θm和功率pm值的典型值。在風(fēng)速va下，槳距θa和功率pa已被測量到。θa與用于所述風(fēng)速的最優(yōu)槳距之間的標(biāo)準(zhǔn)化距離d1被確定為d1＝(θa–θopt)/θopt＝0.7。pa與額定功率之間的標(biāo)準(zhǔn)化距離d2被確定為d2＝(prated–pa)/prated＝0.3。

在這個(gè)實(shí)施例中，基于d1、d2或兩個(gè)距離可以假定風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)當(dāng)在全模式狀態(tài)中操作，因?yàn)閐1相對較大，d2相對較小，或因?yàn)閐1大于d2。增益g1和g2可以基于全模式操作的假定并且基于距離d1和d2通過將預(yù)先確定的值指派給增益g1和g2確定。因?yàn)閐1較大，所以相對較小的值可以被指派給g1，并且因?yàn)閐2較小(相比于d1)，所以相對較大的值可以被指派給g2。增益值g1，g2可以通過依賴于距離d1，d2并且經(jīng)由查找表或類似物提供的預(yù)先確定的增益值給出。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式，以下的公式1-5提供一種用于基于δplc和δflc(即，基于槳距值θreq和θref以及功率值preq和pref)確定增益g1和g2的方法。

公式1-5：

g1(k)＝glow；r(k)≤glow

g1(k)＝r(k)；glow≤r(k)≤gup

g1(k)＝gup；r(k)≥gup

g2(k)＝1-g1(k)

在公式1-5中，k是取樣編號，并且glow和gup是用于增益的下限值和上限值。因此，在r(k)小于或等于glow時(shí)g1等于glow，在r(k)大于glow且小于gup時(shí)g1等于r(k)，并且在r(k)大于或等于gup時(shí)g1等于gup。g2通過1-g1給出。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式，用于基于δplc和δflc確定在公式1-5中使用的r(k)的替代方法能夠通過公式6-8提供：

在公式6-8中，ωlowplc和ωupplc是用于δplc的下限值和上限值，并且ωlowflc和ωupflc是用于δflc的下限值和上限值。對于k的值而言rplc(k)+rflc(k)等于1。

描述應(yīng)用于公式6-8的實(shí)施例，其中風(fēng)況應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)的操作處于部分負(fù)載中。在這種情況下，δplc應(yīng)當(dāng)?shù)扔讦豯owplc，因?yàn)轱L(fēng)槳距請求θreq應(yīng)當(dāng)?shù)扔讦萶pt。因?yàn)榫囝~定功率的距離較大，所以δflc應(yīng)當(dāng)被飽和到其上限ωupflc，這導(dǎo)致人為功率誤差e2ω。由此滿載控制器404將發(fā)電機(jī)速度ωm視作與基準(zhǔn)ω_refflc相比較低并且通過增加槳距進(jìn)行反應(yīng)。然而，由于限制θmax不能被超過，所以θreq將會收斂于θmax。在這個(gè)實(shí)施例中，控制權(quán)應(yīng)當(dāng)被給予部分負(fù)載控制器403，而滿載控制器404的增益應(yīng)當(dāng)降低以增加穩(wěn)定裕度。在這個(gè)實(shí)施例中，g1應(yīng)當(dāng)具有值gup，例如0.9。從公式5推出g2將會等于0.1。

雖然本發(fā)明已經(jīng)在附圖和前面的具體實(shí)施方式中詳細(xì)地展示和描述，但是這樣的展示和描述被認(rèn)為是展示性或示例性的而不是限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求實(shí)踐要求保護(hù)的本發(fā)明能夠理解和實(shí)現(xiàn)所公開的實(shí)施方式的其它變型。在權(quán)利要求中，“包括”一詞并不排除其他元素或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中列舉某些特征的事實(shí)并不表示這些特征的結(jié)合不能被有利地使用。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。