功率斜變的槳距前饋的制作方法
【專利摘要】本公開內(nèi)容的實施例總體上涉及用于在風(fēng)力渦輪機中防止與功率斜變相關(guān)聯(lián)的功率驟降的裝置和方法。本公開內(nèi)容的一個實施例提供了用于穩(wěn)定風(fēng)力渦輪機中的功率輸出的方法，其包括跟蹤諸如外部功率參考或外部扭矩參考之類的外部參考的變化率，根據(jù)外部功率參考的變化率來計算前饋槳距角調(diào)整，以及將前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至風(fēng)力渦輪機以在根據(jù)外部參考來調(diào)整功率輸出的同時對轉(zhuǎn)子葉片的槳距角進行調(diào)整。
【專利說明】
功率斜變的槳距前饋
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開內(nèi)容的實施例提供了用于控制風(fēng)力渦輪機的裝置和方法。具體而言，本公 開內(nèi)容的實施例提供了用于在快速功率斜變(power ramping)或扭矩斜變期間防止風(fēng)力禍 輪機中的功率驟降的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了滿足穩(wěn)定電力網(wǎng)的要求，期望電力網(wǎng)中的風(fēng)力渦輪機提供有功功率的快速變 化。例如，在有功風(fēng)力發(fā)電平臺中可能需要向上和向下均每秒為最大容量的大約10 %的功 率斜變。然而，隨著電力網(wǎng)中的斜變速率要求增大，在快速功率斜變期間可能會發(fā)生功率驟 降，而在電力網(wǎng)中引起不穩(wěn)定問題。
[0003] 圖1是示出了在極端情況下在具有大斜變幅度的快速功率斜變之后功率驟降的示 意圖。圖1的X-軸表示時間（以秒計)并且y-軸表示風(fēng)力渦輪機的歸一化功率輸出（以P.U. (每單位)計）。曲線102表不與以大約每秒0 · lp ·u ·的速率的0 · 4p ·u ·功率斜變相關(guān)聯(lián)的不意 性的功率輸出-時間圖。曲線102在400秒時開始的斜變周期之后具有驟降104。驟降104指示 在斜變周期之后風(fēng)力渦輪機的功率輸出中的驟降。曲線106是與以大約每秒O.lp.u.的速率 的0.3p. u.功率斜變相關(guān)聯(lián)的功率輸出-時間圖。曲線106在斜變周期之后具有驟降108。驟 降108指示在斜變周期之后風(fēng)力渦輪機的功率輸出中的驟降。如在圖1中示出的，在快速功 率斜變之后可能會發(fā)生功率驟降，而在電力網(wǎng)中引起不穩(wěn)定。所觀察的功率驟降是常規(guī)風(fēng) 力渦輪機控制器的固有問題。
[0004] 因此，存在對于在功率斜變之后提高風(fēng)力渦輪機中的功率輸出穩(wěn)定性的裝置和方 法的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公開內(nèi)容的實施例總體上涉及用于在風(fēng)力渦輪機中防止與功率斜變相關(guān)聯(lián)的 功率驟降的裝置和方法。
[0006] 本公開內(nèi)容的一個實施例提供了用于穩(wěn)定風(fēng)力渦輪機中的功率輸出的方法。該方 法包括跟蹤外部參考的變化率，基于外部參考的變化率來計算前饋槳距角調(diào)整，以及向風(fēng) 力渦輪機發(fā)送前饋槳距角調(diào)整以調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。以此方式，槳距角的調(diào)整可以與 根據(jù)外部參考對功率輸出的調(diào)整同時被完成。
[0007] 本公開內(nèi)容的另一個實施例為風(fēng)力渦輪機提供了槳距控制器。槳距控制器包括： 前饋控制器，該前饋控制器被配置為從電網(wǎng)控制器接收外部參考并且將前饋槳距角調(diào)整發(fā) 送至風(fēng)力渦輪機；以及反饋控制器，該反饋控制器被配置為從風(fēng)力渦輪機中的傳感器接收 反饋信號并且根據(jù)反饋信號生成反饋槳距角調(diào)整。
[0008] 本公開內(nèi)容的另一個實施例提供了風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)。風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)包括:風(fēng)力 渦輪機，該風(fēng)力渦輪機被配置為將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電力并且將電力提供至電力網(wǎng)；前饋控制器， 該前饋控制器被配置為從電力網(wǎng)的電網(wǎng)控制器接收外部參考并且將前饋槳距角調(diào)整發(fā)送 至風(fēng)力渦輪機；以及反饋控制器，該反饋控制器被配置為從風(fēng)力渦輪機中的傳感器接收反 饋信號并且根據(jù)反饋信號生成反饋槳距角調(diào)整。
【附圖說明】
[0009]為了以可以詳細地理解本公開內(nèi)容的以上所述特征的方式，可以通過參考實施例 (其中的一些實施例在附圖中進行了示出）來具有對本公開內(nèi)容（以上被簡要地概述）的更 加具體的描述。然而，還要指出的是，附圖僅僅示出了本公開內(nèi)容的典型實施例并且因此不 被認為限制其范圍，因為本公開內(nèi)容可以允許其它等效實施例。
[0010]圖1是示出了在快速功率斜變之后功率驟降的示意圖。
[0011] 圖2是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的架構(gòu)的示意圖。
[0012] 圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的前饋控制器的示意圖。
[0013] 圖4A-4C是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的前饋控制器的仿真結(jié)果。
[0014] 圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的前饋控制器的框圖。
[0015] 圖6A-6D是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的前饋控制器的示意圖。
[0016] 為了幫助理解，已經(jīng)在可以的情況下使用相同附圖標記來指示對于圖共有的相同 元素?？梢灶A(yù)期的是，在一個實施例中所公開的元素可以在沒有具體詳述的情況下有利地 用在其它實施例上。
【具體實施方式】
[0017] 本公開內(nèi)容的實施例總體上涉及用于在功率斜變期間防止風(fēng)力渦輪機中的功率 驟降的裝置和方法。本公開內(nèi)容的一個實施例包括前饋控制器，其被配置為監(jiān)測外部參考 的變化并且響應(yīng)于外部參考的變化而發(fā)送前饋槳距變化。前饋控制器可以用于確保一旦在 風(fēng)力渦輪機處接收到外部參考中的增加就根據(jù)外部參考中的增加來使得風(fēng)力渦輪機的葉 片被變槳距以增加來自風(fēng)的功率攝取，從而防止隨后的功率驟降并且提高電力網(wǎng)穩(wěn)定性。 前饋控制器可以是個體模塊或與現(xiàn)有控制器一起被集成在風(fēng)力渦輪機中。外部參考可以是 外部功率參考或外部扭矩參考。
[0018] 圖1是示出了如現(xiàn)有技術(shù)中公知的在快速功率斜變之后功率驟降的示意圖。已經(jīng) 在【背景技術(shù)】部分中對圖1進行了論述。
[0019] 圖2是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)200的架構(gòu)的示意 圖。風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)200包括用于收獲風(fēng)力并且將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電力的風(fēng)力渦輪機210。風(fēng)力 渦輪機210可以連接至電力網(wǎng)230并且將電力傳送至電力網(wǎng)230。從風(fēng)力渦輪機210到電力網(wǎng) 230的功率輸出的水平受到由電網(wǎng)控制器232所生成的外部功率參考的控制。電力網(wǎng)控制器 232例如可以是以下各項中的一個:位于風(fēng)力渦輪機210內(nèi)的單元、在集中式單元中用于控 制多個渦輪機的發(fā)電廠控制器、或位于風(fēng)電場外部直接來自電網(wǎng)運營商的系統(tǒng)的機械裝 置。
[0020] 根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的風(fēng)力渦輪機210可以包括轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器220和 功率參考前饋控制器240。風(fēng)力渦輪機210通常包括塔架211、機艙212以及轉(zhuǎn)子213。塔架211 將機艙212和轉(zhuǎn)子213上升至一高度，以使得轉(zhuǎn)子213可以在沒有障礙的情況下進行旋轉(zhuǎn)并 且可以在該高度處暴露至較高的風(fēng)速。轉(zhuǎn)子213可以包括輪轂218以及被安裝在輪轂218上 的轉(zhuǎn)子葉片214。轉(zhuǎn)子葉片214可以具有空氣動力學(xué)輪廓，以使得轉(zhuǎn)子葉片214在預(yù)定義的風(fēng) 速下受到提升而引起輪轂218旋轉(zhuǎn)。齒輪箱216和發(fā)電機217可以被設(shè)置在機艙212中。轉(zhuǎn)子 213可以通過齒輪箱216耦合至發(fā)電機217。以轉(zhuǎn)子213的旋轉(zhuǎn)的形式的動能被傳送至發(fā)電機 217,其中動能被轉(zhuǎn)換為電能。一部分功率或所有功率可以在從發(fā)電機217被供應(yīng)至電力網(wǎng) 230之前被傳輸通過轉(zhuǎn)換器。
[0021] 在一個實施例中，風(fēng)力渦輪機210可以是槳距受控風(fēng)力渦輪機。在槳距受控風(fēng)力渦 輪機中，風(fēng)力攝取的量由轉(zhuǎn)子葉片與來風(fēng)之間的槳距角來確定。槳距致動器215可以耦合至 轉(zhuǎn)子葉片214,以調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片214的槳距角?？梢哉{(diào)整槳距角以調(diào)節(jié)由轉(zhuǎn)子葉片214攝取的 風(fēng)力的量，從而調(diào)節(jié)風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)200的功率輸出。
[0022] 轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器220根據(jù)來自轉(zhuǎn)子213的反饋信號（例如，轉(zhuǎn)子213的旋轉(zhuǎn)速 度)將槳距調(diào)整信號提供至轉(zhuǎn)子葉片214。在操作期間，通常期望保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度。轉(zhuǎn)子 213通常在不同水平的功率輸出（例如，由外部功率參考指定的不同水平的功率輸出）下以 預(yù)定的轉(zhuǎn)子速度來進行旋轉(zhuǎn)。在操作期間，轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器220從風(fēng)力渦輪機210中的 一個或多個傳感器接收指示轉(zhuǎn)子213的旋轉(zhuǎn)速度的轉(zhuǎn)子速度信號。轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器 220可以將實際轉(zhuǎn)子速度與預(yù)定轉(zhuǎn)子速度進行比較，并且計算轉(zhuǎn)子速度誤差。如果轉(zhuǎn)子速度 誤差大于閾值，則轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器220可以將反饋槳距調(diào)整發(fā)送至轉(zhuǎn)子213以校正誤 差。轉(zhuǎn)子-速度反饋控制器220可以是任何適合的閉環(huán)控制器，例如PID控制器、PI控制器等 等。
[0023]功率參考前饋控制器240根據(jù)來自電網(wǎng)控制器232的外部功率參考將前饋槳距調(diào) 整信號提供至轉(zhuǎn)子葉片214。功率參考前饋控制器240針對外部功率參考中的任何變化而接 收并監(jiān)測外部功率參考。當前饋控制器240判定在外部功率參考中存在變化(例如，在從渦 輪機210輸出的期望功率中的快速增加或快速減小）時，前饋控制器240生成前饋槳距調(diào)整 并且將前饋槳距調(diào)整信號發(fā)送至風(fēng)力渦輪機210。當外部功率參考變化時，前饋槳距調(diào)整信 號和外部功率參考同時到達風(fēng)力渦輪機210,以使得風(fēng)力渦輪機210在外部功率參考的變化 可能導(dǎo)致能夠引起功率輸出中的不穩(wěn)定的任何轉(zhuǎn)子速度誤差之前對外部功率參考的變化 作出反應(yīng)，例如調(diào)整槳距角。
[0024]功率參考前饋控制器240對風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)200中的外部功率參考的變化提供了 快速反應(yīng)。功率參考前饋控制器240由外部功率參考的變化所觸發(fā)，并且不對風(fēng)力渦輪機系 統(tǒng)200的正常穩(wěn)定運行施加任何變化。功率參考前饋控制器240可以是跟蹤外部功率參考的 變化并且計算轉(zhuǎn)子槳距角的前饋調(diào)整的任何適合的前饋控制器。
[0025]圖3是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的前饋控制器300的示意圖。前饋控制器300 使用風(fēng)力渦輪機功率方程的數(shù)值微分來提供前饋調(diào)整?？梢允褂们梆伩刂破?00來代替圖2 中的功率參考前饋控制器240。
[0026] 前饋控制器300包括框310,在框310中通過以預(yù)定的時間間隔進行采樣來監(jiān)測外 部功率參考，并且在每一個時間間隔期間計算外部功率參考的變化。外部功率參考的變化 可以通過下式來計算：
[0027] Δ Pref(t) =Pref(t)-Pref(t-h)方程 1
[0028] 其中，t表示時間，h表示采樣時間間隔，Prrf ( t )表示當前采樣時間間隔時外部功率 參考的值，Pref ( t_h )表示在緊接在前的采樣時間間隔期間外部功率參考的值，以及△ Prrf (t)表示當前采樣時間間隔時外部功率參考的變化。外部功率參考的變化APreKt)然后被 轉(zhuǎn)發(fā)至框320，在框320中可以計算前饋槳距調(diào)整。
[0029]風(fēng)力渦輪機的靜態(tài)功率輸出可以由下式來計算：
[0030]
[0031]其中，P表示風(fēng)力渦輪機的功率輸出，A表示風(fēng)力渦輪機的轉(zhuǎn)子葉片的掃過的面積， P表示空氣密度，Θ表示轉(zhuǎn)子葉片的槳距角，Ω表示轉(zhuǎn)子速度，￥表示風(fēng)速，以及CP(0，Ω， v)指 示風(fēng)力渦輪機的功率系數(shù)，其通常是槳距角Θ、轉(zhuǎn)子速度Ω和風(fēng)速v的函數(shù)。
[0032] 根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例，前饋槳距調(diào)整可以使用方程2的數(shù)值微分來計算。 首先，在方程2的兩邊針對槳距角Θ應(yīng)用微分，以獲得如下：
[0033]
[0034]方程3包括功率輸出的變化ΔΡ以及槳距角的變化Δ Θ。這里，通過使用差分符號Δ 來表示微分，然而應(yīng)當理解的是，其它符號也可以用于表示微分，例如d和δ(可能取決于微 分的具體類型）。不能從所使用的具體符號來推斷出限制。
[0035] 對方程3取倒數(shù)，以得到槳距角的變化相對于功率輸出的變化的比：
[0036]
[0037] 并目.進一步將方程3轉(zhuǎn)換為方程4:
[0038]
[0039] 在方程4中，槳距角的變化ΔΘ是功率輸出的變化ΔΡ的函數(shù)。依據(jù)方程4,當提供了 方程4中的其它項時，功率輸出的變化△ P與槳距角的變化△ Θ相對應(yīng)。相應(yīng)地，當根據(jù)外部 功率參考的變化△ Pref (t)來設(shè)置功率輸出的變化時，槳距角中相對應(yīng)的變化△ Θ可以根據(jù) 方程4來計算。
[0040] 通常，掃過的面積A由風(fēng)力渦輪機的幾何形狀來確定，空氣密度P可以是常數(shù)或根 據(jù)環(huán)境的溫度和壓強來計算，并且可以從相對應(yīng)的傳感器獲得轉(zhuǎn)子葉片的槳距角Θ、轉(zhuǎn)子速 度Ω和風(fēng)速v。
V).
[0041] 可以數(shù)值地計算方程4中的項 一。在一個實施例中，項 i可以 通過數(shù)值求解下面的方程(例如，通過使用一個或多個查找表)來計算：
[0042]
方程 5
[0043]這里，0tl和0t2是最接近當前槳距角Θ的離散槳距角值，并且CP(0 tl，Ω，v#PCP(0t2， Ω，v)是在轉(zhuǎn)子速度Ω和風(fēng)速v情況下與槳距角0tl和0t2相對應(yīng)的風(fēng)力渦輪機功率系數(shù)的離 散值。在一個實施例中，C P(0tl，Ω，v#PCP(0t2, Ω，v)可以從查找表獲得。在一個實施例中， 可以針對個體風(fēng)力渦輪機根據(jù)經(jīng)驗來建立具有CP(0，Ω， v)值的數(shù)組的查找表。
[0044] 如在圖3中示出的，對于給定條件，包括轉(zhuǎn)子葉片的槳距角Θ、轉(zhuǎn)子速度Ω和風(fēng)速v， 可以在框330中使用方程5來計算I〗
1。所計算的其
1然后被發(fā)送至 框320,在框320中可以針對在框310中測量的外部功率參考的變化APreKt)使用方程4來計 算槳距角調(diào)整Α Θ。然后可以將槳距角調(diào)整△ Θ發(fā)送至槳距控制器，以使得轉(zhuǎn)子葉片的槳距 角可以借助于功率斜變來調(diào)整，而不會經(jīng)受如在常規(guī)風(fēng)力渦輪機控制器中觸發(fā)任何槳距角 調(diào)整的足夠大的轉(zhuǎn)子速度誤差，從而，避免了任何延遲的功率驟降-例如在圖1中示出的功 率驟降。
[0045] 根據(jù)一個實施例，方程2通過下式近似為：
[0046]
[0047] 以此方式，在考慮轉(zhuǎn)子速度（Ω )的情況下（由此考慮到功率參考的變化將影響轉(zhuǎn) 子速度)對前饋槳距角進行計算。此外，在方程6中還考慮到斜變期間的風(fēng)速變化。然而，這 種風(fēng)速變化獨立于功率的變化并且典型地是小的。在前饋槳距貢獻中包括轉(zhuǎn)子速度提高了 前饋槳距角調(diào)整的精度。
[0048] 通過忽略功率損耗，基本轉(zhuǎn)子速度動態(tài)給出：^Pg是由發(fā)電機提 取的功率或電網(wǎng)功率。
[0049] 通過以時間對這個方程進行微分并且插入方程6,可以獲得以下表達式：
[0050]
方程 7
[0051 ] 這里，可以測量發(fā)電機處的功率變化和速度值，取決于槳距變化、速度變化和風(fēng)速 變化的功率變化可以根據(jù)查找表或等效方式來確定。從而，通過分離項#:，給出了前饋槳距 dt 角調(diào)整。
[0052] 返回至圖3的框320, Δ Θ可以被表達為d0，如從方程7獲得的。
[0053]已知槳距角的變化給出了感應(yīng)的變化，并且其將在感應(yīng)穩(wěn)定在某個值處之前花費 一些時間。這通常被稱為感應(yīng)滯后或動態(tài)入流。由于此行為，槳距角中的減小將給出扭矩中 的短時升高，隨后針對風(fēng)場朝向平衡而設(shè)置周期。
[0054] 在實施例中，扭矩或功率上的感應(yīng)滯后行為可以在槳距角上通過超前補償器(放 大超過某個頻率閾值的頻率的濾波器)來建模。如果發(fā)現(xiàn)槳距是功率或槳距變化的函數(shù)，則 此濾波器需要被倒相（inverted)。這造成了可以被描述為滯后補償器的濾波器類型?？梢?通過使用滯后補償器進行濾波（即通過將滯后補償器濾波器應(yīng)用全￥)來針對感應(yīng)滯后對 dt 前饋槳距角進行補償。可以針對渦輪機的不同運行點來調(diào)節(jié)滯后補償器濾波器?？梢杂欣?地以由高功率比(power rate)所引起的高槳距比來使用感應(yīng)滯后補償。
[0055] 圖4A-4C是示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機 和不具有任何前饋控制器的傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的仿真結(jié)果的圖。在仿真中，傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機 和具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機兩者在等于200秒的時間與等于205秒的時間之間執(zhí)行從 大約800千瓦特至大約4800千瓦特的功率斜變上升。前饋控制器可以與以上所描述的前饋 控制器300類似。
[0056]圖4A包括風(fēng)力渦輪機的槳距角與時間的關(guān)系圖。曲線402是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的槳 距角與時間的關(guān)系圖。曲線404是具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機的槳距角與時間的關(guān)系圖。 如在圖4A中示出的，與常規(guī)風(fēng)力渦輪機相比，具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機在功率斜變上 升之后經(jīng)受較小且較為平穩(wěn)的槳距角調(diào)整。
[0057]圖4B包括風(fēng)力渦輪機的功率輸出與時間的關(guān)系圖。曲線412是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機的 功率輸出與時間的關(guān)系圖。曲線414是具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機的功率輸出與時間的 關(guān)系圖。如在圖4B中示出的，具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機在功率斜變期間或之后未經(jīng)受 任何功率驟降，而傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機經(jīng)受大約3000千瓦特的功率驟降。
[0058]圖4C包括風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機速度與時間的關(guān)系圖。曲線422是傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機 的發(fā)電機速度與時間的關(guān)系圖。曲線424是具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機的發(fā)電機速度與 時間的關(guān)系圖。如在圖4C中示出的，與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機相比，具有前饋控制器的風(fēng)力渦輪機 在功率斜變上升期間或之后經(jīng)受較小和較為平緩的發(fā)電機速度變化。
[0059]圖4A-4C證明根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的前饋控制器減小了功率驟降以及與功率 輸出的變化相關(guān)聯(lián)的其它不穩(wěn)定。在槳距角、功率輸出和發(fā)電機速度的穩(wěn)定方面的提高可 以歸因于前饋控制器對功率斜變的經(jīng)縮短的反應(yīng)時間。前饋控制器在觀察到外部功率參考 的變化時啟用槳距角變化，而常規(guī)風(fēng)力渦輪機控制器僅僅在存在積累在風(fēng)力渦輪機中的足 夠大的速度誤差時才調(diào)整槳距角。
[0060] 圖4A至4C基于使用方程4的實施例。通過將輸出功率基于使用方程7的前饋槳距角 調(diào)整，可以考慮在圖4C中所見的發(fā)電機速度變化以便甚至進一步穩(wěn)定功率輸出。
[0061] 圖5是根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的前饋控制器500的框圖。前饋控制器500 使用來自現(xiàn)有控制系統(tǒng)的資源在不干擾渦輪機運行的情況下提供了前饋槳距角調(diào)整的實 施方式。前饋控制器500可以與現(xiàn)有風(fēng)力渦輪機控制器一起使用。如果例如通過現(xiàn)有渦輪機 λ ρ ΛΡ 控制器已經(jīng)根據(jù)平均槳距角計算出補償項^，那么可以對補償項i進行取倒數(shù)并且用 Α Θ ΑΘ 于計算前饋槳距角調(diào)整。 /jP /if)
[0062] 如在圖5中示出的，可以將來自現(xiàn)有非線性載荷控制器的補償項I取倒數(shù)為^ Δθ AP Λ η (槳距角的變化與輸出功率的變化的比的項），并且然后將i通過單位延遲502而饋送至乘 法器510,且將外部功率參考Pref通過離散求導(dǎo)504而饋送至乘法器510中。乘法器510輸出槳 距角前饋調(diào)整率A0ff。
[0063] 在一個實施例中，可以將槳距角前饋調(diào)整率Δ 0ff饋送至飽和單元（saturation) 520中，以確保槳距角前饋調(diào)整率Δ 0ff在槳距角調(diào)整的最大比率Δ 0ffMax與槳距角調(diào)整的 最小比率A0ffMin之間的范圍內(nèi)。飽和單元520通過將來自前饋控制器500的槳距角調(diào)整率 限制在風(fēng)力渦輪機的可操作范圍內(nèi)來提供對風(fēng)力渦輪機的保護。
[0064] 在一個實施例中，前饋控制器500還可以包括陷波濾波器530。陷波濾波器530可以 是在風(fēng)力渦輪機部件(例如，風(fēng)力渦輪機塔架、葉片）的固有頻率f〇下的陷波濾波器，以防止 在調(diào)整槳距角時使風(fēng)力渦輪機塔架振動。陷波濾波器530可以通過避免以與風(fēng)力渦輪機部 件的固有頻率匹配的頻率調(diào)整槳距角來相當程度地減小風(fēng)力渦輪機塔架的疲勞載荷。在一 個實施例中，陷波濾波器530可以是二階陷波濾波器。
[0065]圖6A-6D是根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的前饋控制器的示意圖。圖6A是具有通過積 分控制器640連接至風(fēng)力渦輪機602的前饋控制器630的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600A的示意圖。 [0066] 前饋控制器630可以跟蹤外部功率參考Pref的變化，并且根據(jù)外部功率參考的變化 來計算前饋槳距角調(diào)整A 0ff。前饋控制器630可以通過數(shù)值求解方程4或方程7來計算前饋 槳距角調(diào)整A0ff，如以上參考前饋控制器300所討論的。替代地，前饋控制器630可以使用來 AP 自風(fēng)力渦輪機的典型控制器的補償項T；7來計算前饋槳距角調(diào)整A 0ff，如以上參考前饋控 Δ〇 制器500所描述的。
[0067]可以將來自前饋控制器630的前饋槳距角調(diào)整Δ 0ff饋送至積分控制器640中，在積 分控制器640中通過將槳距角調(diào)整△ 0打?qū)r間進行積分來生成新的槳距位置Θ的控制信號。 在由于外部功率參考Pref的變化而發(fā)生任何功率驟降之前，將新的槳距角位置Θ發(fā)送至風(fēng)力 渦輪機602。
[0068]圖6B是具有被集成在現(xiàn)有控制系統(tǒng)內(nèi)的前饋控制器的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600B的示 意圖。風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600B包括風(fēng)力渦輪機602。風(fēng)力渦輪機602可以由反饋控制器620來控 制。反饋控制器620可以控制風(fēng)力渦輪機602的各個參數(shù)，例如槳距角位置。例如，反饋控制 器620可以是槳距控制器。
[0069]反饋控制器620可以是與風(fēng)力渦輪機一起運行的任何適合的控制器。在圖6B的示 范性實施例中，反饋控制器620是具有比例控制器622、積分控制器624以及加法器627、628 的PI控制器。加法器627接收設(shè)定的槳距旋轉(zhuǎn)速率ω 〇和反饋槳距旋轉(zhuǎn)速率ω以作為輸入， 并且計算槳距旋轉(zhuǎn)速率誤差ωι連。加法器627將槳距旋轉(zhuǎn)速率誤差連發(fā)送至其中生成相 對應(yīng)的調(diào)整項的積分控制器624和比例控制器622。加法器628從比例控制器622和積分控制 器624接收調(diào)整項，以便生成新的槳距角位置Θ。
[0070] 可以將來自前饋控制器630的前饋槳距角調(diào)整A0ff饋送至反饋控制器620的積分 控制器632,在其中通過將槳距角調(diào)整八0打?qū)r間進行積分來生成前向調(diào)整的槳距位置 9ff。積分控制器632可以是任何適合的積分器，例如泄漏積分器（leaking integrator)或正 常積分器。積分控制器632還連接至反饋控制器620的加法器628。加法器628接收前向調(diào)整 的槳距位置Θ Η，并且將來自比例控制器622和積分控制器624的調(diào)整項進行組合以生成新的 槳距角位置Θ。
[0071] 在正常運行期間，反饋控制器620跟蹤設(shè)置點（例如，設(shè)置槳距旋轉(zhuǎn)速率ωο)與傳 感器反饋（例如，由風(fēng)力渦輪機上的傳感器所測量的實際槳距旋轉(zhuǎn)速率ω)之間的誤差 ω誤差。將誤差ω??！發(fā)送至其中對誤差ωΜΙ和比例增益的乘積進行計算的比例控制器622以 及其中對誤差ω礙|和積分增益的乘積進行計算的積分控制器624?？刂菩盘枺矗碌臉?角位置Θ)是根據(jù)比例控制器622和積分控制器624的計算結(jié)果而生成的，并且被發(fā)送至風(fēng)力 渦輪機602。
[0072] 在功率斜變（即，當在外部功率參考Pref中存在變化時）期間，前饋控制器630將前 饋槳距角調(diào)整A 0ff發(fā)送至反饋控制器620的積分控制器624,在其中前饋槳距角調(diào)整Δ 被并入在槳距角位置Θ的控制信號中。此布置使得一接收到外部功率參考Prrf的變化，風(fēng)力 渦輪機602就能夠調(diào)整槳距角，從而減小由功率斜變而引起的槳距角誤差。
[0073]圖6C是具有被集成在現(xiàn)有控制系統(tǒng)內(nèi)的前饋控制器的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600C的示 意圖。風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600C包括風(fēng)力渦輪機602、反饋控制器620和連接至加法器627的反轉(zhuǎn) 控制器（inverted controller)634。反轉(zhuǎn)控制器634將外部功率參考Pref的變化率轉(zhuǎn)換為速 率。然后將該速率加到反饋控制器627的加法器627,以作為另外的旋轉(zhuǎn)速率誤差。
[0074]圖6D是具有被集成在現(xiàn)有控制系統(tǒng)內(nèi)的前饋控制器的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600D的示 意圖。類似于圖6B中的風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600B，風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)600D包括由反饋控制器620控 制的風(fēng)力渦輪機602?？梢詫碜郧梆伩刂破?30的前饋槳距角調(diào)整A0 ff饋送至被設(shè)置在反 饋控制器620的積分控制器624與加法器627之間的加法器642。加法器642對誤差ω耀和槳 距角調(diào)整Α 0打進行求和，并且將總和發(fā)送至積分控制器624,在積分控制器624中將該總和 對時間求積分以產(chǎn)生前向調(diào)整的槳距位置9 ff和誤差ω健g的積分增益的組合值。
[0075] 通過與現(xiàn)有控制系統(tǒng)(例如，前饋控制器630)集成，本公開內(nèi)容的實施例可以避免 處理泄漏積分器狀態(tài)的必要并且依賴現(xiàn)有控制系統(tǒng)啟用/禁用邏輯。因此，前饋槳距角調(diào)整 可以以對現(xiàn)有系統(tǒng)的有限修改來實施。
[0076] 在實施例中，將前饋槳距角調(diào)整不斷地加到全載荷控制器的工作點（即，積分器）。 在其它實施例中，可以不斷地對槳距工作點進行計算，并且控制器的積分器可以基本上僅 僅包含調(diào)整值。
[0077] 本公開內(nèi)容的實施例具有若干優(yōu)點。根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的前饋控制器容許 風(fēng)力渦輪機在沒有功率驟降的情況下平緩地斜變至新的目標功率輸出。前饋控制器可以容 易地通過在不需要大的改變的情況下集成至風(fēng)力渦輪機的現(xiàn)有控制系統(tǒng)中來進行實施。可 以借助于現(xiàn)有硬件而不需要另外的傳感器或硬件修改來以計算機程序產(chǎn)品的形式實施前 饋控制器。此外，除非改變了功率輸出的設(shè)置點，否則前饋控制器不會干擾正常的風(fēng)力渦輪 機運行。結(jié)果，本公開內(nèi)容的實施例提供簡單且有效的方案來提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。
[0078] 盡管以上結(jié)合向上功率斜變描述了本公開內(nèi)容的實施例，但是本公開內(nèi)容的實施 例也可以應(yīng)用于向下功率斜變，例如在向下功率斜變期間防止渦輪機超速。
[0079] 盡管以上結(jié)合控制渦輪機功率描述了本公開內(nèi)容的實施例，但是本公開內(nèi)容的實 施例可以以類似的方式應(yīng)用于控制渦輪機扭矩。例如，本公開內(nèi)容的實施例可以用于在渦 輪機扭矩向上斜變期間防止扭矩驟降并且在渦輪機扭矩向下斜變期間防止渦輪機超速。
[0080] 盡管前述內(nèi)容針對本公開內(nèi)容的實施例，但是可以在不脫離其基本范圍的情況下 設(shè)想本公開內(nèi)容的其它實施例和進一步實施例，并且其范圍由所附權(quán)利要求來確定。
【主權(quán)項】
1. 一種用于穩(wěn)定風(fēng)力渦輪機中的功率輸出的方法，包括： 跟蹤外部參考的變化率； 根據(jù)所述外部參考的所述變化率來計算前饋槳距角調(diào)整； 在現(xiàn)有槳距控制器中基于所測量的發(fā)電機速度來計算反饋槳距角調(diào)整；以及 組合所述前饋槳距角調(diào)整和所述反饋角調(diào)整；以及 向所述風(fēng)力渦輪機發(fā)送所述前饋槳距角調(diào)整，以調(diào)整轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述外部參考是外部功率參考和外部扭矩參考其 中之一。3. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其中，向所述風(fēng)力渦輪機發(fā)送所述前饋槳距角調(diào)整 包括： 將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送通過所述現(xiàn)有槳距控制器的積分控制器。4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，計算所述前饋槳距角調(diào)整包括： 在所述現(xiàn)有槳距控制器中對補償項（| )取倒數(shù)；以及 Δ u 將槳距角的變化與功率輸出的變化的比（$_)乘以外部功率參考的變化，以獲得所述 ΔΡ 前饋槳距角調(diào)整。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，計算所述前饋槳距角調(diào)整還包括： 根據(jù)方?6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，數(shù)值計括使用查找表。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，計算所述前饋槳距角調(diào)整還包括： 使用方程來計算所述前饋槳距角調(diào)整。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，在考慮所述轉(zhuǎn)子速度（Ω )的情況 下計算所述前饋槳距角調(diào)整。9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，通過使用滯后補償器進行濾波來 針對感應(yīng)滯后對所述前饋槳距角調(diào)整進行補償。10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，還包括： 在將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至所述風(fēng)力渦輪機之前，將所述前饋槳距角調(diào)整傳輸通 過飽和單元，以確保槳距角調(diào)整率在所述風(fēng)力渦輪機的可操作范圍內(nèi)。11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，還包括： 在將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至所述風(fēng)力渦輪機之前，將所述前饋槳距角調(diào)整傳輸通 過在風(fēng)力渦輪機部件的固有頻率f〇下的陷波濾波器，以在調(diào)整所述槳距角時減輕所述風(fēng)力 渦輪機部件中的振動。12. -種用于風(fēng)力渦輪機的槳距控制器，包括： 前饋控制器，所述前饋控制器被配置為從電網(wǎng)控制器接收外部參考，跟蹤所述外部參 考的變化率并且生成前饋槳距角調(diào)整，其中，所述外部參考是外部功率參考和外部扭矩參 考其中之一； 反饋控制器，所述反饋控制器被配置為從所述風(fēng)力渦輪機中的傳感器接收反饋信號并 且根據(jù)所述反饋信號生成反饋槳距角調(diào)整;并且 其中，來自所述前饋控制器的所述前饋槳距調(diào)整和來自所述反饋控制器的所述反饋槳 距角調(diào)整被組合以確定槳距角位置用于控制轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的槳距控制器，其中，所述反饋控制器包括積分控制器，并且 所述前饋控制器的輸出連接至所述反饋控制器的所述積分控制器的輸入。14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的槳距控制器，其中，所述前饋控制器包括計算機程序產(chǎn)品， 所述計算機程序產(chǎn)品被配置為： 跟蹤所述外部功率參考的變化； 根據(jù)所述外部功率參考的所述變化來計算所述前饋槳距角調(diào)整;并且 向所述風(fēng)力渦輪機發(fā)送所述前饋槳距角調(diào)整，以便在根據(jù)所述外部功率參考調(diào)整功率 輸出的同時對轉(zhuǎn)子葉片的槳距角進行調(diào)整。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的槳距控制器，其中，計算所述前饋槳距角調(diào)整包括： 確定槳距角的變化與功率輸出的變化的比。 ΔI16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的槳距控制器，其中，確定槳距角的變化與功率輸出的變化的 λ〇 /IP 比S包括在現(xiàn)有槳距控制器中對補償項-f 7取倒數(shù)。 ΑΡ ΔΘ17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的槳距控制器，其中，計算所述前饋槳距角調(diào)整還包括： Α? 將槳距角的變化與功率輸出的變化的比i項乘以外部功率參考的變化，以獲得所述 AP 前饋槳距角調(diào)整。18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的槳距控制器，其中，確定槳距角的變化與功率輸出的變化的 比?包括： ΑΡ 在方程'紙以'觸邊應(yīng)用對槳距角0的微分，以獲得項|^; JP 對所述項5取倒數(shù)； ΑΘ 根據(jù)方?義及 使用方程Η 十算所述前饋槳距角調(diào)整。19. 根據(jù)權(quán)利要求12至18中的任一項所述的槳距控制器，其中，在考慮所述轉(zhuǎn)子速度 (Ω )的情況下計算所述前饋槳距角調(diào)整。20. 根據(jù)權(quán)利要求12至19中的任一項所述的槳距控制器，其中，通過使用滯后補償器進 行濾波來針對感應(yīng)滯后對所述前饋槳距角調(diào)整進行補償。21.根據(jù)權(quán)利要求14至20中的任一項所述的槳距控制器，其中，所述計算機程序產(chǎn)品還 被配置為： 在將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至所述風(fēng)力渦輪機之前，將所述前饋槳距角調(diào)整傳輸通 過在風(fēng)力渦輪機塔架的固有頻率f〇下的二階陷波濾波器，以便在調(diào)整所述槳距角時減輕所 述風(fēng)力渦輪機塔架中的振動;并且 在將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至所述風(fēng)力渦輪機之前，將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送通 過所述風(fēng)力渦輪機的現(xiàn)有控制系統(tǒng)的積分控制器。 22 · -種風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)，包括： 風(fēng)力渦輪機，所述風(fēng)力渦輪機被配置為將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為電力并且將電力提供至電力網(wǎng)； 前饋控制器，所述前饋控制器被配置為從所述電力網(wǎng)的電網(wǎng)控制器接收外部參考，基 于所述外部參考的變化率來生成前饋槳距角調(diào)整，并且將所述前饋槳距角調(diào)整發(fā)送至所述 風(fēng)力渦輪機； 反饋控制器，所述反饋控制器被配置為從所述風(fēng)力渦輪機中的傳感器接收反饋信號并 且根據(jù)所述反饋信號生成反饋槳距角調(diào)整;并且 其中，來自所述前饋控制器的所述前饋槳距調(diào)整和來自所述反饋控制器的所述反饋槳 距角調(diào)整被組合以確定槳距角位置用于控制所述轉(zhuǎn)子葉片的槳距角。
【文檔編號】F03D7/04GK105874196SQ201480071603
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年11月27日
【發(fā)明人】M·A·謝爾, C·諾倫德湯姆森, R·鮑耶, J·S·湯姆森
【申請人】維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團公司