用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器和風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器。為改進(jìn)對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)的評(píng)估，控制器包括至少兩個(gè)傳感器，所述至少兩個(gè)傳感器適于提供對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)有重要作用的傳感器數(shù)據(jù)?？刂破髂軌蚧趤?lái)自所述至少兩個(gè)傳感器的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)提供風(fēng)力渦輪機(jī)的評(píng)估狀態(tài)，并且將風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)與預(yù)定的檢測(cè)極限相比較，以在所述評(píng)估狀態(tài)超出檢測(cè)極限的情況下提供關(guān)機(jī)信號(hào)。
【專利說(shuō)明】用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器和風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)機(jī)控制器和負(fù)載控制器通常被應(yīng)用在風(fēng)力渦輪機(jī)中，以保護(hù)塔架、葉片、傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)、以及其它部件免受結(jié)構(gòu)性過(guò)載影響。
[0003]風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)上的負(fù)載主要源自轉(zhuǎn)子平面和塔架上的風(fēng)壓。因此，負(fù)載取決于風(fēng)速、湍流、風(fēng)強(qiáng)度、以及包括葉片槳距角和偏航角在內(nèi)的各種設(shè)定值。所述偏航角表現(xiàn)轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于風(fēng)向的角度。
[0004]負(fù)載傳統(tǒng)上由測(cè)量渦輪機(jī)的各種機(jī)械狀態(tài)的各種傳感器來(lái)測(cè)量，所述傳感器在此稱為機(jī)械狀態(tài)傳感器。所述傳感器的實(shí)施例包括用于感應(yīng)旋轉(zhuǎn)速度的傳感器、用于感應(yīng)振蕩級(jí)別(例如被測(cè)量為塔架加速度)的傳感器、用于感應(yīng)葉片負(fù)載(例如由固定在葉片根部中的應(yīng)變儀來(lái)測(cè)量)的傳感器、以及葉片槳距角傳感器，所述葉片槳距角傳感器確定風(fēng)入射角并且因此確定能夠發(fā)生的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子能量的等級(jí)。
[0005]傳統(tǒng)渦輪機(jī)基于單一傳感器輸入來(lái)關(guān)機(jī)，其中，一個(gè)傳感器信號(hào)測(cè)量一個(gè)狀態(tài)(例如轉(zhuǎn)子速度)，并且當(dāng)信號(hào)達(dá)到預(yù)定極限時(shí)啟動(dòng)關(guān)機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種使得風(fēng)力渦輪機(jī)免受控制系統(tǒng)失效和結(jié)構(gòu)性過(guò)載影響的改進(jìn)保護(hù)。這包括抵御系統(tǒng)性故障(諸如軟件故障)的保護(hù)。
[0007]因此，在第一方面，本發(fā)明提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器，所述控制器包括至少兩個(gè)傳感器，所述至少兩個(gè)傳感器適于提供對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)有重要作用傳感器數(shù)據(jù)，所述控制器適于基于來(lái)自所述至少兩個(gè)傳感器的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)提供風(fēng)力渦輪機(jī)的評(píng)估狀態(tài)，其中，所述控制器適于將風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)與預(yù)定的檢測(cè)極限相比較，并且在評(píng)估狀態(tài)超出預(yù)定的檢測(cè)極限的情況下提供關(guān)機(jī)信號(hào)。
[0008]與單一傳感器輸入相比，根據(jù)本發(fā)明的關(guān)機(jī)控制器能夠減小結(jié)構(gòu)性過(guò)載，以適應(yīng)故障情況。
[0009]在此“機(jī)械狀態(tài)”應(yīng)該大體被理解為機(jī)械狀態(tài)及其衍生物。機(jī)械狀態(tài)被定義為在不限于渦輪機(jī)的特定區(qū)域的情況下，風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。作為實(shí)施例，機(jī)械狀態(tài)可以是塔架、葉片、轉(zhuǎn)子、輪轂、或風(fēng)力渦輪機(jī)中的任何位置的應(yīng)變，風(fēng)力渦輪機(jī)的溫度或甚至風(fēng)力渦輪機(jī)附近的溫度，結(jié)構(gòu)性元件(諸如塔架、轉(zhuǎn)子、或葉片等等)的速度、加速度和/或振蕩。
[0010]在此，渦輪機(jī)的機(jī)械狀態(tài)將由向量X指代。根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)向量X基于來(lái)自數(shù)個(gè)傳感器的輸入來(lái)確定，例如一個(gè)或多個(gè)傳感器信號(hào)的組合，所述傳感器信號(hào)提供例如轉(zhuǎn)子速度ωκ、槳距角Θ、塔架偏轉(zhuǎn)度yt、或葉片偏轉(zhuǎn)度β等等。
[0011]能夠清楚認(rèn)識(shí)的是，結(jié)構(gòu)危態(tài)與狀態(tài)向量X緊密相關(guān)。例如，塔架頂部偏轉(zhuǎn)度yt的值與塔架上的負(fù)載緊密相關(guān)。類似地，旋轉(zhuǎn)速度《1；支配渦輪機(jī)上的大部分負(fù)載。狀態(tài)空間的概念促使引入可容許狀態(tài)空間χΑ。這個(gè)可容許狀態(tài)空間是渦輪機(jī)上的負(fù)載處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的狀態(tài)空間。
[0012]通常對(duì)于反饋控制方案，控制向量是狀態(tài)向量X的函數(shù)。在實(shí)踐中，這通過(guò)利用狀態(tài)的評(píng)估來(lái)實(shí)施，所述狀態(tài)的評(píng)估通過(guò)測(cè)量(傳感器)或基于模型的評(píng)估器(例如觀察器)來(lái)獲得。
[0013]因此，本發(fā)明提供這樣一種改進(jìn)的關(guān)機(jī)控制器，其從Ι-d(—維)拓展到N_d(多維)，由此與現(xiàn)有技術(shù)中的用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器相比有助于改進(jìn)的保護(hù)。
[0014]檢測(cè)極限可以表現(xiàn)為包，例如凸包。凸包的優(yōu)點(diǎn)在于其例如通過(guò)求解線性程式來(lái)使得在線確定狀態(tài)向量是否在包內(nèi)部變得容易。
[0015]因此，控制器可以尤其適于通過(guò)求解線性程式(例如包括利用Simplex算法)來(lái)確定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)是位于凸包內(nèi)部還是在凸包外部。
[0016]大體上，關(guān)機(jī)控制器可以被應(yīng)用在任何類型的風(fēng)力渦輪機(jī)中。然而，有利地，控制器被應(yīng)用在水平軸線風(fēng)力渦輪機(jī)中。要求保護(hù)的至少兩個(gè)傳感器適于提供對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)有重要作用傳感器數(shù)據(jù)，所述至少兩個(gè)傳感器可以是在風(fēng)力渦輪機(jī)控制中通常已知的類型，并且所述至少兩個(gè)傳感器可以包括例如葉片彎折傳感器(例如光傳感器等等)、轉(zhuǎn)子速度傳感器、轉(zhuǎn)子彎折傳感器、塔架加速度傳感器、風(fēng)速傳感器、產(chǎn)能傳感器、傳動(dòng)裝置負(fù)載傳感器等等。
[0017]關(guān)機(jī)控制器將風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)與預(yù)定的檢測(cè)極限相比較的方法將參考后續(xù)附圖詳細(xì)來(lái)描述。
[0018]大體上，風(fēng)力渦輪機(jī)由在一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)單元中物理實(shí)施的各種控制函數(shù)來(lái)控制。在此，我們大體將“風(fēng)力渦輪機(jī)控制器”稱為在風(fēng)力渦輪機(jī)中運(yùn)行的所有控制函數(shù)的組合，例如負(fù)載控制、產(chǎn)能和并網(wǎng)(grid compliance)控制、噪音發(fā)射控制等等。根據(jù)本發(fā)明的關(guān)機(jī)控制器可以形成現(xiàn)存控制器或風(fēng)力渦輪機(jī)中的其中一個(gè)現(xiàn)存控制器的集成部分，或所述關(guān)機(jī)控制器可以形成風(fēng)力渦輪機(jī)中的單獨(dú)單元。
[0019]檢測(cè)極限可以基于渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特性和關(guān)機(jī)機(jī)構(gòu)的能力(例如關(guān)機(jī)期間的變槳距速度)來(lái)限定。
[0020]而且，控制器可以包括例如基于無(wú)線通訊的通訊裝置，以使得控制器能夠與葉片變槳距裝置通訊，并且由葉片變槳距來(lái)啟動(dòng)關(guān)機(jī)。
[0021]通訊也可以允許控制器設(shè)定變槳距裝置的速度。所述速度可以是在葉片變槳距期間維持的固定速度，或所述速度可以是可變速度，即，所述速度在葉片變槳距期間改變。所述可變速度可以是逐步變速或無(wú)級(jí)變速。
[0022]可能有利的是，使葉片各自地變槳距例如以抵消風(fēng)剪切等等。根據(jù)本發(fā)明的關(guān)機(jī)控制器可以將變槳距信號(hào)各自地與用于數(shù)個(gè)葉片的變槳距裝置通訊，以使得葉片能夠例如根據(jù)風(fēng)切變或根據(jù)在各個(gè)葉片上測(cè)量的傳感器信號(hào)來(lái)變槳距。
[0023]此外，通訊可以允許關(guān)機(jī)控制器設(shè)定渦輪機(jī)的偏航角、在風(fēng)力渦輪機(jī)中的發(fā)電機(jī)上的負(fù)載等等。
[0024]由于控制器是關(guān)機(jī)控制器，因此所述控制器在必須快速關(guān)機(jī)的緊急情況下也應(yīng)該是穩(wěn)定和可靠的。為此目的，控制器和到變槳距裝置的任何通訊裝置應(yīng)該例如由電池等等來(lái)緊急供電。為此目的，變槳距裝置也應(yīng)該被緊急供電、或變槳距裝置和葉片的結(jié)構(gòu)應(yīng)該使得葉片將在電源故障或與根據(jù)本發(fā)明的控制器通訊故障時(shí)進(jìn)行平槳運(yùn)動(dòng)(feather)。
[0025]檢測(cè)極限Xd可以取決于能夠應(yīng)用到關(guān)機(jī)策略的約束值。檢測(cè)極限可以基于包含固定速度的約束值或基于可變速度(例如基于葉片的變槳距速度或加速度)來(lái)限定，風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片能夠由葉片變槳距裝置以所述固定速度來(lái)變槳距。為此目的，檢測(cè)極限可以限定成使得可獲得速度被考慮在內(nèi)，風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片能夠由葉片變槳距裝置以所述可獲得速度來(lái)變槳距。即，慢反應(yīng)的葉片變槳距裝置可能要求較小的檢測(cè)極限XD。
[0026]檢測(cè)極限可以基于不同測(cè)量來(lái)大體限定，所述測(cè)量包括但不限于槳距角，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的每個(gè)葉片的各個(gè)槳距角、轉(zhuǎn)子速度ωκ、槳距角Θ、塔架偏轉(zhuǎn)度yt、以及葉片偏轉(zhuǎn)度β。檢測(cè)極限可以基于歷史數(shù)據(jù)來(lái)適應(yīng)性地調(diào)整，所述歷史數(shù)據(jù)諸如具體類型的事件的次數(shù)，例如過(guò)度負(fù)載的次數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)、渦輪機(jī)的壽命等等。
[0027]控制器例如可以適于利用控制方案來(lái)操作，所述控制方案規(guī)定用于風(fēng)力渦輪機(jī)的檢測(cè)極限和/或關(guān)機(jī)變槳距策略。關(guān)機(jī)變槳距策略可以例如規(guī)定用于葉片變槳距的速度或加速度特征曲線，或其可以規(guī)定葉片應(yīng)該同時(shí)或各自地變槳距。
[0028]控制器可以適于在為風(fēng)力渦輪機(jī)預(yù)定的不同控制方案之間選擇。選擇可以基于渦輪機(jī)的壽命或基于可容許狀態(tài)空間已經(jīng)被超過(guò)的事件的量。
[0029]控制方案或至少檢測(cè)極限可以基于風(fēng)力渦輪機(jī)上的事件來(lái)適應(yīng)性地調(diào)整。所述適應(yīng)性地調(diào)整在此意味著連續(xù)改變或以特定間隔逐步改變。所述調(diào)整可以基于風(fēng)力渦輪機(jī)的壽命和/或基于經(jīng)驗(yàn)負(fù)載，例如極限負(fù)載。作為實(shí)施例，負(fù)載歷史可以被記錄、分析以及用于這樣的適應(yīng)。
[0030]在一個(gè)實(shí)施方式中，在預(yù)定范圍以上的經(jīng)驗(yàn)負(fù)載的次數(shù)被統(tǒng)計(jì)，并且所述次數(shù)被用于選擇合適的控制方案。在另一實(shí)施方式中，疲勞負(fù)載歷史由歷史負(fù)載數(shù)據(jù)來(lái)確定，并且控制方案從所述疲勞負(fù)載歷史中選擇。
[0031]在第二方面，本發(fā)明提供一種風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)方法，所述方法包括提供至少兩個(gè)不同組的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)組對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)而言是重要的，所述方法包括由所述至少兩個(gè)不同組的數(shù)據(jù)提供風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)、以及基于風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)與預(yù)定的檢測(cè)極限之間的比較來(lái)將風(fēng)力渦輪機(jī)關(guān)機(jī)。
[0032]檢測(cè)極限可以基于渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特性來(lái)限定，所述結(jié)構(gòu)特性例如關(guān)鍵部件的強(qiáng)度、以及關(guān)機(jī)系統(tǒng)的能力，所述關(guān)機(jī)系統(tǒng)的能力例如關(guān)機(jī)期間最大變槳距速度、對(duì)各葉片各自地執(zhí)行變槳距的能力、控制變槳距的速度或加速度的能力等等。
[0033]所述方法可以包括以下步驟:
[0034]將檢測(cè)極限確定為凸包；并且
[0035]通過(guò)求解線性程式確定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)是否在包內(nèi)。
[0036]線性程式的求解尤其可以涉及利用Simplex算法。
[0037]大體上，所述方法可以包括在根據(jù)第一方面的控制器中包含的任何步驟。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]現(xiàn)在將參考以下附圖并以實(shí)施例的方式描述本發(fā)明，其中:
[0039]圖1示出在時(shí)間h啟動(dòng)的與安全性相關(guān)的控制函數(shù)，所述控制函數(shù)在時(shí)間tf將狀態(tài)向量帶到目標(biāo)集合S(靜止)。右方:常規(guī)操作空間Xn和可容許狀態(tài)空間Xa的圖解示意圖；
[0040]圖2在左側(cè)示出瑣碎閾值(trivial threshold),所述瑣碎閾值被太晚達(dá)到而不能避免彈弓效應(yīng)(slingshot effect)，從而超過(guò)可容許狀態(tài)空間。在右側(cè)，圖2示出根據(jù)本發(fā)明的多維檢測(cè)極限XD，并且所述多維檢測(cè)極限允許更早地檢測(cè)離開常規(guī)空間Xn的軌線xn，從而將狀態(tài)軌線保持在可容許空間Xa內(nèi)部；
[0041]圖3示出傳感器輸入被用于評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，向關(guān)機(jī)控制器中的檢測(cè)算法提供輸入。
【具體實(shí)施方式】
[0042]通過(guò)以下詳細(xì)說(shuō)明和特定實(shí)施例，本發(fā)明的其它應(yīng)用范圍將更將明顯。然而，應(yīng)該理解的是，所述詳細(xì) 說(shuō)明和特定實(shí)施例在指示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的同時(shí)，僅作為示例性給出，因?yàn)閷?duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本發(fā)明范圍內(nèi)的各種改變和修改由這些詳細(xì)說(shuō)明將變得明顯。
[0043]渦輪機(jī)的評(píng)估狀態(tài)在此指的是給定未來(lái)輸入預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)所需的信息。如同已經(jīng)提到的，這將被向量X指代。這個(gè)向量包含類似轉(zhuǎn)子速度《R、槳距角Θ、塔架偏轉(zhuǎn)度yt、以及葉片偏轉(zhuǎn)度β的量。
[0044]除狀態(tài)向量之外，還限定控制信號(hào)的向量U。對(duì)于可變速的槳距控制型渦輪機(jī)而言，這個(gè)向量包括各個(gè)槳距角參考值和用于功率變換系統(tǒng)的功率參考值。
[0045]概括而言，對(duì)于反饋控制方案，控制向量是狀態(tài)向量X的函數(shù)。在實(shí)踐中，這通過(guò)利用狀態(tài)評(píng)估實(shí)施，所述狀態(tài)評(píng)估通過(guò)測(cè)量(傳感器)或基于模型的評(píng)估器(例如觀察器)來(lái)獲得。
[0046]在利用無(wú)故障控制器的常規(guī)操作中，狀態(tài)向量和控制向量之間的函數(shù)關(guān)系由UN指代。
[0047]總結(jié)之，我們具有:
r π X ξ \ω,, θ； θ； ν.V.β.β:...1..^ _ ,、 , , \
[0048]1V " ( α, (J I = 1,2,3 ux(t) = U χ(χ,?

^ = ψΙΜ PlllI
[0049]明顯的是，結(jié)構(gòu)危態(tài)與狀態(tài)向量X密切相關(guān)。例如，塔架頂部偏轉(zhuǎn)度It的值與塔架上的負(fù)載密切相關(guān)。類似地，旋轉(zhuǎn)速度《1；支配渦輪機(jī)上的大部分負(fù)載。狀態(tài)空間的概念促使引入可容許狀態(tài)空間χΑ。所述可容許狀態(tài)空間例如可以限定為這樣一種狀態(tài)空間，在所述狀態(tài)空間中，渦輪機(jī)上的負(fù)載在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)或在被限定用于風(fēng)力渦輪機(jī)的范圍內(nèi)。
[0050]在常規(guī)操作中，狀態(tài)向量將跟隨由常規(guī)控制方案支配的軌線。使這條軌線由xN(t)指代。常規(guī)控制方案被優(yōu)化以提供產(chǎn)能、電力質(zhì)量、疲勞負(fù)載、以及極限負(fù)載之間的最佳平衡:
[0051]u(t)
[0052]Jn = f(...)
[0053]s.t.[0054]X e Xa[0055]\θ, >k ,/ = 1,2,3
[0056]Pn1 < P
[0057]以上，函數(shù)f指代的用于成本的復(fù)雜函數(shù)JN。此外，如同通過(guò)以上約束值指示的那樣，所述方案受到用于變槳距速度和功率參考值的約束值的影響。
[0058]軌線優(yōu)選應(yīng)該在可容許狀態(tài)空間Xa內(nèi)部，以避免結(jié)構(gòu)性過(guò)載。由常規(guī)操作跨越的空間將由Xn來(lái)指代。
[0059]由于以上原因，對(duì)于與安全性相關(guān)的控制函數(shù)的整體要求是將狀態(tài)向量保持在可容許狀態(tài)空間Xa內(nèi):
[0060]x(t) e χΑ
[0061]常規(guī)操作軌線Xn(t)根據(jù)定義處于可容許狀態(tài)空間內(nèi)部:
[0062]x(t) e Xs c Az ,
[0063]因此，一種解決方案是將常規(guī)控制方案指定為與安全性相關(guān)且利用參考相關(guān)函數(shù)安全性標(biāo)準(zhǔn)的與安全性相關(guān)的應(yīng)用所需的原則來(lái)實(shí)施所有傳感器、邏輯、以及致動(dòng)器。
[0064]但是這種解決方案過(guò)于保守，因?yàn)檐壘€外側(cè)乂,在不處于Xa內(nèi)的情況下將會(huì)僅損害結(jié)構(gòu)完整性。此外，Xn的邊界構(gòu)成相當(dāng)復(fù)雜的形狀，從而顯著增加為檢測(cè)偏離到Xn的邊界外側(cè)的操作軌線設(shè)計(jì)的任何算法的復(fù)雜性。最終，更新常規(guī)控制方案將可能改變XN。這反過(guò)來(lái)將要求高成本地更新 與安全性相關(guān)的控制函數(shù)，即使被改變的Xn將仍處于可容許空間Xa內(nèi)。
[0065]現(xiàn)在，假定與安全性相關(guān)的控制函數(shù)Us防止與常規(guī)控制函數(shù)的故障相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。概括而言，這種控制方案的目的是使機(jī)器在最短可能時(shí)間內(nèi)靜止。在最佳控制理論中，這個(gè)目的經(jīng)常限定為獲取目標(biāo)集合S內(nèi)部的狀態(tài):
[0066]u(t) = Us(Mt)J)

τ_?
[0067]J-1dt = M J1 = arg rnin (x(t) | λ.e S')
? 1
[0068].s.t.[0069]X e Xa
θλ — ~ k>{)
[0070]廣，&二0^不同集合的約束值指明增加的致動(dòng)器復(fù)雜度
k > U1 > O ，/ = 1,2,3

，/ = 1又3
[0071]在以上公式中，不同集合的約束值被表明為示意與安全性相關(guān)的控制函數(shù)的約束值能夠不同于在常規(guī)控制系統(tǒng)上施加的約束值。第一約束值指明僅允許共同的恒速變槳距，而最后約束值允許在最大速度k內(nèi)利用正負(fù)作用來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)槳距控制。對(duì)于為葉片變槳距的安全相關(guān)致動(dòng)而利用蓄能器供能的液壓回路的風(fēng)力渦輪機(jī)而言，葉片變槳距率經(jīng)常被限制為在關(guān)機(jī)期間非負(fù)。將這與對(duì)于每個(gè)葉片而言各自地控制緊急變槳距的能力相結(jié)合導(dǎo)致以上約束值的第三行。概括而言，在槳距動(dòng)作上的寬泛約束值能夠被預(yù)期以增加的復(fù)雜性為代價(jià)而提供更多的最佳軌線。另一方面，縮緊約束值(例如共同的恒速變槳距)降低復(fù)雜性，但對(duì)于關(guān)機(jī)狀況而言需要更多的負(fù)載方面的上升空間。
[0072]以上描述的術(shù)語(yǔ)和機(jī)構(gòu)能夠如圖1所示地展示。
[0073]左手側(cè)的圖表示出以轉(zhuǎn)子速度和塔架偏轉(zhuǎn)度作為軸線的狀態(tài)軌線的二維圖。綠色軌線代表利用被常規(guī)控制器控制的渦輪機(jī)操作。現(xiàn)在，假定旋轉(zhuǎn)速度超過(guò)預(yù)定極限gamma，啟動(dòng)與安全性相關(guān)的控制函數(shù)，所述控制函數(shù)在這種情況下由簡(jiǎn)單的過(guò)速保護(hù)來(lái)代表。與安全性相關(guān)的控制函數(shù)精心策劃渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)，從而將渦輪機(jī)帶到目標(biāo)集合S (例如靜止)。注意到彈弓行為指明固有結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)支配這樣的路徑，狀態(tài)能夠通過(guò)所述路徑被帶到目標(biāo)集合。渦輪機(jī)塔架在關(guān)機(jī)期間呈現(xiàn)出振蕩行為，所述振蕩行為由跨越寬泛范圍的塔架頂部偏轉(zhuǎn)yt的紅色軌線指示出。在實(shí)施例中，這個(gè)極限振蕩是設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的，由限定可容許狀態(tài)空間Xa的邊界的最左點(diǎn)指示。
[0074]在圖1的右手側(cè)中給出狀態(tài)空間的圖表代表圖，其中綠色空間是用于常規(guī)操作的空間。注意到空間具有復(fù)雜的形狀，指示出所述空間并非由簡(jiǎn)單的物理邊界限定，而是由用于整個(gè)渦輪機(jī)操作的復(fù)雜價(jià)值函數(shù)限定。并且注意到，Xn并沒有延伸到Xa的邊界，指示出常規(guī)操作通常不是用于極限負(fù)載的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)。
[0075]現(xiàn)在，從圖1的右手側(cè)明顯可見的是，一維轉(zhuǎn)子速度閾值沒有形成封閉空間。換言之，狀態(tài)向量能夠在不超過(guò)閾值gamma的情況下沿多個(gè)方向逃離。圖2的左手側(cè)示出一個(gè)實(shí)施例。在此，常規(guī)控制器的故障被構(gòu)想為形成大沖擊，最終導(dǎo)致大的塔架頂部偏轉(zhuǎn)度yt?，F(xiàn)在，由于沖擊與旋轉(zhuǎn)速度相互關(guān)聯(lián)，因此渦輪機(jī)最終過(guò)速。換言之，渦輪機(jī)在時(shí)間h達(dá)到閾值gamma，這啟動(dòng)精心策劃關(guān) 機(jī)程序的與安全性相關(guān)的控制函數(shù)。然而，如圖所示，彈弓效應(yīng)導(dǎo)致超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)載，所述超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)載通過(guò)狀態(tài)軌線超過(guò)可容許狀態(tài)空間來(lái)示出。
[0076]圖2的右手側(cè)示出防止超過(guò)設(shè)計(jì)負(fù)載的功能。根據(jù)本發(fā)明，狀態(tài)空間中的閾值被擴(kuò)展為多維的，從而形成集合XD，其中所述集合Xd的邊界用作多維狀態(tài)空間中的閾值。如圖所示，這種概念被構(gòu)想以與如過(guò)速保護(hù)那樣使用瑣碎閾值的情況相比更早地捕捉到異常狀態(tài)軌線。由于Xd的邊界將通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)來(lái)確定，因此Xd的形狀被預(yù)期為由多面體來(lái)描述，所述多面體例如在弱阻尼式機(jī)械系統(tǒng)軌線的情況下可能與超橢圓體組合。
[0077]用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)動(dòng)機(jī)是:
[0078]-檢測(cè)集合Xd的維度。換言之，哪些狀態(tài)需要被測(cè)量/評(píng)估以確保軌線被保持在可容許空間內(nèi)？最終，這歸結(jié)到對(duì)于與安全性相關(guān)的傳感器的需求。
[0079]-致動(dòng)器約束值。如上所述，在變槳距速度上的縮緊約束值將限制與安全性相關(guān)的控制函數(shù)的功能性，最終要求檢測(cè)空間Xd和可容許空間Xa之間的更多的頭上空間。
[0080]在非均勻的轉(zhuǎn)子負(fù)載不能被檢測(cè)到的情況下，葉片負(fù)載需要是檢測(cè)空間Xd的一部分。在過(guò)多的非均勻的轉(zhuǎn)子負(fù)載不能通過(guò)僅評(píng)估葉片負(fù)載來(lái)防止的情況下，槳距角和葉片負(fù)載的組合能夠形成Xd的保護(hù)性邊界。
[0081 ] 旋轉(zhuǎn)速度自身能夠造成例如發(fā)電機(jī)的過(guò)載。因此，可以優(yōu)選測(cè)量轉(zhuǎn)子速度。
[0082]塔架結(jié)構(gòu)的諧波激勵(lì)能夠在任何其它被測(cè)量的量沒有被超過(guò)的情況下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)載。因此，優(yōu)選測(cè)量塔架頂前后和側(cè)旁的加速度?？梢圆扇∷俣群臀恢迷u(píng)估。由于速度的零均值特性，速度由積分形成，而位置由于被測(cè)量的葉片負(fù)載本質(zhì)上提供沖擊評(píng)估值而是可觀察的。[0083]對(duì)于能夠被用于與安全性相關(guān)的控制函數(shù)的槳距致動(dòng)，可以做出以下假設(shè):
[0084].僅需要正槳距作用。粗略而言，這意味著需要僅葉片升力的減小以用于關(guān)機(jī)程序。
[0085].葉片應(yīng)該各自地被控制，從而也允許在關(guān)機(jī)期間控制傾斜/偏航負(fù)載。
[0086]?變槳距速度應(yīng)該在關(guān)機(jī)期間可變。來(lái)自最佳控制理論的結(jié)果表明，最大效果一直是對(duì)于最少時(shí)間問(wèn)題的最佳解，但這個(gè)結(jié)果僅是對(duì)于在沒有狀態(tài)約束值的情況下的問(wèn)題而言有價(jià)值。由于可容許狀態(tài)空間Xa的確構(gòu)成一組狀態(tài)約束值，因此最大效果(盡可能快速地變槳距)并非必然是最佳解。
[0087]因此，致動(dòng)約束值能夠簡(jiǎn)潔地總結(jié)為:
[0088]k > <9,- > O ,/.= 1,2,3
[0089]其中k是最大變槳距速度，例如20° /S。
[0090]根據(jù)圖表，用于結(jié)構(gòu)性過(guò)載的與安全性相關(guān)的函數(shù)能夠如圖3所描繪。在此，被測(cè)量的值被傳送到狀態(tài)評(píng)估器(例如Kalman過(guò)濾器)，所述狀態(tài)評(píng)估器向檢測(cè)Xd是否被超過(guò)的算法提供輸入。同樣，評(píng)估狀態(tài)被傳送到關(guān)機(jī)控制器，所述關(guān)機(jī)控制器為了關(guān)機(jī)程序可以使用狀態(tài)評(píng)估。
[0091]具體地，檢測(cè)極限可以表現(xiàn)為凸包，并且風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)能夠表現(xiàn)為在凸包內(nèi)或凸包外部的參數(shù)，即，在參數(shù)在凸包邊界外部的情況下，風(fēng)力渦輪機(jī)可以有利地被關(guān)機(jī)。線性程式可以例如根據(jù)以下實(shí)施例被用于確定參數(shù)是否邊界內(nèi):
[0092]實(shí)施例1
[0093]實(shí)施例1示出包檢測(cè)問(wèn)題如何能夠用公式表達(dá)成線性程式。這個(gè)問(wèn)題能夠通過(guò)Simplex算法求解。
[0094]給出在Rd中的η個(gè)點(diǎn)的有限集合P，其特性是起點(diǎn)(0，…，O)在P的凸包的內(nèi)部中，并且給出單點(diǎn)r= (r1；..., rd) e Rd。我們想要確定r是否在P的凸包的內(nèi)部中。讓P的多個(gè)點(diǎn)為(Pn, Pi2,...Pid)，其中1 = 1，...，11。通過(guò)定義,在存在非負(fù)實(shí)數(shù)λ...，λ η的情況下，r在凸包中(有可能在邊界上)，以使得:
[0095].Xl1 Λ =1
[0096].對(duì)于所有 j e {1，...，d}而言，得出 r7_ = Yli^pij。
[0097]我們觀察到，由于起點(diǎn)O在凸包的內(nèi)部中，因此在且僅在O和r之間的線段上的所有點(diǎn)(即，s e [O , I]的構(gòu)型sr的所有點(diǎn))在凸包中的情況下，得出r在凸包的內(nèi)部中。此外，在對(duì)于一些h>l而言s e [0，h]的構(gòu)型sr的所有點(diǎn)在凸包中的情況下，r在凸包的內(nèi)部中。換言之，在且僅在由以下給出的對(duì)于線性程式的最佳解值嚴(yán)格大于I的情況下，r在點(diǎn)集合P的凸包的內(nèi)部中:
【權(quán)利要求】
1.一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)控制器，所述控制器包括至少兩個(gè)傳感器，所述至少兩個(gè)傳感器適于提供對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)有重要作用的傳感器數(shù)據(jù)，所述控制器適于基于來(lái)自所述至少兩個(gè)傳感器的傳感器數(shù)據(jù)提供風(fēng)力渦輪機(jī)的評(píng)估狀態(tài)，其中，所述控制器適于將風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)與預(yù)定的檢測(cè)極限相比較，并且適于在所述評(píng)估狀態(tài)超出檢測(cè)極限的情況下提供關(guān)機(jī)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其適于與葉片變槳距裝置通訊，以使得關(guān)機(jī)由葉片變槳距來(lái)啟動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制器，其適于向葉片變槳距裝置通訊變槳距速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的控制器，其適于各自地通訊用于數(shù)個(gè)葉片的變槳距信號(hào)，以使得關(guān)機(jī)能夠由各個(gè)葉片變槳距來(lái)啟動(dòng)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的控制器，其中，所述評(píng)估狀態(tài)包含從下組選出的至少兩個(gè)量:轉(zhuǎn)子速度ωκ、槳距角Θ、塔架偏轉(zhuǎn)度yt、以及葉片偏轉(zhuǎn)度β。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的控制器，其還適于在不同控制方案之間選擇，每個(gè)控制方案規(guī)定檢測(cè)極限和關(guān)機(jī)變槳距策略中的至少一個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制器，適于基于渦輪機(jī)的壽命在控制方案之間選擇。
8.根據(jù)權(quán)利要求6-7中任一所述的控制器，其還適于基于經(jīng)驗(yàn)負(fù)載來(lái)在不同控制方案之間選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一所述的控制器，其適于統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)負(fù)載在預(yù)定負(fù)載范圍之上的次數(shù)，并且利用所述次數(shù)來(lái)選擇合適的控制方案。
10.根據(jù)權(quán)利要求6-9中任一所述的控制器，其適于確定疲勞負(fù)載歷史，并且根據(jù)所述疲勞負(fù)載歷史來(lái)選擇控制方案。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的控制器，其還適于基于與風(fēng)力渦輪機(jī)有關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來(lái)適應(yīng)性地調(diào)整檢測(cè)極限。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的控制器，其中，檢測(cè)極限表現(xiàn)為凸包。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制器，其適于通過(guò)求解線性程式來(lái)確定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)是否處于檢測(cè)極限內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制器，其中，求解線性程式包括利用Simplex算法。
15.一種在緊急情況下風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)方法，所述方法包括提供至少兩個(gè)不同組的數(shù)據(jù)，所述組對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)中的不同機(jī)械狀態(tài)有重要作用，所述方法包括由所述至少兩個(gè)不同組的數(shù)據(jù)提供風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)，并且基于風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)和預(yù)定的檢測(cè)極限之間的比較來(lái)將風(fēng)力渦輪機(jī)關(guān)機(jī)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，檢測(cè)極限至少部分地基于風(fēng)力渦輪機(jī)的關(guān)機(jī)系統(tǒng)的能力來(lái)限定。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，檢測(cè)極限至少部分地基于渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特性來(lái)限定。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中任一所述的方法，包括以下步驟: -將檢測(cè)極限確定為凸包；并且 -通過(guò)求解線性程式來(lái)確定風(fēng)力渦輪機(jī)的狀態(tài)是否在包內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，求解線性程式包含利用Simplex算法。
【文檔編號(hào)】F03D7/04GK104011378SQ201280062845
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月21日
【發(fā)明者】K·哈默魯姆 申請(qǐng)人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司