風(fēng)力渦輪機(jī)的控制的制作方法
【專利摘要】一種風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電站，包括多個風(fēng)力渦輪機(jī)，每個風(fēng)力渦輪機(jī)具有額定輸出并且受到發(fā)電站控制器的控制。發(fā)電站還具有額定輸出，額定輸出可以響應(yīng)于電價數(shù)據(jù)、發(fā)電站年齡、以及運(yùn)轉(zhuǎn)者要求中的一個或多個被過額定。發(fā)電站控制器能夠發(fā)送過額定需求信號到各個渦輪機(jī)。渦輪機(jī)處的控制器包括疲勞壽命使用估算器，疲勞壽命使用估算器估算由渦輪機(jī)的重要部件所消耗的疲勞壽命的量度。在所述量度超過任何部件的目標(biāo)值的情況下，防止在所述渦輪機(jī)處過額定。
【專利說明】風(fēng)力渦輪機(jī)的控制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電站的控制，具體涉及在做出控制決策時考慮到風(fēng)力渦輪機(jī)的狀況的控制方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率在IEC61400中定義為最大連續(xù)電功率輸出，風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè)計為在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和外部狀況下實現(xiàn)最大連續(xù)電功率輸出。大型商用風(fēng)力渦輪機(jī)普遍被設(shè)計為20年壽命并且其額定功率輸出考慮到預(yù)期壽命。
[0003]風(fēng)力渦輪機(jī)通常作為風(fēng)力發(fā)電站的一部分運(yùn)轉(zhuǎn),風(fēng)力發(fā)電站包括多個風(fēng)力渦輪機(jī)。US-A-6, 724，097公開風(fēng)力發(fā)電站的這樣的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。確定每個渦輪機(jī)的輸出并且控制一個或多個渦輪機(jī)，以使得在總輸出超過發(fā)電站的額定輸出的情況下，減少一個或多個渦輪機(jī)的輸出功率。這樣的布置是很有用的，因為各個額定功率的總和可能超過風(fēng)力發(fā)電站的額定輸出，但是在任何時候，都不可能是所有渦輪機(jī)在全容量下運(yùn)轉(zhuǎn)；一些渦輪機(jī)可能為維護(hù)而停機(jī)，并且一些渦輪機(jī)可能正經(jīng)歷小于理想風(fēng)狀況的風(fēng)狀況。
[0004]盡管US-A-6，724，097中采用的方法涉及避免由風(fēng)力發(fā)電站的過度產(chǎn)能，但是在一些渦輪機(jī)例如為維護(hù)而停機(jī)的情況下、或在例如由于一些渦輪機(jī)處的局部風(fēng)狀況不允許實現(xiàn)額定功率輸出而使得那些渦輪機(jī)不在其額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，發(fā)電站的總輸出可能不會達(dá)到額定發(fā)電站功率。因此，從經(jīng)濟(jì)角度上考慮，期望的是提升一個或多個渦輪機(jī)的輸出，以便增加發(fā)電站的總輸出到其額定輸出。然而，這樣的提升具有損傷渦輪機(jī)的風(fēng)險。
[0005]US-A-6, 850，821公開一種風(fēng)力渦輪機(jī)控制器，風(fēng)力渦輪機(jī)控制器以測量到的應(yīng)力狀況作為輸入，以便允許風(fēng)力渦輪機(jī)控制器根據(jù)測量到的應(yīng)力控制輸出功率。因此，例如，在湍流非常強(qiáng)的風(fēng)狀況下，與具有相同平均風(fēng)速的湍流較弱的狀況相比，功率輸出可以減少。US-A-2006/0273595公開基于運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)相對于部件設(shè)計額定值的評估使得風(fēng)力發(fā)電站在增加的額定功率輸出下間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)，還公開基于所述評估間歇地增加風(fēng)力渦輪機(jī)的輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于提供用于控制風(fēng)力渦輪機(jī)的改進(jìn)的方法和裝置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器，包括渦輪機(jī)優(yōu)化器和壽命使用估算器，渦輪機(jī)優(yōu)化器基于功率需求輸入和來自壽命使用估算器的輸入輸出風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的設(shè)定點，其中壽命使用估算器基于每個部件的壽命使用算法計算由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度，壽命使用對于根據(jù)影響部件疲勞壽命的變量的值起作用，所述值從風(fēng)力渦輪機(jī)上的傳感器獲得或推導(dǎo)出。
[0008]本發(fā)明還提供一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括獲得來自渦輪機(jī)傳感器的影響渦輪機(jī)的一個或多個部件的疲勞壽命的變量的值，應(yīng)用疲勞壽命使用算法到所述變量以確定由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度，輸入疲勞壽命的消耗的量度和功率需求到渦輪機(jī)優(yōu)化器，以及由渦輪機(jī)優(yōu)化器生成風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的設(shè)定點。
[0009]本發(fā)明還提供一種過額定風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括接收來自發(fā)電站控制器的過額定需求信號、基于每個部件的壽命使用算法和所述部件的感測到的參數(shù)值確定由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度、依據(jù)過額定需求設(shè)定點生成功率和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點中的至少一個并且將其發(fā)送到渦輪機(jī)，其中在所消耗的疲勞壽命的量度超過部件的目標(biāo)值的情況下不發(fā)送過額定設(shè)定點到渦輪機(jī)。
[0010]本發(fā)明的實施方式具有的優(yōu)點在于，設(shè)定點信號(諸如功率和轉(zhuǎn)矩)以渦輪機(jī)部件的被估算狀況為條件。重要部件的疲勞壽命使用能夠根據(jù)感測到的參數(shù)或從感測到的參數(shù)推導(dǎo)出的參數(shù)結(jié)合合適的疲勞壽命使用算法估算。一旦已計算疲勞壽命使用，那么其能夠與部件的目標(biāo)壽命使用進(jìn)行比較，例如基于從試運(yùn)轉(zhuǎn)開始的時間。在任何部件的被估算疲勞壽命使用高于目標(biāo)的情況下，可以抑制渦輪機(jī)過額定。這使得過額定能夠在沒有對于渦輪機(jī)部件造成損傷的風(fēng)險的情況下并且在沒有縮短部件壽命的風(fēng)險的情況下實現(xiàn)，對于渦輪機(jī)部件造成損傷和縮短部件壽命都會抵消過額定的財務(wù)收益。
[0011]在本發(fā)明的一個實施方式中，由渦輪機(jī)優(yōu)化器輸出的設(shè)定點是轉(zhuǎn)矩和速度的設(shè)定點。來自壽命使用估算器的輸入可以包括由每個部件所消耗的疲勞壽命的量度和由每個部件的疲勞壽命的使用速率的量度中的一個或兩個。疲勞壽命使用的量度使得能夠確定部件的整體狀況，由此疲勞速率使用的速率的量度使得能夠在疲勞壽命被迅速消耗的情況下防止過額定，即使在當(dāng)前疲勞壽命在所述時間點小于目標(biāo)的情況下。
[0012]使用壽命變化速率的量度還可以使得能夠識別低循環(huán)疲勞(LCF)的影響，因為大且長持續(xù)時間應(yīng)力或應(yīng)變的每個單一循環(huán)的完成都將會導(dǎo)致使用壽命的劇烈變化，這能夠作為事件被檢測到并且被用于響應(yīng)于所述事件而對于過額定進(jìn)行節(jié)制。
[0013]在一個實施方式中，在已使用并且記錄下渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的歷史數(shù)據(jù)的渦輪機(jī)上實施壽命使用計算。歷史數(shù)據(jù)接下來可以通過合適的計算來使用，以便設(shè)定壽命使用估算器的初始值，并且設(shè)定過額定控制的初始策略。通過設(shè)定初始值，可以避免在能夠?qū)嵤┻^額定控制策略之前通過壽命使用計算使得渦輪機(jī)先在初試時間段中運(yùn)轉(zhuǎn)(通常運(yùn)轉(zhuǎn)I年)的需求。
[0014]在本發(fā)明的一個實施方式中，渦輪機(jī)優(yōu)化器基于部件年齡比較由部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在由任何部件所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)的過額定。在另一個實施方式中，渦輪機(jī)優(yōu)化器基于所述部件年齡比較由損傷最嚴(yán)重的部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)的過額定。
[0015]在一個實施方式中，過額定包括速度和轉(zhuǎn)矩過額定，每個部件的疲勞壽命是速度敏感型、轉(zhuǎn)矩敏感型、或速度和轉(zhuǎn)矩敏感型，在由速度敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止速度的過額定，在由轉(zhuǎn)矩敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止轉(zhuǎn)矩的過額定，在由轉(zhuǎn)矩和速度部件的疲勞壽命的消耗超過理想消耗的情況下禁止速度和轉(zhuǎn)矩的過額定。因此，僅僅在給定部件高于其目標(biāo)疲勞壽命并且對于被過額定的參數(shù)敏感的情況下禁止過額定。
[0016]在一個實施方式中，渦輪機(jī)優(yōu)化器與風(fēng)力發(fā)電站控制器通訊并且接收來自風(fēng)力發(fā)電站控制器的功率需求輸入?？刂破骺梢远ㄎ辉陲L(fēng)力渦輪機(jī)處，所述控制器針對所述風(fēng)力渦輪機(jī)生成設(shè)定點信號?？刂破骺梢园ù鎯勖褂盟惴◣斓拇鎯ζ鳎渲惺褂弥辽僖粋€算法計算每個部件的壽命使用。這樣的布置的優(yōu)點在于，其使得能夠添加新算法到庫中以估算附加部件的疲勞壽命使用并且提供現(xiàn)有部件的新算法。
[0017]被估算疲勞壽命的渦輪機(jī)部件可以是葉片部件、軸承部件、葉片槳矩控制部件、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、變壓器、偏航系統(tǒng)、塔架、或基座中的一個或多個。葉片部件可以包括葉片結(jié)構(gòu)、葉片軸承、以及葉片螺栓。
[0018]在一個實施方式中，部件的壽命使用算法基于接收到的輸入值估算應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值。應(yīng)力循環(huán)和平均值是到應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸入，所述應(yīng)力循環(huán)損傷算法提供疲勞壽命的消耗的量度作為應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸出。
[0019]在一個實施方式中，渦輪機(jī)優(yōu)化器接收運(yùn)轉(zhuǎn)約束的輸入，所述運(yùn)轉(zhuǎn)約束指示出對于渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)施加的約束。渦輪機(jī)優(yōu)化器可以包括設(shè)定點選擇器和約束單元，所述設(shè)定點選擇器接收功率需求輸入和由部件消耗的壽命的量度，并且周期性地計算渦輪機(jī)參數(shù)的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點，所述約束單元接收最優(yōu)設(shè)定點、壽命使用的量度、以及功率需求，并且在由部件所消耗的疲勞壽命的量度超過目標(biāo)值的情況下防止發(fā)送過額定設(shè)定點，約束單元以高于最優(yōu)設(shè)定點的接收頻率的頻率輸出運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點到渦輪機(jī)。
[0020]本發(fā)明還涉及一種風(fēng)力渦輪機(jī)，其具有如上文中限定的控制器。
[0021]本發(fā)明還提供一種用于風(fēng)力發(fā)電站的控制器，發(fā)電站包括多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)每個都具有多個部件，發(fā)電站還包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)接點之間的多個其它部件，控制器包括風(fēng)力渦輪機(jī)壽命使用估算器和風(fēng)力發(fā)電站壽命使用估算器，所述風(fēng)力渦輪機(jī)壽命使用估算器用于估算由部件所消耗的疲勞壽命的量度，所述風(fēng)力發(fā)電站壽命使用估算器用于估算由多個其它部件所消耗的疲勞壽命的量度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]現(xiàn)在將會僅以實施例的方式并參照附圖來描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中:
[0023]圖1是是已知的使用發(fā)電站控制器的風(fēng)力發(fā)電站控制制度的示意圖；
[0024]圖2是風(fēng)速相對于功率的圖表，示出典型風(fēng)力渦輪機(jī)的功率曲線；
[0025]圖3是應(yīng)用本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電站控制制度的示意圖；
[0026]圖4是與圖3類似的示意圖，示出控制制度的細(xì)化；
[0027]圖5是與圖3類似的示意圖，示出控制制度的進(jìn)一步細(xì)化；
[0028]圖6是發(fā)電站設(shè)定點控制器的示意圖；
[0029]圖7是轉(zhuǎn)矩對速度的圖表,示出風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)約束；
[0030]圖8是展示過額定中斜率控制的使用的圖表；以及
[0031]圖9是展示過額定中偏移控制的使用的圖表；
[0032]圖10a) - d)展示疲勞和過額定之間的關(guān)系；
[0033]圖11展示渦輪機(jī)優(yōu)化器；以及
[0034]圖12展示在部件的壽命使用在給定部件年齡下超過其設(shè)計限度時如何防止過額定。
【具體實施方式】[0035]接下來的說明書論述對于風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電站中的渦輪機(jī)的一般控制、對于來自那些渦輪機(jī)的輸出功率的控制、以及基于由發(fā)電站控制器提供的設(shè)定點對于各個渦輪機(jī)內(nèi)的諸如速度和轉(zhuǎn)矩等運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的優(yōu)化。說明書描述由多渦輪機(jī)控制器提出并且作為指令發(fā)送到各個渦輪機(jī)的控制制度，以及由各個渦輪機(jī)實施并且接下來傳輸?shù)街T如發(fā)電站控制器等多渦輪機(jī)控制器的控制制度。
[0036]圖1示意性地示出包括多個風(fēng)力渦輪機(jī)20的常規(guī)風(fēng)力發(fā)電站10，多個風(fēng)力渦輪機(jī)中的每個與發(fā)電站控制器PPC30通訊。PPC30能夠與每個渦輪機(jī)雙向通訊。渦輪機(jī)輸出功率到電網(wǎng)連接點40，如由粗線50展示的那樣。
[0037]在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，并且假設(shè)風(fēng)狀況允許，每個風(fēng)力渦輪機(jī)20都將會輸出達(dá)到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的標(biāo)稱設(shè)定點的最大有功功率。這是由制造商規(guī)定的所述風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率。輸出到電網(wǎng)連接點的功率僅僅是每個渦輪機(jī)的輸出的總和。
[0038]圖2展示風(fēng)力渦輪機(jī)的常規(guī)功率曲線55，常規(guī)功率曲線繪制出X軸上的風(fēng)速對y軸上的功率輸出。曲線55是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的正常功率曲線并且限定根據(jù)風(fēng)速的由風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)所輸出的功率。如在本領(lǐng)域中熟知的，風(fēng)力渦輪機(jī)在切入風(fēng)速Vmin下開始發(fā)電。渦輪機(jī)接下來在部分負(fù)載(也被稱為局部負(fù)載)狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，直到在Vr處達(dá)到額定風(fēng)速。在點Vr處的額定風(fēng)速下，達(dá)到額定(或標(biāo)稱)發(fā)電機(jī)功率并且渦輪機(jī)在滿負(fù)載下運(yùn)轉(zhuǎn)。典型風(fēng)力渦輪機(jī)的切入風(fēng)速是3m/s并且額定風(fēng)速是12m/s。點Vmax是切出風(fēng)速，其是風(fēng)力渦輪機(jī)可以在輸送功率的同時運(yùn)轉(zhuǎn)的最大風(fēng)速。在等于或大于切出風(fēng)速的風(fēng)速下，風(fēng)力渦輪機(jī)由于安全因素而關(guān)閉，具體是要減小作用在風(fēng)力渦輪機(jī)上的負(fù)載。
[0039]如上所述，風(fēng)力渦輪機(jī)的額定功率在IEC61400中被定義為風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè)計為在正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和外部狀況下實現(xiàn)的最大連續(xù)電功率輸出。因此，常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè)計為在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，以使得部件的設(shè)計負(fù)載不被超過并且部件疲勞壽命不被超過。
[0040]如圖2所示，在本發(fā)明的實施方式中，控制渦輪機(jī)從而使得其能夠產(chǎn)生多于額定功率的功率，如由陰影區(qū)域58所指示出的那樣。術(shù)語“過額定”被理解為意指在滿負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生多于額定有功功率的功率。在渦輪機(jī)被過額定時，渦輪機(jī)比正常情況更積極地運(yùn)轉(zhuǎn)并且發(fā)電機(jī)對于給定風(fēng)速具有高于額定功率的功率輸出。
[0041]過額定的特征在于瞬時行為。在渦輪機(jī)被過額定時，其可以僅持續(xù)短短數(shù)秒，或在風(fēng)狀況和部件的疲勞壽命對于過額定有利的情況下可以持續(xù)延長的時間段。
[0042]過額定功率水平可以超出額定功率輸出高達(dá)30%。
[0043]為方便展示，示意性地示出PPC控制器30。其與每個渦輪機(jī)通訊并且能夠接收來自渦輪機(jī)的數(shù)據(jù)(諸如槳矩角、轉(zhuǎn)子速度、功率輸出等)，并且能夠發(fā)送指令(諸如槳矩角、轉(zhuǎn)子速度、功率輸出等的設(shè)定點)到各個渦輪機(jī)。PPC30還接收來自電網(wǎng)(例如來自電網(wǎng)運(yùn)營商)的指令，以便響應(yīng)于電網(wǎng)的需求或故障提升或減少有功功率或無功功率輸出。盡管沒有在示意圖中示出，但是每個風(fēng)力渦輪機(jī)還具有其自身的控制器，控制器負(fù)責(zé)渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)并且與PPC30通訊。
[0044]PPC控制器30接收來自每個渦輪機(jī)的功率輸出數(shù)據(jù)，并且因此知道在電網(wǎng)連接點40處由每個渦輪機(jī)和由發(fā)電站作為整體輸出的有功功率和無功功率。如果需要，PPC控制器30能夠作為整體接收發(fā)電站的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點，并且在每個渦輪機(jī)之間劃分運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點，以使得輸出不超過運(yùn)營商指定的設(shè)定點。發(fā)電站設(shè)定點可以是從O直到發(fā)電站額定功率輸出之間的任意點。發(fā)電站的“額定功率”或“標(biāo)稱功率”輸出是發(fā)電站中的各個渦輪機(jī)的額定功率輸出的總和。發(fā)電站設(shè)定點甚至可以高于發(fā)電站的額定功率輸出，即整個發(fā)電站被過額定。這在下文中被進(jìn)一步討論。
[0045]圖3示出本發(fā)明的第一實施方式。取代接收直接來自電網(wǎng)連接點的輸入，發(fā)電站控制器30接收信號，所述信號是總發(fā)電站輸出和標(biāo)稱發(fā)電站輸出之間差值的量度。所述差值被用于提供由各個渦輪機(jī)的過額定的基礎(chǔ)。在這個實施方式中，其僅僅是一個實施例，在減法器60處從發(fā)電廠的標(biāo)稱或額定輸出中減去發(fā)電廠實際輸出。在圖3中作為信號e示出的所述差值被輸入到積分器70。積分器包括內(nèi)置飽和，內(nèi)置飽和防止積分飽卷，積分飽卷是控制器中熟知的問題，其中在上升(飽卷)期間設(shè)定點出現(xiàn)較大改變并且積分項累計出非常大的誤差，因此隨著累積的誤差由沿其它方向(退卷)的誤差偏移，積分飽卷過沖和持續(xù)增加。
[0046]來自積分器70的輸出被輸入到放大器80，放大器施加固定增益G并且按照比例調(diào)節(jié)積分器輸出以提供過額定量，過額定量接下來被提供到控制器30并且由控制器發(fā)送到每個渦輪機(jī)20。在理論上，只有單個渦輪機(jī)可以被過額定，但是優(yōu)選的是過額定多個渦輪機(jī)，最優(yōu)選的是發(fā)送過額定信號到所有渦輪機(jī)。發(fā)送到每個渦輪機(jī)的過額定信號不是固定控制，而是指示出每個渦輪機(jī)可以執(zhí)行的過額定的最大量。每個渦輪機(jī)具有優(yōu)化器，優(yōu)化器可以定位在渦輪機(jī)處或在渦輪機(jī)中心，優(yōu)化器在下面被更詳細(xì)地描述，優(yōu)化器將會確定渦輪機(jī)是否能夠?qū)τ谶^額定信號做出響應(yīng)，并且在渦輪機(jī)能夠做出響應(yīng)的情況下，確定渦輪機(jī)以多少量進(jìn)行響應(yīng)。例如，在優(yōu)化器確定在給定渦輪機(jī)處的狀況是有利的并且超過額定風(fēng)速的情況下，優(yōu)化器可以積極地響應(yīng)并且給定渦輪機(jī)被過額定。隨著優(yōu)化器實施過額定信號，發(fā)電站的輸出將會升高，因此由減法器60產(chǎn)生的誤差信號將會減小。積分器將會隨著誤差達(dá)到零或積分器飽和來達(dá)到均衡。
[0047]因此，在這個實施方式中，過額定信號被生成。所述信號指示出可以由發(fā)電站的渦輪機(jī)作為整體執(zhí)行的過額定量。然而，每個渦輪機(jī)依據(jù)其優(yōu)化器對于過額定信號獨(dú)立地做出響應(yīng)。在狀況使得整體優(yōu)化導(dǎo)致預(yù)示將會超過發(fā)電站標(biāo)稱輸出的過額定的情況下，差值將會減小并且各個優(yōu)化器都將會減小所應(yīng)用的過額定量。
[0048]圖4示出圖3的布置的改型。圖4布置考慮到在真實發(fā)電站中可能出現(xiàn)在PPC30和渦輪機(jī)20之間的通訊延遲。這是重要的，因為過額定信號從PPC30傳輸?shù)綔u輪機(jī)20。在值tmG太大的情況下，其中t是延遲時間，m是過額定請求變化對比發(fā)電站輸出變化的比率，G是基本反饋增益，系統(tǒng)將會過沖、振蕩、或變得不穩(wěn)定。所述值是渦輪機(jī)對于來自PPC30的過額定指令做出響應(yīng)所花費(fèi)時間的量度。為確定tmG被維持在可接受范圍內(nèi)，可以在計算最大反饋增益時對于t和m設(shè)置上限。然而，所述方法使得控制器對于發(fā)電站輸出的變化的響應(yīng)很慢。這在輸出過低時是不符合期望的，在輸出過高時是不可接受的，因為這樣的運(yùn)轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致部件損傷。
[0049]圖4的布置克服所述問題。由PPC30經(jīng)由其各自的控制器對于各個渦輪機(jī)進(jìn)行詢問以計算m的值。圖4的布置與圖3類似，不同之處在于標(biāo)示放大器85的增益為G/m并且示出從渦輪機(jī)到放大器的輸入100。PPC30和渦輪機(jī)20之間的延遲被展示為延遲90。因此根據(jù)上限所確定的唯一參數(shù)是t。所述方法使得控制器能夠?qū)τ诎l(fā)電站輸出的變化更迅速地做出響應(yīng)。[0050]在這個實施例中，如通過圖3示例的那樣，發(fā)送到每個渦輪機(jī)的過額定指令是相同的。
[0051]應(yīng)當(dāng)理解的是，圖3的基本方法可以在控制器30和渦輪機(jī)之間的延遲可忽略不計的情況下使用。實際上，所述延遲將會由多個因素確定，但是PPC30到渦輪機(jī)的接近程度將會在確定延遲時起到很重要的作用。目前，PPC能夠在大約20秒中輪詢大型發(fā)電站中的所有渦輪機(jī)，但是可以預(yù)見的是，在不久的將來所述時間將會縮短到少于I秒或甚至縮短到數(shù)十毫秒。
[0052]在前面的兩個實施例中，相同的過額定設(shè)定點信號使用總發(fā)電站輸出發(fā)送到每個渦輪機(jī)以提供控制輸入。在圖5的實施方式中，每個渦輪機(jī)被給予其自身的過額定量。因此在圖5中中央優(yōu)化器110提供輸入到PPC30中。中央優(yōu)化器110接收來自每個渦輪機(jī)的指示出渦輪機(jī)的過額定能力的輸入120。輸入將會取決于多種因素(諸如局部風(fēng)狀況、發(fā)電的當(dāng)前成本、以及渦輪機(jī)的年齡或疲勞損傷)并且將會由各個渦輪機(jī)控制器提供。中央優(yōu)化器110將會基于渦輪機(jī)的當(dāng)前過額定能力計算每個渦輪機(jī)的過額定值并且傳輸所述值到每個渦輪機(jī)。當(dāng)然，PPC30將會考慮到其它因素，諸如對于確?？偣β瘦敵霾怀^發(fā)電站的額定輸出的需求。優(yōu)化器將會使得其決定基于其在渦輪機(jī)部件的疲勞損傷上作用的效果，在圖5中，這針對所有渦輪機(jī)集中執(zhí)行。
[0053]因此圖3至5展示可以經(jīng)由發(fā)電站控制器通過生成每個渦輪機(jī)的共用過額定指令或通過生成每個渦輪機(jī)的各自過額定指令來對于每個渦輪機(jī)實施過額定的方法。
[0054]上面給出的每個實施例都使得發(fā)電站輸出設(shè)定點能夠被追蹤，這繼而使得能夠改變發(fā)電站設(shè)定點。圖6展示用于控制發(fā)電站設(shè)定點的附加可選擇的控制水平?？刂破饕氚l(fā)電站設(shè)定點控制器PPSC，發(fā)電站設(shè)定點控制器基于能夠生成的功率值(例如取決于一天或一年中的時間的功率值)，或基于某些其它外部變量(諸如渦輪機(jī)年齡或?qū)τ跍u輪機(jī)運(yùn)營商生成現(xiàn)金流的需求)來產(chǎn)生設(shè)定點。在這個實施例中，每個渦輪機(jī)都可以通過各自的渦輪機(jī)優(yōu)化器來控制其自身的疲勞壽命，或如圖5的實施例中的那樣，疲勞控制可以通過中央優(yōu)化器進(jìn)行。在圖6中，PPST是發(fā)電站設(shè)定點追蹤器并且對應(yīng)于圖5的優(yōu)化器。
[0055]在圖6實施方式的第一變型中，手動改變發(fā)電站輸出設(shè)定點，或預(yù)定以取決于日期移動發(fā)電站輸出設(shè)定點。在一年的過程中，可以設(shè)定多個設(shè)定點變化。這樣做的目的是要得益于饋入電價或電力購買協(xié)議，并且有助于發(fā)電站運(yùn)營商的凈現(xiàn)值。除季節(jié)性變動之夕卜，也可以預(yù)定設(shè)定點的晝夜變化以考慮到更高的白天電力價格。這些僅僅是一些實施例，可以用類似的方式預(yù)定更先進(jìn)的電力價格變化以幫助發(fā)電廠運(yùn)營商使得其來自渦輪機(jī)的回報最大化。
[0056]除電力價格每日波動，還存在由于更廣闊的市場影響(諸如石油和天然氣等原材料的價格)而觀察到的更緩慢的價格變化。僅僅預(yù)定發(fā)電站運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點的變化并不能考慮到這些變化，因為所述變化并非周期性或可預(yù)知的。相反，在由發(fā)電站供電的地理范圍中的現(xiàn)貨市場上的電力實時價格能夠向控制器提供附加或替代的輸入。因此在石油或天然氣的價格高于閾值時功率設(shè)定點較高，并且在石油或天然氣的價格下降到低于閾值時功率設(shè)定點較低。當(dāng)設(shè)定點較高時在渦輪機(jī)的本地控制器允許的情況下，命令渦輪機(jī)過額定，以使得發(fā)電站運(yùn)營商能夠從現(xiàn)貨市場的更高價格中獲益。很可能的是所述方法將不會對于疲勞壽命造成整體影響，因為設(shè)定點的中間點被選擇使得渦輪機(jī)在較高設(shè)定點處將會花費(fèi)與在較低設(shè)定點處相比同樣多的時間。
[0057]除基于現(xiàn)貨市場價格控制或作為基于現(xiàn)貨市場價格控制的替代方式，控制器還可以考慮到在期貨市場上正進(jìn)行交易的電力價格，期貨市場對于未來數(shù)小時、數(shù)天、或甚至數(shù)周的可能的電力價格給出有力的指示。這些市場部分受到負(fù)載預(yù)測的影響，負(fù)載預(yù)測例如考慮到預(yù)期的天氣狀況并且可以被用作向控制器的輸入，以便協(xié)助達(dá)到最優(yōu)控制設(shè)定點。
[0058]在所描述的實施方式中，在發(fā)電站的總輸出低于發(fā)電站的標(biāo)稱輸出時，潤輪機(jī)的輸出被過額定。這可能是出于各種原因。例如，在所有渦輪機(jī)的總額定輸出等于發(fā)電站的額定輸出的情況下，在一些渦輪機(jī)由于維護(hù)而停機(jī)或例如因為局部風(fēng)狀況不允許而不在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可以使用過額定。
[0059]替代地，發(fā)電站可以被設(shè)計成具有高于所有渦輪機(jī)的額定輸出的總和的額定功率輸出。這樣是有利的，因為即使在所有渦輪機(jī)都處于額定輸出時，也可以使用過額定。這使得發(fā)電站運(yùn)營商能夠容易地受益于如上所述的運(yùn)轉(zhuǎn)價格的變化。以上針對圖6概述的方法使得發(fā)電站運(yùn)營商能夠通過使用過額定并且因此提升由發(fā)電站生成的獲益而受益于有利的市場狀況和價格。運(yùn)營商可以選擇使用本發(fā)明的這個實施方式以在需要額外受益的任何時間都可以過額定，即使市場數(shù)據(jù)或價格在當(dāng)前時間下并不是特別有利的情況下。實施方式給予運(yùn)營商生成可能由于各種商業(yè)原因而需要的額外現(xiàn)金流的能力。
[0060]針對圖3至6所描述的實施方式示出能夠如何使用過額定以響應(yīng)于檢測到的發(fā)電站輸出的欠缺或響應(yīng)于外部經(jīng)濟(jì)狀況提升各個渦輪機(jī)的輸出。圖7 - 9涉及渦輪機(jī)對于過額定運(yùn)轉(zhuǎn)的實際優(yōu)化，以及示出過額定指令可以如何實施。
[0061]圖7是風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩對發(fā)電機(jī)旋速度度的圖表。曲線P1和P2對應(yīng)于功率設(shè)定點PpP2的恒定功率的曲線。根據(jù)功率是轉(zhuǎn)矩和旋速度度的乘積來繪制所述曲線。來自PPC30的過額定指令采用偏移功率設(shè)定點到新值的形式。渦輪機(jī)接下來必須選擇運(yùn)轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩以輸送功率。
[0062]渦輪機(jī)具有被定義為使得其能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、以及速度的硬性約束。這些約束由控制器來施加并且由諸如噪聲限度、齒輪箱潤滑、部件壽命等因素支配。這些約束被稱為硬性約束，因為控制器不可以違反約束，除非是在執(zhí)行停機(jī)的極端情況下。雖然這些約束是嚴(yán)格的，但是其可以隨時間改變。
[0063]控制器也可以施加軟性約束，軟性約束適用于防止渦輪機(jī)在過額定期間停機(jī)，停機(jī)通常因為接近熱限度或最大發(fā)電機(jī)速度。例如在整個傳動系中，重要部件的溫度增加將會在過額定期間發(fā)生，并且能夠跳閘停機(jī)。軟性約束可以低于硬性約束，但是導(dǎo)致控制器降低過額定量而不是執(zhí)行停機(jī)。因此渦輪機(jī)優(yōu)化器可以包括與傳動系有關(guān)的參數(shù)和發(fā)電機(jī)速度的軟性約束值。在控制器檢測到測量到的值接近軟性約束值時，過額定信號減少。
[0064]因此，參照圖7，在轉(zhuǎn)矩對旋速度度的圖表上存在方框200，渦輪機(jī)能夠在方框內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。方框由最大和最小的速度和轉(zhuǎn)矩來界定。渦輪機(jī)優(yōu)化器的目的是選出針對渦輪機(jī)的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)點。在圖5中，優(yōu)化器被示出為中央單元，中央單元執(zhí)行針對多個渦輪機(jī)(可能針對發(fā)電站中的所有渦輪機(jī))的計算。但是這并不是必然的情況，優(yōu)化器能夠物理地定位在渦輪機(jī)處(例如作為現(xiàn)有渦輪機(jī)控制器的一部分)的計算機(jī)上執(zhí)行。在這種情況下，數(shù)據(jù)經(jīng)過通信鏈路被傳輸?shù)絇PC30。因此，術(shù)語‘渦輪機(jī)優(yōu)化器’指的是選擇針對給定渦輪機(jī)的設(shè)定點，而并非暗指任意位置。[0065]能夠從圖7中看到的是，渦輪機(jī)不能在恒定功率曲線P1上的任何點處實現(xiàn)運(yùn)行，恒定功率曲線始終處于方框200之外。在這種情況下，在PPC30請求在給定渦輪機(jī)處的功率設(shè)定點P1的情況下，渦輪機(jī)優(yōu)化器將會選擇在方框的右上角210處的最優(yōu)旋速度度和轉(zhuǎn)矩。在PPC30請求在給定渦輪機(jī)處的功率設(shè)定點P2的情況下，恒定功率P2的曲線經(jīng)過方框，從而在所述曲線的經(jīng)過方框的部分上的任何點都能夠被選擇作為運(yùn)轉(zhuǎn)點。渦輪機(jī)優(yōu)化器的目的是沿曲線的所述部分選擇最佳點。雖然圖中示出發(fā)電機(jī)旋速度度，但是術(shù)語旋速度度也可以指發(fā)電機(jī)的旋速度度、轉(zhuǎn)子的旋速度度、或沿傳動系的任何位置的速度。雖然絕對值是不同的，但是它們都是相關(guān)的。
[0066]雖然沒有在圖中示出，但是在恒定功率曲線將會完全處于方框200下方的情況下，存在兩個可用的選擇。第一，渦輪機(jī)停機(jī)，因為在方框內(nèi)的任何設(shè)定點都將會產(chǎn)生高于功率設(shè)定點的功率輸出。第二，渦輪機(jī)通過與曲線P1的情況類比而設(shè)定旋速度度和轉(zhuǎn)矩為方框200的左下角，并且通知發(fā)電站控制器30:渦輪機(jī)正運(yùn)行在所請求的功率設(shè)定點上方。PPC30接下來能夠通過降低一個或多個其它渦輪機(jī)的設(shè)定點來優(yōu)化這種情況。然而，在所有渦輪機(jī)或基本上大部分渦輪機(jī)處于左下角的情況下，至少一些渦輪機(jī)將會不得不停機(jī)。
[0067]功率設(shè)定點曲線上的在方框200內(nèi)的任何點都是有效的。下面的章節(jié)描述已考慮渦輪機(jī)和渦輪機(jī)部件的疲勞壽命的情況下如何選擇設(shè)定點(或恒定功率的曲線)。
[0068]上面針對圖3至5的描述解釋如何使用從PPC30發(fā)送出的共用過額定信號或設(shè)定點來控制所有渦輪機(jī)的過額定，從而控制發(fā)電站的整體輸出。然而，過額定造成內(nèi)在風(fēng)險，特別是對于渦輪機(jī)部件的完整性造成風(fēng)險，并且重要的是控制在渦輪機(jī)的壽命中使用過額定的程度。這可以通過下述一種方式實現(xiàn):對于每個渦輪機(jī)而言，通過最適合其自身的方式響應(yīng)共用過額定信號或設(shè)定點。計算或評估可以在各個渦輪機(jī)處作為其中央處理的一部分進(jìn)行，或可以在PPC30處進(jìn)行，PPC可以針對多個渦輪機(jī)基于從那些渦輪機(jī)接收的數(shù)據(jù)獨(dú)立地執(zhí)行計算。
[0069]因此，當(dāng)在每個渦輪機(jī)處從PPC30接收到過額定需求時，每個渦輪機(jī)在考慮到疲勞的情況下處理并且響應(yīng)所述信號。在對于關(guān)鍵部件的疲勞壽命影響過大的情況下，渦輪機(jī)可以不過額定或可以不以被請求的水平過額定。關(guān)鍵部件的示例包括轉(zhuǎn)子葉片、葉片變槳系統(tǒng)、主軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、變壓器、偏航系統(tǒng)、塔架、以及基座。這將會取決于在渦輪機(jī)處的狀況以及渦輪機(jī)的壽命歷史。例如，接近預(yù)期壽命終點的渦輪機(jī)可能處于高度疲勞狀態(tài)并且不適于以所需要的過額定水平運(yùn)行。在因為一些或所有渦輪機(jī)為疲勞保護(hù)而在所需求的過額定水平下運(yùn)轉(zhuǎn)而使得發(fā)電站輸出不足的情況下，過額定需求將會持續(xù)上升直到其達(dá)到其設(shè)定點或飽和狀態(tài)。
[0070]在使用反饋系統(tǒng)的情況下，諸如在圖3和4中的那樣，每個渦輪機(jī)都能夠根據(jù)壽命使用來改變渦輪機(jī)的過額定響應(yīng)。從PPC30發(fā)送出的過額定設(shè)定點通過響應(yīng)函數(shù)處理，響應(yīng)函數(shù)的實施例在下面的圖8和9中描述。在這些圖中，渦輪機(jī)過額定響應(yīng)在Y軸上示出，接下來發(fā)送被選擇的響應(yīng)到如在前章節(jié)中描述的選擇旋速度度和轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)。因此，在圖8的圖表中，采用斜率控制方法。在此，控制器下達(dá)5%過額定需求到渦輪機(jī)。理想情況下，渦輪機(jī)將會以5%過額定響應(yīng)。在形成控制器的一部分的輸出穩(wěn)定器需要如此的情況下，渦輪機(jī)可以以5%過額定響應(yīng)，而不顧疲勞問題。高度疲勞的渦輪機(jī)將會在請求為零或降低額定，或略微過額定，如圖8中的虛線300所示的那樣。輕度疲勞的渦輪機(jī)即使在來自控制器的過額定請求為零時也可以過額定，如圖8中的虛線所示的那樣。這些線的斜率可以根據(jù)渦輪機(jī)已經(jīng)歷的疲勞程度改變并且將會影響m的值，即參照上面的圖4描述的過額定請求對比發(fā)電站輸出變化之間的比率。
[0071]在圖8中，經(jīng)過原點的虛線304表示由具有預(yù)期疲勞程度的渦輪機(jī)提供的響應(yīng)對比需求的1:1比率。
[0072]圖9示出替代方法，但是需要強(qiáng)調(diào)的是，圖8和9僅僅示出大量可能方法中的兩種。在圖9中，軸線與圖8中相同，虛線304也表示來自具有預(yù)期疲勞的渦輪機(jī)的1:1響應(yīng)。然而，在這種情況下，如虛線306所示，在渦輪機(jī)足夠高度疲勞的情況下，其將永遠(yuǎn)不會過額定，因為函數(shù)將會完全下降到X軸下方。類似地，在疲勞足夠低的情況下，渦輪機(jī)將會一直過額定。響應(yīng)不會隨著發(fā)電站需求變化而快速變化，因為斜率是恒定的。
[0073]在圖7的描述中，描述對于速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點施加硬性約束。這些疲勞控制軟性約束可以在硬性約束之前施加。因此，圖7的方框200內(nèi)的設(shè)定點的選擇不會受到疲勞或壽命使用信息的影響。
[0074]在評估風(fēng)力渦輪機(jī)的不同部件的疲勞時，不同部件將會在各種狀況下以不同速率疲勞。一些部件的疲勞壽命將會對于速度更敏感，而其它部件的疲勞壽命將會對于轉(zhuǎn)矩更敏感。渦輪機(jī)部件能夠被分成速度敏感部件和轉(zhuǎn)矩敏感部件，圖8和9的兩個響應(yīng)函數(shù)的線的斜率和/或位置接下來根據(jù)每個組中的最壞情況來選擇。
[0075]為使得以高于額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)損害較小并且具有較小的疲勞損傷，在考慮與速度和轉(zhuǎn)矩有關(guān)的疲勞損傷時，關(guān)鍵部件可以進(jìn)行升級。例如，在確立齒輪箱是與關(guān)鍵疲勞相關(guān)的部件的情況下，齒輪箱可以相對于其它部件進(jìn)行升級，以使得整體疲勞預(yù)期下降，并且渦輪機(jī)的過額定變得更容易接受，并且渦輪機(jī)能夠過額定的時間增加。
[0076]因此，圖8和9的實施方式提供在基于反饋的過額定系統(tǒng)的內(nèi)容中的疲勞控制。
[0077]圖5描述的過額定方法是基于直接計算過額定量，而并非基于發(fā)電站輸出處的差值信號的反饋。疲勞控制可以被結(jié)合到所述方法中。PPC30負(fù)責(zé)設(shè)定每個渦輪機(jī)的設(shè)定點并且還選擇功率和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點。通過使用基于狀態(tài)的系統(tǒng)，其中狀態(tài)是每個渦輪機(jī)的累積疲勞，并且輸入是功率或速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點，基于疲勞的類似控制可以實現(xiàn)，因為PPC30將會知曉從各個渦輪機(jī)傳輸過來的疲勞數(shù)據(jù)，疲勞數(shù)據(jù)接下來能夠在設(shè)定功率或速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點時被考慮進(jìn)去。
[0078]因此，本發(fā)明的實施方式提供使得發(fā)電站的風(fēng)力渦輪機(jī)能夠被過額定的各種控制器。過額定可以通過響應(yīng)于低于發(fā)電站標(biāo)稱輸出的測量到的輸出而提供的共用控制來實現(xiàn)，或者過額定可以通過對于各個渦輪機(jī)的優(yōu)化來實現(xiàn)。過額定可以附加地或替代地基于外部經(jīng)濟(jì)因素，外部經(jīng)濟(jì)因素基于所產(chǎn)生電力的當(dāng)前價格和所產(chǎn)生電力的成本的預(yù)期或期望的改變。此外，在確定渦輪機(jī)能夠被過額定的程度時，渦輪機(jī)部件的疲勞壽命能夠被考慮進(jìn)去，從而使得渦輪機(jī)的壽命能夠被保藏，并且在適當(dāng)?shù)那闆r下能夠通過過額定生成額外收益。
[0079]所描述的各種實施方式可以被組合以提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使得過額定不僅能夠在發(fā)電站處于低于標(biāo)稱輸出的情況下提升輸出，而且還考慮到外部經(jīng)濟(jì)因素，諸如控制器還可以結(jié)合基于疲勞壽命的控制。
[0080]因此，在所描述的實施方式中，具有多個風(fēng)力渦輪機(jī)的發(fā)電站目的在于為電網(wǎng)提供事先商定的電量。發(fā)電站控制器管理從每個渦輪機(jī)提取多少電力以便匹配需求。通常，從PPC發(fā)送到各個渦輪機(jī)的功率需求由渦輪機(jī)各自的銘牌額定值的限制。在所描述的實施方式中，渦輪機(jī)限制其自身的產(chǎn)能，并且發(fā)送來自PPC的功率需求到每個渦輪機(jī)上的渦輪機(jī)優(yōu)化器(TO)。優(yōu)化器被設(shè)計成計算速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點并且將其發(fā)送到產(chǎn)能控制器。設(shè)定點被選擇以使得由渦輪機(jī)在其壽命期間產(chǎn)生的功率最大化，同時保持負(fù)載在渦輪機(jī)的設(shè)計限度內(nèi)。渦輪機(jī)的設(shè)計限度由構(gòu)成渦輪機(jī)的所有部件的疲勞限度和極限負(fù)載限度組成。替代地，能夠發(fā)送其它設(shè)定點信號，并且在本發(fā)明的一個實施方式中，發(fā)送功率、轉(zhuǎn)矩、以及速度設(shè)定點中的至少一個。
[0081]為確保所有部件的疲勞負(fù)載限度都維持在其涉及壽命內(nèi)，可以測量部件經(jīng)歷的負(fù)載(例如彎曲力矩、溫度、力、或運(yùn)動)，并且可以例如使用諸如雨流計數(shù)法(Rainflowcounting)和邁因那法則(Miner’ s rule)或化學(xué)衰減公式等熟知的技術(shù)來計算所消耗的部件疲勞壽命的量度。各個渦輪機(jī)接下來能夠以不超過設(shè)計限度的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。一種用于測量給定部件所消耗的疲勞壽命的裝置被稱為給定部件的壽命使用估算器(LUE)。來自這些LUE的輸出能夠以兩種方式被使用。LUE能夠通知渦輪機(jī)在給定時間點處所經(jīng)歷的總疲勞是低于還是高于渦輪機(jī)設(shè)計成能承受的水平，并且TO能夠在損傷低于預(yù)期水平時決定進(jìn)行過額定。LUE還能夠用于測量疲勞累積速率，如與絕對水平相對的那樣。在部件的疲勞壽命被迅速消耗的情況下，可以更謹(jǐn)慎的是，不渦輪機(jī)的過額定，即使渦輪機(jī)的當(dāng)前疲勞壽命小于在此時的預(yù)期。疲勞壽命使用速率接下來可以作為輸入到額定控制器的一個輸入，并且協(xié)助決定是否進(jìn)行過額定。
[0082]在實踐中，測量所有部件上的所有負(fù)載信號是不適當(dāng)?shù)模喾?，LUE被用于渦輪機(jī)上的所有部件的一部分。為防止使用壽命未被LUE測量的部件達(dá)到其疲勞限度，并且還為防止部件超過極限限度，基于可測量信號(例如溫度或電流)的值來對于渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)施加約束。這些約束被稱作運(yùn)轉(zhuǎn)約束。運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器(OCC)限定應(yīng)當(dāng)如何限制渦輪機(jī)的行為，以便防止測量到的信號超過這些運(yùn)轉(zhuǎn)約束或觸發(fā)可以導(dǎo)致渦輪機(jī)停機(jī)的警報。例如在對于匯流排的溫度設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)約束的情況下，運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器可以以與溫度限度和當(dāng)前測量到的溫度之間差值成反比的一定量減小發(fā)送到產(chǎn)能控制器的參考功率。運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器的另一個用途能夠是基于所產(chǎn)生的噪聲限制渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂破鲗藐P(guān)于如何轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)點為對于噪聲的測量的模型。
[0083]為防止部件極限負(fù)載達(dá)到其限度，限定對于轉(zhuǎn)矩、速度、以及功率的約束。這可以通過運(yùn)行離線仿真并且判斷能夠在不具有超過極限負(fù)載限度的可能性的情況下實現(xiàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)點大于預(yù)定量來實現(xiàn)。一種更先進(jìn)的方式將會是根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀況來選擇限度，例如，在當(dāng)前風(fēng)狀況是高湍流的情況下，所述限度將會低于在風(fēng)狀況是低湍流的情況下的限度。這些狀況能夠使用激光雷達(dá)單元、來自MET桿的數(shù)據(jù)、或渦輪機(jī)信號來判斷。
[0084]如所描述的那樣，在本發(fā)明的一個方面中，給定渦輪機(jī)過額定的程度可以根據(jù)在任何給定時間支付給運(yùn)營商用于電力的價格而改變，因此使得來自投資的收益最大化。所述方面可以與壽命使用估算結(jié)合，傳遞對于功率需求而言很重要的產(chǎn)能量度，并且使用所述量度以放寬或收緊疲勞累積速率的限度或極限負(fù)載超過渦輪機(jī)設(shè)計值可能性的限度?；跉庀髷?shù)據(jù)的天氣預(yù)報也可以被采用以確定在預(yù)計范圍內(nèi)過額定能夠在何時最有價值。
[0085]從在前描述中清楚知道的是，是否過額定的決定可以由渦輪機(jī)自身或由中央化的控制器來做出。在操作一組渦輪機(jī)時，可以更謹(jǐn)慎的是，比較各種渦輪機(jī)的狀況以決定哪一個渦輪機(jī)應(yīng)當(dāng)過額定、渦輪機(jī)應(yīng)當(dāng)過額定到何種程度、以及渦輪機(jī)應(yīng)當(dāng)以何種方式過額定。這可以通過兩個單獨(dú)的方式實現(xiàn)。在第一實施方式中，壽命使用估算器和運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器仍然存在于各個渦輪機(jī)上，并且這些壽命使用估算器和運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器為中央化的控制器提供對于發(fā)電站中的每個渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度、以及功率的約束。中央化的控制器接下來執(zhí)行優(yōu)化以最小化產(chǎn)生的總功率與電網(wǎng)需求之間的偏差，并且以與渦輪機(jī)當(dāng)前狀態(tài)和其所見到(或期望見到)的環(huán)境狀況相匹配的方式在渦輪機(jī)之間分配負(fù)載。所述優(yōu)化還能夠利用關(guān)于渦輪機(jī)位置和當(dāng)前風(fēng)向的信息，以便最小化由空氣動力相互作用導(dǎo)致的負(fù)載。
[0086]在第二實施方式中，渦輪機(jī)被允許與發(fā)電站中的一部分渦輪機(jī)(或所有渦輪機(jī))交換信息。所交換的信息將不會是已使用的部件壽命，而是關(guān)于其當(dāng)前狀況和未來產(chǎn)能能力的認(rèn)證。這執(zhí)行起來將不會有第一實施方式中實現(xiàn)的全局優(yōu)化的效果好，但是將會顯著地減少通訊和計算需求。所述系統(tǒng)將會模仿互聯(lián)網(wǎng)路由器基于每個通信鏈路的總成本和在前發(fā)送的數(shù)據(jù)量來管理互聯(lián)網(wǎng)路由器傳輸速率的方式(TCP-1P)。
[0087]現(xiàn)在將會更詳細(xì)地描述壽命使用估算器。估算壽命使用所需的算法對于不同的部件將會有所不同，壽命使用估算器包括壽命使用估算器算法庫，壽命使用估算器算法庫包括以下各項中的一些或全部:負(fù)載持續(xù)時間、負(fù)載運(yùn)行分配、雨流計數(shù)、應(yīng)力循環(huán)損傷、溫度循環(huán)損傷、發(fā)電機(jī)熱反應(yīng)速率、變壓器熱反應(yīng)速率、以及軸承磨損。此外也可以使用其它算法。如上面提到的那樣，壽命使用估算僅僅可以用于所選擇的重要部件，使用算法庫使得能夠為LUE選擇新部件、能夠從庫中選擇適當(dāng)?shù)乃惴?、以及能夠為所述部件設(shè)定特定的參數(shù)。
[0088]在一個實施方式中，壽命使用估算器針對渦輪機(jī)的所有主要部件實施，主要部件包括、葉片結(jié)構(gòu)、葉片軸承部件、葉片變槳系統(tǒng)部件、主軸、主軸軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、電功率系統(tǒng)變壓器、機(jī)艙底板、偏航系統(tǒng)、塔架、以及基座。在任何實施方式中，都可以決定省略這些部件中的一個或多個和/或包括更多部件。
[0089]作為合適算法的實施例，雨流計數(shù)可以用在葉片結(jié)構(gòu)、葉片螺栓、變槳系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換器、偏航系統(tǒng)、塔架、以及基座估算器中。在葉片結(jié)構(gòu)算法中，雨流計數(shù)被應(yīng)用到葉片根部彎曲翼展方向和邊緣方向轉(zhuǎn)矩以識別應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值，并且發(fā)送輸出到應(yīng)力循環(huán)損傷算法。對于葉片螺栓而言，雨流計數(shù)被應(yīng)用到螺栓彎曲力矩以識別應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值，并且發(fā)送輸出到應(yīng)力循環(huán)損傷算法。在變槳系統(tǒng)、主軸系統(tǒng)、塔架、以及基座估算器中，雨流計數(shù)算法也被應(yīng)用以識別應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值，并且發(fā)送輸出到應(yīng)力循環(huán)損傷算法。雨流算法所應(yīng)用到的參數(shù)可以包括:
[0090]變槳系統(tǒng)-變槳力；
[0091]主軸系統(tǒng)-主軸轉(zhuǎn)矩；
[0092]塔架-塔架應(yīng)力；
[0093]基座-基座應(yīng)力。
[0094]在偏航系統(tǒng)中，雨流算法被應(yīng)用到塔架頂部扭力以識別負(fù)載持續(xù)時間，并且發(fā)送所述輸出到應(yīng)力循環(huán)損傷算法。在轉(zhuǎn)換器中，發(fā)電機(jī)功率和RPM被用來推斷溫度，雨流計數(shù)被用于所述溫度以識別溫度循環(huán)和平均值。接下來發(fā)送輸出到轉(zhuǎn)換器損傷算法。
[0095]葉片軸承的壽命使用可以通過輸入葉片翼展方向負(fù)載和變槳速度作為到負(fù)載持續(xù)時間算法或軸承磨損算法的輸入來監(jiān)控。對于齒輪箱而言，應(yīng)用負(fù)載運(yùn)行持續(xù)時間到主軸轉(zhuǎn)矩以計算已使用的壽命。對于發(fā)電機(jī)而言，使用發(fā)電機(jī)RPM來推斷發(fā)電機(jī)溫度，所述發(fā)電機(jī)溫度被用作到熱反應(yīng)速率發(fā)電機(jī)算法的輸入。對于變壓器而言，變壓器溫度根據(jù)功率和周圍溫度來推斷以提供到變壓器熱反應(yīng)速率算法的輸入。
[0096]在可能的情況下，優(yōu)選地使用現(xiàn)有傳感器以提供算法所操作的輸入。因此，例如，風(fēng)力渦輪機(jī)通常直接測量葉片結(jié)構(gòu)、葉片軸承、以及葉片螺栓估算器所需的葉片根部彎曲邊緣方向和翼展方向轉(zhuǎn)矩。對于變槳系統(tǒng)而言，可以測量氣缸的第一腔室中的壓力，并且可以推斷第二腔室中的壓力，使得能夠計算變槳力。這些僅僅是實施例，也可以直接測量或由其它可用的傳感器輸出來推斷作為輸入所需的其它參數(shù)。對于一些參數(shù)而言，在不能以足夠的精度推斷出其值的情況下，有利的是可以使用附加的傳感器。
[0097]用于各種類型疲勞估算的算法都是已知的，并且可以在下面的標(biāo)準(zhǔn)和文本中找到:
[0098]負(fù)載運(yùn)行分配和負(fù)載持續(xù)時間:
[0099]Guidelines for the Certification of Wind Turbines,GermainischerLloyd, Section7.4.3.2Fatigue Loads
[0100]雨流:
[0101]IEC61400-1 ‘Wind turbines - Partl: Design requirements, Annex G
[0102]邁因納求和:
[0103]IEC61400-1 ‘Wind turbines - Partl: Design requirements, Annex G
[0104]冪定律(化學(xué)衰減):
[0105]IEC60076-12 ‘Power Transformers - Partl2: Loading guide for dry-typepower transformers’ ,Section5
[0106]計算壽命使用所利用的頻率可以改變。在一個實施方式中，部件的已使用壽命每隔幾分鐘被計算一次，并且以年來表示?？梢悦糠昼娪嬎阋淮螇勖褂盟俾?。然而，也可以使用其它時間間隔。提供計算值到渦輪機(jī)優(yōu)化器，因此，渦輪機(jī)優(yōu)化器每隔幾分鐘接收到針對所有主要部件的值，并且每分鐘接收到針對所有主要部件的使用速率值。
[0107]在圖11中展示渦輪機(jī)優(yōu)化器。渦輪機(jī)優(yōu)化器使得渦輪機(jī)以不超過由PPC發(fā)送的功率水平的功率水平運(yùn)轉(zhuǎn)，并且基于來自壽命使用估算器和OCC的信息來輸出轉(zhuǎn)矩和速度的最優(yōu)水平。
[0108]如能夠從圖11看到的那樣，渦輪機(jī)優(yōu)化器400包括設(shè)定點選擇器410和快速約束滿足單元420。設(shè)定點選擇器接收如上所述的PPC需求、來自O(shè)CC的操作約束、以及主要部件的壽命使用數(shù)據(jù)作為其輸入。在圖11的實施例中，所述輸入是壽命使用的絕對值，而非使用速率。設(shè)定點選擇器周期性地(例如在每分鐘和每幾分鐘之間)輸出最優(yōu)設(shè)定點到快速約束滿足單元?？焖偌s束滿足單元420還接收PCC需求信號、壽命使用日期、以及運(yùn)轉(zhuǎn)約束作為輸入，并且周期性地輸出速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點。在所示出的實施例中，設(shè)定點以從PPC接收的需求信號的頻率輸出。
[0109]在被確定壽命使用的部件中，每個部件在累積的損傷僅僅與速度過額定百分比有關(guān)聯(lián)的情況下將會被分類為速度敏感型，在累積的損傷僅僅與轉(zhuǎn)矩過額定百分比有關(guān)聯(lián)的情況下將會被分類為轉(zhuǎn)矩敏感型。在部件對速度和轉(zhuǎn)矩都敏感的情況下，其可以是泛型的。
[0110]如所提到的那樣，設(shè)定點選擇器410旋轉(zhuǎn)最優(yōu)速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點。這在以分鐘為單位的緩慢時標(biāo)Ts上完成。選擇設(shè)定點選擇器更新速率Ts使得性能最大化，同時保證過額定控制器不與渦輪機(jī)軟件中的現(xiàn)有控制器發(fā)生干擾。
[0111]設(shè)定點選擇器410接收所有被估算部件的壽命使用估算，并且選擇對應(yīng)于損傷最嚴(yán)重的部件的值；所述部件具有最大使用壽命。在所述部件已經(jīng)消耗的疲勞壽命超過其被設(shè)計成在該時間點處使用的疲勞壽命的情況下，設(shè)定點選擇器輸出等于其各自額定值的最優(yōu)速度和功率設(shè)定點。因此，在所述情況下，不存在過額定。在圖12中展示這種情況，其示出設(shè)計疲勞水平作為從安裝到報廢的時間對壽命使用估算值的直線圖表。在圖中，在時間點‘今天’的累積疲勞大于設(shè)計水平，因此不允許進(jìn)行過額定。圖12僅僅是示意性的，直線圖表可能無法反映出期望的壽命累計，使用速率將會取決于季節(jié)。
[0112]在任何速度敏感型部件在所述時間點已使用比其設(shè)計值更大的疲勞壽命的情況下，設(shè)定點選擇器輸出等于額定速度的最優(yōu)速度設(shè)定點，在任何轉(zhuǎn)矩敏感型部件在所述時間點已使用比其設(shè)計值更大的疲勞壽命的情況下，設(shè)定點選擇器輸出等于額定轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩設(shè)定點。設(shè)定點選擇器選擇最優(yōu)設(shè)定點以使得受到在步長開始時采樣得到的來自PPC和運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器的約束影響而產(chǎn)生的功率最大化。設(shè)定點選擇器還試圖使得損傷與損傷最嚴(yán)重的速度和轉(zhuǎn)矩敏感型部件相同。
[0113]在這個實施例中，快速約束滿足單元在比設(shè)定點選擇器更高的頻率下運(yùn)轉(zhuǎn)并且應(yīng)用飽和到最優(yōu)速度和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點，限制輸出到由運(yùn)轉(zhuǎn)約束控制器和PPC提供的限度。
[0114]在任何速度/轉(zhuǎn)矩敏感型部件已消耗多于其目標(biāo)壽命的壽命的情況下，快速約束滿足單元不允許渦輪機(jī)優(yōu)化器發(fā)送由速度/轉(zhuǎn)矩過額定的設(shè)定點。類似地，在任何泛型部件已消耗多于其目標(biāo)壽命的壽命的情況下，渦輪機(jī)優(yōu)化器將不會發(fā)送過額定功率設(shè)定點。
[0115]所描述的實施方式設(shè)想基于轉(zhuǎn)矩和速度的過額定。過額定還可以在恒速渦輪機(jī)(例如恒速主動失速渦輪機(jī))中使用。在這種情況下，僅僅功率信號被過額定，發(fā)電站中的每個渦輪機(jī)，或發(fā)電站的一部分中的每個渦輪機(jī)發(fā)送過額定需求到PPC，PPC監(jiān)控總輸出，并且在總輸出高于發(fā)電站的額定輸出的情況下減小過額定量。替代地，僅僅功率信號可以被過額定。實際上，可能很少出現(xiàn)這種情況，因為取決于天氣狀況，并非所有渦輪機(jī)都將會過額定，一些渦輪機(jī)可能不發(fā)出任何功率，例如因為其由于維護(hù)而停機(jī)。替代地，功率調(diào)節(jié)模型使用控制回路，控制回路比較來自每個渦輪機(jī)的風(fēng)速輸入數(shù)據(jù)與已知功率曲線，以便預(yù)測每個渦輪機(jī)在任何給定時間能夠產(chǎn)生多少功率。PRM發(fā)送各自的功率需求到每個渦輪機(jī)，使得將會獲得的目標(biāo)盡可能接近發(fā)電站額定功率。PRM可以與過額定渦輪機(jī)的擴(kuò)展功率曲線一起使用。
[0116]本發(fā)明的實施方式使得過額定能夠在適當(dāng)時間使用以降低能源成本。在風(fēng)力發(fā)電站內(nèi)，過額定可以選擇性地使用，考慮到整個風(fēng)場中的風(fēng)狀況和現(xiàn)場狀況的變化、部件磨損和折損速率的變化、由于維護(hù)或故障導(dǎo)致的渦輪機(jī)停機(jī)、以及電力價格的變化。由于渦輪機(jī)部件在不同狀況下以不同速率疲勞，因此一些部件的實際壽命可能遠(yuǎn)超過風(fēng)力渦輪機(jī)的20年預(yù)期壽命。在一組給定狀況下，最接近總壽命限度的部件能夠具有較低的瞬時疲勞速率。由于其它部件具有更長的壽命而這些不會拖延渦輪機(jī)整體壽命，因此渦輪機(jī)具有富余的產(chǎn)能能力。此外，發(fā)電站中的不同渦輪機(jī)將會在其整個壽命期間經(jīng)歷不同狀況。
[0117]因此在條件允許的情況下，任何渦輪機(jī)都可以被過額定，以便在維持渦輪機(jī)壽命的同時使得能量輸出最大化。這由圖10a) -d)展示。圖1Oa)示出各種部件的總壽命疲勞。部件5是最關(guān)鍵的，限定其20年的壽命。圖1Ob)示出一些狀況的示例，其中部件5的瞬時疲勞速率低于20年的平均值并且部件7的瞬時疲勞速率高于平均值。圖1Oc)示出在這些狀況下，渦輪機(jī)能夠被過額定，使得現(xiàn)在具有最高疲勞速率的部件2達(dá)到其20年限度。圖1Od)示出在允許部件2以高于其壽命限度的速率疲勞的情況下，渦輪機(jī)能夠過額定得更多。在所述過額定水平下，部件將會在其20年壽命結(jié)束之前出故障，但對于短時間而言這不是問題，因為部件具有富余的壽命總疲勞。所述最大過額定因此由累積疲勞而非瞬時疲勞限制。在這種情況下，部件7不具有富余壽命能力，因此不會超過其20年限度。因此，渦輪機(jī)能夠通過作為一組來減小發(fā)電站輸出的變化。
[0118]在對于風(fēng)力渦輪機(jī)過額定控制的描述中，已結(jié)合風(fēng)力渦輪機(jī)部件描述壽命使用估算器。然而，壽命使用估算器還可以在風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電站的其它部分中使用。風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)水平包括如上面所描述的多個風(fēng)力渦輪機(jī)和控制器。發(fā)電站水平包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接點之間的其它發(fā)電站部件，并且包括變電站變壓器和渦輪機(jī)和變電站變壓器之間的線纜以及電網(wǎng)和變電站變壓器之間的線纜。壽命使用估算器能夠被用于這些部件，從而以與如上面描述的到渦輪機(jī)優(yōu)化器的輸入類似的方式向發(fā)電站優(yōu)化器提供輸入。
[0119]對所描述的實施方式的許多替代是可能的，并且將會在不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下由本領(lǐng)域中技術(shù)人員想到。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)力渦輪機(jī)的控制器，包括渦輪機(jī)優(yōu)化器和壽命使用估算器，渦輪機(jī)優(yōu)化器基于功率需求輸入和來自壽命使用估算器的輸入來輸出風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的設(shè)定點，其中壽命使用估算器基于每個部件的壽命使用算法計算由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度，壽命使用算法對于影響部件疲勞壽命的變量的值起作用，所述值從風(fēng)力渦輪機(jī)上的傳感器獲得或推導(dǎo)出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中由渦輪機(jī)優(yōu)化器所輸出的設(shè)定點是功率、轉(zhuǎn)矩、以及速度設(shè)定點中的至少一個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中風(fēng)力渦輪機(jī)是恒速渦輪機(jī)，由優(yōu)化器所輸出的設(shè)定點是有功功率設(shè)定點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、或3所述的控制器，其中來自壽命使用估算器的輸入包括由每個部件所消耗的疲勞壽命的量度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的控制器，其中來自壽命使用估算器的輸入包括由每個部件的疲勞壽命的使用速率的量度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的控制器，其中控制器是過額定控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器基于部件年齡比較由部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在由任何部件所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)過額定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器比例基于所述部件年齡比較由損傷最嚴(yán)重的部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)過額定。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的控制器，其中過額定包括速度和轉(zhuǎn)矩過額定，每個部件的疲勞壽命是速度敏感型、轉(zhuǎn)矩敏感型、或速度和轉(zhuǎn)矩敏感型，在由速度敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止速度的過額定，在由轉(zhuǎn)矩敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止轉(zhuǎn)矩的過額定，在由轉(zhuǎn)矩和速度部件的疲勞壽命的消耗超過理想消耗的情況下禁止速度和轉(zhuǎn)矩的過額定。
10.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器與風(fēng)力發(fā)電站控制器通訊并且接收來自風(fēng)力發(fā)電站控制器的功率需求輸入。
11.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中控制器定位在風(fēng)力渦輪機(jī)處，所述控制器針對所述風(fēng)力渦輪機(jī)生成設(shè)定點信號。
12.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，包括存儲壽命使用算法庫的存儲器，其中使用至少一個算法計算每個部件的壽命使用。
13.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)部件包括葉片部件、葉片軸承部件、葉片變槳系統(tǒng)部件、主軸、主軸軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、電功率系統(tǒng)變壓器、機(jī)艙底板、偏航系統(tǒng)、塔架、或基座中的一個或多個。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制器，其中葉片部件包括葉片結(jié)構(gòu)和葉片螺栓。
15.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中用于部件的壽命使用算法基于接收到的輸入值估算應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制器，其中應(yīng)力循環(huán)和平均值是到應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸入，所述應(yīng)力循環(huán)損傷算法提供疲勞壽命的消耗量度作為應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸出。
17. 根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器接收運(yùn)轉(zhuǎn)約束的輸入，所述運(yùn)轉(zhuǎn)約束指示出對于渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)施加的限定。
18.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器包括設(shè)定點選擇器和約束單元，所述設(shè)定點選擇器接收功率需求輸入和部件所消耗的壽命的量度，并且周期性地計算渦輪機(jī)參數(shù)的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點，所述約束單元接收最優(yōu)設(shè)定點、壽命使用的量度、以及功率需求，并且在由部件所消耗的疲勞壽命的量度超過目標(biāo)值的情況下防止發(fā)送過額定設(shè)定點，約束單元以高于最優(yōu)設(shè)定點的接收頻率的頻率輸出運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點到渦輪機(jī)。
19.根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器，其中由渦輪機(jī)優(yōu)化器所輸出的設(shè)定點還基于輸入到渦輪機(jī)優(yōu)化器的運(yùn)轉(zhuǎn)約束。
20.一種風(fēng)力渦輪機(jī)，包括根據(jù)在前權(quán)利要求中任一項所述的控制器。
21.一種控制風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括獲得來自渦輪機(jī)傳感器的影響渦輪機(jī)的一個或多個部件的疲勞壽命的變量的值，應(yīng)用疲勞壽命使用算法到所述變量以確定由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度，輸入疲勞壽命消耗的量度和功率需求到渦輪機(jī)優(yōu)化器，以及由渦輪機(jī)優(yōu)化器生成風(fēng)力渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的設(shè)定點。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中由渦輪機(jī)優(yōu)化器所輸出的設(shè)定點是功率、轉(zhuǎn)矩、以及速度的設(shè)定點中的至少一個。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中風(fēng)力渦輪機(jī)是恒速渦輪機(jī)，并且由優(yōu)化器所輸出的設(shè)定點是有功功率設(shè)定點。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任一項所述的方法，其中疲勞壽命的量度包括由每個部件所消耗的疲勞壽命的量度。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項所述的方法，其中疲勞壽命的量度包括由每個部件的疲勞壽命的使用速率的量度。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中任一項所述的方法，其中控制器是過額定控制器。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器基于部件年齡比較由部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在由任何部件所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)過額定。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器基于所述部件年齡比較由損傷最嚴(yán)重的部件所消耗的疲勞壽命的比例與目標(biāo)消耗，并且在所消耗的疲勞壽命大于所述部件的目標(biāo)消耗的情況下防止渦輪機(jī)過額定。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的方法，其中過額定包括速度和轉(zhuǎn)矩過額定，每個部件的疲勞壽命是速度敏感型、轉(zhuǎn)矩敏感型、或速度和轉(zhuǎn)矩敏感型，在由速度敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止速度的過額定，在由轉(zhuǎn)矩敏感型部件的疲勞壽命的消耗超過目標(biāo)消耗的情況下禁止轉(zhuǎn)矩的過額定，在由轉(zhuǎn)矩和速度部件的疲勞壽命的消耗超過理想消耗的情況下禁止速度和轉(zhuǎn)矩的過額定。
30.根據(jù)權(quán)利要求20至29中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器與風(fēng)力發(fā)電站控制器通訊并且接收來自風(fēng)力發(fā)電站控制器的功率需求輸入。
31.根據(jù)權(quán)利要求20至30中任一項所述的方法，其中控制器定位在風(fēng)力渦輪機(jī)處，所述控制器針對所述風(fēng)力渦輪機(jī)生成設(shè)定點信號。
32.根據(jù)權(quán)利要求20至31中任一項所述的方法，其中壽命使用算法庫存儲在存儲器中，使用至少一個算法計算每個部件的壽命使用。
33.根據(jù)權(quán)利要求20至32中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)部件包括葉片部件、葉片軸承部件、葉片變槳系統(tǒng)部件、主軸、主軸軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、電功率系統(tǒng)變壓器、機(jī)艙底板、偏航系統(tǒng)、塔架、或基座中的一個或多個。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中葉片部件包括葉片結(jié)構(gòu)和葉片螺栓。
35.根據(jù)權(quán)利要求20至34中任一項所述的方法，其中部件的壽命使用算法基于接收到的輸入值估算應(yīng)力循環(huán)范圍和平均值。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的方法，其中應(yīng)力循環(huán)和平均值是到應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸入，所述應(yīng)力循環(huán)損傷算法提供疲勞壽命的消耗的量度作為應(yīng)力循環(huán)損傷算法的輸出。
37.根據(jù)權(quán)利要求20至36中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器接收運(yùn)轉(zhuǎn)約束的輸入，所述運(yùn)轉(zhuǎn)約束指示出對于渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)施加的約束。
38.根據(jù)權(quán)利要求20至37中任一項所述的方法，其中由渦輪機(jī)優(yōu)化器所生成的設(shè)定點還基于輸入到渦輪機(jī)優(yōu)化器的運(yùn)轉(zhuǎn)約束。
39.根據(jù)權(quán)利要求20至37中任一項所述的方法，其中渦輪機(jī)優(yōu)化器基于接收到的功率需求輸入和部件所消耗的壽命的量度來周期性地計算渦輪機(jī)參數(shù)的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)定點，并且在由部件所消耗的 疲勞壽命的量度超過目標(biāo)值的情況下防止發(fā)送過額定設(shè)定點。
40.一種過額定風(fēng)力渦輪機(jī)的方法，包括接收來自發(fā)電站控制器的過額定需求信號、基于每個部件的壽命使用算法和所述部件的感測到的參數(shù)值確定由多個渦輪機(jī)部件中的每個所消耗的疲勞壽命的量度、依據(jù)過額定需求設(shè)定點生成功率和轉(zhuǎn)矩設(shè)定點中的至少一個并且將其發(fā)送到渦輪機(jī)，其中在所消耗的疲勞壽命的量度超過部件的目標(biāo)值的情況下不發(fā)送過額定設(shè)定點到渦輪機(jī)。
41.一種用于風(fēng)力發(fā)電站的控制器,發(fā)電站包括多個風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī),每個風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)具有多個部件，發(fā)電站還包括風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)連接點之間的多個其它部件，控制器包括風(fēng)力渦輪機(jī)壽命使用估算器和風(fēng)力發(fā)電站壽命使用估算器，所述風(fēng)力渦輪機(jī)壽命使用估算器用于估算由部件所消耗的疲勞壽命的量度，所述風(fēng)力發(fā)電站壽命使用估算器用于估算由多個其它部件所消耗的疲勞壽命的量度。
【文檔編號】F03D7/04GK103946540SQ201280055794
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】J·特納, C·斯普魯斯, R·鮑耶 申請人:維斯塔斯風(fēng)力系統(tǒng)集團(tuán)公司