基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于风力涡轮机叶片的退化而运行风力涡轮机的方法。本发明专利技术涉及一种控制方法和风力涡轮机，用于自适应调节风力涡轮机的运行，以在退化情况期间维持最大电力生产。控制系统包括估算器模块，该估算器模块基于当前的一组控制信号和至少当前的一组运行参数测量值，来确定比例因子。比例因子传送至控制模块，该控制模块基于这个比例因子换算转子的至少一个空气动力学性能。控制模块进一步基于已换算的空气动力学性能，确定控制信号的理想设置。本控制方法换算空气动力学性能，提供了更好的实际退化了的空气动力学性能展现。

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术涉及一种运行方法和一种风力涡轮机，其用于确定风力涡轮机叶片由于环境条件而老化和退化所导致的空气动力学性能变化，并基于这些变化调整控制方法。专利技术背景已知雨、沙、灰尘和其它风媒碎片逐步剥落并侵蚀快速移动的风力涡轮机叶片的关键性前缘。此外，盐、污染物和粘性尘粒将积聚在外表面上，增加风力涡轮机叶片的重量和粗糙度，由此改变空气动力学形状的外表面，直至雨或维护冲洗将它们清理干净。此外，如果空气包含过冷水的微滴，冰会积聚在前缘上，并且尽管风力涡轮机叶片配备有导电元件，雷击仍然可沿风力涡轮机叶片在任何地方形成裂缝。老化影响外表面和前缘的光洁度，由此改变它们的初始形状和形式。这些情况的任一种都可使精心设计的风力涡轮机叶片空气动力学外形退化，因此需要清洁并修理风力涡轮机叶片，以维持空气动力学性能。因为损坏和空气动力学性能退化主要集中在前缘，必须采用特殊材料来修复并保护风力涡轮机叶片的前缘，但是维修叶片是非常危险的工作，因为塔架通常都90米高，并遭受阵风。叶片修理和其他维护工作仅偶尔进行，因为这个工作非常昂贵并增加风力涡轮机的停机时间。这种风力涡轮机的控制系统通常根据标称空气动力学规格而调整，其中与这些标称规格的偏差导致控制系统失调并减少电力生产。该问题可通过以下方式解决：根据部分退化的空气动力学规格而调整控制系统，试图避免控制系统在严重退化下出错并保障电力生产。但是，风力涡轮机在退化之前没有最佳运行，并且不能补偿超过这些部分退化规格所发生的空气动力学性能的逐渐变化。美国专利US8405239B2建议使用三个不同的线性时间域模型，每个运行范围对应一个模型。每个运行范围生成一个时间变化表，该时间变化表与驱动系统的当前控制参数进行对比。如果当前控制参数与该表数值相差超过20％，则对控制参数进行调整。该专利声称这使得控制系统能够补偿驱动系统由于老化带来的动力变化。但是，该启示没有暗示控制系统如何重新调整，或这个控制参数应该如何调整。此外，这个方案确实暗示控制系统能够发现叶片空气动力学性能的退化。美国专利US8174136B2公开了一种最大功率点的确定方案，该方案基于一种控制桨距和转矩的自适应方法，并结合功率系数的确定。该功率系数定义为，在一段时期内，所获得的功率和可用的风力之比。根据变化的功率系数，桨距控制信号或转矩控制信号按增加值阶梯式 递增。该增加值增加至当前桨距控制信号，并且如果功率系数增加，重复该过程。如果功率系数减小，该增加值无效，重复该过程。以类似方式，可向当前转矩控制信号增加另一增加值。这个方案声称能够使风力涡轮机在风速低于额定风速的条件下增加电力生产。平均功率基于由风速计测得的风速来确定。但是，这种安装在风力涡轮机上的风速计测量的不是实际风速，而是明显被转子影响后的下游风速。大型风力涡轮机转子，其覆盖很大的面积，例如对于50米长转子叶片的转子，其覆盖面积为7854平方米(m2)，因此在单一风速计位置测得的风速不是冲击整个转子的风速的代表值。美国专利申请US2014/0241878A1公开了一种用于监测风力涡轮机叶片的空气动力学情况的方法。例如，在风力涡轮机叶片或风力涡轮机塔架上安装一个或多个传感器，以感测风力涡轮机的一个或多个运行参数。控制单元分析接收到的传感器数据，以确定风力涡轮机叶片外表面的粗糙状态。然后控制单元调整桨距角或转子速度，以补偿全部风力涡轮机性能的损失。但是，该启示未提及如何对传感器数据进行分析，以及如何基于这些传感器数据调整桨距角或转子速度。美国专利申请US2015/0005966A1公开了一种风力涡轮机控制方法，其中基于所存储的载荷状态计算第一比例因子，并基于测得的运行条件计算校正参数。然后用校正参数计算第二比例因子，该第二比例因子乘以第一比例因子，来确定用于调节风力涡轮机叶片性能的校正措施。这个控制方法的目的在于，通过监测实际机械载荷状态并相应调整功率输出，确保没有超过设计载荷。这个控制方法不是设计用于监测风力涡轮机叶片的空气动力学性能的退化程度，也不提供有效的控制方法来补偿风力涡轮机叶片变化的空气动力学性能。因此，需要一种方法用于监测叶片空气动力学性能的退化，估算何时需要维护，并根据变化的叶片动力学调整风力涡轮机控制，以使电力/能源生产最大化。专利技术目的本专利技术的目的在于提供一种方法用于监测风力涡轮机的叶片空气动力学性能的退化，并确定这个退化的程度。本专利技术的目的在于基于空气动力学性能退化的程度，提供一种调整风力涡轮机运行的方法。本专利技术的目的在于提供一种风力涡轮机，其能够监测风力涡轮机叶片的空气动力学性能的退化。本专利技术的目的在于提供一种风力涡轮机，其能够基于空气动力学性能退化的程度优化电力生产。
技术实现思路
本专利技术的目的通过一种用于控制风力涡轮机运行的方法来实现，该风力涡轮机包括至少两片可变桨距的风力涡轮机叶片，该叶片可旋转地连接至发电机，该方法包括以下步骤：-通过一个或多个控制信号运行风力涡轮机以产生电力输出，-测量风力涡轮机的一个或多个运行参数，-基于测得的一个或多个运行参数确定退化值，其中该退化值表示风力涡轮机叶片的空气动力学性能的退化，-通过基于该退化值调节至少一个控制信号，来调整风力涡轮机的运行，以使功率输出最大化，其中调节至少一个控制信号的步骤包括：基于定义该退化值的比例因子，换算至少一个控制参数，其中这个控制参数表示风力涡轮机叶片在正常状态下的空气动力学性能。这提供了一种自适应控制方法，其能重调风力涡轮机的运行，以补偿风力涡轮机叶片的空气动力学性能退化的影响。这个控制方法对正常或理想的空气动力学性能进行调节，这样它们提供更好的实际的退化空气动力学性能展现。基于比例因子，将该理想空气动力学性能换算成实际的退化空气动力学性能。这使得即使当空气动力学性能由于老化、叶片磨损、积聚的颗粒或冰、或其他情况而退化时，风力涡轮机能够优化电力生产或使其最大化。本文中使用的术语“退化”和“脏”指空气动力学性能偏离理想空气动力学性能的任何情况。本文中使用的术语“正常”、“理想”和“干净”指在制造期间或制造之后所确定的空气动力学性能。控制系统中的估算器模块基于在风力涡轮机上或相对风力涡轮机实施的测量值，确定比例因子。比例因子和/或其它表示空气动力学性能退化的程度的信息可选择地传送并展示给远程位置的操作者。比例因子还可用于估算下一维护期或维修期，当维护期或维修期到期时，会有警报通知操作者。比例因子可为数值或多维矢量，例如为风速、叶尖速比和/或桨距角的函数的矢量。根据一实施例，控制参数选自下列参数中的至少一个：空气动力学功率系数、空气动力学推力系数、空气动力学转矩系数、空气动力学诱导因子或转子半径。在将风力涡轮机竖立之前，确定理想干净的风力涡轮机叶片的空气动力学性能，例如通过风洞试验，而通过使用上述的各种测量值来确定已退化的或脏的风力涡轮机叶片的退化空 气动力学性能。理想和/或退化空气动力学性能可确定为查找表，例如在相邻表值之间使用线性内插法。这使得电力生产的优化能更准确，因为控制信号的选择是基于已调整的空气动力学外形，而不是理想或部分退化的空气动力学外形。空气动力学性能由风力涡轮机叶片的尺寸和形状来确定。可用转子半径、空气动力学功率系数、空气动力学推力系数、空气动力学转矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于控制风力涡轮机(1)运行的方法，所述风力涡轮机(1)包括至少两个可旋转地连接至发电机(5)的可变桨距风力涡轮机叶片(3)，所述方法包括以下步骤：通过一个或多个控制信号(17)，运行风力涡轮机(1)以产生电力输出，测量风力涡轮机(1)的一个或多个运行参数(9)，基于测得的一个或多个运行参数(9)确定退化值，其中所述退化值表示风力涡轮机叶片(3)的空气动力学性能的退化，通过基于退化值调节至少一个控制信号(17)，来调整风力涡轮机(1)的运行，以使功率输出最大化，其特征在于，调节至少一个控制信号(17)的步骤包括基于确定退化值的比例因子(16)，换算至少一个控制参数，其中所述控制参数表示风力涡轮机叶片(3)在正常状态下的空气动力学性能。

【技术特征摘要】
2015.12.29 DK PA201570888;2015.04.27 IB PCT/IB20151.用于控制风力涡轮机(1)运行的方法，所述风力涡轮机(1)包括至少两个可旋转地连接至发电机(5)的可变桨距风力涡轮机叶片(3)，所述方法包括以下步骤：通过一个或多个控制信号(17)，运行风力涡轮机(1)以产生电力输出，测量风力涡轮机(1)的一个或多个运行参数(9)，基于测得的一个或多个运行参数(9)确定退化值，其中所述退化值表示风力涡轮机叶片(3)的空气动力学性能的退化，通过基于退化值调节至少一个控制信号(17)，来调整风力涡轮机(1)的运行，以使功率输出最大化，其特征在于，调节至少一个控制信号(17)的步骤包括基于确定退化值的比例因子(16)，换算至少一个控制参数，其中所述控制参数表示风力涡轮机叶片(3)在正常状态下的空气动力学性能。2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述控制参数选自下列中的至少一个：空气动力学功率系数(Cp)、空气动力学推力系数(Ct)、空气动力学转矩系数(Cq)、空气动力学诱导因子(a)、或转子半径(R)。3.根据权利要求2的方法，其特征在于，空气动力学功率系数(Cp)、空气动力学推力系数(Ct)和空气动力学转矩系数(Cq)中的至少两个基于共同比例因子(kc)进行换算。4.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法进一步包括估算均匀作用于风力涡轮机叶片(3)上的风速(26)的步骤。5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述调整风力涡轮机(1)的运行的步骤包括至少基于估算的风速(26)或退化值，至少调整桨距控制信号(29)或发电机转矩控制信号(11)。6.根据权利要求1的方法，其特征在于，确定退化值的步骤包括基于当前组的控制信号(17)和至少第二组的运行参数(9)，预测第一组(24)运行参数(9)。7.根据权利要求6的方法，其特征在于，确定退化值的步骤进一步包括确定当前测量的一组(23)的运行参数(9)和第一组(24)运行参数(9)之间的偏差，以及基于所述偏差校正随后第三组的运行参数(9)。8.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过将第一比例因子与第二比例因子相加，计算测试比例因子，基于所述测试比例因子换算至少一个控制参数，测量第一组的运行参数(9)，通过将第一组的运行参数(9)对比第二组的运行参数(9)，评估第一组的运...

【专利技术属性】
技术研发人员：基奇纳·克拉克·威尔逊，张锋，陈林，孙毓平，
申请(专利权)人：远景能源江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32