考虑疲劳量度的风力涡轮机控制制造技术

本发明专利技术涉及考虑疲劳载荷量度的风力涡轮机控制。描述了一种风力涡轮机的控制，其中，基于疲劳载荷量度计算控制轨迹，疲劳载荷量度是由预测运行轨迹确定的。在实施例中，预测运行轨迹是通过使用模型预测控制(MPC)例程计算的，并且疲劳载荷量度包括雨流计数算法。

Wind turbine control considering fatigue measurement

The invention relates to wind turbine control considering the measurement of fatigue load. A wind turbine control is described, where the control track is calculated based on the fatigue load measurement, and the fatigue load is determined by the predicted trajectory. In an example, the predicted running trajectory is calculated by using a model predictive control (MPC) routine, and the fatigue load measure includes the rain flow counting algorithm.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】考虑疲劳量度的风力涡轮机控制
本专利技术涉及考虑了疲劳载荷量度(measure)的风力涡轮机控制。
技术介绍
一般而言，风力涡轮机或者风力涡轮发电场的运行旨在使对其的投资获得最大的产出，因此风力涡轮机控制系统被配置为使其输出功率最大化，即，在适当考虑使风力涡轮机保持在运行极限以内的情况下，使风力涡轮机的运行获得可从风力当中获得的最大功率。在运行期间，风力涡轮机经历变化的气候条件，因而风力涡轮机的控制系统被设计为考虑这些变化。这种针对当前条件不断做出的调变给风力涡轮机的部件造成了一定变化水平的疲劳。现有的风力涡轮机可以包括对运行进行监测并且基于监测到的信号(例如，来自传感器的振动信号)确定各个部件的若干疲劳量度的监测系统。如果确定给定部件具有过高的疲劳水平，那么可以关闭涡轮机或者使其在减载模式下运行，直到该部件能够被修理为止。本专利技术的专利技术人已经认识到需要其他的考虑风力涡轮机运行期间的疲劳暴露的风力涡轮机运行方式。
技术实现思路
按照在风力涡轮机的运行过程中考虑预测疲劳载荷量度并且结合风力涡轮机的持续运行采用实际运行状态来确定预测疲劳量度的方式对风力涡轮机加以控制将是有利的。相应地，在第一方面当中，提供了一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收风力涡轮机的当前运行状态；基于所述当前运行状态计算一个或多个预测运行轨迹，所述一个或多个预测运行轨迹包括预测控制轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；由所述至少一个预测运行轨迹确定至少一个疲劳量度；基于所述至少一个疲劳量度确定控制轨迹；以及基于所述控制轨迹来控制所述风力涡轮机。在本专利技术当中，涡轮机的运行是以所计算的控制轨迹为基础的。轨迹是既定时隙内的某一变量的时间序列，其包括对于与该变量有关的运行参数而言的下一变量值，以及对于所述既定参数而言的预测数量的或者预期数量的未来变量值。例如，所述控制轨迹可以是包括下一桨距命令以及预期或预测数量的未来桨距命令的桨距轨迹。风力涡轮机包括用于控制风力涡轮机的各种部件的控制系统，例如，控制桨叶桨距设置、功率转换器设定点、偏航电动机等。在对风力涡轮机的控制过程中，涡轮机的各种部件暴露于疲劳之下。疲劳暴露水平取决于所施加的控制操作。在本专利技术当中，所述控制系统被布置为由至少一个预测运行轨迹确定至少一个疲劳载荷量度，即，所述控制系统被布置为基于实际运行状态和未来时隙内的预测运行确定预测疲劳载荷量度，并且基于这样的预测或预期疲劳载荷量度来控制风力涡轮机。这是一个优势，因为可以直接在实际运行过程中且基于实际载荷条件的风力涡轮机控制当中考虑疲劳影响。就机械和结构部件而言，有两种尤为重要的载荷类型，即，极端载荷和疲劳载荷。极端载荷是结构因应力超过了材料的屈服强度而发生故障的载荷。疲劳载荷可以被认为是材料在遭受周期性应力经历时所经受的强度损失。甚至在所施加的载荷远低于材料的弹性极限时也会发生疲劳。本专利技术的实施例有利地考虑了在风力涡轮机的控制过程中因疲劳损伤而影响部件稳定性的疲劳载荷的预测或预期振荡影响。一般而言，疲劳载荷量度可以与风力涡轮机的任何结构或部件的疲劳有关。重要的结构包括塔架疲劳、各种轴承(桨距调节轴承、主轴承等)的疲劳和桨叶疲劳。在一个重要的实施例中，所述至少一个疲劳载荷量度包括雨流计数算法。在另一实施例中，所述至少一个疲劳载荷量度以谱矩为基础。但是，也可以代替这些疲劳载荷量度或者在这些疲劳载荷量度之外采用其他疲劳载荷量度。在重要的实施例中，通过使用滚动时界控制例程(例如，模型预测控制(MPC)例程)计算所述一个或多个预测运行轨迹，在这样的实施例中，可以有利地计算出所述预测时界内的疲劳载荷量度。MPC算法非常适用于风力涡轮机运行，因为它们直接考虑对系统变量的约束条件，因此可以有利地用于找到安全运行极限内的最佳运行轨迹。将结合具体实施方式部分描述其他实施例。在其他方面当中，本专利技术还涉及一种包括软件代码的计算机程序产品，所述软件代码在数据处理系统上运行时适于对风力涡轮机予以控制，本专利技术还涉及一种用于风力涡轮机的控制器，以及一种被实施为至少控制风力涡轮发电场中的选定涡轮机的风力涡轮发电场控制器。此外，本专利技术还涉及一种根据本专利技术的各个方面中的任何方面进行控制的风力涡轮机。总之，在本专利技术的范围内，可以按照任何可能的方式对本专利技术的各种实施例和方面进行结合以及组配。从下文所述实施例，本专利技术的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见并将参考其得到阐述附图说明将参考附图仅以举例方式描述本专利技术的实施例，其中：图1示出了风力涡轮机的例子；图2示出了控制系统连同风力涡轮机的各个要素的实施例；图3相对于测得的运行变量y和经MPC计算得到的控制变量u示出了MPC例程的概况。图4示出了运行变量的预测运行轨迹(图4A)连同对应的雨流计数图(图4B)的例子。图5示出了损伤信号D从低水平变为高水平的状况下的示范性轨迹；以及图6示出了本专利技术的要素的流程图。具体实施方式图1通过示意性透视图示出了风力涡轮机1的例子。风力涡轮机1包括塔架2、设置在塔架的顶端的机舱3以及可操作性耦接至包含在机舱3内的发电机的转子4。除了所述发电机之外，机舱还容纳将风能转化为电能所需的各种各样的部件以及对风力涡轮机1进行操作、控制和性能优化所需的各种部件。风力涡轮机的转子4包括轮毂5以及多个从轮毂5向外伸出的桨叶6。在所示出的实施例中，转子4包括三个桨叶6，但是其数量可以发生变化。此外，风力涡轮机还包括控制系统。所述控制系统可以置于机舱内，或者分布在涡轮机内的若干位置上并且可以进行通信连接。风力涡轮机1可以包含在属于一个风力发电厂的很多其他风力涡轮机当中，所述风力发电厂又称为风电农场或风力涡轮发电场，其起着通过输电线路与电网连接的发电厂的作用。电网一般由通过输电线路的网络耦接的发电站、传输电路以及变电站的网络构成，所述输电线路的网络向最终用户形式的负载以及电力部门的其他客户传输电力。图2示意性地示出了控制系统20连同风力涡轮机的各个要素的实施例。风力涡轮机包括经由齿轮箱23机械连接至发电机22的转子桨叶。发电机22生成的电力经由电转换器被注入到电网24内。发电机22可以是双馈感应发电机，但是也可以使用其他类型的发电机。此外，不一定存在齿轮箱。控制系统包括若干要素，其中包括具有处理器和存储器的至少一个控制器200，使得所述处理器能够基于所述存储器内存储的指令执行计算任务。一般而言，风力涡轮机控制器确保风力涡轮机在运行当中生成所要求的功率输出水平。这一目的是通过调整桨距角和/或转换器的功率提取而实现的。出于这一目的，所述控制系统包括桨距系统和功率系统，所述桨距系统包括使用桨距参考28的桨距控制器27，所述功率系统包括使用功率参考26的功率控制器29。风力涡轮机转子包括能够通过桨距机构进行桨距调节的转子桨叶。转子可以包括同时调整所有转子桨叶的所有桨距角的公共桨距系统以及除此之外的能够对各个转子桨叶进行桨距调节的个体桨距系统。在本专利技术的实施例中，控制系统200被编程为接收风力涡轮机的当前运行状态。在当前运行状态的基础上，计算一个或多个预测运行轨迹，并由所述至少一个预测运行轨迹确定至少一个疲劳载荷量度。基于疲劳载荷量度确定控制轨迹，并基于所确定的控制轨迹控制风力涡轮机。在实施例中，使用模型预测控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收所述风力涡轮机的当前运行状态；基于所述当前运行状态计算一个或多个预测运行轨迹，所述一个或多个预测运行轨迹包括预测控制轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；由至少一个预测运行轨迹确定至少一个疲劳载荷量度；基于所述至少一个疲劳载荷量度确定控制轨迹；以及基于所述控制轨迹控制所述风力涡轮机。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.27 DK PA201570315;2015.11.09 DK PA201570721.一种控制风力涡轮机的方法，包括：接收所述风力涡轮机的当前运行状态；基于所述当前运行状态计算一个或多个预测运行轨迹，所述一个或多个预测运行轨迹包括预测控制轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；由至少一个预测运行轨迹确定至少一个疲劳载荷量度；基于所述至少一个疲劳载荷量度确定控制轨迹；以及基于所述控制轨迹控制所述风力涡轮机。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个预测运行轨迹是通过优化至少一个代价函数计算的，并且其中，所述代价函数中包括所述至少一个疲劳载荷量度。3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个预测运行轨迹是通过优化至少一个代价函数计算的，并且其中，所述优化中包括所述至少一个疲劳载荷量度作为一个或多个约束条件。4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个预测运行轨迹是具有预测时界的滚动时界轨迹，并且其中，所述至少一个疲劳载荷量度是针对所述预测时界确定的。5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个预测运行轨迹是通过使用模型预测控制(MPC)例程计算的。6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个疲劳载荷量度包括雨流计数算法。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述至少一个疲劳载荷量度是以由Palmgren-Miner和确定的损伤信号为基础的。8.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个疲劳载荷量度是以谱矩为基础的。9.根据权利要求2所述的方法，其中，所述代价函数包括含有所述至少一个疲劳量度的权重元素。10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述权重与历史疲劳量度有关，所述历史疲劳量度包括在过去时段内经历的疲劳。11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，用...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·哈默鲁姆，T·G·霍夫高，
申请(专利权)人：维斯塔斯风力系统集团公司，
类型：发明
国别省市：丹麦,DK