防止风力涡轮机不对准的情况制造技术

使用风力涡轮机控制器中实施的数学算法来防止风力涡轮机不对准情况的控制系统。已经分析了不同的优化算法，获得使风力涡轮机(1)的机舱(4)偏航到将使效率函数最大化的位置的结果。用于检测和防止风力涡轮机不对准情况的控制系统，其包括将风向与风力涡轮机机舱的偏差相关联的参数获取单元(8)、风力涡轮机效率函数计算单元(9)和机舱(4)的偏差比较单元(10)。

Prevention of misalignment of wind turbines

The mathematical algorithm used in the wind turbine controller is used to prevent the wind turbine from the misalignment of the control system. Different optimization algorithms have been analyzed to get the result that the engine room (4) of the wind turbine (1) will be yaw to the location that will maximize the efficiency function. A control system for detecting and preventing the misalignment of a wind turbine is provided, which includes a deviation comparison unit (8), a parameter acquisition unit (8), a wind turbine efficiency function calculation unit (9) and a cabin (4), which are related to the deviation between the wind direction and the wind turbine engine room.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】防止风力涡轮机不对准的情况
本专利技术涉及一种防止风力涡轮机不对准情况的装置和控制系统方法，基于操作变量采用实现在风力涡轮机控制器中的数学算法来最小化风力涡轮机在年发电量(AEP)中的损耗。
技术介绍
水平轴风力涡轮机由固定塔架组成，该固定塔架机械地提升附接到转子的具有发电机的机舱。该转子包括连接至少一个叶片的轮毂，其转化旋转的转子中的风的动能。在现有技术中已知，当转子轴平行于风的方向时，实现了水平轴风力涡轮机的最佳工作点，因为这使得产生的能量最大化，同时使负载最小化。然而，由于在转子平面中产生的速度不对称的任何风力条件，最佳生产和与风的最大垂直度通常不一致。每台风力发电机都依赖于风力而且不同。机舱能够在其支撑塔架上移动，以使转子能够通过机械系统将其自身(偏航)定位在风向上，该机械系统以最好地利用风和产生最大的功率的视角将其移动到理想位置(偏航系统)。该偏航系统使风力涡轮机机舱围绕垂直偏航轴旋转，该垂直偏航轴与塔架的竖直轴重合，直到叶片的旋转轴与风向平行。当未达到该最佳位置时，风力涡轮机具有由相对于所述最佳位置的偏离角确定的偏航误差。然而，考虑到风向的自然变化，需要不断检测风向并因此调整风力涡轮机的位置的系统，以便最佳地利用风来产生最大功率。然而，相对于风向极端不对准也会导致风力涡轮机部件的负载增加，导致其恶化。在这方面，偏航系统具有包括传感器的风向测量系统，该传感器通常安装在转子后面的风力涡轮机机舱的顶部。尽管如此，在风向测量中需要考虑各种因素，其可能会导致获取有缺陷的测量值，即转子对下行气流的影响、由于错误的安装和/或配置导致的传感器的错误操作、由于每个风力涡轮机的位置的下行气流以及最后的内部叶片部分设计的发展，这些设计已经朝向更大的空气动力学效果发展并且产生更大的气流偏转。上述情况导致风力涡轮机不能在期望的条件下运行。US2015086357A1描述了一种用于在风力涡轮机的操作期间调节风力涡轮机中的偏航偏差的方法，该方法限定风力涡轮机的运行条件。这种方法很难自动化，需要后续的手动程序。现有技术中的解决方案通过将传感器定位在风力涡轮机转子的前方来解决不对准问题，例如专利EP2626549A1。专利US2013114067A1描述了用于风力涡轮机的光学控制系统，其包括在风力涡轮机转子的前部结合一些传感器，其提供一些测量，结合在风力涡轮机机舱传感器中获得的数据，使得将风力涡轮机定位在最佳位置。已知的现有技术包括其它解决方案，例如专利EP2267301B1，其描述了风力涡轮机偏航控制系统，其结合了贯穿风力涡轮机轮毂的风道，并且包括空气流量测量装置以通过控制系统确定偏航误差。但是，这种解决方案不能应用于已经安装的风力涡轮机。现有技术中的解决方案基于相同的思想：测量转子中的风并且与机舱中的传感器的测量进行比较。这就要求除了需要被调整的每个风力涡轮机的每个测量装置的安装、拆卸和校准之外，还需要使用附加的传感器(速度测量传感器，风向测量，功率测量和转子旋转测量)来测量风力涡轮机中存在的那些，其中涉及成本。鉴于上述解决方案的缺陷，因此需要设想一种解决方案，该解决方案可以通过采用风力涡轮机上已经存在的装置来保证正确的偏航误差测量，从而能够将机舱风力涡轮机定位在最佳的操作位置来保证效率。优化算法的特征允许过程的完全自动化，这是相对于现有技术的许多手动过程的技术优势。
技术实现思路
本专利技术的目的仅通过使用基本变量(诸如，功率、风速、风向或电机的转速)凭借优化发电的机舱风力涡轮机相对风向的对准中的系统误差控制系统来正确测量偏航不对准，其是通用的和自动的，从而其可以应用于安装在风电场任何位置的任何类型的水平轴风力涡轮机，并且其不意味着对已经就位的设备(用于测量风速和方向、功率和转子旋转的传感器)增加额外的测量设备。本专利技术的目的是检测现有定向装置相对于位置的系统不对准，将使效率函数最大化。因此，本专利技术需要对准方法的自动化，而不需要传统上存在于水平轴风力涡轮机中的附加传感器，需要指导最优结果搜索的数值方法，从而大大减少获得稳定结果所需的时间，并且需要低频滤波程序和自动收敛统计准则。从现有技术来看，已知由偏航误差引起的风力涡轮机的损耗遵循基于cos2定律的曲线(参见图2)，并且可以基于不同的不对准角来估计功率损失角。在这方面，本专利技术的一个目的是控制系统确定需要测量偏航角并且不仅通过风向的直接测量而且还通过取决于风速的一组值来量化偏差值。本专利技术还通过校正措施来减轻不对准的影响，该校正措施应用在PLC或数据采集硬件的测量中获得的值。为此，机舱以不受气象变量(风暴、湍流、剪切变化、昼夜和季节性振荡)或风力涡轮机变化(塔架共振、转子旋转或振动模式)的影响的恒定速率振荡。这些振荡具有低于风力涡轮机的任何运行模式的频率范围，并且高于任何天气类型变量。此外，数值分析算法与效率优化算法之间有关联，该算法的目的是找到使风力涡轮机的效率最大化的函数y＝f(θ)，其中θ*是最佳对准，每个时刻的解决方案与分析函数f的变化或导数成比例，并且其包含滤波级以衰减产生风和气象特性的低频分量以及风力涡轮机的高频分量。本专利技术的目的在于数值分析方法与由机舱振荡引起的效率变化的关联。效率是每一瞬间相对于风产生的功率。为此，基于风力涡轮机的功率曲线(图2)中的未对准的影响来预见(图4B)数值效率优化算法的实现，并且包括滤波阶段，其中高频分量和低频分量被衰减。这种算法可以在任何现有的传统风力涡轮机中实现。控制系统相对于现有技术的优点是：-优化算法允许程序的完全自动化；-不需要额外的传感器(风力测量传感器、风速测量传感器、转子速度传感器和功率测量传感器)；-使用基本变量，诸如，功率、风速、转子转速；-算法的最小收敛时间和结果的不确定性较低。这些数值分析的优化算法使得能够搜索电场的最优条件(对准角θ*)而无需提前了解发电场，并要求要优化的成本函数的输入信息。这种数值分析的优化算法应该具有滤波阶段，其滤波风力涡轮机的低频分量和高频分量，并且可以是以下类型的算法：-ESC算法：Extremum-SeekingControl(IEEE控制系统26(1)：70-79)。-HOO算法：HierarchicalOptimisticOptimization(Bubeck，S等人，“OnlineOptimizationinx-armedbandits”.OPT2008OptimizationforMachineLearning.https：//opt2008.kyb.tuebingen.mpg.de/papes/bubeck.pdfbasedonyawsweeps.-ModifiedSecantalgorithm，basedontheBrentmethod(InternationalConferenceonMechatronics&Automation，2005，第248-253页)本专利技术的另一个目的是能够预测测量传感器中的任何可能的故障的控制系统，因此控制系统进行风向的冗余读数。将在下面所示的附图的帮助下更详细地描述本专利技术的这些和其它方面。附图说明根据下面的详细描述以及以下示意图，可以更全面地理解本专利技术及其运行模式：图1示出了传统风力涡轮机的透视图。图2描绘了根据现有技术的风本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制系统，用于防止水平轴风力涡轮机(1)的不对准情况，配备有：偏航系统，用于机舱(4)相对于风向偏航，所述偏航系统包括：通过使用所述风力涡轮机(1)中已经存在的硬件获取将风向(γ)和风力涡轮机机舱(4)的实际偏差(α)相关联的参数的值的获取单元(8)、风力涡轮机的效率函数y＝f(θ)的计算单元(9)和用于所述机舱(4)偏差的比较单元，其特征在于，其是通用的，自动的，安装在任何地点，和除了已经存在的测量设备(速度测量传感器、风向测量、功率测量和转子旋转测量)之外，不需要额外的测量设备，所述控制系统的特征在于，能够检测和防止风力涡轮机中机舱的不对准情况，实施使风力涡轮机效率最大化的效率函数y＝f(θ)的数值分析的优化算法，其中θ*是最佳对准，其包含滤波阶段以衰减产生风力和气象特征的低频(k/s)分量和风力涡轮机的高频(s/s+h)分量，并且其特征在于，通过所述算法，产生命令以允许偏航系统将所述风力涡轮机(1)的机舱(4)定向成将效率函数最大化的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.16 EP 15003253.0;2015.07.03 ES P20150004941.一种控制系统，用于防止水平轴风力涡轮机(1)的不对准情况，配备有：偏航系统，用于机舱(4)相对于风向偏航，所述偏航系统包括：通过使用所述风力涡轮机(1)中已经存在的硬件获取将风向(γ)和风力涡轮机机舱(4)的实际偏差(α)相关联的参数的值的获取单元(8)、风力涡轮机的效率函数y＝f(θ)的计算单元(9)和用于所述机舱(4)偏差的比较单元，其特征在于，其是通用的，自动的，安装在任何地点，和除了已经存在的测量设备(速度测量传感器、风向测量、功率测量和转子旋转测量)之外，不需要额外的测量设备，所述控制系统的特征在于，能够检测和防止风力涡轮机中机舱的不对准情况，实施使风力涡轮机效率最大化的效率函数y＝f(θ)的数值分析的优化算法，其中θ*是最佳对准，其包含滤波阶段以衰减产生风力和气象特征的低频(k/s)分量和风力涡轮机的高频(s/s+h)分量，并且其特征在于，通过所述算法，产生命令以允许偏航系统将所述风力涡轮机(1)的机舱(4)定向成将效率函数最大化的位置。2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述计算单元(9)通过所获得的发电功率与包括转子直径、最大功率和风速系数的理论发电功率之间的比率来计算所述效率函数。3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于，通过将可配置参数相乘计算理论功率，所述可配置参数取决于每个风力涡轮机(1)固有的常数，所述常数包括转子直径和最大功率以及风速系数，所述可配置参数是空气密度、转子表面和最大功率系数Cpmax的乘积。4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述机舱(4)偏差的所述比较单元(10)计算由所述优化算法计算的偏差值与由至少一个风力传感器(7)确定的偏差值(α)之间的不同，当该值超过配置值(在5°和10°之间)时，所述偏航系统将遵循累计偏航偏差和外部偏差之和的参考值移动所述机舱。5.一种控制系统，用于检测和防止风力涡轮机不对准情况，其特征在于，采用权利要求1所述的控制布局，其执行以下阶段：-由所述风力涡轮机(1)中存在的硬件(21)获取参数值，所述参数值在以下参数中选择：风向、风速、机舱位置、发电功率、塔架与机舱之间的布线的扭曲限制条件、机舱的偏航条件和/或风力涡轮机运行模式；-检查正常发电运行中的所述风力涡轮机(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴勃罗·维韬·阿姆查斯特归，奥克塔维奥·埃尔南德斯·麦斯卡利，阿尔伯托·莫雷诺·罗布尔斯，卡罗斯·皮扎罗·德拉富恩特，雅伊姆·苏亚雷斯·阿兹朋，
申请(专利权)人：歌美飒创新技术公司，
类型：发明
国别省市：西班牙,ES