用于风力涡轮机控制的部分负载降额.pdf

用于控制风力涡轮机的方法、控制器和计算机程序产品。在向风力涡轮机请求的功率小于可用功率的降额操作条件下，控制器调节风力涡轮机的叶片桨距以减小转子功率系数。捕获的风力由此减小至近似等于请求的电力，该请求的电力小于风力涡轮发电机的可用功率或额定功率。捕获的功率的这种减小给控制器带来了允许控制器在不损坏风力涡轮机的情况下响应于风波动增加风力涡轮机的电力输出的附加自由度。通过允许在降额条件下增加功率，控制器可减少防止涡轮机超过其额定功率输出水平所需的变桨距的量。

权利要求书
1.  一种控制风力涡轮机的方法，该方法包括以下步骤：
在风力涡轮机控制器中接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输 出水平，所述请求的功率输出水平低于可用功率水平；
基于接收的功率基准信号设置所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子 捕获的风力近似等于所述请求的功率输出水平；以及
通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩，将所述风力涡 轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，与最佳叶片桨距设置相比，叶片桨距设 置使得所述转子捕获的风力更小。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中，设置所述叶片桨距的步骤包括：
确定实际风速；
基于所述实际风速选择二维查找表的第一坐标；
基于所述请求的功率输出水平选择所述二维查找表的第二坐标；
基于选择的坐标识别所述二维查找表的条目；以及
基于识别的二维查找表条目的值设置所述叶片桨距。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述可用功率水平小于所述风力涡轮机 的额定功率。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中，可用风力大于所述风力涡轮机的额定功 率。

6.  根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
生成所述功率基准信号。

7.  根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述功率基准信号的步骤包括：
接收可用功率输出信号；以及
通过斜坡率限制器处理所述可用功率输出信号，以生成斜坡率受限制的可用功率 输出信号。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中，所述斜坡率限制器被配置为针对增加的 可用功率输出信号将所述斜坡率受限制的可用功率输出信号的变化率限制为第一速 率，针对减小的可用功率输出信号将所述斜坡率受限制的可用功率输出信号的变化率 限制为第二速率。

9.  根据权利要求7所述的方法，其中，生成所述功率基准信号的步骤还包括：
将所述斜坡率受限制的可用功率输出信号与请求的功率水平信号进行比较；以及
选择所述斜坡率受限制的可用功率输出信号与所述请求的功率水平信号中较低 的一个作为所述功率基准信号。

10.  根据权利要求7所述的方法，其中，生成所述功率基准信号的步骤还包括：
将调整因子与所述可用功率输出信号或所述斜坡率受限制的可用功率输出信号 中的一个相加。

11.  一种用于风力涡轮机的控制器，该控制器包括：
处理器；以及
包含有指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时使得所述处理器：
接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水平，所述请求的功 率输出水平低于可用功率水平；
基于接收的功率基准信号设置所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子 捕获的风力近似等于所述请求的功率输出水平；并且
通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩，将所述风力涡 轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。

12.  根据权利要求11所述的控制器，其中，所述处理器是电厂控制器的一部分。

13.  根据权利要求11所述的控制器，其中，所述处理器是风力涡轮机控制器的 一部分。

14.  一种对风力涡轮机降额的方法，该方法包括以下步骤：
使风力涡轮机在低于所述风力涡轮机的可用功率输出的降额功率输出水平下操 作；
调节所述涡轮机的桨距以使所述转子的功率系数低于最佳功率系数，以使得所述 转子的气动功率输出约等于所述降额功率输出水平；以及
控制由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载，以使得所述风力涡轮机 的功率输出追随风速的波动。

15.  一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括：
非瞬时性计算机可读存储介质；以及
存储在所述计算机可读存储介质上的程序指令，
其中，所述程序指令在由处理器执行时使得所述处理器：
接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水平，所述请求的功 率输出水平低于可用功率水平；
基于接收的功率基准信号设置所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子 捕获的风力近似等于所述请求的功率输出水平；并且
通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩，将所述风力涡 轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。

说明书用于风力涡轮机控制的部分负载降额
技术领域
本申请总体涉及用于控制风力涡轮机的方法和系统，更具体地讲，涉及用于在降 额操作条件下控制风力涡轮发电机的功率输出的方法和系统。
背景技术
通常，风力涡轮机是将风的动能转换为机械能的转动机器，并且当用于发电时， 将此机械能转换为电能。由于其能够在不消耗化石燃料的情况下发电，所以风力涡轮 机越来越多地用作向电网提供电力的替代能源。用于发电的风力涡轮机通常包括具有 多个叶片的转子，叶片被配置为捕获风力。转子耦接到将转子的转动能转换为电能的 发电机。当风速增加到涡轮机的最小或“切入”速度(WMIN)以上时，转子开始转动 以使得风力涡轮机可开始生成电力。风力涡轮机的功率输出通常随风速而增加，直至 风速达到风力涡轮机的标称或额定风速(WR)。在额定风速WR以上，风力涡轮机的 功率输出受到发电机的额定功率输出(PR)的限制。随着风速进一步增加，风速可达 到切出或收叶速度(WC)，此时风力涡轮机可被关断以防止对转子和/或发电机造成 损害。
由于发电机的输出随着风力条件而变化，发电机通常通过功率变换器来耦接到电 网，该功率变换器调节发电机的功率输出以满足电网电压、电流、相位和频率要求。 为了向电网提供实用级电力，风力发电系统可包括一个或更多个风力涡轮机，典型的 风力发电系统包括具有多个风力涡轮机的风电场，这些风力涡轮机被编组在一起以在 公共连接点处向电网提供电力。风电场在公共连接点处的聚集输出可通过集中电厂控 制器(可以是监控和数据采集(SCADA)系统的一部分)来控制，该集中电厂控制 器与各个风力涡轮机控制器交互，以满足电网要求。
各个风力涡轮机可由控制器远程地或本地地进行控制，该控制器控制风力涡轮机 的转子速度和功率输出。涡轮机控制器由此保持风力涡轮机在其设计参数内并且根据 电网功率要求来运行。为此，涡轮机控制器可包括桨距控制器，该桨距控制器通过调 节转子叶片的桨距来调节由转子捕获的风力的量。涡轮机控制器还可包括功率变换器 控制器，其调节由功率变换器提供给电网的电力。可由此由涡轮机控制器选择性地调 节由转子捕获的风力的量以及向电网提供的电力的量，以控制转子速度和发电机的电 力输出二者。
与风关联的功率的量与风的速度的立方成比例。因此，转子从具有相对高的速度 的风生成的机械功率可高于从具有相对低的速度的风生成的机械功率。转子将风中包 含的能量转换成机械能的效率称作转子的功率系数(CP)，其理论上被贝兹理论(Betz' Law)限制为最大59％。转子的实际功率系数通常将小于贝兹极限，并且取决于转子 的设计和操作参数。因此，被转子捕获并转换为机械功率的风力的量或者“气动功率” 是转子的功率系数与风的可用功率的乘积。对于给定风速，转子将具有在特定叶片桨 距设置和转速下实现的最大或最佳功率系数CP。此最佳功率系数因此设定了涡轮机 在该风速下可发多少电的上限。在WR以下的风速，传统风力涡轮机因此利用优化 CP以使功率捕获最大化的叶片桨距和转速设置来操作。然而，随着风速增加至WR以上，通过调节叶片桨距以减小CP来限制气动功率。在传统风力发电系统中，在高 于WR的风速下，通过响应于风速的改变调节叶片桨距来控制转子，以使得捕获的气 动功率不超过发电机的额定功率。即，当可用气动功率大于或等于风力涡轮机的额定 输出时，叶片桨距成为用于将涡轮机输出维持在恒定水平的主要控制手段。
风力涡轮机通常操作为生成在现有风力条件下可能的最大量的电力，以使得电网 上的其它电力源可节流以节约不可再生的能源。现在参照图1，曲线图10示出示例 性功率曲线12，其示出此最大功率或取决于风速的“可用功率”。在介于切入风速WMIN与额定风速WR之间的可用功率输出曲线12的低风速区域14中，可用气动功率小于 风力涡轮发电机的额定功率输出PR。因此，低风速区域14中的可用功率12受到转 子在最佳叶片桨距和转速下操作的同时可捕获的风力的限制。在介于额定风速WR与 切出风速WC之间的高风速区域16中，可用气动功率大于风力涡轮发电机的额定输 出功率PR。高风速区域16中的可用功率12因此被限制为PR。
为了使风力涡轮机功率输出最大化，传统涡轮机控制器被配置为通过根据风速在 两种控制模式之一下操作来输出可用功率12：(1)在低风速区域14中操作的部分负 载控制模式、或者(2)在高风速区域16中操作的满负载控制模式。涡轮机控制器因 此在可用功率曲线12的过渡区域17中从部分负载控制模式切换至满负载控制模式。 涡轮机控制器由此控制风力涡轮机的功率输出以使得涡轮机在当前风速的可用输出 功率水平12下发电。当在部分负载区域中操作时，控制器调节转子的桨距和速度以 优化CP，以使得风力涡轮机捕获尽可能多的风能。即，针对当前风速调节叶片桨距 和转子速度以优化CP。在部分负载区域中，叶片桨距被维持在最佳风力捕获角度(通 常不随风速快速地或频繁地改变)下。然后可针对当前风速通过调节由功率变换器提 供给电网的功率的量直至实现最佳叶尖速比来设定转子速度以优化风能捕获。相比之 下，当在满负载区域中操作时，涡轮机控制器调节转子叶片的桨距以使得转子仅捕获 足以使发电机在其额定输出下操作的可用风能。因此，在满负载区域中，电力输出被 功率变换器控制器维持在相对恒定的值，由风力涡轮机控制器响应于风速的改变来调 节叶片桨距以将转子维持在大致恒定的速度和功率输出水平。
在功率最佳控制模式下操作的传统风力涡轮机控制器通常在风速超过WR时作为 满负载控制器操作，当风速低于WR时作为部分负载控制器操作。在操作的满负载控 制模式下，由电厂控制器向功率变换器控制系统提供固定的功率基准信号，并且通过 桨距控制器控制转子速度以维持恒定的功率输出。为此，桨距控制器响应于风速的增 大将叶片顺风变桨距以减小转子的功率系数，并且响应于减小的风速将叶片逆风变桨 距以增加功率系数。在低于WR的风速下操作的部分负载控制区域中，桨距控制器针 对当前风速将叶片桨距位置调节至提供最佳风能捕获的一个或更多个预定义的最佳 位置(例如，0°)。然后向功率变换器控制器提供将足够的电力耦接至电网的功率设 定点，以将转子的转速维持在用于在当前风速下捕获风能的最佳水平。因此，当控制 器在功率输出曲线12的满负载区域中操作时，桨距控制提供了控制输出功率的主要 手段，并且当风力涡轮机控制器在功率输出曲线12的部分负载区域中操作时，功率 变换器提供了控制输出功率的主要手段。由于当控制器在满负载控制区域中操作时， 桨距控制系统(而非功率变换器控制系统)主要负责补偿风的随机行为，当控制器在 满负载控制模式下操作时的变桨距活动通常显著高于部分负载控制模式下时的变桨 距活动。
有时，电厂控制器可向涡轮机请求生成低于可用功率水平的特定水平的功率。这 通常被称作降额(de-rating)，并且可在电网需求降低时使用或者用于提供运行准备以 改进电网稳定性。在传统系统中通过将功率控制信号提供给涡轮机控制器来实现降 额，该功率控制信号使得控制器将最大涡轮机输出功率降低至额定输出功率PR以下。 由此将涡轮机的最大功率输出限制为降额功率PD。示例性降额功率输出曲线18因此 在WD(是转子可生成等于降额功率水平的气动功率的风速)以上的风速下将功率限 制为PD。作为此较低功率需求的结果，过渡区域17如箭头19所指示地进行了移位， 以使得涡轮机控制器在WD(而非WR)处在部分负载操作与满负载操作之间切换。 因此，如果涡轮机在降额操作条件下在介于WD与WR之间的风速下操作，则风力涡 轮机控制器将在满负载控制区域中操作。这与电厂控制器实现功率最佳解决方案时的 涡轮机控制器操作(其将在介于WD与WR之间的风速下实现部分负载涡轮机控制) 相反。因此，作为降额的结果，满负载操作的范围延伸至WD与WR之间的风速。由 此与在满容量下操作的风力涡轮机相比，在降额的风力涡轮机中变桨距活动可在更大 操作范围的风速上增多。降额越高(即，提供给风力涡轮机控制器的功率基准信号越 低)，则满负载操作越向额定风速WR以下延伸，并且变桨距活动越增多。因此，与 满功率操作期间相比，传统控制的风力涡轮机系统在降额操作下可由此经受更大的桨 距系统磨损。
因此，需要改进的在降额条件下控制风力发电系统以减小对桨距控制系统的磨损 的系统、方法和计算机程序产品。
发明内容
在本发明的一个实施方式中，提供一种控制风力涡轮机的方法。该方法包括：在 风力涡轮机控制器中接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水 平，所述请求的功率输出水平低于可用功率水平；以及基于接收的功率基准信号设置 所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求的功 率输出水平。该方法还包括：通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的 负载转矩，将所述风力涡轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。
在本发明的另一实施方式中，提供一种用于风力涡轮机的控制器，该控制器包括 处理器和存储器。所述存储器包含有指令，所述指令在由所述处理器执行时使得所述 处理器接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水平，所述请求的 功率输出水平低于可用功率水平。然后所述处理器基于接收的功率基准信号设置所述 风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求的功率输 出水平，并且通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转矩，将所 述风力涡轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。
在本发明的另一实施方式中，提供一种对风力涡轮机降额的方法。该方法包括通 过调节所述涡轮机的桨距使风力涡轮机在低于所述风力涡轮机的可用功率输出的降 额功率输出水平下操作，以使所述转子的功率系数低于最佳功率系数，从而使得所述 转子的气动功率输出约等于所述降额功率输出水平。所述方法还包括控制由耦接到所 述转子的发电机提供给所述转子的负载，以使得所述风力涡轮机的功率输出追随风速 的波动。
在本发明的另一实施方式中，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括 存储在非瞬时性计算机可读存储介质上的程序指令。所述程序指令在由处理器执行时 使得所述处理器接收功率基准信号，该功率基准信号限定了请求的功率输出水平，该 请求的功率输出水平低于可用功率水平。然后所述处理器基于接收的功率基准信号设 置所述风力涡轮机的转子的叶片桨距，使得所述转子捕获的风力近似等于所述请求的 功率输出水平，并且通过调节由耦接到所述转子的发电机提供给所述转子的负载转 矩，将所述风力涡轮机的输出功率水平控制为所述请求的功率输出水平。
附图说明
附图被并入本说明书并且构成本说明书的一部分，附图示出本发明的各种实施方 式，并且与上面给出的本发明的一般描述以及下面给出的实施方式的详细描述一起用 于说明本发明的实施方式。
图1是示出风力涡轮机相对于风速的可用功率输出曲线以及传统风力涡轮机控 制器的降额功率输出曲线的曲线图。
图2是包括电厂控制器以及各自由风力涡轮机控制器控制的多个风力涡轮机的 风电场的示意图。
图3是图2中的风电场的示意图，其示出了电厂和风力涡轮机控制器的附加细节。
图4是示出根据本发明的实施方式实现的风力涡轮机相对于风速的可用功率输 出曲线以及降额功率输出曲线的曲线图。
图5是请求的功率水平对风速的曲线图，其示出了实现部分负载控制模式的第一 区域以及实现满负载控制模式的第二区域。
图6是图5中的请求的功率水平对风速曲线的曲线图，其中第一曲线扩展为包括 由小于额定风速的风速限定的曲线区域。
图7是图5中的请求的功率水平对风速曲线的曲线图，其中第一曲线扩展为包括 这样的曲线区域，该曲线区域包括大于额定风速的风速。
图8是功率水平控制电路的示意图。
图9是图8中的功率水平控制电路的替代实施方式的示意图。
具体实施方式
通常，本发明的实施方式涉及用于风能应用的减小维持期望的功率输出水平所需 的变桨距量的控制方法和系统。
现在参照图2，示例性风电场20包括多个风力涡轮机22以及与多个风力涡轮机 控制器26通信的电厂控制器24。风力涡轮机22可经由在公共连接点32处电耦接至 电网28的内部风电场电网30电耦接至电网28。各个风力涡轮机22可包括塔架34、 设置在塔架34的顶点的机舱(nacelle)36以及操作上耦接至容纳在机舱36内的发 电机40(图3)的转子38。除了发电机40以外，机舱36还可容纳将风能转换为电 能所需的各种组件以及操作并优化风力涡轮机22的性能所需的各种组件。塔架34 支撑由机舱36、转子38以及容纳于机舱36内的其它风力涡轮机组件引起的载荷。 风力涡轮机22的塔架34被操作为根据情况将机舱36和转子38升高至高于地平面或 海平面的高度，在那里通常可找到具有较低湍流和较高速度的气流。
转子38包括中心轮毂42以及在围绕轮毂42的周围分布的位置处附接到中心轮 毂42的多个叶片44。在代表性实施方式中，转子38包括三个叶片44。从轮毂42 径向向外突出的叶片44被配置为与经过的气流相互作用以生成升力，该升力使得轮 毂42绕其纵向轴线旋转。轮毂42可包括响应于来自涡轮机控制器的桨距控制信号调 节叶片44的桨距的叶片变桨距机构(未示出)。叶片变桨机构可这样调节叶片桨距： 基于桨距控制信号激活一个或更多个回转驱动器(slew drive)或其它合适的致动器 以使叶片44转动，以增加或减小叶片的迎角。
现在参照图3，风力涡轮机22的转子38可经由传动装置46耦接至发电机40， 该传动装置46将转子38的缓慢转动转换为具有合适的角速度的转动以便于利用发电 机40发电。发电机40可通过功率变换器48电耦接至风电场电网30，该功率变换器 48将发电机40的电输出转换为具有适合于耦接至电网28的电压和频率的电力。为 此，功率变换器48可包括诸如一个或更多个整流器和/或逆变器的功率转换电路，其 响应于从功率变换器控制器52接收的控制信号50调节风电场电网30与发电机40 之间的耦接。
功率变换器控制器52可耦接至提供反馈信号56的电压和/或电流传感器54，所 述反馈信号56表征风电场电网30与发电机40之间耦接的功率。这些信号56可指示 功率变换器48的输出端的电压和/或电流以及功率变换器48内的电压和/或电流。例 如，反馈信号56可包括指示功率变换器48内的与将发电机侧变换器连接到电网侧变 换器的DC总线关联的电压和/或电流的信号。在任何情况下，变换器控制器52基于 反馈信号56以及从涡轮机控制器26接收的功率基准信号58来生成功率变换器控制 信号50。变换器控制器50由此响应于功率基准信号58，通过控制由功率变换器48 供应给风电场电网30的电压和电流的相位、频率和/或幅度来调节提供给发电机40 的电负载。此电负载可使得发电机40经由传动装置46向转子38提供负载转矩。由 发电机40提供的负载转矩可与电负载成成比例，并且可与通过风对转子38的作用而 生成的气动转矩对立。功率变换器控制器52由此可通过调节由发电机40提供给转子 38的负载转矩来控制向电网28提供多少功率。还可调节负载转矩以控制转子38的 速度。例如，比转子38所生成的气动转矩小的负载转矩可导致转子38加速至较高的 转速。类似地，比气动转矩大的负载转矩可导致转子38减速至较低的转速。
为了控制叶片44的桨距，桨距控制器60可将桨距控制信号62提供给轮毂42 中的桨距控制机构。桨距控制器60还可耦接至轮毂42中的桨距位置传感器64。桨 距控制器60可基于从位置传感器64接收的桨距位置信号66确定叶片桨距角，并且 从涡轮机控制器26接收桨距位置命令信号67。为了控制叶片44的桨距，桨距控制 器60可基于确定的叶片桨距角与期望的桨距角之差生成桨距误差信号。此误差信号 可用于生成桨距控制信号62，该桨距控制信号62激活桨距控制机构来调节叶片的桨 距以减小桨距误差。为此，桨距控制器60可包括比例-积分-微分(PID)控制电路以 提供对桨距位置信号作出响应的闭环控制系统。在本发明的替代实施方式中，桨距控 制器52可包括开环控制器，该开环控制器基于桨距位置信号和查找表或者不依赖于 来自位置传感器64的反馈信号的其它合适的控制手段来调节叶片桨距。
电厂控制器24可包括处理器68、存储器70、输入/输出(I/O)接口72和用户接 口74。涡轮机控制器26可类似地包括处理器76、存储器78、输入/输出(I/O)接口 80和用户接口82。处理器68、76中的每一个可包括选自微处理器、微控制器、数字 信号处理器、微计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、状态 机、逻辑电路、模拟电路、数字电路和/或基于存储在关联的控制器存储器70、78中 的操作指令操纵信号(模拟信号和/或数字信号)的任何其它装置的一个或更多个处 理电路。存储器70、78中的每一个可包括单个存储器装置或多个存储器装置，包括 但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、易失性存储器、非易失性 存储器、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存、缓 存和/或能够存储数字信息的任何其它装置。存储器70、78中的每一个还可包括一个 或更多个大容量存储装置(未示出)(可包括单个大容量存储装置或多个大容量存储 装置)，包括但不限于硬盘驱动器、光学驱动器、磁带驱动器、非易失性固态装置和/ 或能够存储数据的任何其它装置。
各个I/O接口72、80在操作上将其相应的处理器68、76耦接至风电场20的其 它组件。I/O接口72、80可包括信号处理电路，该信号处理电路调节出入信号以使得 这些信号能够与相应处理器72、80以及处理器72、80所耦接至的组件都兼容。为此， 各个I/O接口72、80可包括模数(A/D)转换器和/或数模(D/A)转换器、电压电平 和/或频率移位电路、光隔离和/或驱动器电路、和/或适合于将处理器72、80耦接至 风电场20的其它组件的任何其它模拟或数字电路。各个I/O接口72、80还可采用用 于与其它系统组件通信的一个或更多个合适的通信协议，例如用户数据报协议/互联 网协议(UDP/IP)和/或传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)。I/O接口72、80可经 由硬线链路(例如，IEEE 802.3(以太网)链路)、使用无线网络协议的无线链路(例 如，802.11(Wi-Fi)链路)或者允许控制器24、26与其它系统组件接口连接的任何 其它合适的链路来通信连接。I/O接口72、80还可经由网络(未示出)来通信连接， 所述网络可包括多个互连的网络，例如一个或更多个局域网(LAN)、广域网(WAN) 和/或公共网络(例如，互联网)。
处理器68、76中的每一个可在相应操作系统84、86(可驻留于相应控制器24、 26的对应存储器70、78中)的控制下操作。操作系统84、86可管理相应控制器24、 26的计算机资源，以使得实现为驻留于存储器70、78中的一个或更多个计算机软件 应用88、90的计算机程序代码可具有由处理器68、76执行的指令。用户接口74、 82可按照已知方式可操作地耦接至相应控制器24、26的处理器68、76。各个用户接 口74、82可包括：输出装置，例如字母数字显示器、触摸屏以及其它视觉指示器； 以及能够接受来自操作者的命令或输入并将键入的输入发送给处理器68、76的输入 装置和控件，例如字母数字键盘、指点装置、键区、按钮、控制旋钮等。
在操作中，电厂控制器24可接收来自电网28的功率请求信号92，该功率请求 信号92指示电网运营商期望风电场20提供给电网28的功率的量和类型(有功或无 功)。响应于功率请求信号(PREQ)92，电厂控制器可向风力涡轮机控制器26发出指 示涡轮机22的期望功率输出的量的功率基准信号(PREF)94。在正常操作下，PREF通常将大于或等于PR，以使得涡轮机控制器26在输出当前风力条件下的可用功率输 出PA的功率最佳控制模式下操作。即，涡轮机的功率输出将被控制为大致遵循可用 功率曲线12。如果功率请求信号92向电厂控制器24指示风电场20将在降额操作条 件下操作，则功率基准信号94可指示涡轮机控制器26将风力涡轮机22的功率输出 限制为小于风力涡轮机的额定功率输出PR。
现在参照图4，曲线图100示出根据本发明的实施方式的风力涡轮机22的可用 功率曲线12和部分负载降额功率曲线102。响应于电网运营商请求风电场20在降额 功率水平下操作，电厂控制器24可生成指示风力涡轮机22将在降额功率输出水平 PD下操作的功率基准信号94。响应于接收到此信号94，风力涡轮机控制器26通过 将可用功率输出曲线12向右移位来生成部分负载降额功率曲线102，以使得对于当 前或实际风速WA风力涡轮机功率输出约为PD。这与通过将可用功率输出曲线12向 下移位来生成降额功率输出曲线18的传统涡轮机控制器形成对照。由于降额功率输 出曲线102是通过将可用功率曲线12向右移位而生成的，所以在降额风速WD以上 的风速下风力涡轮机控制器26在降额功率输出曲线102的部分负载控制段104中操 作，而非在满负载控制区域中操作。
这种向右移位可通过使桨距角相对于在部分负载控制区域中操作时正常使用的 最佳设置进行偏移来实现。非最佳叶片桨距通过减小转子38的功率系数CP来使涡轮 机22的功率输出曲线移位。风力涡轮机22由此在WD以上的风速下在没有进入满负 载控制区域的情况下生成请求的降额功率输出。由此，与缺少部分负载降额特征的传 统风力涡轮机相比，部分负载降额功率曲线102可在WD以上的风速下在降额操作条 件下操作时减少风力涡轮机22的变桨距活动。
在部分负载控制区域中操作的传统涡轮机控制器中，最佳桨距角θ*可依据实际风 速WA利用例如查找表来确定。即，期望的桨距角可通过θ*＝F(w)来确定，其中θ*是 功率最佳桨距角，w是实际风速，F(·)是基于转子38的叶片44的已知气动特性生成 的一维查找表。一维查找表还可基于叶尖速比λ(表示转子叶片44的叶尖的速度与 风速之比)确定期望的桨距角。叶尖速比可根据等式λ＝r×ω/w来确定，其中r是转 子38的半径，ω是转子38的角速度，w是实际风速。在此替代涡轮机控制器中，期 望的桨距角可通过θ*＝F(λ)来确定。
现在参照图5，曲线图110包括第一操作区域112，其包括可用功率输出曲线12 的在额定风速WR左侧的低风速段114。第一操作区域112还包括曲线图110的在低 风速区段114左侧的区域，该区域通常是风力涡轮机22由于转子38的功率系数CP的上界而无法操作的区域。第二操作区域116包括可用功率输出曲线12的在额定风 速WR右侧的高风速段118。第二操作区域116还包括曲线图110的在低风速区段114 右侧的区域。传统涡轮机控制器响应于映射至第一操作区域112中的位置(例如，低 风速区段114上的点)的风速以及PREF而在部分负载控制模式下操作，并且响应于 映射至第二操作区域116中的位置的风速以及PREF而在满负载控制模式下操作。因 此对于给定风速针对等于或高于可用功率输出曲线12的请求的功率水平PREF，风力 涡轮机22的输出功率遵循可用功率输出曲线12。
在本发明的实施方式中，部分负载降额控制可通过利用包括请求的功率水平PREF作为桨距选择参数的二维查找表来使得部分负载控制模式能够被实现于第二区域116 中。因此，部分负载降额控制器的此示例性实施方式中的叶片桨距设置可由等式 θPref＝G(w,PREF)来表示，其中θPref表示在实际风速w下提供请求的功率输出PREF的桨 距角。因此，叶片桨距θPref取决于实际风速w和功率基准信号PREF二者。与一维查 找表F(·)类似，二维查找表G(·,·)可基于转子38的叶片44的已知气动特性来生成。 在本发明的替代实施方式中，与上面关于一维查找表所讨论的类似，二维查找表可使 用叶尖速比λ，代替风速w。在此替代实施方式中，叶片桨距设置可由等式θPref＝G(λ, PREF)表示。
风力涡轮机控制器26还可包括传统部分负载控制算法和满负载控制算法。例如， 通过将PREF设定为等于可用功率PA，对于给定风速通过二维查找表提供的桨距角可 等于通过一维功率最佳解决方案提供的桨距角。即，θ*＝G(w,P≥PA)＝F(w)或者θ*＝G(λ, P≥PA)＝F(λ)。将请求的功率水平PREF增加到涡轮机控制器查找表允许部分负载控制 模式被选择性地实现于第二区域116中。
响应于映射至曲线图110在可用功率输出曲线12左侧的区域112中的位置的风 速和PREF，涡轮机控制器16选择对转子38的CP进行了优化的桨距角θ*。即，如果 请求的功率水平PREF被设定在可用输出功率以上和/或额定风速WR以下，则使用功 率优化的桨距角以确保最佳能量捕获。响应于映射至曲线图110上在可用功率输出曲 线12右侧的区域116中的位置的风速和PREF，涡轮机控制器16可选择减小了转子 38的CP以使得转子38的功率输出约等于请求的功率水平PREF的桨距角θPref。因此， 二维查找表允许风力涡轮机22在区域116中在部分负载控制模式或满负载控制模式 下操作。如果期望最佳能量捕获，则请求的功率水平PREF可被设定为等于或大于额 定功率水平PR。在此PREF设置下，涡轮机控制器26将通过遵循可用功率输出曲线 12而作为传统控制器来操作。如果电厂控制器24发出低于可用功率输出的期望涡轮 机功率输出水平的PREF设置，则可使得涡轮机控制器26在部分负载控制模式下操作。 操作的部分负载控制模式由此可任意延伸至第二区域116中。本发明的实施方式由此 使得涡轮机控制器26能够针对在容许风力涡轮机操作界限内并且低于额定功率输出 PR的请求的功率水平PREF和风速WA的任何组合实现部分负载控制模式。
现在参照图6，示出涡轮机控制器26的实施方式的曲线图120，其中部分负载控 制区域122包括低于风力涡轮机的额定功率输出PR并且在额定风速WR左侧的整个 区域。针对介于额定功率输出PR与最小功率输出PMIN之间的功率水平以及介于额定 风速WR与切出风速WC之间的风速限定满负载控制区域124。即，满负载操作区域 124包括风力涡轮机22的落在部分负载操作区域122之外的剩余的容许操作条件。 因此，由涡轮机控制器26针对风力涡轮机22在额定风速WR以下的风力条件下的任 何操作实现此示例性实施方式的部分负载操作模式。从对图6的观察显而易见的是， 满负载控制区域124的面积显著小于第二区域116。通过减小涡轮机控制器26在满 负载控制模式下操作的区域，与传统涡轮机控制器相比，由曲线图120表示的操作控 制模式映射可减少变桨距活动。
现在参照图7，曲线图130示出涡轮机控制器26的另一实施方式，其中部分负 载操作区域122进一步扩展到模式边界132下面的区域中，该模式边界132由大致从 位于坐标(WR,PR)处的第一点134到位于坐标(WC,PMIN)处的第二点136延伸的线段限 定。部分负载操作模式由此延伸到包括额定风速WR以上的风力条件的区域中。示意 图130所示的控制映射可被实现为进一步减少在高风力条件期间在降额模式下操作 的风力涡轮机22的变桨距活动。满负载控制模式可被实现为将风力涡轮机电力产出 保持在以额定功率发电的严格控制下，以避免损坏涡轮机。这是因为高于额定功率的 任何小的增加会对风力涡轮机22的机械组件和电气组件造成损害。然而，如果PREF被设定为低于PR以使得风力涡轮机22的功率输出减小至额定功率输出PR以下，则 风力涡轮机22将不会由于短暂超过请求的功率水平PREF而损坏。电力产出控制模式 曲线图130通过扩展部分负载控制模式下的操作以覆盖WR以上的风速下的涡轮机操 作来利用这种行为。
如果请求的功率PREF接近额定功率PR，则风的高湍流水平可导致风力涡轮机功 率输出水平短暂超过涡轮机22的额定功率。为了提供安全裕度，模式边界132应该 被限定为使得在模式边界132与额定功率输出水平之间存在足以防止功率输出水平 超过PR的满负载控制区域。本领域普通技术人员因此将认识到，模式边界132可按 照许多方式来限定。因此，尽管在此示例性实施方式中模式边界132被示出为直线， 模式边界132也可具有其它形状并且可基于受控制的风力涡轮机所特定的风力条件 来改变。模式边界132也可基于在实际操作条件下在风力涡轮机处收集的经验数据来 优化。基于此数据，风力涡轮机控制器26可改变抵御大的风波动的能力(即，实现 生成较大的满负载控制区域124的模式边界132)与使变桨距活动最小化(即，实现 生成较大的部分负载控制区域122的模式边界132)之间的平衡。
当在部分负载控制模式下操作时，针对当前风速，涡轮机控制器26可依赖于生 成请求的功率水平PR的预定叶片桨距设置。为了补偿短期风波动或阵风，涡轮机控 制器26调节提供给功率变换器控制器52的功率基准信号58。结果，在风力涡轮机 控制器26在部分负载控制模式下操作的同时，风力涡轮机22的输出功率也将趋于波 动。然而，这些功率波动可类似于在“最大产出”或功率最佳控制模式下操作的传统风 力涡轮机控制器的行为。此外，由于各个风力涡轮机22的功率输出的短期波动可能 往往与在风电场20中操作的其它涡轮机22不相关，所以这些波动在具有大量涡轮机 22的风电场中可能被平均掉。
风电场20的非电网28请求的电力产出的改变通常不受电网运营商欢迎。例如， 可能由于平均风速的改变而发生这种改变。电网运营商也可能请求改变风电场20的 功率输出，例如响应于电网故障或者对电网电力的需求的改变。当电网运营商请求改 变风电场20的功率输出时，电网准则(grid codes)可能要求快速地实现这种改变。 因此，管理功率输出的请求和非请求的改变给电厂控制器24带来挑战，要求电厂控 制器24尽可能快速地管理一些改变，同时抑制其它改变，以便满足电网准则要求。 通常，可取的是利用快速瞬变来强制电网所请求的功率输出改变，而控制非请求的功 率输出改变以使得所述改变以可管理的速率发生。典型的电网准则要求可能要求风电 场功率输出能够按照大于或等于X兆瓦/秒的速率对功率请求信号92的改变作出响 应，其中X表示所需响应速率。类似地，电网准则可能要求风电场20不按照等于或 大于Y兆瓦/秒的速率增加非请求的输出功率产量(例如，对增加的风速的响应)。电 网准则通常将非请求的响应速率Y设定为显著低于请求的响应速率X的值。
功率请求信号92的快速反应可通过电厂控制器24中或风力涡轮机控制器26中 的内部斜坡限制器(ramp limiter)来处理。非请求的响应速率极限越慢，通常对风电 场20的挑战越高。传统风电场20通常依赖于电厂控制器24来控制非请求的响应速 率。然而，仅仅依赖于电厂控制器24可导致风力涡轮机负荷增加并且在稳态条件下 的电力产出降低。需要考虑的另一问题在于，通过减小功率对斜坡率(ramp rate)的 限制无法达到通过增加功率所能达到的程度。即，如果风速下降，则风力涡轮机22 将最终不得不减小其输出功率，因为风能将不足以在相当长一段时间内维持先前的电 力产出水平。
现在参照图8，功率基准信号控制电路140包括加法器142、斜坡率限制器144 和信号选择器146，该信号选择器146被配置为选择性地输出具有最低或最小电平的 输入信号148、150作为内部功率基准信号PREF_INT。然后涡轮机控制器26使用PREF_INT代替PREF来如上所述调节叶片桨距和输出功率。请求的功率水平控制电路140可被 实现为扩展的部分负载控制模式的一部分，以改进风电场20对非请求的功率输出改 变的响应。表示受控制的风力涡轮机22的可用功率输出PA的可用功率信号152与调 整参数α相加，以生成经调节的可用功率信号154。调整参数α可向可调节的可用功 率信号154提供偏移，以使得在稳定电力产出期间，向涡轮机22请求比可用的产出 略多的产出。调整参数α由此可通过将PREF_INT保持在PA以上来避免稳定产出期间 的产出损失。
斜坡率限制器144可被配置为与功率的增加相比，针对功率的减小提供不同的斜 坡率。例如，斜坡率限制器144可被配置为针对下降的可用功率输出PA强加相对低 的斜坡率限制(或者无限制)，针对增加的可用功率PA强加相对高的斜坡率限制，以 便于遵从电网准则。信号选择器146将经受限的斜坡率调节的可用功率信号(PA_LIM) 与PREF进行比较，并且输出两个信号中较低的一个作为PREF_INT。
图9示出请求的功率水平控制电路140的替代实施方式，其按照与图8所示的电 路类似的方式操作，不同的是在通过斜坡率限制器144处理可用功率信号152之后将 调整参数α与信号152相加。由于斜坡率限制器144对信号的变化率，而非信号电平 作出响应，并且由于调整参数α在涡轮机控制器26的正常操作期间通常将不改变， 所以图9所示的实施方式可操作为生成基本上与图8所示的实施方式相同的结果 PREF_INT。
在稳态操作中，可用功率PA将不会快速变化，因此斜坡率限制器144将不限制 调节的可用功率信号154。因此，PREF_INT将等于请求的功率PREF或调节的可用功率 信号PA_LIM中较低的一个。通常，请求的功率PREF将被设定为大于或等于可用功率 的值，以使电力产出最大化。在这种操作条件下，PREF_INT通常将等于PA_LIM，并且 涡轮机22将生成与可用功率输出PA相等的功率。响应于请求的功率PREF的增加， 信号选择器将继续输出PA_LIM，并且涡轮机22的输出将保持不受影响。然而，响应 于降至PA_LIM以下的请求的功率水平PREF的下降，功率水平控制电路140可开始输 出与PREF相等的PREF_INT。这可导致涡轮机控制器26按照追随PREF的速率减小涡轮 机22的输出功率，只要PREF的变化率在涡轮机22的响应速度内即可。因此，对于 低于PA_LIM的请求的功率水平PREF，涡轮机控制器26可尽可能快地调节风力涡轮机 22的输出以满足电网要求。
在风速增加的条件下，可用功率输出PA的变化率可能导致调节的可用功率信号 154超过斜坡率限制器144的斜坡率极限。作为响应，斜坡率限制器144可使得PA_LIM增加，以延缓可用功率输出PA的增加。功率水平控制电路140由此可将风力增加期 间涡轮机功率输出增加的速率限制到符合电网准则的水平。如果PA_LIM超过请求的功 率PREF，则功率水平控制电路140可如上所述将PREF_INT的限额设定为PREF，以使得 风力涡轮机22的输出不超过请求的功率水平。
相比之下，在风速减小的条件下，可用功率输出PA的变化率可能不足以导致调 节的可用功率信号154超过斜坡率限制器144的斜坡率极限。在这种情况下，PA_LIM可追随可用功率输出PA。功率水平控制电路140由此可允许在调节的可用功率信号 154小于PREF的同时，在风力减小加期间涡轮机功率输出减小的速率追随可用功率 PA。就像在稳定和风力增加的条件下的情况一样，如果PA_LIM超过请求的功率PREF， 则功率水平控制电路140将PREF_INT维持在PREF，在这种情况下，PA的改变将不会被 反映在PREF_INT中。
本文中所使用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，并非旨在限制本发明。 如本文所用，单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。还将理解， 本说明书中所使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所说的特征、整件、步骤、操作、 元件和/或组件，但是不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、操作、元件、组 件和/或其组的存在或附加。另外，就具体实施方式或权利要求书中使用的术语“包 含”、“具有”、“由…组成”或其变体而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式是 包括性的。
如本文所用，术语“响应于”意指对第一事件“做出反应”和/或在第一事件“之后”。 因此，“响应于”第一事件发生的第二事件可紧接着第一事件之后发生，或者可包括第 一事件与第二事件之间出现的时滞。另外，第二事件可由第一事件引起，或者可仅仅 在第一事件之后发生而没有任何因果联系。
如本领域技术人员将理解的，本发明的实施方式还可具体实现于计算机程序产品 中，所述计算机程序产品具体实现于具体实现有计算机可读程序代码的至少一个计算 机可读存储介质中。所述计算机可读存储介质可以是可包含或存储有程序的电子、磁、 光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置或者其任何合适的组合，该程序由指令 执行系统、设备或装置使用或者与其连接。示例性计算机可读存储介质包括(但不限 于)硬盘、软盘、随机存取存储器、只读存储器、可擦除可编程只读存储器、闪存、 便携式致密盘只读存储器、光学存储装置、磁存储装置或者其任何合适的组合。用于 实现本发明的实施方式的操作的计算机程序代码可通过一种或更多种面向对象和过 程化的编程语言来编写。
本文所述的方法可通过计算机程序指令来实现，该计算机程序指令被供应给任何 类型的计算机的处理器以利用执行所述指令的处理器生成机器，以实现本文所指定的 功能/动作。这些计算机程序指令还可被存储在可指导计算机按照特定方式工作的计 算机可读介质中。为此，计算机程序指令可被加载到计算机上以使得执行一系列操作 步骤并由此生成计算机实现的处理，使得执行的指令提供实现本文所指定的功能/动 作的处理。
本文所述的程序代码和/或系统功能的各种实施方式可基于在本发明的特定实施 方式中实现的应用、功能或软件组件来标识。然而，应该理解，遵循的任何特定程序 命名仅是为了方便而使用，因此本发明不应限于仅使用由这种命名标识和/或暗指的 任何特定应用。还应该理解，本文所公开的各种特征、应用和装置可单独使用或组合 使用。此外，考虑到通常计算机程序可被组织成例程、过程、方法、模块、对象等的 无数种方式以及可在驻留在典型计算系统内的各种软件层(例如，操作系统、库、 API、应用、小应用等)之间和/或跨越一个或更多个硬件平台分配程序功能的各种方 式，应该理解，本发明不限于本文所述的特定组织方式和程序功能的分配方式。
尽管通过描述各种实施方式而例示了本发明并且相当详细地描述了这些实施方 式按照，申请人并非意在将所附权利要求书的范围限制或者以任何方式限定于这些细 节。对于本领域技术人员而言，另外的优点和修改将明显。例如，本发明的实施方式 可利用电厂控制器24、涡轮机控制器26、或者控制器24、26的组合中提供的功能来 实现。因此，本发明在其更广的方面不应限于所示出并描述的特定细节、代表性方法 和例示性示例。
因此，在不脱离本发明总体构思的精神或范围的情况下可脱离这些细节。