使用估计方法的塔架谐振运动和对称叶片运动的风力涡轮机阻尼 相关申请的交叉参考
本申请涉及Kitchener Clark Wilson、William Erdman和Timothy J.McCoy的标题为“Wind Turbine With Blade Pitch ControlTo Compensate For Wind Shear And Wind Misalignment(具有叶片桨距控制以补偿风切变和风失调的风力涡轮机)”、在2006年10月2日提交的美国专利申请号60/849,160，该申请转让给ClipperWindpower Technology，Inc.，并且通过参考包括在这里。
【技术领域】
本发明涉及塔架结构，如风力涡轮机塔架，并且更具体地说，涉及通过在保持额定转矩或功率的同时调节叶片桨距角而衰减涡轮机主谐振频率。
背景技术
大型现代风力涡轮机具有高达100米的转子直径，使塔架具有容纳它们的高度。在美国，对于某些地方，如美国大平原，正在考虑高塔架，以利用估计使得加倍的塔架高度将可得到的风力增加45％。
各种技术在使用中，或者被提议使用，以控制风力涡轮机。这些控制方法论的目标是使电力发电最大化，同时使施加在各涡轮机组件上的机械载荷最小化。载荷可引起应力和应变，并且是缩短组件寿命的疲劳失效源。减小载荷允许使用较轻或较小的组件-一个给出增加风力涡轮机尺寸的重要考虑。减小载荷也允许相同的组件用在处理增大的风能的较大功率涡轮机中，或者允许对于相同额定功率增加转子直径。
风力涡轮机、和支撑它们的塔架，具有由风力活动以及控制输入影响的复杂动态特性。动态特性包括转子每分钟转数(rpm)、弱阻尼塔架运动、弱阻尼传动系统运动、挠性叶片弯曲等。风力涡轮机控制器在提供涡轮机每分钟转数的良好控制、添加塔架运动阻尼、以及添加传动系统阻尼之间起平衡动作，同时使叶片弯曲最小化或不加剧叶片弯曲。状态空间控制器，借助于所有这些动态特性的复杂模型，有希望实现这个，但这样的控制复杂并且难以开发。
期望提供一种控制方法，该方法通过调节由常规控制方法(例如，比例-积分-PI补偿器)产生的每分钟转数控制桨距命令增加塔架阻尼。这样一种方法适于包括在状态空间控制算法中，以及用作对于常规控制的辅助控制。
对于阻尼，例如塔架阻尼，的方法一般包括测量塔架加速度、检测在该加速度内的自然塔架谐振模式、以及产生增加阻尼的反馈叶片桨距。美国专利4,420,692和4,435,647公开了通过使用叶片桨距控制器为衰减塔架第一弯矩施加的常规带通滤波器的使用。这种类型的阻尼在许多情形下增加了叶片弯曲运动，而这是不可接受的。
加速度信号已经叠加到自然塔架谐振运动上，尤其是，由于由不平衡和叶片空气动力非线性引起的三次每转(3P)力造成的加速度。不从桨距-反馈-阻尼信号中消除这些分量中的一些可加剧叶片运动，并且导致叶片疲劳和失效。具体地说，由用于阻尼的塔架加速度仪144拾取的3P信号非常接近塔架谐振频率，并且在专利4,420,692和4,435,647中公开的带通滤波器的通带的范围内。使用带通滤波器导致3P信号以任意相位通到叶片桨距控制器。3P信号的源是叶片对称弯曲模式，其中全部三个转子叶片都一起运动、弯入和弯出叶片转子盘平面。3P频率分量接近叶片对称弯曲模式谐振频率，并且当以由带通滤波器引起的相位变化通过时，加重对称叶片弯曲。
因此期望的是，提供一种将塔架谐振运动与由3P叶片不平衡引起的运动相分离的手段。消除频率分量的常规方法包括放置与常规带通滤波器串联的陷波滤波器。在频率方面接近带通的3P陷波将其相位和增益误差增加到最终输出上，造成控制困难。这个过程不产生塔架谐振运动的和3P运动的估计。
期望单独使用塔架加速度测量提供在塔架的已知谐振频率处的塔架运动的估计。不会由其它运动恶化的这样的估计需要产生用于塔架谐振运动阻尼的桨距反馈信号。
也期望提供由三个不平衡叶片的转动引起的3P加速度的估计。不由塔架谐振运动恶化并且已经选择相位以便不加重叶片弯曲的这样的估计需要用于塔架和叶片阻尼以及一般的涡轮机控制。
【发明内容】
简短地说，本发明涉及一种控制具有多个转子叶片的风力涡轮机的设备和方法，包括使用塔架加速度测量以衰减塔架谐振运动、及衰减3P运动并因此衰减叶片对称弯曲的方法。塔架谐振加速度由塔架和叶片对于在整个叶片盘上平均的风力变化地共同响应引起。关于在风切变(垂直、水平或归因于迎角失调)中转动的三个不平衡叶片，空气流与叶片的相互作用是叠加在谐振运动上的三次每转运动。产生的总塔架加速度包括具有叠加的三次每转活动性的塔架结构的弱阻尼谐振运动。这种塔架运动引起疲劳失效，并且缩短塔架寿命。
此外，叶片本身是具有它们自己的弯曲模式和谐振运动的细长挠性结构。由于通过将叶片调谐到顺流交距位置和离开该位置在这些叶片上执行桨距命令，所以叶片弯曲受到强烈影响。如果桨距命令包括在叶片对称弯曲谐振频率附近的频率分量，则桨距活动性可加重叶片弯曲，并且增大叶片加载并使它们的寿命缩短。
按照本发明的一方面，风力涡轮机使用反馈桨距命令控制叶片的桨距，以便控制转子的每分钟转数和由涡轮机产生的电力。本发明将衰减塔架谐振运动的反馈分量添加到这种每分钟转数控制反馈桨距上，该反馈分量不包括加重叶片弯曲的频率。这种塔架谐振运动阻尼反馈桨距分量被共同地施加(对于每个叶片同等地)。
按照本发明的一方面，本发明还添加减小3P塔架运动并因此减小叶片弯曲的反馈桨距分量。这种3P运动阻尼反馈桨距分量也被共同地施加。
按照本发明的一方面，为了衰减塔架运动，涡轮机控制器包括估计塔架谐振运动和同时估计塔架3P运动的装置。控制器还产生塔架阻尼桨距反馈信号和3P阻尼桨距反馈桨距信号。
按照本发明的一方面，这由仅使用塔架加速度测量的估计器完成，并且被调谐成专门估计塔架谐振加速度和同时估计3P塔架加速度。谐振塔架阻尼桨距反馈信号由估计的塔架谐振加速度变化率构成，并且3P桨距反馈信号由估计的3P塔架加速度变化率构成。
此外，为了校正桨距执行器和其它涡轮机系统滞后，每个反馈信号设有使每个按需要提前或滞后的单独相位控制。3P桨距反馈信号不加重叶片对称弯曲模式，因为其相位设置成减轻这种模式。
此外，为了说明风力变化条件，每个反馈信号设有适应条件的增益。
反馈信号形成为由用于每分钟转数或其它目的的塔架控制(状态空间、比例-积分-微分-PID、...)开发的标称桨距信号的调节。到桨距执行器的最终桨距命令是标称、谐振塔架阻尼桨距调节、以及3P桨距反馈调节之和。
按照本发明的一方面，由不平衡叶片的3P运动引起的加速度在塔架谐振桨距反馈信号中被拒绝。
按照本发明的一方面，由塔架的谐振运动引起的加速度在3P桨距反馈信号中被拒绝。
本发明具有它摆脱3P(或任何其它选择频率)信号的塔架谐振运动桨距控制信号同时使塔架第一弯曲频率(或任何其它选择频率)通过的优点。此外，它摆脱塔架谐振运动(或任何其它选择频率)信号的3P桨距控制信号同时使3P频率(或任何其它选择频率)通过。此外，它提供减轻塔架谐振运动和3P运动的反馈桨距信号。
这即使当这样的频率太接近而不能使用常规频率滤波器时也成立。此外，包括一种引入期望相位以补偿执行器滞后的方法。此外，包括一种增益自适应风力条件的方法。这是一种非常通用且相对简单的技术，该技术可用来检测一个频率信号-此时另一个频率信号在附近，并且可方便地用于除塔架运动阻尼之外的多个目的。
【附图说明】
从以下结合附图所作的详细描述将被更充分地理解本发明和其操作模式，在附图中：
图1是按照本发明突出关键涡轮机元件的变速风力涡轮机的方块图。
图2是按照本发明的塔架阻尼系统的方块图。
图3是在参数选择之前通过测得的塔架加速度驱动的估计塔架谐振加速度变化率的传递函数的图形表示。
图4是在参数选择之后通过测得的塔架加速度驱动的估计塔架谐振加速度变化率的传递函数的图形表示。
图5是对于稳态桨距的加速度的采样变化率敏感性的图形表示，其中桨距代替风速。
图6是在参数选择和提供自适应增益(在14m/s的风速或10.77度桨距下)之后补偿由测得的塔架加速度驱动的塔架谐振加速度的桨距调节的传递函数的图形表示。
图7是在参数选择、提供自适应增益(在14m/s的风速或10.77度桨距下)以及添加30度相位超前之后补偿由测得的塔架加速度驱动的塔架谐振加速度的桨距调节的传递函数的图形表示。
图8是图4的常规带通和陷波滤波器重现的传递函数的图形表示，以表明引入的相位误差。
图9是在参数选择之后由测得的塔架加速度驱动的估计3P加速度变化率的传递函数的图形表示。
图10是在参数选择之后由塔架测量的加速度驱动的-30度相移的估计3P加速度变化率的传递函数的图形表示。
【具体实施方式】
参照图1，它是按照本发明的变速风力涡轮机设备的方块图。风力发电装置包括具有装在吊舱100中的一个或多个发电机的涡轮机，该吊舱100安装在锚定到地面104上的高塔架结构102的顶部上。吊舱100置于迎角平台101上，并且在水平平面上绕迎角枢轴106自由地转动，及保持在盛行风流的路径中。
涡轮机具有连接到转子毂118上的变桨距叶片112、114的转子。这些叶片响应风流转动。叶片中的每一个可以具有叶根段和叶片延伸段，使得转子的长度是可变的，以提供变直径转子。如在美国专利6,726,439中描述的那样，转子直径可以被控制成，在低流速下完全伸展转子，并且随着流速增加缩回转子，使得由转子传送或施加在转子上的载荷不超过设置极限。吊舱100在风流的路径中被固定在塔架结构上，使得吊舱与风流近似对准地保持水平固定就位。发电机由涡轮机驱动以产生电力，并且连接到互连到其它单元和/或连接到电网上的电力输送电缆上。
在图1中示出的设备控制风力涡轮机的RPM，并且衰减塔架谐振运动和3P运动。叶片的桨距按常规方式由命令组件-常规桨距命令逻辑装置148控制，该常规桨距命令逻辑装置148使用发生器RPM138产生标称转子叶片桨距命令信号154。连接到塔架加速度信号143上的阻尼逻辑装置146产生估计叶片桨距调节命令152。连接到估计叶片桨距调节命令152上并连接到桨距命令154上的组合逻辑装置150提供能够命令转子叶片的桨距的组合叶片桨距命令156，该组合叶片桨距命令包括衰减风力涡轮机塔架谐振运动的和3P叶片不平衡运动。
在图2中示出的设备补偿风力涡轮机200中的塔架谐振和叶片不平衡。叶片的标称桨距按常规方式201由命令组件248控制，该命令组件248使用实际发生器RPM 238产生转子叶片桨距命令信号。
由塔架阻尼逻辑装置240控制叶片桨距的调节。结果是共同谐振运动调节247和共同3P运动调节249。连接到叶片桨距调节命令247和249上并连接到共同桨距命令248上的组合逻辑装置250，提供能够命令转子叶片的桨距的组合叶片桨距命令252，该组合叶片桨距命令252包括衰减风力涡轮机塔架的和叶片。
塔架阻尼逻辑装置240包括塔架运动估计器246，该塔架运动估计器246使用塔架加速度测量245来估计塔架谐振运动260和塔架3P运动262。谐振运动估计260被相位调节264，并且由自适应增益266使用共同的RPM命令组件248来选择适当增益被放大。3P运动估计262被相位调节265，并且由自适应增益267使用共同的RPM命令组件248来选择适当增益被放大。
估计器：塔架谐振估计器逻辑装置基于塔架谐振运动的二阶阻尼模型：
其中a是加速度(m/s/s)，v是速度(m/s)，x是位置(m)，及ξ谐振是用来调谐其响应的估计器塔架谐振响应(不必具有塔架动态特性)的阻尼系数，并且ω谐振是该运动的已知谐振频率。关于时间取两次导数，这个模型单独用加速度项写为
添加的δ谐振项(m/s/s/s/s)是代表模型中不准确度的随机噪声量，并且其标准偏差σ用来进一步调谐估计器响应。
估计器还基于3P风切变运动的二阶阻尼模型
a··3P=-ω3P2a3P-2ω3Pξ3Pa·3P+δ3P]]>
其中ξ3P和δ3P被类似地用来调谐估计器响应。
估计器使用使这两个加速度与测量的加速度相关的测量公式
a测得的＝a谐振+a3P+δ测量
其中添加的δ测量项(m/s/s/)代表超越该模型的随机测量偏差，并且也用来调谐估计器响应。整个系统的状态空间表示是
如果加速度信号具有能随时间缓慢变化的偏置，则它通过在将信号提供给估计器之前高通滤波信号(在0.01Hz左右)、或者在估计器内包括偏置估计组件而被处理。
任何数量的数值和明确的手段适用于将这转换到离散时间模型，并由此转换到离散时间估计器(例如，卡尔曼(Kalman)滤波器、H∞、极点配置、...)，该估计器一般具有如下形式
xi+1/i＝Axi/i
xi+1/i+1＝xi+1/i+k(a*测量，i -cxi+1/i)
＝Axi/i+k(a*测量，i -cAxi/i)
＝(I-kc)Axi/i+ka*测量，i
＝Γxi/i+ka*测量，i
其中k是估计器增益矩阵，并且a＊测量，i是在时间ti处的实际加速度测量。增益可随每个估计变化(如在经典卡尔曼或H∞滤波器中那样)，或者可被选作常数矩阵(如在极点配置和稳态卡尔曼或H∞增益中那样)。时间变化增益具有适于改变谐振和风切变ω和ξ的优点，而恒定增益具有形成非常简单和计算上高效的滤波器的优点。
估计器的两个级，谐振和3P，一起形成在同一观察器内。这意味着，设计过程(增益选择)产生‘知道’两种现象存在和它们的相互作用的观察器。并且，因为这是估计器，并因而不能允许相位误差，所以估计具有最小相位误差(一般是零误差，除非频率带宽大大地重叠)。此外，由于两种现象都被估计，所以每一种不含另一种。
用于塔架谐振阻尼的反馈：产生阻尼反馈项以将阻尼添加到动态特性的塔架谐振部分上。谐振动态特性的较完整模型(包括叶片桨距和风速的影响的一个该模型)是
其中ξ固有是固有或现有的自然阻尼，并且f谐振(β，V风)是通过叶片空气动力学代表叶片桨距β和风速V风的影响的强制函数。如果通过调节桨距添加阻尼，那么近似地
其中ξxtra是由施加的Δβ谐振调节产生的期望的额外阻尼系数。g谐振(V风)是由涡轮机的模拟研究确定的增益因数。使诸项相等，当桨距调节由风速安排为如下公式时通过调节提供额外阻尼
缺少风速值时，V风由桨距代替，该桨距由对于涡轮机在风速与桨距之间的稳态关系V风SS＝h(βSS)给出：
反馈桨距是由涡轮机通常产生的用于涡轮机的其它控制功能(例如，使用PID补偿器的每分钟转数控制)的桨距命令的调节。由于反馈仅基于谐振运动估计，并且这不含3P动态特性，所以反馈没有不期望的频率，并且不加重涡轮机叶片模式。
相位控制：一件事情是需要桨距，并且完全不同的另一件事情是得到响应。桨距执行器和其它处理要求在要求与执行之间添加滞后，并且这可通过将超前添加到要求调节上被校正。通过忽略ξ阻尼项简化估计器谐振动态特性：
在稳态下复指数解是
如果相移项由和a谐振的单位增益和形成为
那么使用欧拉(Euler)公式
其中φ谐振是期望的相移(对于超前为正)。使实数项和虚数项相等，
cosφ=11+γ2]]>
sinφ=-γ1+γ2]]>
那么相位控制桨距调节由如下公式给出
塔架谐振阻尼的实例：考虑具有0.38Hz的塔架谐振频率、接近3P频率的叶片弯矩、及20Hz控制环路的涡轮机。在额定每分钟转数(15.5每分钟转数)下，3P在0.775Hz处，并且必须从调节的桨距反馈中消除，以便不加重叶片弯曲。使用初始值
ξxtra ＝0.707
σδ测量 ＝0.1
φ ＝0
ω谐振 ＝2π(0.38)
ω谐振 ＝2π(0.775)
ξ谐振 ＝0
σδ3P ＝0.001
ξ3P ＝0
状态空间模型被数字化(使用塔斯廷(Tustin)、或双线性变换)，稳态卡尔曼增益被计算，以及在图3中示出的对于的加速度测量的伯德(Bode)曲线(使用零阶保持)具有在ω谐振处的波峰和在ω3P处的陷波。
尽管动态卡尔曼滤波器对当涡轮机改变每分钟转数时跟踪3P频率有用，但这里考虑稳态，因为它计算较简单并且已经表明执行顺利。
增大σδ谐振和σδ3P以加宽波峰和陷波的带宽，因为谐振和3P频率不是熟知的，并且增大ξ谐振和ξ3P以软化响应：
ξ谐振 ＝0.2
σδ3P ＝0.06
ξ3P ＝0.04
产生图4的伯德曲线。注意，在图3和图4中，在ω衰减处的谐振信号的相位是+90度，如对微分器期望的那样，并且没有误差。生成的估计器矩阵是
Γ‾ss=0.968330.047412-0.023486-0.0011803-0.301960.943720.00483360.00024292-0.0904360.00442800.882570.044354-0.14511-0.0071052-1.29920.94492]]>
k‾ss=0.024186-0.00497760.0911350.14624]]>
在图5中示出涡轮机的模拟研究产生g谐振[h(β)]-增益安排项，同时产生具有图6的桨距调节的伯德曲线。在图6中也示出了为这个涡轮机原始开发的常规带通补偿器(虚线)。而原始系统加重叶片弯曲，估计器不加重叶片弯曲，并且产生等效的塔架谐振阻尼。
为了表明相移性能，增大
φ＝30度
产生图7的伯德图，其中当与图6比较时看到在ω谐振处的+30度相移。
使用常规频率滤波器产生图4的传递函数的尝试是不成功的。图8是使用低通跟随陷波滤波器的结果：
其中
g低 ＝-0.5
ξ低 ＝0.3
g陷波 ＝0.85
ξ陷波 ＝0.3
尽管数值曲线是类似的，但相位不是：与图4的估计器相比，在ω谐振处有添加的22度相位滞后。
用于塔架3P阻尼加相位控制的反馈：与对于以上谐振阻尼相同的是，3P塔架运动阻尼给出如下公式
其中3P加速度项直接从估计器值得到，并且g3P[h(β)]由模拟研究确定。从塔架加速度到的传递函数在图9中示出：关于微分器的预期+90度相移在ω谐振处有陷波和在ω3P处有波峰。由于由采样数据系统的零阶保持的性质在ω3P处引入的滞后(添加的滞后＝0.775Hz＊360度/20Hz＝14度)，相位实际上稍小于90度。相位控制是重要的，以便在阻尼叶片弯曲的同时不加重叶片弯曲。如在图6中看到的那样，加重的叶片弯曲的常规设计产生具有约-98度相位的3P反馈分量。关于对于反馈增益使用的负符号，标称估计器反馈在-94+14＝-76度附近，并且需要被调节以衰减且不激励叶片弯曲模式。图10表明当φ3P＝-30度时添加的30度滞后。
其它实施例
尽管本发明已经参照其优选实施例被具体地示出和描述，但本领域技术人员将理解，其中可以进行形式和细节的上述和其它变化，而不会背离本发明的范围。尽管为了说明目的已经使用稳态估计器增益，但适于转子每分钟转数的动态增益包括在本发明中。尽管为了说明目的已经使用塔架谐振和3P频率，但可考虑其它频率。尽管塔架阻尼被用作说明性实例，但本发明可用于诸如转子阻尼的其它应用，并且从像转子每分钟转数这样的信号中除去不期望的频率。