可变速度风力涡轮机、谐振控制系统、运行可变速度风力涡轮机的方法、可变速度风力涡轮机中方法的使用以及谐振控制系统的使用.pdf

本发明涉及一种连接到市电网的可变速度风力涡轮机，包含：转子，其包含至少一个叶片；传动系，其连接到所述转子，所述传动系包含至少一个发电机以及至少一个齿轮箱的选择；测量装置，其建立传动系的至少一个旋转速度信号；至少一个风力涡轮机功率控制器，其连接到所述至少一个发电机和所述市电网。另外，所述风力涡轮机包含至少一个谐振控制装置，该装置响应于所述至少一个旋转速度信号修改功率基准值。本发明还涉及谐振控制系统、运行可变速度风力涡轮机的方法、可变速度风力涡轮机中方法的使用以及谐振控制系统的使用。

1.  一种连接到市电网的可变速度风力涡轮机，包含：
转子，其包含至少一个叶片，
传动系，其连接到所述转子，所述传动系包含至少一个发电机以及至少一个齿轮箱的选择，
测量装置，其建立传动系的至少一个旋转速度信号，以及
至少一个风力涡轮机功率控制器，其连接到所述至少一个发电机和所述市电网，
其中，所述风力涡轮机还包含至少一个谐振控制装置，该装置响应于所述至少一个旋转速度信号修改功率基准值。

2.  根据权利要求1的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置包含一个或多于一个的PID控制器，例如一个或多于一个的谐振PID控制器。

3.  根据权利要求1或2的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置在传动系的一个谐振频率上具有相对较高的增益。

4.  根据权利要求1-3中任意一项的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置的带宽可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变。

5.  根据权利要求1-4中任意一项的风力涡轮机，其中，一个谐振频率上所述谐振控制装置的增益可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变，例如在DC频率上。

6.  根据权利要求1-5中任意一项的风力涡轮机，其中，在传动系的一个谐振频率上，所述谐振控制装置的相移基本为零。

7.  根据权利要求1-6中任意一项的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置在远离传动系的一个谐振频率的频率上具有在数值上增大的相移。

8.  根据权利要求6或7的风力涡轮机，其中，相移的斜率可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变。

9.  根据权利要求1-8中任意一项的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置的传递函数的形式为：
HRCM(S)=KP+Ki·2ωCUSS2+2ωCUS+ωDT2]]>

10.  根据权利要求1-9中任意一项的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置的一个基本谐振频率为传动系的一个谐振频率，例如传动系的本征频率。

11.  根据权利要求10的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置的所述一个基本谐振频率为计算值，例如预定的计算值。

12.  根据权利要求10或11的风力涡轮机，其中，所述谐振控制装置的所述一个基本谐振频率为固定值，或可在运行期间改变，例如是适应于传动系的本征频率的。

13.  根据权利要求10或12的风力涡轮机，其中，所述谐振本征频率为预定的值和/或被推定。

14.  根据权利要求1-13中任意一项的风力涡轮机，其中，所述至少一个控制装置修改功率基准值的水平受到限制。

15.  根据权利要求1-14中任意一项的风力涡轮机，其中，所述至少一个控制装置修改功率基准值的水平被限制在预定水平内。

16.  根据权利要求1-15中任意一项的风力涡轮机，其中，所述预定水平在所述风力涡轮机的标称和/或所产生功率的百分之0.1到25的范围内，例如5％。

17.  根据权利要求1-16中任意一项的风力涡轮机，其中，所述测量装置为编码器，例如在低速转子轴上和/或在发电机轴上运行的编码器。

18.  根据权利要求1-17中任意一项的风力涡轮机，其中，所述测量装置通过处理转子电流、定子电流等风力涡轮机的至少一个电气参数来建立传动系的至少一个旋转速度信号。

19.  根据权利要求1-18中任意一项的风力涡轮机，其中，所述功率基准值为所述功率控制器的功率基准值。

20.  一种谐振控制系统，包含：
风力涡轮机的至少一个功率控制器，所述功率控制器连接到所述风力涡轮机的至少一个发电机以及市电网，
其中，所述谐振控制系统响应于传动系的至少一个旋转速度信号来修改功率基准值。

21.  一种运行连接到市电网的可变速度风力涡轮机的方法，包含以下步骤：
建立传动系的至少一个旋转速度信号。
在至少一个谐振控制装置中处理所述至少一个旋转速度信号，以及
响应于处理的所述至少一个旋转速度信号来修改功率基准值。

22.  根据权利要求20的谐振控制系统在根据权利要求1-19中任意一项的可变速度风力涡轮机中的使用。

23.  根据权利要求21的方法在根据权利要求1-19中任意一项的可变速度风力涡轮机中的使用。

可变速度风力涡轮机、谐振控制系统、运行可变速度风力涡轮机的方法、可变速度风力涡轮机中方法的使用以及谐振控制系统的使用
技术领域
本发明涉及可变速度风力涡轮机、谐振控制系统、运行可变速度风力涡轮机的方法、可变速度风力涡轮机中方法的使用以及谐振控制系统的使用。
背景技术
一般而言，风力涡轮机将风力中的能量转换为供给市电网的电能。
由于作用在风力涡轮机转子上的风在风力涡轮机的传动系(drivetrain)中产生旋转转矩，且风力涡轮机的转子受到例如由于风切变、交变的平均风速、波动的风、湍流等等引起的变化的风力情况的影响，传动系的旋转速度相应地变化，因此，发电机的旋转速度也相应地变化。这又对风力涡轮发电机产生的电力品质产生影响。另外，变化的旋转速度可在传动系中产生变化的机械转矩，其可对传动系的机械部件具有疲劳影响。
美国专利申请2006/0066111公开了一种风力涡轮机振动阻尼系统，基于关于发电机旋转速度的信息，其对由风力涡轮发电机产生的传动系中的转矩进行控制。
与此系统有关的一个问题在于，希望阻尼的风力涡轮机的频率基于表示发电机旋转速度的采样信号的傅里叶变换来计算。与此问题有关的问题在于，连续傅里叶变化和计算耗时良多并占据风力涡轮机控制器的计算能力，由于时间延迟，阻尼的准确度因此减弱。
本发明的目的在于提供一种没有上面提到的缺点的阻尼风力涡轮机传动系中变化的旋转振动的有利方法。
发明内容
本发明提供了一种连接到市电网的可变速度风力涡轮机，包含：
-转子，其包含至少一个叶片，
-传动系，其连接到所述转子，所述传动系包含至少一个发电机以及至少一个齿轮箱的选择，
-测量装置，其建立传动系的至少一个旋转速度信号，
-至少一个风力涡轮机功率控制器，其连接到所述至少一个发电机和所述市电网。
所述风力涡轮机还包含至少一个谐振控制装置，该装置响应于所述至少一个旋转速度信号修改功率基准值。
响应于至少一个旋转速度信号修改功率基准值是有利的，因为影响例如风力涡轮发电机旋转速度的风力涡轮机的机械系统中的振动能受到阻尼，进一步确保风力涡轮机部件上的负载能被最小化。
通过使用谐振控制装置，甚至进一步确保了仅仅具有特定频率的振动能被选择，确保了例如传动系谐振频率上的振动可被控制以及阻尼。
通过修改功率基准值，甚至进一步确保了风力涡轮机控制系统的带宽不依赖于谐振控制装置的带宽，并能实现更为快速且更为准确的传动系振动补偿，这是因为例如内部电流/转矩控制环和外部功率控制环的不同带宽。
在本发明一实施形态中，所述谐振控制装置包含一个或多于一个的PID控制器，例如一个或多于一个的谐振PID控制器。通过使用PID控制器，确保了使用公知且可靠的控制器技术，确保了获得谐振控制装置的希望的特性。另外，通过使用谐振控制器，进一步确保了可为阻尼以及控制选择特定的频率，例如传动系谐振频率。
在本发明另一实施形态中，所述谐振控制装置在传动系的一个谐振频率上具有相对较高的增益。由此，确保了在所述一个谐振频率上所述至少一个旋转速度信号中即使是小的响应或变化导致反馈信号的高的值，由此产生所述功率基准值的修改，其又导致所述变化的非常有效的控制和/或阻尼。
在本发明另一实施形态中，所述谐振控制装置的带宽可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变。设置所述谐振控制装置的运行参数确保了所述谐振控制装置具有相对较高增益的频率范围能受到控制，且谐振控制装置能对更为接近的频率产生有效的响应。通过在运行中改变所述运行参数中的至少一个，进一步确保了如果例如谐振控制装置基本调谐到例如传动系本征频率，运行过程中例如由于温度变化引起的传动系实际本征频率中的变化可被补偿，且所述变化因此仅仅对控制装置具有微小的影响，从而产生有效的响应。
在本发明的另一实施形态中，一个谐振频率上所述谐振控制装置的增益可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变，例如在DC频率上。由此，确保了谐振频率修改一个功率基准值的水平可受到控制，且例如传动系振荡阻尼的有效性可得到控制。
在本发明另一实施形态中，在传动系的一个谐振频率上，所述谐振控制装置的相移基本为零。由此，确保了获得在一个谐振频率上对一个旋转速度信号的准确的无延迟的响应，且进一步的相位信号处理是不必要的。
在本发明又一实施形态中，所述谐振控制装置在远离传动系的一个谐振频率的频率上具有数值上增大的相移。由此，确保了谐振控制装置的响应的影响对于远离控制装置谐振频率的频率减小。
在本发明另一实施形态中，相移的斜率可通过改变所述谐振控制装置的至少一个运行参数来改变。由此确保了谐振控制装置的响应对于远离控制装置谐振频率的频率减小的水平可受到控制，进一步确保了所选择的谐振频率的有效阻尼的可能。
在本发明再一实施形态中，所述谐振控制装置的传递函数的形式为：
HRCM(S)=KP+Ki·2ωCUSS2+2ωCUS+ωDT2]]>
由此，本发明一个可实施的实施例得到保证，进一步地，谐振控制装置的运行参数可被改变。
在本发明另一实施形态中，所述谐振控制装置的一个基本谐振频率为传动系的一个谐振频率，例如传动系的本征频率。由此，确保了在传动系本征频率上或非常接近于传动系本征频率的频率的振荡阻尼受到非常有效的阻尼，这又带来包含在传动系中的部件上的较小的负载
在本发明又一实施形态中，所述谐振控制装置的一个基本谐振频率为计算值，例如预定的计算值。由此，谐振控制装置的运行参数可被应用，确保对于一个基本谐振频率的最优希望响应，例如传动系的一个理论计算谐振频率，例如，传动系本征频率。
在本发明另一实施形态中，所述谐振控制装置的一个基本谐振频率为固定值，或可在运行期间改变，例如是适应于传动系的本征频率的。由此，在考虑风力涡轮机的可能的运行变化——例如由于温度变化的运行变化——的情况下，确保了谐振控制装置的一组运行参数可被应用，并获得最优响应。
在本发明另一实施形态中，所述谐振本征频率为预定的值和/或被推定。由此，谐振控制装置的一组运行参数可被应用一次，所述装置相应地修改一个功率基准信号。
在本发明另一实施形态中，所述至少一个控制装置修改功率基准值的水平受到限制。由此，确保了功率基准的修改被限制为希望且可接受的水平。
在本发明另一实施形态中，所述至少一个控制装置修改功率基准值的水平被限制在预定水平内。由此，确保了功率基准的修改响应于例如风力的波动受到控制且被限制到希望且可接受的水平。
在本发明另一实施形态中，所述预定水平在所述风力涡轮机的标称和/或所产生功率的百分之0.1到25的范围内，例如5％。由此，确保了功率基准修改对所产生功率的影响受到限制，所产生的功率将波动、仅仅作为传动系振荡补偿控制的结果受到限制。
在本发明一实施形态中，所述测量装置为编码器，例如在低速转子轴上和/或在发电机轴上运行的编码器。由此，确保了旋转速度的可靠值被获得，且值在传动系的受影响的部件上得到测量。
在本发明另一实施形态中，所述测量装置通过处理例如转子电流、定子电流等风力涡轮机的至少一个电气参数来建立传动系的至少一个旋转速度信号。由此，确保了获得传动系的一个旋转速度信号的非直接测量，例如，没有分立的测量部件。另外，确保了已经获得的参数可用于建立所述速度信号。
在本发明又一实施形态中，所述功率基准值为所述功率控制器的功率基准值。由此，确保了例如发电机旋转速度波动的影响最小化或得到补偿，而不干扰风力涡轮机的普通功率控制系统。
本发明还涉及一种谐振控制系统、运行方法、可变速度风力涡轮机的使用以及在可变速度风力涡轮机中的方法的使用。
附图说明
下面参照附图介绍本发明，在附图中：
图1示出了在风力涡轮机转子中包含三个风力涡轮机叶片的大型现代风力涡轮机；
图2原理性地示出了从侧面看的现有技术中已知的简化机舱的实施例的截面图；
图3原理性地示出了现有技术的传动系振荡补偿系统的控制框图；
图4原理性地示出了根据本发明一实施例的传动系振荡补偿系统的控制框图；
图5a示出了根据本发明一实施例具有第一组参数的谐振控制装置的特性的伯德图；
图5b示出了根据本发明另一实施例具有第二组参数的谐振控制装置的特性的伯德图；
图5c示出了根据本发明其他实施例的谐振控制装置的特性的多个伯德图。
具体实施方式
图1示出了具有塔架2和位于塔架顶部的风力涡轮机机舱3的现代风力涡轮机1。
风力涡轮机转子包含至少一个叶片，例如所示出的三个风力涡轮机叶片5，其通过桨矩机构6连接到轮毂4。各个桨距机构包含允许叶片变桨距的叶片轴承和桨距致动装置。变桨距过程受到桨距控制器的控制。
如图所示，某个水平以上的风将致动转子，允许其以基本上垂直于风的方向旋转。旋转运动被转换为电力，其通常被供给市电网，如本领域技术人员所知道的那样。
图2示出了从侧面看的机舱3的简化的截面图。机舱3存在多种变型和配置，但在大多数情况下，机舱3的传动系14几乎总是包含一个或多于一个的以下部件：齿轮7、耦合(未示出)、某种断开系统8以及发电机9。
现代风力涡轮机1的机舱3也可包含转换器12(也称为变换器)以及其他的外围设备，例如进一步的电力处理设备、控制柜、液压系统、冷却系统以及图中未明确示出的其他部件。
包含机舱部件7、8、9、10、11、12在内的整个机舱3的重量由负载承载结构13承载。部件8、9、10、11、12通常放在此共用负载承载结构13上和/或连接于其上。在此简化实施例中，负载承载结构13仅仅沿着机舱3的底部延伸，例如采用基座的形式，某些或所有部件7、8、9、10、11、12连接到基座。
在本发明此实施例中，传动系14在相对于水平面的8°的正常运行角NA建立。除其他原因外，传动系成角度，以便使得转子15能对应地成角度，从而例如确保叶片5不与塔架2碰撞，从而补偿风切变等等。
由于转子被风致动，风的变化在风力涡轮机运行上具有影响，例如在整体在作用在传动系14上的机械力上和/或特别是在在高速轴11的旋转速度上以及发电机9的旋转速度上有影响。
机械传动系系统14作为动态机械系统，并可在其天然本征频率和/或其谐波上振荡。所述机械传动系系统的振荡可通过例如风的变化或改变等外部影响来初始化，并可导致不必要的撕扯和磨损，导致疲劳负荷并导致有噪音的运行。
因此，希望补偿风的所述变化以及传动系14的振荡。
图3原理性地示出了对于现有技术的多种风力涡轮机的一个传动系阻尼系统的控制框图。
来自例如电网运行者、风电场控制器(park control)、变电站或个体风力涡轮机控制器的功率基准命令值P_ref在风力涡轮机上接收并减去实际产生功率值P^＊，得到到风力涡轮机的功率控制器16的功率误差输入信号∈P。
功率控制器16的一个角色是通过控制功率控制器16的原理性地示出的部件的参数来最小化所获得的功率误差信号∈P。
发电机的实际旋转速度ω_gen通过测量装置来测量，并经由滤波器H(_DTD)处理，以便产生电流/转矩传动系阻尼反馈信号i/T_DTD，其被反馈到功率控制器16的内部电流/转矩环。
对于现有技术的多个实施例，滤波器H(_DTD)可包含FFT算法，以便提取关于发电机旋转速度ω_gen的信号大小的信息，例如，在传动系本征频率上。
与这种现有技术有关的一个问题在于，具有高频率分辨率的FFT算法的计算非常耗时，因此，电流/转矩反馈信号i/T_DTD的产生可在时间上延迟且不准确，其又减小了阻尼的效率。
如果外部功率控制环的带宽与内部电流/转矩环相比较高，功率控制器16寻求到两个相反定点信号(pointed signal)的控制。现有技术中的标准技术因此将较外的功率环减慢到电流/转矩环的带宽的例如1/10。
进一步地，如果电流/转矩环受到传动系阻尼信号i/T_DTD的影响，可能有必要甚至进一步减慢功率反馈环的速度，例如通过LP滤波器20。
结果是对功率环上的影响的相对较慢的适应。
图4原理性地示出了根据本发明一实施例的传动系振荡补偿系统的控制框图。
来自例如电网运行者、风电场控制器、变电站或个体风力涡轮机控制器的功率基准值P_ref在风力涡轮机上被接收，并减去实际产生的功率的第一值P。
发电机的实际旋转速度ω_gen通过测量装置进行测量，通过信号调节装置21受到调节，并经由谐振控制装置H(_RCM)受到处理，以便产生功率反馈信号P_RCM，该信号被反馈并作为第二值从所述功率基准需求值P_ref中减去。
通过P和P_RCM的减法得到的P_ref的综合修改产生到风力涡轮机1的功率控制器16的一个功率误差输入信号∈P。
功率控制器16的一个角色是通过控制功率控制器16的原理性示出的部件的参数使所获得的功率误差信号∈P最小化。
对于本发明多个实施例，谐振控制装置H(_RCM)可包含一个或多于一个的PI和/或PID控制器，对于优选实施例，所述一个或多于一个的PI和/或PID控制器中的至少一个为谐振控制器。
本发明的谐振控制装置的主要特征在于，其在给定的谐振频率下具有相对较高的增益。
本发明的谐振控制装置的另一主要优点在于，其在所述给定谐振频率下具有基本为零的相移。
对于本发明的多个实施例，所述谐振频率为传动系的一个基本谐振频率。
对于一个特定实施例，所述一个基本谐振频率为传动系的本征频率。
对于本发明一实施例，所述基本谐振频率为基于例如理论机械建模的计算值。
对于本发明另一实施例，所述基本谐振频率基于试验收集的数据和/或计算。
对于本发明的又一实施例，谐振频率可在运行中改变。
对于其他的实施例，谐振频率为风力涡轮机的其他选择性谐波频率。
谐振控制装置的主要优点之一在于，其适合选择性谐波上的运行，因此，对于传动系本征频率上的运行调谐的谐振控制装置将能够减小传动系补偿在涡轮机的功率以及速度控制上的影响。
对于本发明一实施例，谐振控制装置具有下面的传递函数：
HRCM(S)=KP+Ki·2ωCUSS2+2ωCUS+ωDT2]]>
对于本发明更进一步的实施例，被反馈并作为第二值从功率基准值P_ref中减去的功率反馈信号P_RCM的水平被限制为预定的水平，也就是说，P_RCM信号可仅仅修改功率基准值P_ref±特定量。
通过这种方式，功率基准修改对所产生功率的影响受到限制，所产生功率将会波动，仅仅限制为传动系振荡补偿控制的结果。
对于多种实施例，P_RCM的限制可处于例如标称功率或风力涡轮机所产生功率的百分之0.1到25的范围内，例如5％。
对于本发明多个实施例，所述限制可被固定、可被改变或可以在不同的运行条件下是适应性的。
图5a、5b、5c示出了此谐振控制装置的某些特性。
在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，谐振控制装置具有相对较高的增益，相位过零。距离谐振频率越远，控制装置的增益下降越大，对于某些实施例，向着预定增益值收敛。
运行参数K_p和K_i分别为比例增益和积分增益。ω_DT为谐振频率，其对于本发明的多个实施例等于传动系本征频率。ω_CU为阻尼运行参数，用于描述接近谐振频率的特性的锐度(sharpness)。
对于本发明多个实施例，谐振控制装置的运行参数可被改变，例如在运行中。
在没有阻尼的情况下，即ω_CU＝0，控制装置理想地在谐振频率ω_DT处具有无限增益。谐振频率ω_DT上太高的增益将导致谐振控制装置参数的高跨度(span)，其又可引起离散实现误差。因此，对于谐振控制装置的实际实现，希望将增益保持在中等水平。
谐振控制装置的增益可公式化为：
||HRCM(jω)||=ω2[2ωCU(Kp+Ki)]2+[Kp(ωDT2-ω2)]2ω2[2ωCU]2+[ωDT2-ω2]2]]>
对于本发明多个实施例，控制装置在DC和在谐振频率时的增益对于K_p＝K_p以及对于纯谐振补偿器即K_p＝0列出：