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1、10申请公布号CN102032109A43申请公布日20110427CN102032109ACN102032109A21申请号201010508340722申请日2010093012/57098820090930USF03D7/0220060171申请人通用电气公司地址美国纽约州72发明人郑大年X黄74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人严志军曹若54发明名称用于控制风力涡轮机的系统和方法57摘要本发明涉及用于控制风力涡轮机的系统和方法。提供了一种用于风力涡轮机的风力涡轮机控制系统。该风力涡轮机控制系统包括定位在风力涡轮机的主体上或定位成紧邻该主体的上风向风力条件测量装置。上游。
2、风力条件测量装置构造成以便测量至少一个上风向风力条件。风力涡轮机控制系统还包括联接到上风向风力条件测量装置上的处理器。处理器构造成以便接收上风向风力条件测量值；至少部分地基于上风向风力条件测量值来确定控制算法参数，控制算法参数控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个；至少部分地基于控制算法参数来确定风力涡轮机操作命令；以及对风力涡轮机的操作应用风力涡轮机操作命令。30优先权数据51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书12页附图7页CN102032112A1/2页21一种用于风力涡轮机10的风力涡轮机控制系统，所述风。
3、力涡轮机控制系统包括定位在所述风力涡轮机的主体12上或定位成紧邻所述风力涡轮机的主体12的上风向风力条件测量装置60，所述上游风力条件测量装置构造成以便测量至少一个上风向风力条件；和联接到所述上风向风力条件测量装置上的处理器64，所述处理器构造成以便接收上风向风力条件测量值；至少部分地基于所述上风向风力条件测量值来确定224控制算法参数130，所述控制算法参数130控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个；至少部分地基于所述控制算法参数来确定226风力涡轮机操作命令136；以及对所述风力涡轮机的操作应用228所述风力涡轮机操作命令。2一种用于有利于风力涡轮。
4、机10的操作的方法，所述风力涡轮机包括系统控制器44和上风向风力条件测量装置60，所述方法包括将所述上风向风力条件测量装置构造成以便对所述系统控制器提供至少一个上游风力条件测量值；以及将所述系统控制器构造成以便接收所述至少一个上游风力条件测量值；至少部分地基于所述上游风力条件测量值来确定224控制算法参数130，所述控制算法参数130控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个；至少部分地基于所述控制算法参数来确定226风力涡轮机操作命令136；以及对所述风力涡轮机的操作应用228所述风力涡轮机操作命令。3根据权利要求2所述的方法，其特征在于，构造所述上风向风。
5、力条件测量装置60包括将所述上风向风力条件测量装置构造成以便对所述系统控制器44提供上风向风速120、上风向的风向122和上风向风湍流强度124中的至少一个。4根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述系统控制器44构造成以便至少部分地基于所述上风向风速120来确定功率设定点和转子速度设定点中的至少一个。5根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述系统控制器44构造成以便基于所述至少一个上风向风力条件测量值来改变风力涡轮机响应速度和风力涡轮机响应带宽中的至少一个。6根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述系统控制器44构造成以便确定224控制算法参数。
6、130包括将所述系统控制器构造成以便确定控制算法增益、控制算法增益组和控制器模型/矩阵中的至少一个。7根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述系统控制器44构造成以便确定226风力涡轮机操作命令136包括以下中的至少一个确定有利于在叶片桨距控制目标的误差范围内设定叶片桨距和叶片桨距变化曲线中的至少一个的叶片变桨命令；以及确定有利于在发电机转矩控制目标的误差范围内设定发电机转矩和发电机转矩变化权利要求书CN102032109ACN102032112A2/2页3曲线中的至少一个的发电机转矩命令。8根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将所述系统控制器44构造成以便基于所述至少。
7、一个上风向风力条件测量值来改变所述叶片桨距误差范围和所述发电机转矩误差范围中的至少一个。权利要求书CN102032109ACN102032112A1/12页4用于控制风力涡轮机的系统和方法技术领域0001本文描述的主题大体涉及控制风力涡轮机的操作，并且更具体而言，涉及至少部分地基于来自上风向测量装置的上风向测量值来控制风力涡轮机的操作。背景技术0002风力涡轮机发电机利用风能来产生电功率。风力涡轮机发电机典型地包括具有多个叶片的转子，叶片将风能转化成驱动轴的旋转运动，驱动轴继而用来驱动发电机来产生电功率。多个叶片中的各个可变桨，以增加或降低转子的转速。使叶片变桨指的是使叶片旋转，以改变风对叶片。
8、的攻角。朝向顺桨变桨或使桨距顺桨指的是使叶片旋转，从而使得叶片表面沿着风速的方向对准即减小攻角。使叶片朝向顺桨变桨减小了叶片捕获到的风能。典型地，叶片逐渐朝向顺桨变桨，以抵消增大的风速，以便保持基本恒定的发电机速度。0003例如风速、风湍流强度和风向等的大气条件的变化可显著地影响风力涡轮机发电机产生的功率。风力涡轮机发电机的功率输出随着风速而增大，直到风速达到涡轮机的额定风速为止。在额定风速处以及在额定风速以上，风力涡轮机发电机以额定功率操作。额定功率是风力涡轮机发电机可在该功率处以预定为可接受的涡轮机构件的疲劳水平操作的输出功率。在高于某个速度的风速处，或在超过预定幅度典型地称为“停机极限”。
9、或“监测设定点极限”的风湍流水平处，风力涡轮机可停止运转，或者可通过调节叶片的桨距或使转子制动来降低负载，以便保护风力涡轮机构件不受损害。典型地在风力涡轮机的设计阶段期间确定静态额定功率和静态停机极限，因此它们不依赖于可能在风力涡轮机的操作期间出现的变化的风力条件。高的风湍流强度对应于变化频繁的风力条件，这些风力条件可包括频繁并且/或者强烈的阵风。阵风是风速的突然、短时的增加。0004当风力条件影响风力涡轮机时，定位在风力涡轮机上的传感器会对风力条件作出反应。例如，定位在风力涡轮机上的风速传感器将在阵风撞击转子叶片的基本同时测量阵风。风力涡轮机操作调节易受阵风的测量和叶片的实际变桨之间的时滞的。
10、影响，因此，风力涡轮机操作调节典型地在阵风已经影响了风力涡轮机操作之后的时间执行。结果，阵风可导致转子速度和/或输出功率在风力涡轮机操作调节完成之前超过停机极限，从而导致风力涡轮机停止运转。0005风力涡轮机的系统控制器可使用风力涡轮机的上风向的风力条件的测量值来确定风力涡轮机操作命令。可在风力涡轮机的上风向测量风速的变化，并且一旦风到达风力涡轮机，就可调节叶片的桨距，以补偿风速的变化。但是，因为由快速构件调节导致的叶片桨距的震荡的原因，风力涡轮机性能可在高的风湍流之时降低。另外，转子叶片和风的互相作用在转子上产生的转矩和发电机转矩之间的平衡有利于风力涡轮机的稳定的操作。叶片桨距调节可导致风在。
11、转子上引起的转矩和发电机转矩之间的失衡。发明内容0006在一方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的操作的方法。该风力涡轮机包括具说明书CN102032109ACN102032112A2/12页5有多个转子叶片的转子和上风向风力条件测量装置。该方法包括使用上风向风力条件测量装置来测量转子的上风向的风力条件，以及对处理器提供测得的风力条件。该方法还包括至少部分地基于测得的风力条件来确定控制算法参数，该控制算法参数控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个。该方法还包括至少部分地基于控制算法参数来确定风力涡轮机操作命令，以及对风力涡轮机的操作应用该风力涡轮机操作命令。
12、。0007在另一方面，提供了一种用于有利于风力涡轮机的操作的方法。该风力涡轮机包括系统控制器和上风向风力条件测量装置。该方法包括将上风向风力条件测量装置构造成以便对系统控制器提供至少一个上风向风力条件测量值。该方法还包括将系统控制器构造成以便接收至少一个上风向风力条件测量值，以及至少部分地基于上风向风力条件测量值来确定控制算法参数，该控制算法参数控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个。该方法还包括将系统控制器构造成以便至少部分地基于控制算法参数来确定风力涡轮机操作命令，以及对风力涡轮机的操作应用该风力涡轮机操作命令。0008在又一方面，提供了一种用于风力。
13、涡轮机的风力涡轮机控制系统。该风力涡轮机控制系统包括定位在风力涡轮机的主体上或定位成紧邻风力涡轮机的主体的上风向风力条件测量装置。该上风向风力条件测量装置构造成以便测量至少一个上风向风力条件。该风力涡轮机控制系统还包括联接到上风向风力条件测量装置上的处理器。该处理器构造成以便接收上风向风力条件测量值。该处理器还构造成以便至少部分地基于上风向风力条件测量值来确定控制算法参数，该控制算法参数控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机控制误差范围中的至少一个。该处理器还构造成以便至少部分地基于控制算法参数来确定风力涡轮机操作命令，以及对风力涡轮机的操作应用该风力涡轮机操作命令。附图说明0。
14、009图1是一种示例性风力涡轮机的透视图。0010图2是图1所示的风力涡轮机的一部分的局部剖面透视图。0011图3是一种示例性风力涡轮机的示意图。0012图4是图1所示的风力涡轮机的另一个透视图。0013图5是示出了在风力涡轮机的操作期间的示例性控制信号流的控制图。0014图6是示出了由风力涡轮机控制器执行的一种示例性过程的决策树。0015图7是示出了由风力涡轮机控制器执行的一种示例性过程的决策树。0016图8是用于控制风力涡轮机的一种示例性方法的流程图。0017部件列表001810风力涡轮机001912主体或机舱002014转子002116风力涡轮机塔架002220旋转轴线说明书CN1020。
15、32109ACN102032112A3/12页6002322转子轮毂002424转子叶片002526发电机002628转子轴002730发电机轴002832齿轮箱002934频率变换器003036盘式制动器003138偏转系统003240旋转轴线003342可变叶片变桨系统003444系统控制器003550传感器003652传感器003754传感器003856传感器003958传感器004060上风向风力条件测量装置或LIDAR光探测及测距装置004162总线004264处理器004366随机存取存储器RAM004468存储装置004570只读存储器ROM004672输入/输出装置004774。
16、传感器接口004876平面0049100控制图0050120上风向风速0051122上风向的风向0052124上风向风湍流强度0053130控制算法参数0054132风力涡轮机设定点0055134传感器读数0056136风力涡轮机操作命令0057150示出了由风力涡轮机控制器执行的过程的决策树0058160通过对控制器编程，将上风向风湍流强度与第一存储的风湍流强度水平作比较0059162减小额定控制算法参数0060164将测得的上风向风湍流强度与第二存储的风湍流强度水平作比较说明书CN102032109ACN102032112A4/12页70061166增大额定控制算法参数0062168不改变。
17、控制算法参数0063170示出了由风力涡轮机控制器执行的过程的决策树0064172比较测得的上风向风速与对应于风力涡轮机的额定操作的存储的风速0065174减小存储的功率设定点和存储的转子速度设定点中的至少一个0066176不改变存储的功率设定点或存储的转子速度设定点0067200显示了用于控制风力涡轮机的方法的流程图0068210计算机实现的方法0069220使用上风向风力条件测量装置来测量转子的上风向的风力条件0070222将测得的风力条件提供给处理器0071224确定控制算法参数0072226确定风力涡轮机操作命令0073228对风力涡轮机操作应用风力涡轮机操作命令0074230确定至少。
18、一个风力涡轮机设定点具体实施方式0075如本文所用，术语“叶片”意在表示当相对于周围的流体运动时提供反作用力的任何装置。如本文所用，术语“风力涡轮机”意在表示从风能中产生旋转能且更具体而言，将风的动能转化成机械能的任何装置。如本文所用，术语“风力发电机”意在表示从产生自风能的旋转能中产生电功率且更具体而言，将转化自风的动能的机械能转化成电功率的任何风力涡轮机。如本文所用，术语“风车”意在表示使用产生自风能的旋转能且更具体而言，转化自风的动能的机械能来用于除了产生电功率之外的预定目的例如但不限于泵送流体和/或研磨物质的任何风力涡轮机。0076本文描述的方法、系统和计算机可读介质的技术效果包括以下。
19、中的至少一个A使用上风向条件测量装置来测量转子的上风向的风力条件；B对处理器提供测得的风力条件；C至少部分地基于测得的风力条件来确定控制算法参数，控制算法参数控制风力涡轮机响应带宽、风力涡轮机响应速度和风力涡轮机构件操作误差范围中的至少一个；D至少部分地基于控制算法参数来确定风力涡轮机操作命令；以及E对风力涡轮机的操作应用该风力涡轮机操作命令。0077图1是一种示例性风力涡轮机10的透视图。图2是风力涡轮机10的一部分的局部剖面透视图。本文所描述和说明的风力涡轮机10是用于从风能中产生电功率的风力发电机。但是，在一些实施例中，除了风力发电机之外或者作为其备选方案，风力涡轮机10可为任何类型的风。
20、力涡轮机，例如但不限于风车未显示。另外，本文所描述和说明的风力涡轮机10包括水平轴构造。但是，在一些实施例中，除了水平轴构造之外或者作为其备选方案，风力涡轮机10可包括竖直轴构造未显示。风力涡轮机10可联接到电气负载未显示上，例如但不限于电网未显示，以从中接收电功率来驱动风力涡轮机10和/或它的相关联的构件的操作，以及/或者将风力涡轮机10产生的电功率供应到电气负载。虽然在图1中显示了仅一个风力涡轮机10，但是，在一些实施例中，多个风力涡轮机10可组合在一起，有时称为“风场”。说明书CN102032109ACN102032112A5/12页80078风力涡轮机10包括主体或机舱12和联接到主体。
21、12上以绕着旋转轴线20相对于主体12旋转的转子大体由14指示。在该示例性实施例中，主体12安装在塔架16上。但是，在一些实施例中，除了安装在塔架上的主体12之外或者作为其备选方案，风力涡轮机10包括在地面和/或水面附近的主体12。塔架16可具有使得风力涡轮机10能够如本文所述的那样起作用的任何适当的高度。转子14包括轮毂22和从轮毂22向外延伸以将风能转化成旋转能的多个叶片24有时称为“翼型件”。虽然转子14在本文中描述和说明成具有三个叶片24，但是转子14可具有任何适当数量的叶片24。叶片24可具有允许风力涡轮机10如本文所述的那样起作用的任何适当的长度。例如，在一些实施例中，一个或多个转。
22、子叶片24为约二分之一米长，而在一些实施例中，一个或多个转子叶片24为约五十米长。叶片24长度的其它实例包括十米或更少、约二十米、约三十七米以及约四十米。另外的其它实例包括大于约五十米长的转子叶片。0079不管图1中是如何说明叶片24的，转子14都可具有任何形状的叶片24，并且可具有任何类型和/或任何构造的叶片24，无论这种形状、类型和/或构造在本文中是否描述和/或说明过。另外的类型、形状和/或构造的转子叶片24的一个实例是具有容纳在函道未显示内的涡轮未显示的函道式转子未显示。另外的类型、形状和/或构造的叶片24的另一个实例是DARRIEUS风力涡轮机，有时称为“打蛋器”式涡轮机。另外的类型、。
23、形状和/或构造的叶片24的又一个实例是SAVONIOUS风力涡轮机。另外的类型、形状和/或构造的叶片24的再一个实例是用于泵送水的传统的风车，例如但不限于具有木制挡板和/或织物帆的四叶式转子。另外，在一些实施例中，风力涡轮机10可为其中转子14大体面向上风向以利用风能的风力涡轮机，以及/或者可为其中转子14大体面向下风向以利用能量的风力涡轮机。当然，在任何实施例中，转子14可能不是正好面向上风向和/或下风向，而是可相对于风的方向大体面向任何角度该角度可为可变的，以利用来自风的能量。0080现在参照图2，风力涡轮机10包括联接到转子14上以便由转子14产生的旋转能产生电功率的发电机26。发电机2。
24、6可为任何适当类型的发电机，例如但不限于绕线转子感应发电机。发电机26包括定子未显示和转子未显示。转子14包括联接到转子轮毂22上以随之旋转的转子轴28。发电机26联接到转子轴28上，从而使得转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转，且因此驱动发电机26的操作。在该示例性实施例中，发电机轴30联接到发电机转子上，并且联接到转子轴28上，从而使得转子轴28的旋转驱动发电机转子的旋转。在其它实施例中，发电机转子直接联接到转子轴28上，这有时称为“直驱式风力涡轮机”。在该示例性实施例中，发电机轴30通过齿轮箱32联接到转子轴28上，但是在其它实施例中，发电机轴30直接联接到转子轴28上。0081转子14。
25、的转矩驱动发电机转子，从而由转子14的旋转产生可变频率的交流电AC电功率。发电机26具有在发电机转子与定子之间的、与转子14的转矩相反的空气间隙转矩。频率变换器34联接到发电机26上，以将可变频率的AC转换成固定频率的AC，以将其输送到联接到发电机26上的电气负载未显示，例如但不限于电网未显示。频率变换器34还控制空气间隙转矩，这有利于控制发电机26的功率输出。频率变换器34可位于风力涡轮机10内或者远离风力涡轮机10的任何地方。例如，频率变换器34可位于塔架16的基部未显示内。说明书CN102032109ACN102032112A6/12页90082在一些实施例中，风力涡轮机10可包括转子限。
26、速器，例如但不限于盘式制动器36。盘式制动器36对转子14的旋转制动，以例如减慢转子14的旋转，克服满风力转矩对转子14制动，以及/或者降低来自发电机26的电功率的产生。此外，在一些实施例中，风力涡轮机10可包括偏转系统38，以便使主体12绕着旋转轴线40旋转，以改变转子14的偏转，并且更具体而言，改变转子14所面向的方向，以例如调节转子14所面向的方向和风向之间的角度。0083在一个示例性实施例中，风力涡轮机10包括可变叶片变桨系统42，以控制包括但不限于改变转子叶片24相对于风向的桨距角。变桨系统42可联接到系统控制器44上，以由其进行控制。变桨系统42联接到轮毂22和叶片24上，并且包括。
27、用于通过使叶片24相对于轮毂22旋转来改变叶片24的桨距角的变桨促动器。变桨促动器可包括无论是否在本文中描述和/或说明过的任何适当的结构、构造、布置、机构和/或构件，例如但不限于电马达、液压缸、弹簧和/或伺服机构。另外，变桨促动器可由无论是否在本文中描述和/或说明过的任何适当的机构驱动，例如但不限于液压流体、电功率、电化学功率和/或机械动力，例如但不限于弹簧力。0084图3是风力涡轮机10的一个示例性实施例的框图。在该示例性实施例中，风力涡轮机10包括联接到风力涡轮机10的一些或所有构件上的一个或多个系统控制器44，以大体控制风力涡轮机10的操作，以及/或者控制风力涡轮机10的一些或所有构件的。
28、操作，不管在本文中是否描述和/或说明过这样的构件。例如，在该示例性实施例中，系统控制器44联接到可变叶片变桨系统42上，以控制叶片24的桨距。此外，系统控制器44联接到频率变换器34上，并且构造成以便控制该频率变换器34。在该示例性实施例中，系统控制器44安装在主体12在图2中显示内。但是，另外或者作为备选方案，一个或多个系统控制器44可远离风力涡轮机10的主体12和/或其它构件。系统控制器44可用于但不限于整体系统监测和控制，包括例如桨距和速度调节、高速轴和偏转制动应用、偏转和泵马达应用和/或故障监测。可在一些实施例中使用备选的分布式或集中式控制构架。0085在一个示例性实施例中，风力涡轮机。
29、10包括多个传感器，例如传感器50、52、54、56和58。传感器50、52、54、56和58测量各种各样的参数，包括但不限于操作条件和大气条件。传感器50、52、54、56和58中的各个可为单独的传感器或者多个传感器。传感器50、52、54、56和58可为具有允许风力涡轮机10如本文所述的那样起作用的、在风力涡轮机10内或远离风力涡轮机10的任何适当位置的任何适当的传感器。在一些实施例中，传感器50、52、54、56和58联接到系统控制器44上，以将测量值传输给系统控制器44，以对其进行处理。0086在该示例性实施例中，风力涡轮机10还包括上风向风力条件测量装置60。在该示例性实施例中，上风。
30、向风力条件测量装置60构造成以便测量风力涡轮机10的上风向的至少一个风力条件，并且对系统控制器44提供测量值。系统控制器44构造成以便至少部分地基于上风向风力条件测量值来控制发电机26的转子速度和电功率输出。可通过使用可变叶片变桨系统42控制叶片24的桨距来控制发电机26的转子速度和功率输出。通过使用频率变换器34控制发电机26的空气间隙转矩还可同时控制发电机26的功率输出以及通向发电机26的总机械负载。0087在一些实施例中，系统控制器44包括总线62或其它通讯装置，以传输信息。在至说明书CN102032109ACN102032112A7/12页10少一个具体实例中，系统控制器44包括比例积。
31、分微分PID控制器。一个或多个处理器64可联接到总线62上，以处理信息，包括来自传感器50、52、54、56、58和/或其它传感器一个或多个的信息，以及来自上风向风力条件测量装置60的信息。系统控制器44还可包括一个或多个随机存取存储器RAM66和/或其它存储装置68一个或多个。RAM66一个或多个和存储装置68一个或多个联接到总线62上，以存储和传递待由处理器64一个或多个执行的信息和指令。RAM66一个或多个以及/或者还有存储装置68一个或多个，如果包括的话还可用来在处理器64一个或多个执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。系统控制器44还可包括一个或多个只读存储器ROM70和/或联接到。
32、总线62上以存储静态即不变的信息和指令且将它们提供给处理器64一个或多个的其它静态存储装置。0088处理器64可包括任何可编程的系统，包括系统和微控制器、精简指令集电路RISC、专用集成电路ASIC、可编程逻辑电路PLC，以及能够执行本文所述的功能的任何其它电路或处理器。以上实例仅是示例性的，且因此它们不意在以任何方式限制术语处理器的定义和/或意思。0089系统控制器44还可包括输入/输出装置72一个或多个，或者可联接到输入/输出装置72一个或多个上。输入/输出装置72一个或多个可包括用来对系统控制器44提供输入数据以及/或者提供输出例如但不限于偏转控制、桨距控制和/或发电机转矩输出的本领域已。
33、知的任何装置。可通过对一个或多个能够以电子的方式访问的介质提供访问的有线或无线的远程连接等来将指令从存储装置68例如但不限于磁盘、只读存储器ROM集成电路、CDROM和/或DVD提供给存储器66。在一些实施例中，可代替软件指令或者可与软件指令结合起来使用硬接线电路。因此，指令序列的执行不限于硬件电路和软件指令的任何具体组合，无论它们是否在本文中描述和/或说明过。系统控制器44还可包括传感器接口74，其允许系统控制器44与传感器50、52、54、56、58和/或其它传感器一个或多个通讯，以及与上风向风力条件测量装置60通讯。传感器接口74可包括一个或多个模数转换器，模数转换器将模拟信号转换成可由。
34、处理器64一个或多个使用的数字信号。0090图4是进一步示出了上风向风力条件测量装置60在图3中显示的风力涡轮机10在图1中显示的另一个透视图。如上所述，在突然的阵风的情况下，风速可在相对小的时段里增大。在该示例性实施例中，在阵风碰到转子14在图1中显示之前，优先调节风力涡轮机构件，以便补偿阵风的测量和风力涡轮机构件的响应之间的时滞。例如，为了补偿阵风的测量和可变叶片变桨系统42的响应之间的时滞，叶片24在阵风碰到转子14之间优先变桨。在一个具体实例中，可变叶片变桨系统42可在十秒钟之内将叶片桨距改变成完全顺桨。在给定风速时，如果上风向风力条件测量装置60在距转子14三百米的上风向的距离处测量。
35、阵风，则当阵风到达转子14时，叶片可为完全顺桨的。0091在与阵风相互作用之前优先使叶片24变桨有利于防止阵风对转子14施加高载荷。此外，在该示例性实施例中，优先调节频率变换器34的操作，以便平衡风对转子14施加的转矩和发电机26上的转矩。例如，根据在上风向上距转子14一定距离处测得的变化了的风力条件的测量值来调节叶片24的桨距和发电机26上的转矩两者。0092在阵风之前调节叶片桨距有利于经过阵风来运行风力涡轮机10。调节叶片桨距说明书CN102032109ACN102032112A8/12页11还有利于在这种突然的阵风期间保持基本恒定的转子速度和来自风力涡轮机10的功率输出，或者至少保持转子。
36、速度和功率输出的相对平缓或受控制的瞬变。在风力条件与转子14相互作用之前测量风力条件以及通过控制叶片桨距和发电机转矩来提前摆脱SHED到来的载荷有利于防止发电机26在图3中显示在阵风到达转子14之后达到停机极限。更具体而言，提前摆脱到来的载荷有利于防止例如但不限于在阵风到达转子14之后达到超速停机极限、功率停机极限和/或涡轮机振荡幅度/载荷极限。本文描述的方法和系统有利于贯穿阵风来操作风力涡轮机10，而非不得不使风力涡轮机10停止运转。0093为了实现这个优先变桨，上风向风力条件测量装置60在叶片24的上风向感测至少一个风力条件。该至少一个风力条件可包括风速、风向和/或风湍流强度。虽然本文描述。
37、成测量风湍流强度，但是上风向风力条件测量装置60和/或系统控制器44可构造成以便通过测量风速和计算平均测得风速附近的风速变化来确定风力涡轮机强度。在该示例性实施例中，上风向风力条件测量装置60是光探测及测距装置，也称为LIDAR。但是，上风向风力条件测量装置60还可包括允许系统控制器44如本文所述的那样起作用的任何适当的测量装置。0094LIDAR60是构造成以便扫描风力涡轮机10周围的环形区域且基于LIDAR60发射的光在浮质上的反射和/或反向散射来测量上风向风力条件的测量装置。可适当地选择LIDAR60的锥角和LIDAR60的范围R，以提供期望的测量值精度以及可接受的灵敏度。在该所示实施例。
38、中，LIDAR60位于叶片24安装在其上的轮毂22上。在某些备选实施例中，LIDAR60也可位于风力涡轮机塔架16的基部附近。0095在该示例性实施例中，LIDAR60构造成以便测量在至少一个具体部分典型地是叶片24的最重要的区段按照那些区段对叶片上的空气动力学转矩的贡献来讲前面的上风向风力条件。这些区段可包括例如靠近叶片24的尖端的区段。LIDAR60测量风力条件所处的叶片24前面的点由平面76表示。0096图5是示出了在风力涡轮机的操作例如风力涡轮机10在图14中显示的操作期间的示例性控制信号流的控制图100。如上所述，风力涡轮机10包括具有多个转子叶片的转子例如具有转子叶片24的转子14。
39、在图1中显示，以及上风向风力条件测量装置，例如上风向风力条件测量装置60在图34中显示。如上所述，在该示例性实施例中，上风向风力条件测量装置60是构造成以便产生和输出对应于测得的上风向风速120、测得的上风向的风向122和测得的上风向风湍流强度124中的至少一个的LIDAR信号的LIDAR装置。0097在该示例性实施例中，上风向风速120、上风向的风向122和上风向风湍流强度124接收在系统控制器例如系统控制器44在图3中显示处。系统控制器44至少部分地基于测得的上风向风湍流强度124来确定控制算法参数130。系统控制器44还可至少部分地基于上风向风速120和上风向的风向122来确定风力涡轮机。
40、设定点132，例如功率设定点和/或转子速度设定点。传感器，例如传感器54在图3中显示，测量风力涡轮机构件的实际位置和/或设定以及风力涡轮机构件的实际性能，以及输出传感器读数134。将控制算法参数130、风力涡轮机设定点132和传感器读数134输入控制算法中。系统控制器44还构造成以便基于控制算法的输出来产生风力涡轮机操作命令136中的至少一个，以及将风力涡轮机操作命令136应用于风力涡轮机10的可调构件和/或系统，例如可变叶片变桨说明书CN102032109ACN102032112A9/12页12系统42和频率变换器34。风力涡轮机操作命令136可有利于设定叶片桨距控制目标和/或在朝该叶片桨距。
41、控制目标调节叶片时控制叶片的桨距的叶片桨距变化曲线。风力涡轮机操作命令136还可有利于设定发电机转矩控制目标和/或在朝该发电机转矩控制目标调节发电机转矩时控制该发电机转矩的发电机转矩变化曲线。0098在一个示例性实施例中，控制算法参数130是在控制算法中应用的增益或一组增益，例如，比例增益和/或积分增益。此外，控制算法参数130可包括用于由使用状态空间控制技术的控制系统和/或多输入/多输出控制系统使用的控制器矩阵/模型。在一些实例中，控制算法存储在系统控制器44的存储器66在图3中显示中。系统控制器44使用控制算法来产生风力涡轮机10的可调构件的操作命令。在该示例性实施例中，操作命令取决于对控。
42、制算法的输入，例如，控制算法参数130、风力涡轮机设定点132和传感器读数134。更具体而言，在该示例性实施例中，控制算法对例如可变叶片变桨系统42和/或频率变换器34输出操作命令。在该示例性实施例中，操作命令可包括响应带宽信号和响应速度信号。响应带宽信号和响应速度信号控制可调构件到达目标位置时所处的速度。响应带宽信号从系统控制器44发送到例如上风向风力条件测量装置60，并且配置成以便控制装置60测量上风向风力条件时所处的频率例如，控制装置60的分辨率，并且因此控制装置60在风力条件之间进行区分的能力。响应速度信号从系统控制器44发送到例如可变叶片变桨系统42和/或频率变换器34，并且配置成以。
43、便控制系统42和变换器34对来自系统控制器44的信号做出响应时所处的速度。响应带宽和响应速度与响应时间成反比。换句话说，响应带宽和响应速度确定可调构件从当前位置移动到目标位置的时长。0099操作命令还包括误差范围信号，例如，叶片桨距误差范围信号和发电机转矩误差范围信号。误差范围信号控制对风力涡轮机构件的调节精度。例如，叶片桨距误差范围是包围叶片桨距控制目标的范围，而发电机转矩误差范围是包围发电机转矩控制目标的范围。更大的精度即更小的误差范围有利于风力涡轮机10的更高性能，因为风力涡轮机构件定位成更靠近期望的位置。但是，更小的误差范围也可降低风力涡轮机稳定性，因为直到在误差范围内的某位置处安定之。
44、前，风力涡轮机构件的来回振荡增加，越过且超出控制目标周围的误差范围边界。0100图6是示出了由风力涡轮机控制器例如系统控制器44在图3中显示执行的一种示例性过程的决策树150。在该示例性实施例中，对应于风力涡轮机10的额定操作的控制算法参数存储在例如存储器66在图3中显示中。在该示例性实施例中，系统控制器44编程成以便在风速和风湍流强度在存储的范围内时使用额定控制算法参数。在该示例性实施例中，系统控制器44编程成以便将上风向风湍流强度124在图5中显示与第一存储的风湍流强度水平作比较160。如果测得的上风向风湍流强度124大于第一存储的风湍流强度水平，则系统控制器44构造成减小162额定控制算。
45、法参数。例如，系统控制器44可构造成减小控制算法增益。如果测得的上风向风湍流强度124小于第一存储的风湍流强度水平，则系统控制器44构造成将测得的上风向风湍流强度124与第二存储的风湍流强度水平作比较164，其中，第二风湍流强度水平低于第一风湍流强度水平。如果测得的上风向风湍流强度小于第二存储的风湍流强度水平，则系统控制器44构造成增大166额定控制算法参数。例如，系统控制器44可构造成增大控制算法增益。如果测得的上风向风湍流强度124介于第一存储的风湍流强度水平和第二存储的风湍流强度水平之间，则系统控说明书CN102032109ACN102032112A10/12页13制器44构造成不改变1。
46、68控制算法参数。0101图7是示出了由风力涡轮机控制器例如系统控制器44在图3中显示执行的一种示例性过程的决策树170。在该示例性实施例中，对应于风力涡轮机10的额定操作的额定功率设定点和转子速度设定点存储在例如存储器66在图3中显示中。在该示例性实施例中，系统控制器44编程成以便将测得的上风向风速120与对应于风力涡轮机10的额定操作的存储的风速进行比较172。在该示例性实施例中，如果测得的风速120大于存储的风速，则系统控制器44构造成减小174存储的功率设定点和存储的转子速度设定点中的至少一个。如果测得的风速120小于存储的风速，则系统控制器44构造成不改变176存储的功率设定点或存储。
47、的转子速度设定点。0102图8是用于控制风力涡轮机例如风力涡轮机10在图14中显示的一种示例性方法210的流程图200。在一个示例性实施例中，方法210是计算机实现的方法，例如由处理器64在图3中显示执行的计算机实现的方法。在另一个示例性实施例中，包含在计算机可读介质上的计算机程序包括至少一个代码段，当该代码段由例如处理器64执行时，执行方法210。0103如上所述，风力涡轮机10包括具有多个转子叶片的转子例如，具有转子叶片24的转子14在图1中显示，以及上风向风力条件测量装置，例如，上风向风力条件测量装置60在图34中显示。在该示例性实施例中，方法210包括使用上风向风力条件测量装置60来测。
48、量220转子14的上风向的风力条件。上风向风力条件测量装置60测量220转子14的上风向的风的风速、转子14的上风向的风的风向和转子14的上风向的风的风湍流强度中的至少一个。方法210还包括将测得的风力条件提供222给处理器，例如处理器64。0104在该示例性实施例中，方法210还包括至少部分地基于测得的风力条件来确定224控制算法参数，该控制算法参数控制风力涡轮机10的系统和/或构件的响应带宽、响应速度、控制误差范围中的至少一个。例如，处理器64可构造成以便确定224控制算法参数。更具体而言，处理器64可构造成以便确定224控制算法增益，例如，比例增益和/或积分增益，该控制算法增益取决于上风。
49、向风湍流强度来控制响应带宽、响应速度和/或控制误差范围。0105风力涡轮机响应带宽和响应速度控制风力涡轮机10的构件达到控制目标设定时所处的速度。在一个实例中，可变叶片变桨系统42在图2中显示能够使叶片24的桨距改变十度的最快的时间可为十秒。但是，在该示例性实施例中，可变叶片变桨系统42能够更加缓慢地改变叶片24的桨距。提高响应带宽和/或响应速度有利于更加迅速地实现风力涡轮机构件的期望位置。使风力涡轮机构件更加迅速地处于期望位置以及因此获得更高百分比的时间有利于获得提高的风力涡轮机性能即更高的效率和更稳定的输出功率。但是，提高响应带宽/速度还会降低风力涡轮机构件的稳定性。例如，提高构件响应速度可在具有高的风湍流强度的时间段期间增加风力涡轮机构件振荡。在具有高的风湍流强度的时间段期间减缓构件响应带宽/速度可降低风力涡轮机性能，但是这通过减少对风力涡轮机构件的迅速且频繁的调节而提高了风力涡轮机稳定性。0106风力涡轮机控制误差范围的实例包括叶片桨距误差范围和发电机转矩误差范围。叶片桨距误差范围是包围叶片桨距控制目标的范围。在一个具体实例中，叶片桨距控制目标将叶片定位在二十四度处。叶片桨距误差范围可为四度例如二十四度加上或减去四说明书CN102032109ACN102032112A11/12页14度。发电机转矩误差范围是包围发电机转矩控制目标的范围。在一个具体实例中，发电机转矩控制目标。