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1、(10)申请公布号 CN 103717886 A (43)申请公布日 2014.04.09 CN 103717886 A (21)申请号 201280037885.1 (22)申请日 2012.06.26 PA201170343 2011.06.30 DK 61/502,898 2011.06.30 US F03D 7/02(2006.01) F03D 7/04(2006.01) (71)申请人 维斯塔斯风力系统集团公司 地址 丹麦奥胡斯 (72)发明人 R鲍耶 C帕尔默 C斯普鲁斯 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 陈松涛 夏青 (54) 发明名称 用于控制。
2、从风力涡轮机或风力发电厂输出的 功率的系统和方法 (57) 摘要 在风力涡轮机上安装 LIDAR 或其他远程感测 设备以感测一个或多个风参数。极端事件检测器 处理来自 LIDAR 的信号以判断给定的感测参数 在到达涡轮机时是否将超过预定值并代表极端事 件。 在检测到极端事件时， 检测器向控制器输出极 端事件信号。控制器响应于各种感测的参数控制 涡轮机的超载运行并有选择地在高于额定风速下 操作涡轮机。 在接收到极端事件信号时， 干预超载 运行以防止损伤涡轮机部件。控制器可以是发电 厂控制器， 干预信号可以仅干预检测到极端事件 的涡轮机或多个涡轮机处的超载运行。 (30)优先权数据 (85)PCT。
3、国际申请进入国家阶段日 2014.01.28 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/DK2012/050212 2012.06.26 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/000468 EN 2013.01.03 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 8 页 (19)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9页 附图8页 (10)申请公布号 CN 103717886 A CN 103717886 A 1/2 页 2 1. 一种风力涡轮机， 包括 ： 远程感测设备， 用于在远离所述风力涡轮机的位置感测风 参数 ； 处理器。
4、， 用于处理所感测的风参数， 并且如果所述处理表明所述风参数在其到达所述 风力涡轮机时将超过预定值， 则输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述风力涡轮机的输 出功率， 所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机， 通过以大于所述涡轮机 的额定功率的输出功率操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述控制器还被配 置成从所述处理器接收所述干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止或减小所述涡轮 机的超载运行。 2. 一种风力发电厂， 包括多个风力涡轮机 ； 远程感测设备， 用于在远离所述风力发电 厂的位置感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 并且如果所述处理表明所。
5、述风参 数在其到达所述风力发电厂时将超过预定值， 输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述多 个风力涡轮机的功率输出， 所述控制器被配置成响应于感测的参数命令至少一些所述涡轮 机， 通过以大于所述涡轮机的额定功率的输出功率操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运 行， 其中所述控制器还被配置成从处理器接收干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止 或减小超载运行。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中所述远程感测设备感测 多个风参数。 4. 根据权利要求 1 到 3 中的任一项所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中所感测的风 参数是风速、 风紊流度、 风向、 风的。
6、垂直切变和风的水平切变中的一个或多个。 5. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中所述远程感测 设备为 LIDAR。 6. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中所述 LIDAR 是 多量程选通门 LIDAR。 7. 根据权利要求 6 所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中安装所述 LIDAR 以感测所述 风力涡轮机的大致上游处的风参数。 8. 根据权利要求 6 所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中安装所述 LIDAR 以围绕大致 垂直轴进行扫描， 从而感测风参数。 9. 根据前述权利要求中的任一项所述的风力涡轮机或风力发电厂， 其中如果所述处理。
7、 表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将代表由 IEC64100-1 定义的极端事件， 则所述 处理器输出干预信号。 10. 根据权利要求 2 所述的风力发电厂， 其中在接收到所述干预信号时， 所述控制器防 止接收所述干预信号的风力涡轮机超载运行。 11. 根据权利要求 10 所述的风力发电厂， 其中在接收到所述干预信号时， 所述控制器 进一步防止在所述多个风力涡轮机的一个或多个其他风力涡轮机处超载运行。 12. 一种用于风力涡轮机的控制系统， 包括远程感测设备， 用于在远离所述风力涡轮机 的位置处感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在 到达所述风力涡。
8、轮机时将超过预定值， 则输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述风力涡 轮机的输出功率， 所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机， 通过在大于所 述涡轮机的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述控 制器进一步被配置成从所述处理器接收所述干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止 权 利 要 求 书 CN 103717886 A 2 2/2 页 3 或减小所述涡轮机的超载运行。 13. 一种用于风力发电厂的控制系统， 所述风力发电厂包括多个风力涡轮机， 所述风力 涡轮机包括远程感测设备， 用于在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数 ； 处理器， 用于。
9、 处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定 值， 则输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出， 所述控制器 被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机， 通过在大于所述涡轮机 的额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述控制器进一 步被配置成从所述处理器接收干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止或减小超载运 行。 14. 一种控制风力涡轮机的方法， 包括 ： 在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数 ； 处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定。
10、 值， 则输出干预信号 ； 以及使用控制器控制所述风力涡轮机的输出功率， 所述控制器被配置 成响应于感测的参数命令所述涡轮机， 通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率下操 作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述控制器从所述处理器接收干预信号， 并 在接收到所述干预信号时， 防止或减小所述涡轮机的超载运行。 15. 一种控制风力发电厂的方法， 所述风力发电厂包括多个风力涡轮机， 所述方法包 括 ： 使用远程感测设备在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数 ； 处理所感测的风参 数， 如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值， 则输出干预信 号 ； 利用控制器控制所述多。
11、个风力涡轮机的功率输出， 所述控制器被配置成响应于感测的 参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮机， 通过在大于所述涡轮机的额定功率的输出功率 下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述控制器从所述处理器接收干预信 号， 并在接收到所述干预信号时， 防止或减小超载运行。 权 利 要 求 书 CN 103717886 A 3 1/9 页 4 用于控制从风力涡轮机或风力发电厂输出的功率的系统和 方法 技术领域 0001 本发明涉及风力涡轮机， 更具体而言， 涉及风力涡轮机的操作， 以控制在给定风况 下从风中提取的能量的量。本发明还与包括多个风力涡轮机的风力发电厂有关。 背景技术 0002 在为。
12、特定作业地点选择风力涡轮机时， 要考虑该场地的特点， 例如场地地形的复 杂度和平均风况。选择的涡轮机可以在额定功率下理想地运行尽可能长的时间。不过， 实 际上， 风速是变化的， 涡轮机必须能够应对多种风速。如果风是可忽略的， 在较低风速下功 率输出会是零， 或者低于额定功率。 一旦风速增大到高于产生额定功率的所需风速， 涡轮机 会保护自己免受损坏， 例如， 通过改变叶片俯仰以降低从风中提取的能量。在极端情况下， 涡轮机会停机或者偏离到风外以防止灾难性损坏。 不过， 急停或者偏离程序耗时， 并且在一 些情况下可能不能够防止对涡轮机部件造成严重损坏的发生。 0003 我们的题为 “Over-Rat。
13、ing Control in Wind Turbines and Wind Power Plants” 的未决申请 GB1016493 描述了一台涡轮机， 或者一组涡轮机是如何可以响应更高功率的要 求而超载运行 （over-rated） 的。术语 “超载运行” 意味着从涡轮机中提取的功率处于高于 额定功率的水平。 可以出于多种原因使用超载运行， 包括响应于电网运营商的要求， 其可能 需要响应电网故障而突然注入功率。 超载运行以利用诸如给定时间发电的价值的经济条件 也是已知的。 0004 我们已认识到， 当条件允许时希望使涡轮机超载运行。可以监测能够影响涡轮机 疲劳寿命的参数 （例如湍流） ， 。
14、并且仅当对疲劳寿命的影响很可能低时使涡轮机超载运行。 因此， 如果认为风是一致的而几乎没有湍流， 那么涡轮机可以在高于额定功率下运行。 0005 影响到执行超载运行的一个因素是在超载运行模式下运行的涡轮机发生极端事 件的风险。 当涡轮机超载运行时， 运行载荷非常高并且极端事件很有可能造成严重损坏。 极 端事件是由国际标准6.2.3部分第三版， IEC64100-1界定的。 极端事件是可能很少发生 （例 如， 一年一次或者每几年一次） ， 但是有可能单独地对风力涡轮机或者单个涡轮机部件造成 严重损坏的情况。IEC64100-1 界定了几个极端事件， 包括极端运行阵风、 极端湍流、 极端切 变和极。
15、端方向变化。 风力涡轮机被设计成能够经受这些极端事件， 因此， 在正常载荷情况下 的运行被有效地过度执行 （engineered） 。 0006 因此， 需要能够检测极端事件并且当极端事件可能发生时， 防止风力涡轮机在超 载运行模式下运行。本发明旨在解决这项要求。 发明内容 0007 根据本发明的第一方面， 提供了一种风力涡轮机， 包括远程感测设备， 用于在远离 所述风力涡轮机的位置处感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 如果所述处理表 明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值， 输出干预 （override） 信号 ； 以及控 说 明 书 CN 103717886 A 4。
16、 2/9 页 5 制器， 用于控制所述风力涡轮机的输出功率， 所述控制器被配置成响应于所感测的参数命 令所述涡轮机， 通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡 轮机超载运行， 其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号， 并在接收到 所述干预信号时， 防止或减小所述涡轮机的超载运行。 0008 本发明的这一方面还涉及一种用于风力涡轮机的控制系统， 包括远程感测设备， 用于在远离所述风力涡轮机的位置处感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 如果 所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将超过预定值， 输出干预信号 ； 以及控 制器， 用于控制所述。
17、风力涡轮机的输出功率， 所述控制器被配置成响应于所感测的参数命 令所述涡轮机， 通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡 轮机超载运行， 其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号， 并在接收到 所述干预信号时， 防止或减小所述涡轮机的超载运行。 0009 本发明的这一方面还提供了一种控制风力涡轮机的方法， 包括在远离所述风力涡 轮机的位置处感测风参数 ； 处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在到达所 述风力涡轮机时将超过预定值， 输出干预信号 ； 以及使用控制器控制所述风力涡轮机的输 出功率， 所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机，。
18、 通过在大于所述涡轮 机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 所述控制器从所述处 理器接收所述干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止或减小所述涡轮机的超载运行。 0010 本发明的第二方面提供了一种风力发电厂， 所述风力发电厂包括多个风力涡轮 机， 所述风力涡轮机包括远程感测设备， 用于在远离所述风力发电厂的位置处感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力发电厂 时将超过预定值， 输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述多个风力涡轮机的功率输出， 所述控制器被配置成响应于所感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡轮。
19、机， 通过在大 于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载运行， 其中所述 控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止或 减小所述涡轮机的超载运行。 0011 本发明的第二方面还提供了一种用于风力发电厂的控制系统， 所述风力发电厂包 括多个风力涡轮机， 所述风力涡轮机包括远程感测设备， 用于在远离所述风力发电厂的位 置处感测风参数 ； 处理器， 用于处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风参数在到达 所述风力发电厂时将超过预定值， 输出干预信号 ； 以及控制器， 用于控制所述多个风力涡轮 机的功率输出， 所述控制器被配置成响应于所。
20、感测的参数命令所述涡轮机中的至少一些涡 轮机， 通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机超载 运行， 其中所述控制器进一步被配置成从所述处理器接收干预信号， 并在接收到所述干预 信号时， 防止或减小所述涡轮机的超载运行。 0012 本发明的第二方面进一步提供了一种控制风力发电厂的方法， 所述风力发电厂包 括多个风力涡轮机， 所述方法包括使用安装在多个风力涡轮机之一上的远程感测设备在远 离所述风力发电厂的位置处感测风参数 ； 处理所感测的风参数， 如果所述处理表明所述风 参数在到达所述风力发电厂时将超过预定值， 输出干预信号 ； 利用控制器控制所述多个风 力涡轮机的功。
21、率输出， 所述控制器被配置成响应于感测的参数命令所述涡轮机中的至少一 些涡轮机， 通过在大于所述涡轮机额定功率的输出功率下操作所述涡轮机来使所述涡轮机 说 明 书 CN 103717886 A 5 3/9 页 6 超载运行， 其中所述控制器从所述处理器接收干预信号， 并在接收到所述干预信号时， 防止 或减小超载运行。 0013 在实施例中， 所述远程感测设备感测多个风参数。这使得能够检测到多个极端事 件。 可能的参数包括风速、 风紊流度、 风向、 风的垂直切变和风的水平切变中的一个或多个。 0014 在实施例中， 所述远程感测设备为 LIDAR（光检测和测距） 装置。可以将 LIDAR 装 置。
22、安装于涡轮机上以感测大致在风力涡轮机上游的风参数， 或者可以安装所述 LIDAR 装置 以围绕大致垂直轴进行扫描， 以在远离风力涡轮机处在相对于风力涡轮机的任何方向感测 风参数。 0015 在实施例中， 如果所述处理表明所述风参数在到达所述风力涡轮机时将代表由 IEC64100-1 定义的极端事件， 所述处理器输出干预信号。 0016 在本发明的第二方面的一个实施例中， 在接收到所述干预信号时， 所述控制器能 够仅防止在接收干预信号的风力涡轮机处的超载运行或可以进一步防止在所述多个风力 涡轮机的一个或多个其他风力涡轮机处的超载运行。 0017 本发明各方面的实施例具有以下优点 ： 通过将超载运。
23、行控制器耦合到极端事件检 测器， 并在检测到极端事件时干预超载运行， 可以有把握地执行超载运行， 因为可以消除在 超载运行涡轮机时到达涡轮机的极端事件导致的损害风险。 附图说明 0018 现在将参考附图描述本发明的实施例， 在附图中 ： 0019 图 1 是示意图， 示出了具有用于检测高级风况的远程传感器的风力涡轮机 ； 0020 图 2 是图 1 中涡轮机的部分侧视图 ； 0021 图 3 示出了可以如何使用远程传感器来测量负垂直风切变 ； 0022 图 4 示出了可以如何使用远程传感器来测量极端方向变化 ； 0023 图 5 示出了可以如何使用远程传感器来测量极端运行阵风 ； 0024 图。
24、 6 是示意图， 示出了可以如何将极端事件检测器集成到超载运行控制器中 ； 0025 图 7 示出了超载运行的风力涡轮机的功率曲线 ； 0026 图 8 示出了向风力发电厂的涡轮机提供超载运行的指令的发电厂控制器 ； 0027 图 9 示出了图 8 系统的改良版 ； 以及 0028 图 10 示出了并入涡轮机优化器的图 8 系统的进一步改良版。 具体实施方式 0029 图 1 和 2 示出了体现本发明的风力涡轮机， 其包括塔架 2、 容纳发电机 （未示出） 的 吊舱 3 和承载三个转子叶片 5 的转子 14。为了清晰起见， 图 2 中省略了塔架的一部分和叶 片的一部分。旋转器 4 被安装在转子。
25、轮毂上， 杯形风速计 6 和超声波风传感器 7 被布置在 吊舱的上表面。尽管大多数的风力涡轮机转子具有三个叶片， 但是叶片的数量可以不同。 0030 远程感测装置 10 也被安装在风力涡轮机上。所述感测装置在风力涡轮机的前面 或迎风位置处检测风的一个或多个特性。所述感测装置可以是简单风速测量装置， 但是可 能的装置是 LIDAR（光、 检测和测距） 装置， 但可以使用诸如 SODAR 的其他装置。在下文的 描述中， LIDAR 被用做该装置。在一些更简单的实施例中， 可以使用风速计装置。 说 明 书 CN 103717886 A 6 4/9 页 7 0031 图 1 和 2 中示出 LIDAR。
26、 被安装在吊舱的上表面， 但是其位置可以是变化的。例如， 可以将其安装在塔架上、 吊舱的下面、 旋转器中或者甚至叶片中。在后一种情况下， 可以将 单独的 LIDAR 安装在每一个叶片上， 或者将单个 LIDAR 安装在仅仅一个或两个叶片中。一 个叶片可以具有超过一个 LIDAR。 0032 使用的LIDAR类型取决于它需要检测的极端事件的性质。 可以使用多波束LIDAR， 以便在两个或三个方向检测风速的组成， 使得能够检测湍流、 极端方向变化或者极端阵风。 更简单的 LIDAR 可能仅能够检测极端风速。通常， LIDAR 会感测圆锥体内的情况， 该圆锥体 的轴沿着转子轮毂的旋转轴。 不过， 可。
27、以使用简单的扫描LIDAR， 它围绕垂直轴旋转， 以提供 围绕风力涡轮机的 360扫描。作为替代， 可以产生两个 180扫描。这种布置简单并且能 够检测到风力涡轮机旁边或后面的事件。 0033 LIDAR 通过在风力涡轮机前面发射激光束， 以测量该涡轮机前面一段距离的情况 来运行。该 LIDAR 通过已知的方式运行， 通过检测空气分子或者通过检测夹带在气流中的 颗粒并从这些测量结果中计算关于气流的信息。基于计算的风参数， 可以控制风力涡轮机 的运行参数， 以优化可以从风中提取的能量的量。 0034 图 3-5 示出了可以由 LIDAR 检测到的三个极端事件。图 3 示出了极端负垂直风切 变， 。
28、其中风速在从转子轮毂的顶部到底部的垂直方向上迅速增大。图 4 示出了如何可能发 生极端风向变化。在图 4 中， LIDAR 是可以在多个距离处检测风况的多量程门 LIDAR。在图 4 中， 风前方向在距离涡轮机 100 米和 50 米的两个测量范围之间变化。通过在这两个距离 处测量风参数， 控制器可以确定极端风向变化就要抵达该涡轮机并且对涡轮机运行参数做 适当的调整。在图 5 中， 检测到极端运行阵风。 0035 响应于检测到的极端事件， 风力涡轮机会进行急停或者 “躲到” 风的下面， 从而阵 风不会损坏涡轮机。这可以通过将叶片倾斜到极端位置， 从而使叶片的载荷最小化， 此外， 或者替代地， 。
29、通过进行快速偏离将转子移出风区来完成。 在极端方向变化的情况下， 可以使 转子偏离， 从而使转子垂直于新方向。如图 6 中所示， LIDAR 在转子上游大约 0.5-3 转子直 径处检测极端相干阵风。对于 100m 直径的转子， 这大约是 50-300m， 并且对于 30m/s 的阵 风， 这等同于 1.6-10s 的阵风预警。这个距离不是固定的， 但是需要在风力涡轮机前面足够 远， 使得涡轮机在需要的时候能够采取躲避行动。距离的限制会取决于 LIDAR 的功率和质 量。 在本发明的一些实施例中， 围绕垂直轴使用LIDAR扫描， 该检测不会在LIDAR前面， 但是 仍会足够远， 使得能够采取躲。
30、避行动。在相干阵风检测的简单情况下， LIDAR 可以是具有在 涡轮机上游发送单条激光束的单个激光测量单元的简单凝视型单元。不过， 可以使用多个 激光测量单元， 例如， 用多数表决检测极端阵风。当极端事件的检测是安全关键事件时， 需 要这种冗余， 并且该冗余防止激光测量单元中的一个或多个出故障。 出于相同的原因， 每一 个激光测量单元可以具有它们自己的连接到涡轮机内不同电源的物理上分开的供电线路。 如果没有提供个体电源， 那么应该提供至少两个电源。 0036 如上所述， 尽管简单凝视型激光单元可以检测相干阵风， 但是可以使用可以检测 范围更广的极端事件的多波束单元。 0037 使用 LIDAR。
31、 的效果是能够避免极端阵风造成的涡轮机部件的极值载荷。涡轮机 控制器将调整涡轮机的运行参数以避免极端事件造成的极值载荷。这些参数包括禁止超 载运行直到极端事件过去， 所以避免了潜在的灾难性载荷， 如果极端事件到达时涡轮机在 说 明 书 CN 103717886 A 7 5/9 页 8 超载运行模式下运行， 那么该潜在的灾难性载荷就会发生。这有利于在更加正常的运行状 况下安全地执行超载运行。它还具有如下优点 ： 涡轮机部件不必被设计成经受和目前一 样的高载荷， 并且可以被做得更轻或更大， 以在更低的风速下增大能量获取， 同时仍然满足 IEC64100-1 的要求。 0038 当 LIDAR 检测。
32、到极端阵风没有足够严重到需要完全停机时， 控制器会在阵风到达 转子之前经由发电机电流需求信号降低转子的转速并减小扭矩。 这当然会造成涡轮机停止 超载运行。与完全停机相比， 这可能是优选的， 因为可以更快地恢复到正常运行。 0039 除了在各距离处测量风况， 还需要， 尽管不必要， 校正从 LIDAR 获得的数据， 以考 虑轴向感应和风相干性。尽管这些校正不是必要的， 但是不这么做可能导致在阵风或其他 事件不是极端事件时将其识别为极端事件， 并且采取不必要的躲避行动。这可能导致生产 中不必要的损失和运营商的经济损失。 例如， 涡轮机会被停止超载运行， 这会减少涡轮机的 能量输出。 0040 轴向。
33、感应在转子前面发生， 其是由转子前面生成的压力造成的， 该压力是由转子 造成的。这易于使穿过转子的气流减速并使气流向外沿径向扩散。 0041 当风的湍流性质造成气流从一处移动到另一处而变化时， 需要风相干性校正。因 此， 在一段距离范围选通门 （gate） 处检测到的阵风在到达风力涡轮机时会急剧变化。相干 性校正可以基于从多个范围选通门测量中建立的数据和模型， 并且因为诸如地形的当地情 况会影响到当地相干性， 所以其可能对于风力涡轮机是特异性的。 0042 图 6 中示出了实施这些校正的控制器。控制器控制涡轮机对检测到的极端事件的 反应， 并且向超载运行的控制器提供表明是否已检测到极端事件的输。
34、出。在 20 处指明了前 进的风场， 该风场是由 LIDAR30 检测到的， 在这种情况下的 LIDAR 是多量程、 多波束 LIDAR。 该 LIDAR 可以输出风速 32、 风向 34、 垂直风切变 36 和水平风切变 38 信号。尽管校正的顺 序不重要， 但是首先在40处针对轴向感应校正这些数据， 然后在42处针对相干性校正这些 数据。然后在 44 处通过应用距离时间传递函数将校正的测量结果转换成时间信号， 以提供 经校正的 LIDAR 信号， 其向极端事件检测单元 46 提供输入。该单元处理 LIDAR 信号， 并且， 如果检测到会导致极端载荷的极端事件， 该单元可以输出极端行为触发事。
35、件。该极端事件 检测单元可以检测极端风速 48、 极端运行阵风 50、 极端湍流 52、 极端方向变化 54 和极端风 切变 56， 并且在如图 6 中所示的相应输出上输出触发信号。极端输出触发对极端事件行为 单元 60 形成输入， 其根据极端触发输入命令涡轮机采取适当的躲避行动。某一特定事件可 能产生一个或多个触发， 极端行为单元基于触发的类型和数量确定采取什么行动。每种极 端情况、 极端情况的组合以及每种情况的极端水平都具有预定的行动方案。这可以， 例如， 作为查找表存储于极端事件行为单元 60 中。 0043 极端事件行为单元 60 还具有至图 7 中示出的超载运行控制器的输出。当检测到。
36、 任何极端事件时， 该输出向超载运行控制器发送信号， 这样使得超载运行控制器能够使涡 轮机停止在超载运行下运行。存在检测到的极端事件的情况下， 至超载运行控制器的输出 可以正常地降低和升高， 或反之亦然。 0044 还输出超载运行干预信号61的极端事件行为单元输出偏离角命令64或者功率水 平要求 62 的之一或两者。该命令信号被作为极端事件功率水平和极端事件偏离角信号而 输入到生产控制单元 70， 其还接收作为输入、 来自风力涡轮机的涡轮机反馈信号 72 并产生 说 明 书 CN 103717886 A 8 6/9 页 9 作为输出的控制系统信号， 该控制系统信号被应用到风力涡轮机 80， 以。
37、控制风力涡轮机参 数。 0045 当极端事件行为单元 60 形成的偏离角信号被生产控制单元用作控制信号时， 该 信号会产生风力涡轮机偏离驱动， 以将转子移出风区。 响应于极端事件的超前检测， 已开发 该控制信号， 并且在风到达涡轮机之前， 风力涡轮机偏离驱动有足够的时间将转子移出即 将到来的风的路径， 从而极端事件造成的转子的载荷被最小化并且损失被最小化。 0046 由行为单元 60 的极端情况形成的功率水平控制信号造成发电机功率水平从其正 常运行设定点变化为低于正常运行状况的水平。 发送的功率水平要求信号取决于极端事件 的性质和严重性， 并且可以包括响应于控制器执行急停的发电机停机指令。这可。
38、以涉及打 开发电机接触并防止发电， 因此发电机与连接到其上的网络断开。 0047 替代地， 发送到生产控制单元 70 的功率水平资料 （profile） 可以包括俯仰参考， 其为转子叶片移动提供新的设定点， 从而在极端事件到达风力涡轮机时减小叶片上的负 荷。 第三功率水平提供新的功率参考信号， 以降低由发电机产生的功率 ； 第四功率水平是推 力限制信号。 要理解， 这不是对极端事件检测的详细反应清单， 控制器通过采取适当行动使 对风力涡轮机部件造成的损坏最小化或者避免该损坏， 以及通过向超载运行控制器发送超 载运行干预信号， 以防止超载运行发生来对极端事件的检测做出响应。 0048 尽管在一些。
39、极端事件中， 发电机停机是有必要的， 但是可以较少地采取剧烈行动， 因为当来自 LIDAR 的信号表明极端事件已经过去并且可以恢复正常运行设定点时， 可以更 快地逆转该行动。极端事件检测器 46 处理 LIDAR 信号， 以确定该信号是否代表极端事件。 要检测的事件是极端方向变化时， LIDAR 可以是检测风向的具有多个观察方向的多波束 LIDAR， 该风向可以被表示成与已知方向 （例如风力涡轮机转子的旋转角） 的夹角。微分器相 对于时间对测量角进行微分， 以得出值 d/dt， 其中 是测量角， 滤波器在预定的一段时 间内过滤掉那个信号。阈值检测器接收来自滤波器的输出和风速的表示， 并且判断是。
40、否已 超出阈值。阈值检测器可以包括不同风速的阈值查找表。替代地， 在轴向感应校正和相干 性校正之后， 极端事件检测单元可以作用于风速信号， 并且将速度分解为沿着风力涡轮机 转子的旋转轴方向的轴向速度与横向速度， 该横向速度为转子平面中的速度或者垂直于旋 转轴。微分器作用于横向速度以向滤波器提供输出， 该输出是风的横向加速度， 因此， 表示 变化的方向。 0049 为了检测极端运行阵风， 微分器可以作用于轴向速度信号， 如果超出阈值， 那么如 在之前的范例中那样， 过滤该信号并且标记极端事件。 0050 将认识到， 描述的控制器对涡轮机来说是个体的， 并且是安装的涡轮机控制器的 一部分。 不过，。
41、 在风力发电厂中， 鉴于这些装置的费用， 可以仅为某些涡轮机提供LIDAR。 在 那种情况下， 可以将潜在的极端事件的检测传输到其他涡轮机， 例如通过发电厂控制器。 不 过， 应当注意， 在高湍流不稳定的情况下， 一台涡轮机处的事件可能极端而邻近涡轮机处的 事件可能不极端。场地的地形也会影响当地情况。因此， 如果经济上可行， 在每个涡轮机处 为个体检测极端事件是优选的。 0051 现在将描述在风力发电厂中执行超载运行的方式。图 7 示出了常规风力涡轮机的 功率曲线 100。在该图中， 对应 Y 轴上的功率输出， 风速被绘制在 X 轴上。曲线 100 是风力 涡轮机的正常功率曲线， 其将风力发电。
42、机组输出的功率定义为风速的函数。正如本领域中 说 明 书 CN 103717886 A 9 7/9 页 10 所熟知的， 风力涡轮机在切入速度 vmin处开始发电。然后涡轮机在部分载荷 （也被称作局部 载荷） 的情况下运行， 直到在点 vr 处达到额定风速。在 vr处的额定风速下达到额定标称发 电机功率并且涡轮机满负荷运行。典型的风力涡轮机的切入风速是 3m/s， 额定风速是 12m/ s。点 vmax是切出风速， 这是涡轮机可以在不同功率下运行的最高风速。在风速等于以及高 于切出风速处， 风力涡轮机出于安全原因， 具体而言， 为减少作用于风力涡轮机上的载荷而 停机。 0052 IEC6410。
43、0-1 将风力涡轮机的额定风能定义为风力涡轮机被设计成在正常运行和 外部条件下获得的最大连续电功率输出。因此， 常规风力涡轮机被设计成在额定功率下运 行， 从而不超出部件的设计载荷和部件的疲劳寿命。 0053 如图7中所示， 可以控制涡轮机， 使得它可以产生比阴影区102指明的额定功率更 高的功率。当在这个区域运行时， 涡轮机超载运行， 这被理解为， 它在满载荷运行期间产生 超载运行的功率。在特定风速下， 当涡轮机超载运行时， 涡轮机的运行比正常情况下的更 强， 发电机的功率输出高于额定功率。 0054 尽管超载运行通常以瞬态特性为特点， 但是我们已认识到， 如果风况和部件的疲 劳寿命有助于超。
44、载运行， 那么涡轮机可以超载运行很长一段时间。超载运行的功率水平会 高出额定功率输出的 30%。 0055 图 8 示出了控制形成风力发电厂的多个风力涡轮机 120 的发电厂控制器 （PPC） 110。PPC110 与每一个涡轮机通信， 可以接收来自涡轮机的诸如俯仰角、 转子转速、 功率输 出等的数据， 并且向个体涡轮机发送指令， 例如俯仰角、 转子转速、 功率输出等的设定点。 PPC110 还接收来自电网 （例如， 来自电网运营商） 的指令， 以响应电网上的要求或故障促进 或减少有功或无功功率。此外， 每台涡轮机都有其自己的负责涡轮机运行并与 PPC110 通信 的控制器。 0056 PPC。
45、 控制器从每一个涡轮机中接收功率输出数据， 因此其在电网接线点 130 处意 识到每台涡轮机以及发电厂整体的有功和无功功率输出。如果需要的话， 该控制器可以接 收发电厂整体的运行设定点并且在每一台涡轮机中划分这个设定点， 从而该输出不会超出 运营商指定的设定点。这个发电厂设定点可以是从零到该电厂额定功率输出的任意一个。 该电厂的额定或标称功率输出是该发电厂中个体涡轮机的额定功率输出的总和。 发电厂设 定点甚至可以高于该发电厂的额定功率输出， 即， 整个发电厂超载运行。 0057 在图 8 中， 发电厂控制器 110 接收作为发电厂总输出和发电厂标称输出之间差别 的测量结果的信号。这种差别用于为。
46、个体涡轮机超载运行提供依据。在这一实施例中， 其 仅为一个范例， 在减法器 140 处， 从发电厂的标称或额定输出中减去了发电厂的真正输出。 该差别， 在图 8 中被作为误差信号 e 示出， 被输入到积分器 150。该积分器包括防止积分斜 升 （wind-up） 的内置饱和度， 积分斜升是控制器中众所周知的问题， 其中设定点曲线中的大 变化和积分项在上升 （斜升） 期间累计显著误差， 因此累计误差被其他方向中的误差抵消时 可以过冲并继续增加。 0058 将来自积分器 150 的输出输入到放大器 160 中， 该放大器应用缩放积分器输出的 固定增益 g， 以提供超载运行量， 然后将其提供给控制器。
47、， 控制器将其发送到每一台涡轮机。 理论上， 仅有单台涡轮机超载运行， 但是可以使多台涡轮机超载运行， 或者将超载运行信号 发送到所有涡轮机。发送到每台涡轮机的超载运行信号不是固定控制， 而是每台涡轮机可 说 明 书 CN 103717886 A 10 8/9 页 11 以执行的超载运行的最大量的指示。每台涡轮机都具有位于涡轮机更中心处的优化器， 其 确定涡轮机是否可以响应超载运行信号， 如果可以， 那么能够响应的额定功率信号量是多 少。例如， 当优化器确定特定涡轮机的状况有效并且超过额定风速时， 它会积极做出反应， 该特定涡轮机超载运行。随着优化器执行超载运行信号， 功率输出增大， 所以减法。
48、器 140 产 生的误差信号降低。误差为零或者积分器饱和时， 积分器达到平衡。 0059 因此， 可以由整个发电厂的涡轮机执行表示超载运行量的超载运行信号。 不过， 每 台涡轮机根据其优化器单独地对超载运行信号做出响应。如果情况如下 ： 总优化导致超载 运行， 但是有可能超出发电厂的标称输出， 那么差别减少， 并且个体优化器降低应用的超载 运行的量。 0060 图 9 示出了图 8 布置的改良版。在这个图中， 考虑到了在真正的发电厂中可能发 生的 PPC110 和涡轮机 120 之间的通信延迟。因为超载运行信号是从 PPC 传输到涡轮机的， 所以这非常重要。如果 tmG（其中 t 是延迟时间，。
49、 m 是对发电厂输出变化的超载运行要求中 的变化比率， G 是基本反馈增益） 值太大， 那么该系统会过冲、 振荡或变得不稳定。这个值是 涡轮机对来自 PPC110 中超载运行指令做出反应所花费的时间的度量。为了确保 tmG 维持 在可接受的范围内， 在计算最大反馈增益时， 可以对 tm 设置上频带。不过， 这种方法使得控 制器对发电厂输出中的变化的反应变慢。当输出过低时不需要这个， 当输出过高时这个是 不可接受的， 这样一来， 运行会导致部件损坏。 0061 图9的布置解决了这个问题。 PPC经由涡轮机各自的控制器询问个体涡轮机， 以计 算 m 的值。在图 9 中， 放大器 165 的增益是 G/m， 并且来自涡轮机 120 的输入 170 被提供到 放大器。PPC 和涡轮机之间的延迟被示为延迟 180。因此， 从上界确定的唯一参数是 t。这 种方法使得控制器能够更快地对发电厂输出中的变化做出反应。在本范例中， 同图 8 的范 例一样， 发送到每个涡轮机的超载运行指令都是相同的。 0062 当控制器和涡轮机之间的延迟可以忽。