[发明专利]基于操作轨迹验证的风力涡轮机的控制手段

说明书

本发明涉及基于预测的操作轨迹对风力涡轮机进行控制。描述了如下用于风力涡轮机的控制系统：其中，主控制器计算一个或多个预测的操作轨迹，安全性控制器对一个或多个预测的操作轨迹中的至少一者进行验证。如果验证成立，则控制系统利用预测的控制轨迹控制风力涡轮机；如果验证不成立，则控制系统利用安全模式控制轨迹控制风力涡轮机。在实施例中，主控制器体现为滚动时域控制器，例如，呈模型预测控制器(MPC)的形式。

技术领域

本发明涉及基于操作轨迹验证的风力涡轮机的控制手段。

背景技术

通常，运营风力涡轮机或风力涡轮机场的目的在于，使投入的资金获得最大的收益；因此，风力涡轮机控制系统构造成：在保持风力涡轮机处于运转极限内的前提下，使输出功率最大化，即，使风力涡轮机运转，以便从可利用的风能中获得最大的能量。

在将风力涡轮机的控制系统设计成考虑到多种变化的条件(风力涡轮机就是在这些条件下运转的)的同时，风力涡轮机通常还包括安全系统。安全系统的目的在于，在发生无法预料的状况、部件故障或其他问题的情况下，保持结构的完整性，因为在这些情况下可能要求涡轮机在可控的安全模式下运转，所述安全模式是指降低产能的模式或者将涡轮机关停。

现有的风力涡轮机安全系统以涡轮机状态的小子集的测量值(例如，转子转速、塔顶加速度和载荷测量值等)为基础。安全系统通常将测量值与被认为是安全的预定极限值进行比较。如果超出了预定极限值，则风力涡轮机关停或者以降低产能的模式运转。结果，仅当故障或极端状况已发展到超出了预定的物理或机械极限的程度时，现有的安全系统才做出反应。这样就产生了增大结构强度的内在需求，以适应由于这么晚地检测到故障情况而引起的载荷。

在不同的方案中，风力涡轮机可以从多个传感器获得数据，并使用这些数据来预测涡轮机是否即将超出预定的结构极限。然而，由于与安全相关的设备需要通过适于安全使用的认证，所以这种设备比较昂贵。此外，预测算法比较复杂，并且需要高性能计算设备。因此，安全系统的计算任务的复杂性受限。

本发明的发明人已经意识到，需要有安全地操作风力涡轮机的其他方法。

发明内容

有益的是，获得如下所述的用于风力涡轮机的控制系统：该控制系统能够预测风力涡轮机是否即将超出常规运转极限地运转，并以安全的方式对这种预测结果采取适当的措施。此外，有益的是获得如下所述的控制系统：该控制系统能够以有限的安全认证计算能力并以安全的方式处理风力涡轮机的预计运转情况。

因此，根据第一方面，提供一种用于风力涡轮机的控制系统，包括：

主控制器，其设置成用于计算一个或多个预测的操作轨迹，一个或多个预测的操作轨迹包括预测的控制轨迹，其中，轨迹包括至少一个变量的时间序列；

安全性控制器，其设置成用于接收一个或多个预测的操作轨迹，并根据至少一个验证程序，对用作未来时间段的成立的操作轨迹的至少一个预测的操作轨迹进行验证，以确定操作轨迹成立或不成立；

其中，如果验证成立，则控制系统利用预测的控制轨迹来控制风力涡轮机；如果验证不成立，则控制系统利用安全模式控制轨迹来控制风力涡轮机。

因此，本发明涉及基于预测的操作轨迹对风力涡轮机进行控制的手段。提供一种控制系统，其中，主控制器计算一个或多个预测的操作轨迹，并且安全性控制器对一个或多个预测的操作轨迹中的至少一者进行验证。如果验证成立，则控制系统利用预测的控制轨迹来控制风力涡轮机；如果验证不成立，则控制系统利用安全模式控制轨迹来控制风力涡轮机。

在本发明中，基于计算出的操作轨迹(包括控制轨迹)操作涡轮机。轨迹是关于特定时间段的变量的时间序列，其中包括关于与该变量相关的操作参数的下一个变量值以及关于特定参数的预定数量的未来变量值。例如，控制轨迹可以是桨距轨迹，其中包括下一条桨距指令以及预定数量的未来桨距指令。