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

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：

$H_{\mathrm{RCM}}\left(S\right)=K_P+K_i·\frac{{2\omega }_{\mathrm{CU}}S}{S^2+{2\omega }_{\mathrm{CU}}S+{\omega }_{\mathrm{DT}}^2}$

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：

$\left|\right|H_{\mathrm{RCM}}\left(\mathrm{j\omega }\right)\left|\right|=\sqrt{\frac{{\omega }^2{\left[{2\omega }_{\mathrm{CU}}(K_p+K_i)\right]}^2+{\left[K_p({\omega }_{\mathrm{DT}}^2-{\omega }^2)\right]}^2}{{\omega }^2{\left[2{\omega }_{\mathrm{CU}}\right]}^2+{[{\omega }_{\mathrm{DT}}^2-{\omega }^2]}^2}}$

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：

依赖于参数Kp和Ki的值，谐振控制装置的特性可被改变。

对于本发明的优选实施例，谐振控制装置的比例参数K_p被选择为零。

图5a示出了本发明的谐振控制装置的特性，根据本发明一实施例，其被参数K_p＝0以及K_i＝K_i加载。

在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，谐振控制装置的增益曲线17显示出突出的峰18，并具有等于20log10(Ki)的高增益。离谐振频率ω_DT越远，控制装置的增益明显地减小，在ω＝0处减小到0。

在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，相位曲线19过零。对于ω_DT附近相对较小的变化，也就是说，在带宽频率限制内，相位急剧变化。

对于更为远离谐振频率的频率，相位曲线19收敛到±90度，如图中所示。

图5b原理性地示出了对于某些虚构的参数设置，其中，运行参数Kp＞0，根据本发明另一实施例的谐振控制装置的特性。

此实施例的一个主要特点在于，在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，谐振控制装置的增益曲线17出现峰值18并具有等于20log10(Kp+Ki)的高增益，离谐振频率越远，控制装置的增益向着标为X0的增益水平收敛，X0对于此实施例为20log10(Kp)。

此实施例的另一主要特点在于，在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，相位曲线19过零。对于ω_DT附近相对较小的变化，也就是说，在带宽频率限制内，相位急剧变化，但对于远离谐振频率的频率，相位收敛到零度。

图5c示出了谐振控制装置的特性的伯德图，其中，根据本发明的多个实施例，对于ω_CU的多个值，本发明的谐振控制装置用参数Kp＝0和Ki＝Ki加载。

图中的增益曲线17a-d示出了通过改变ω_CU增益曲线的锐度如何改变，即对于ω_CU的增大的值，控制装置的带宽增大。

在谐振频率ω_DT＝2πf_DT上，谐振控制装置的增益曲线17a-d显示出突出的峰18，并具有等于20log10(Ki)的高增益。离谐振频率ω_DT越远，控制装置的增益急剧减小，并在ω＝0处减小为零。

对于此图的所有实施例，相位曲线19a-d在谐振频率ω_DT＝2πf_DT处过零。对于ω_DT附近相对较小的变化，相位急剧变化，对于更加远离谐振频率的频率，相位收敛到±90度，如图中所示。

对于多个实施例，本发明可以以风力涡轮机和发电机系统的多种类型实现，例如包含一个或多于一个的双馈感应发电机的风力涡轮机或包含满标度电力转换器系统的风力涡轮机，例如永磁体风力涡轮机。

列表

1  风力涡轮机

2  塔架

3  机舱

4  轮毂

5  叶片

6  桨距机构

7  齿轮

8  断开系统

9  发电机

10 低速转子轴

11 高速转子轴

12 转换器(变换器)

13 负载承载结构

14 传动系

15 转子

16 功率控制器

17 谐振控制装置的增益曲线

18 谐振控制装置的增益峰

19 谐振控制装置的相位曲线

20 功率反馈环的LP滤波器

21 信号调节装置

X0 增益水平

Kp 比例因子