基于储能延长风力涡轮机轮系使用寿命的系统和方法
基于储能延长风力涡轮机轮系使用寿命的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于储能系统的使用用于延长风力涡轮机轮系的使用寿命的系统和 方法，因此尤其涉及用于控制多个风力涡轮机的风场控制器和控制方法。
【背景技术】
[0002] 风力涡轮机将风力的动能转换成电能用于在输出端子处供应，并且越来越多地在 家用和工业生产上使用，以及用于向国家电网供应电力。由发电公司操作的风力涡轮机典 型地位于存在有利风力状况的场所，诸如，接近于海岸线或在山丘区域中的陆基涡轮机，或 基于海洋的离岸风力涡轮机。因为这些场所通常在远离现存设施的位置，在这些场所的风 力涡轮机的维护可能变得困难且昂贵。因此概括而言，期望在可能情况下确保风力涡轮机 有效地操作，且将要求的维修和维护最小化。
[0003] 图1示出示例性水平轴线风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2,风 力涡轮机机舱3在所述风力涡轮机塔架的顶部，转子4被安装到所述风力涡轮机机舱。风 力涡轮机转子4包括支撑至少一个转子叶片6的转子轮毂5。转子4连接到机舱3的前部， 并且在由入射风提供的力的影响下围绕轮毂5转动。
[0004] 机舱中的主传动轴将风力涡轮机的转子连接到变速箱，所述变速箱继而驱动使发 电机中的转子转动的轴杆。变速箱的作用是将风力涡轮机转子的低速但高转矩的传动轴与 发电机的高速且低转矩的转子联接。在稳定状态的操作下，施加到传动轴、变速箱和转子轴 的机械转矩由于发电机的电和磁激励场被转矩平衡。因为发电机的电场和磁场取决于电网 的电压和频率特征，电网特征的改变影响由发电机场施加在转子上的转矩，这接下来反馈 到变速箱。类似地，尤其阵风在风力转子处的风速改变引起由传动轴施加到变速箱的机械 转矩变化，从而导致由于发电机场造成的转矩的不平衡。
[0005] 虽然由阵风或功率系统偏离引起的任何转矩不平衡通常是短期的，但是不平衡确 实存在，机械应力被施加到传动和转子发电机轴、以及变速箱。因为机械应力是累积的，所 以机械应力的影响能够通过变速箱寿命的减少测量到。
[0006] 因此，已经理解的是，期望提供用于减轻在变速箱处或风力转子发电机传动系中 的转矩不平衡的系统和方法，并且因此延长机械构件的寿命。
【发明内容】
[0007] 本发明在独立权利要求中定义，现在引用所述独立权利要求。有利特征在从属权 利要求中列出。
[0008] 在本发明的第一方面，提供了一种用于风场的风场控制系统。风场包括借助于低 压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网且 多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动 系和变速箱。风场控制系统包括：位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所 述环境传感器设置成确定风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数；位于至 少第一风力涡轮机中或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述功率传感器设 置成确定发电机转子角度与低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控制器输出所述 功率失谐指标；控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐 指标，以基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，并 且基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风 力涡轮机的功率命令。
[0009] 通过使用变速箱或传动系健康状况量度，控制器能够确保风场满足来自设备操作 者和电网两者的功率需求，同时抵抗功率不平衡稳定局部风场。而且，风力涡轮机响应能够 被小心地调节以保护变速箱和传动系不受到由系统中功率不平衡导致的过度磨损和撕裂， 所述功率不平衡虽然得到了补偿但仍暂时性地持续存在。具体地，在风场中的风力涡轮机 被要求提供附加功率以满足功率参考命令的情况下，控制器能够确定是否使用来自储能系 统的功率，由此去除某些风力涡轮机操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级 的需要。
[0010] 在一个实施方式中，控制器基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传 动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、 振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。
[0011] 通过使用位于单个风力涡轮机的变速箱和/或传动系构件上的环境传感器，控制 器能够建立电流变速箱或传动系健康状况的准确图形。所得到的量度能够按多种方式使用 以改进风场作为整体的操作，以及降低维护操作的需求。
[0012] 在一个实施方式中，控制器为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动 命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，以及变速箱健康状况和传动系量度的计算 基于所述历史时序中的一个或多个。
[0013] 通过使用这个信息，过去已经更少频率使用的风力涡轮机能够被选定以便在由风 场供应的功率需要加强或减弱时被调度。
[0014] 在一个实施方式中，变速箱或传动系健康状况量度包括变速箱寿命的评估。以这 种方式，控制器能够监测风场中的风力涡轮机且设法确保即使相对于其他风力涡轮机选定 特定的风力涡轮机，风力涡轮机的寿命也在整个风场中大部分是平均的。这显著提高风场 的效率，因为单个风力涡轮机不大可能需要不定时的维修或替代，并且能够更易于为作为 整体的风场安排维护操作。
[0015] 在一个实施方式中，功率失谐指标表达为delta角度，其等于发电机的转子角度 和功率网络的系统相位角度的差值。这个值给出在变速箱或传动系构件上的合成应变的直 接测量，并且也能够在变速箱或传动系健康状况量度的计算中使用。
[0016] 在一个实施方式中，控制器能够操作以确定用于储能系统的功率命令，以使得 delta角度恢复到零值。这恢复风场的网络中的功率稳定性，由此最小化在发电机上的负载 转矩的失谐。
[0017] 在一个实施方式中，控制器能够操作以基于来自储能系统的可用功率和所述变速 箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。以这种方式，控制器能够确 定是否使用来自储能系统的功率或使用来自风力涡轮机的功率，由此去除某些风力涡轮机 操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级的需要。
[0018] 在一个实施方式中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机 分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参 考命令。以这种方式，风场能够根据各个风力涡轮机可能面对的操作磨损和撕裂、风场中的 风力涡轮机相对于主要风力方向的相应位置、以及任何其他相关环境因素而被分区。每个 区域则能够根据功率参考命令的不同方案被控制。
[0019] 在一个实施方式中，风场控制器为每个风力涡轮机存储所述变速箱或传动系健康 状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命 令。以这种方式控制器能够使得功率参考值适配单个风力涡轮机。
[0020] 虽然这些特征能够被考虑作为单独的实施方式，但是也可以构思它们在单一实施 方式中与彼此结合。
[0021] 还提供对应 的方法和计算机程序。
【附图说明】
[0022] 接下来将通过示例且参考附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：
[0023] 图1是已知的三叶片水平轴线风力涡轮机的示意图；
[0024] 图2是根据本发明的示例的风场的示意图；
[0025] 图3是根据本发明的示例的机舱内部和变速箱的示意图；
[0026] 图4是示出用于风场控制器的控制算法的流程图；
[0027] 图5是用于控制储能装置的输入/输出和各个风力涡轮机的变桨控制的示例性控 制方案的示意图。
[0028] 图6是分成单独的风力涡轮机组A、B和C的风场的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 图2示出包括多个风力涡轮机20的风场10。风力涡轮机20经由各个分支传输 线21联接到主低压传输线22。主传输线22终止于将风场10连接到电网的风场变压器23 中。在风场变压器23之前，储能系统24(ESS)经由副传输线25连接到主传输线22。主传 输线22和副传输线25相遇的位置已知为共同联接点26。风场10也包括风场控制器27。 控制器27经由有线或无线数据连接28联接到储能系统24和多个风力涡轮机20中的每个 风力涡轮机20。
[0030] 在运行期间，风场控制器27经由数据连接28与各个风力涡轮机20中的单个风力 涡轮机控制器通讯，由此从风力涡轮机20接收传感器数据，并且将控制命令发布到风力涡 轮机控制器。
[0031] 风场10也包括位于变压器23的风场侧上的功率传感器29,所述功率传感器测量 在主传输线22上供应到变压器23的电流和电压。
[0032] 储能系统24设置成在需求增加时补充来自风场的功率输出，并且在需求低时存 储过量能量。储能系统包括：一个或多个储能装置；判断系统，其包括一个或多个传感器以 用于至少确定存储在存储装置中的电荷；以及控制器，其用于与风场控制器27通讯以交换 判断数据和存储系统控制指令。所述一个或多个储能装置能够设置为电池，如基于化学作 用的存储器、基于飞轮的存储器、基于电容的存储器、热量存储器、重力能量存储器、压缩能 量空气存储器、基于水力或磁流体动力的存储器。其他储能系统也是可能的，并且将会由本 领域技术人员理解。
[0033] 图3更详细地示出风力涡轮机机舱3的内部。传动系组件30包括低速传动轴31， 所述低速传动轴将转子轮毂5连接到位于机舱3中的变速箱壳体32。低速传动轴31在其 端部设有轴承33,所述低速传动轴通过所述轴承可旋转地支撑在变速箱壳体32中。齿轮 34接近于轴31的端部地定位，所述齿轮34选择性连接到相邻的次级齿轮35。次级齿轮35 继而连接到安装在发电机转子轴杆37上或与之一体的齿轮36。中间变速箱衬套38可设置 成支撑变速箱壳体32中的相邻的齿轮35和齿轮36,或它们可简单地被壳体自身支撑。衬 套39也可设置成支撑低速传动轴31和发电机转子轴杆37。
[0034] 发电机40邻近于变速箱壳体32地设置，且包括定子41和转子42。定子41和转 子42设有电绕组，所述电绕组通电以形成互连的电和磁通量。发电机转子轴杆37联接到 转子42,以导致转子在传动轴31的影响和转子轮毂5的运动下在定子41内转动。如在本 领域已知的，在定子41上的电绕组通过电流通电，以形成旋转磁场，转子上的电绕组在所 述旋转磁场中转动，由此形成用于在电气端子43处输出的电流。
[0035] 输出电气端子43将由发电机产生的交流电流供应到功率调控设备44。对于可变 速度风力涡轮机，功率调控设备包括变流器，所述变流器将来自发电机40的变化的交流电 流（AC)输出转换成直流电流（DC)，并且以适当的频率和电压转换回交流电流，以输入到传 输电网。对于恒定速度风力涡轮机，可以在不使用变流器的情况下直接连接到电网。
[0036] 涡轮机20也设有风力涡轮机控制器50,所述风力涡轮机控制器用于接收来自安 装在机舱3中的传感器的信号（见下文）、用于将控制信号提供到发电机40以及用于与风 场控制器27通讯。控制器50具有用于存储数据和控制算法的存储器51、用于执行控制算 法的处理器、以及用于将数据发送到风场控制器27和从风场控制器接收数据的收发器。
[0037] 根据本发明的这个示例，风力涡轮机20也包含用于确定变速箱32的操作状态的 多个传感器。旋转转矩变换器45联接到低速传动轴，以确定由风力涡轮机轮毂施加到轮系 组件34、35和36的转矩。类似地，速度传感器46和振动传感器47也联接到传动轴，以测 量传动轴转速w和任何变速箱振动的幅值。速度传感器46能够是安装在传动轴31自身上 的加速度计或转速计。应理解的是，所描述的传感器可以设置在变速箱壳体32的内侧或外 侦牝只要所述传感器联接到关注的轮系构件，并且所述传感器可联接到仅低速传动轴31或 传动系组件30的其他构件的一个或多个。也可设置其他传感器，诸如声学传感器。
[0038] 附加地，机舱3包括用于确定在涡轮机处的电压的电压传感器48。传感器能够在 功率调控系统44之后紧接着设置在发电机40的输出处，或设置为功率调控系统44的构 件。
[0039] 传感器45、46、47和48连接到存储传感器数据的风力涡轮机控制器50。常规的继 电器和速度传感器被用于传输数据。
[0040] 现在将更详细地且参考图4说明风场控制器27的操作，图4展示示意性控制算 法。应理解的是，控制算法的方面可在软件或硬件或两者中实施。
[0041] 在步骤S2中，控制器确定风场10可实现的总功率。总功率将是在每个风力涡轮 机处由风力供应且由各个发电机转换成电功率的功率以及就储能系统24中的存储电荷而 言的可用功率的函数。
[0042] 由风力涡轮机提供的机械功率经由变速箱32从传动轴31传递到发电机转子42， 且是由风力在旋转轴上提供的转矩和轴转速的函数。施加到发电机的机械功率P m因此由 公式1给出：
[0043] Pm= w?Tm (公式1)
[0044]其中，w是由速度传感器46测量的低速轴的速度，而Tm是由旋转转矩变换器45测 量的由轴31施加到轮系组件的转矩。应理解的是，旋转转矩变换器45和速度传感器46也 可以放置在发电机转子轴杆37上，在这种情况下，用于表示P m的w和T 将测量轴杆37 的转速和施加到转子42的转矩。对于风场10中的每个风力涡轮机20,施加到转子的机械 功率因此传递到风场控制器27。
[0045] 附加地，存储在储能系统24中的电功率PES的量也由ESS判断系统确定且传递到 风场控制器27。风场系统的可用功率的总量则由以下表达式计算：
[0046] Pm(来自多个风力涡轮机）+PES= P tQtal
[0047]在步骤S4中，来自机舱电压传感器48和PCC电压传感器29的传感器输出在控制 器27处接收且用于确定风场中的多个发电机40的功率系统角度。功率系统角度Ss(发 电机终端电压与机器的内部电压之间的角度）能够由公式2计算：
【主权项】
1. 一种用于风场的风场控制系统，所述风场 包括多个风力涡轮机和储能系统，所述多 个风力涡轮机与所述储能系统借助于低压功率网络连接到彼此，其中，低压功率网络联接 到电网，并且其中，所述多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的 发电机之间连接的传动系和变速箱， 风场控制系统包括： 位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所述环境传感器设置成确定风 力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个操作参数， 位于至少第一风力涡轮机中的或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述 功率传感器设置成确定发电机转子角度和低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控 制器输出所述功率失谐指标；以及 控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐指标，以基 于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，以及基于所述 功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风力涡轮机的 功率命令。
2. 根据权利要求1所述的风场控制系统，其中，控制器基于所述一个或多个操作参数 而确定所述变速箱或传动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系 构件的转矩、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。
3. 根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，控制器为每个风力涡轮机存储用于 变桨控制命令、风力制动命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，并且变速箱健康 状况和传动系量度的计算基于所述历史时序中的一个或多个。
4. 根据权利要求1、2或3所述的风场控制系统，其中，变速箱或传动系健康状况量度包 括变速箱寿命的评估。
5. 根据任一前述权利要求所述的风场控制系统，其中，所述功率失谐指标表达为 delta角度，等于发电机的转子角度和功率网络的系统相位角度的差值。
6. 根据权利要求5所述的风场控制系统，其中，控制器能够操作以确定用于储能系统 的功率命令，以使得delta角度恢复到零值。
7. 根据任一前述权利要求所述的风场控制系统，其中，控制器能够操作以基于来自储 能系统的可用功率和所述变速箱或传动系的健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率 命令。
8. 根据权利要求7所述的风场控制系统，其中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮 机中的每个风力涡轮机分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个 风力涡轮机发布功率参考命令。
9. 根据权利要求7或8所述的风场控制系统，其中，风场控制器存储用于每个风力涡轮 机的所述变速箱或传动系健康状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个 风力涡轮机发布功率参考命令。
10. -种控制风场的方法，所述风场包括借助于低压功率网络连接到彼此的多个风力 涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网，以及其中，所述多个风力涡轮机均分 别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱， 控制风场的方法包括： 确定至少第一风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数； 确定用于至少第一风力涡轮机或在所设置的低压功率网络处的发电机转子角度与低 压功率网络之间的功率失谐指标； 在控制器处接收所确定的所述一个或多个环境操作参数和所述功率失谐指标；以及借 助于控制器： 基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度；以及 基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和 风力涡轮机的功率命令。
11. 一种控制根据权利要求10所述的风场的方法，包括： 基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传动系健康状况量度，所述操作参 数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、 应变数据或温度数据。
12. 根据权利要求10或11所述的控制风场的方法，包括： 为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动命令和启动或关闭命令的一个或 多个历史时序；以及 基于所述历史时序中的一个或多个而计算变速箱健康状况和传动系量度。
13. 根据权利要求10、11或12所述的控制风场的方法，其中，变速箱或传动系健康状况 量度包括变速箱寿命的评估。
14. 根据权利要求10至13中任一所述的控制风场的方法，其中，所述功率失谐指标表 达为delta角度，等于发电机的转子角度和功率网络的系统相位角度的差值。
15. 根据权利要求14所述的控制风场的方法，包括确定用于储能系统的功率命令，以 使得delta角度恢复到零值。
16. 根据权利要求10至15中任一所述的控制风场的方法，包括基于来自储能系统的可 用功率和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。
17. 根据权利要求16所述的控制风场的方法，包括： 存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分配到不同的组的信息；以及 基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。
18. 根据权利要求16或17所述的控制风场的方法，包括： 存储用于每个风力涡轮机的所述变速箱或传动系健康状况量度；以及 基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。
19. 一种用于控制风场控制器的计算机程序，所述风场包括借助于低压功率网络连接 到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网，并且其中，所述多 个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的发电机之间连接的的传动 系和变速箱， 其中，当程序在风场控制器上运行时，控制器被致使执行以下步骤： 接收至少第一风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数； 确定用于至少第一风力涡轮机或在低压功率网络处的发电机转子角度和低压功率网 络之间的功率失谐指标； 基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度；并且 基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和 风力涡轮机的功率命令。
20. -种有形且非瞬态的计算机可读介质，权利要求19所述的计算机程序存储在所述 计算机可读介质上。
【专利摘要】本发明描述了一种用于风场(10)的风场控制器和控制方法。风场包括借助于低压功率网络(22、25)连接到彼此的多个风力涡轮机(20)和储能系统(24)，所述低压功率网络继而联接到电网。控制器确定风力涡轮机变速箱或传动系的多个操作参数，并且计算变速箱或传动系健康状况量度。这可以包括变速箱寿命的测量。控制器也确定风力涡轮机发电机或共同联接点(26)的一个或多个功率特征，以确定功率失谐指标。基于功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度，控制器以提高变速箱健康状况和寿命为基础确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。
【IPC分类】F03D7-02, F03D9-02
【公开号】CN104813021
【申请号】CN201280077207
【发明人】M·哈贾-马哈尔斯
【申请人】维斯塔斯风力系统集团公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2012年11月26日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于储能系统的使用用于延长风力涡轮机轮系的使用寿命的系统和 方法，因此尤其涉及用于控制多个风力涡轮机的风场控制器和控制方法。
【背景技术】
[0002] 风力涡轮机将风力的动能转换成电能用于在输出端子处供应，并且越来越多地在 家用和工业生产上使用，以及用于向国家电网供应电力。由发电公司操作的风力涡轮机典 型地位于存在有利风力状况的场所，诸如，接近于海岸线或在山丘区域中的陆基涡轮机，或 基于海洋的离岸风力涡轮机。因为这些场所通常在远离现存设施的位置，在这些场所的风 力涡轮机的维护可能变得困难且昂贵。因此概括而言，期望在可能情况下确保风力涡轮机 有效地操作，且将要求的维修和维护最小化。
[0003] 图1示出示例性水平轴线风力涡轮机1。风力涡轮机1包括风力涡轮机塔架2,风 力涡轮机机舱3在所述风力涡轮机塔架的顶部，转子4被安装到所述风力涡轮机机舱。风 力涡轮机转子4包括支撑至少一个转子叶片6的转子轮毂5。转子4连接到机舱3的前部， 并且在由入射风提供的力的影响下围绕轮毂5转动。
[0004] 机舱中的主传动轴将风力涡轮机的转子连接到变速箱，所述变速箱继而驱动使发 电机中的转子转动的轴杆。变速箱的作用是将风力涡轮机转子的低速但高转矩的传动轴与 发电机的高速且低转矩的转子联接。在稳定状态的操作下，施加到传动轴、变速箱和转子轴 的机械转矩由于发电机的电和磁激励场被转矩平衡。因为发电机的电场和磁场取决于电网 的电压和频率特征，电网特征的改变影响由发电机场施加在转子上的转矩，这接下来反馈 到变速箱。类似地，尤其阵风在风力转子处的风速改变引起由传动轴施加到变速箱的机械 转矩变化，从而导致由于发电机场造成的转矩的不平衡。
[0005] 虽然由阵风或功率系统偏离引起的任何转矩不平衡通常是短期的，但是不平衡确 实存在，机械应力被施加到传动和转子发电机轴、以及变速箱。因为机械应力是累积的，所 以机械应力的影响能够通过变速箱寿命的减少测量到。
[0006] 因此，已经理解的是，期望提供用于减轻在变速箱处或风力转子发电机传动系中 的转矩不平衡的系统和方法，并且因此延长机械构件的寿命。
【发明内容】
[0007] 本发明在独立权利要求中定义，现在引用所述独立权利要求。有利特征在从属权 利要求中列出。
[0008] 在本发明的第一方面，提供了一种用于风场的风场控制系统。风场包括借助于低 压功率网络连接到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网且 多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动 系和变速箱。风场控制系统包括：位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所 述环境传感器设置成确定风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数；位于至 少第一风力涡轮机中或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述功率传感器设 置成确定发电机转子角度与低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控制器输出所述 功率失谐指标；控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐 指标，以基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，并 且基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风 力涡轮机的功率命令。
[0009] 通过使用变速箱或传动系健康状况量度，控制器能够确保风场满足来自设备操作 者和电网两者的功率需求，同时抵抗功率不平衡稳定局部风场。而且，风力涡轮机响应能够 被小心地调节以保护变速箱和传动系不受到由系统中功率不平衡导致的过度磨损和撕裂， 所述功率不平衡虽然得到了补偿但仍暂时性地持续存在。具体地，在风场中的风力涡轮机 被要求提供附加功率以满足功率参考命令的情况下，控制器能够确定是否使用来自储能系 统的功率，由此去除某些风力涡轮机操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级 的需要。
[0010] 在一个实施方式中，控制器基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传 动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、 振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。
[0011] 通过使用位于单个风力涡轮机的变速箱和/或传动系构件上的环境传感器，控制 器能够建立电流变速箱或传动系健康状况的准确图形。所得到的量度能够按多种方式使用 以改进风场作为整体的操作，以及降低维护操作的需求。
[0012] 在一个实施方式中，控制器为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动 命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，以及变速箱健康状况和传动系量度的计算 基于所述历史时序中的一个或多个。
[0013] 通过使用这个信息，过去已经更少频率使用的风力涡轮机能够被选定以便在由风 场供应的功率需要加强或减弱时被调度。
[0014] 在一个实施方式中，变速箱或传动系健康状况量度包括变速箱寿命的评估。以这 种方式，控制器能够监测风场中的风力涡轮机且设法确保即使相对于其他风力涡轮机选定 特定的风力涡轮机，风力涡轮机的寿命也在整个风场中大部分是平均的。这显著提高风场 的效率，因为单个风力涡轮机不大可能需要不定时的维修或替代，并且能够更易于为作为 整体的风场安排维护操作。
[0015] 在一个实施方式中，功率失谐指标表达为delta角度，其等于发电机的转子角度 和功率网络的系统相位角度的差值。这个值给出在变速箱或传动系构件上的合成应变的直 接测量，并且也能够在变速箱或传动系健康状况量度的计算中使用。
[0016] 在一个实施方式中，控制器能够操作以确定用于储能系统的功率命令，以使得 delta角度恢复到零值。这恢复风场的网络中的功率稳定性，由此最小化在发电机上的负载 转矩的失谐。
[0017] 在一个实施方式中，控制器能够操作以基于来自储能系统的可用功率和所述变速 箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。以这种方式，控制器能够确 定是否使用来自储能系统的功率或使用来自风力涡轮机的功率，由此去除某些风力涡轮机 操作、或至少按比例降低涡轮机自身所需的响应量级的需要。
[0018] 在一个实施方式中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机 分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参 考命令。以这种方式，风场能够根据各个风力涡轮机可能面对的操作磨损和撕裂、风场中的 风力涡轮机相对于主要风力方向的相应位置、以及任何其他相关环境因素而被分区。每个 区域则能够根据功率参考命令的不同方案被控制。
[0019] 在一个实施方式中，风场控制器为每个风力涡轮机存储所述变速箱或传动系健康 状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命 令。以这种方式控制器能够使得功率参考值适配单个风力涡轮机。
[0020] 虽然这些特征能够被考虑作为单独的实施方式，但是也可以构思它们在单一实施 方式中与彼此结合。
[0021] 还提供对应 的方法和计算机程序。
【附图说明】
[0022] 接下来将通过示例且参考附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：
[0023] 图1是已知的三叶片水平轴线风力涡轮机的示意图；
[0024] 图2是根据本发明的示例的风场的示意图；
[0025] 图3是根据本发明的示例的机舱内部和变速箱的示意图；
[0026] 图4是示出用于风场控制器的控制算法的流程图；
[0027] 图5是用于控制储能装置的输入/输出和各个风力涡轮机的变桨控制的示例性控 制方案的示意图。
[0028] 图6是分成单独的风力涡轮机组A、B和C的风场的示意图。
【具体实施方式】
[0029] 图2示出包括多个风力涡轮机20的风场10。风力涡轮机20经由各个分支传输 线21联接到主低压传输线22。主传输线22终止于将风场10连接到电网的风场变压器23 中。在风场变压器23之前，储能系统24(ESS)经由副传输线25连接到主传输线22。主传 输线22和副传输线25相遇的位置已知为共同联接点26。风场10也包括风场控制器27。 控制器27经由有线或无线数据连接28联接到储能系统24和多个风力涡轮机20中的每个 风力涡轮机20。
[0030] 在运行期间，风场控制器27经由数据连接28与各个风力涡轮机20中的单个风力 涡轮机控制器通讯，由此从风力涡轮机20接收传感器数据，并且将控制命令发布到风力涡 轮机控制器。
[0031] 风场10也包括位于变压器23的风场侧上的功率传感器29,所述功率传感器测量 在主传输线22上供应到变压器23的电流和电压。
[0032] 储能系统24设置成在需求增加时补充来自风场的功率输出，并且在需求低时存 储过量能量。储能系统包括：一个或多个储能装置；判断系统，其包括一个或多个传感器以 用于至少确定存储在存储装置中的电荷；以及控制器，其用于与风场控制器27通讯以交换 判断数据和存储系统控制指令。所述一个或多个储能装置能够设置为电池，如基于化学作 用的存储器、基于飞轮的存储器、基于电容的存储器、热量存储器、重力能量存储器、压缩能 量空气存储器、基于水力或磁流体动力的存储器。其他储能系统也是可能的，并且将会由本 领域技术人员理解。
[0033] 图3更详细地示出风力涡轮机机舱3的内部。传动系组件30包括低速传动轴31， 所述低速传动轴将转子轮毂5连接到位于机舱3中的变速箱壳体32。低速传动轴31在其 端部设有轴承33,所述低速传动轴通过所述轴承可旋转地支撑在变速箱壳体32中。齿轮 34接近于轴31的端部地定位，所述齿轮34选择性连接到相邻的次级齿轮35。次级齿轮35 继而连接到安装在发电机转子轴杆37上或与之一体的齿轮36。中间变速箱衬套38可设置 成支撑变速箱壳体32中的相邻的齿轮35和齿轮36,或它们可简单地被壳体自身支撑。衬 套39也可设置成支撑低速传动轴31和发电机转子轴杆37。
[0034] 发电机40邻近于变速箱壳体32地设置，且包括定子41和转子42。定子41和转 子42设有电绕组，所述电绕组通电以形成互连的电和磁通量。发电机转子轴杆37联接到 转子42,以导致转子在传动轴31的影响和转子轮毂5的运动下在定子41内转动。如在本 领域已知的，在定子41上的电绕组通过电流通电，以形成旋转磁场，转子上的电绕组在所 述旋转磁场中转动，由此形成用于在电气端子43处输出的电流。
[0035] 输出电气端子43将由发电机产生的交流电流供应到功率调控设备44。对于可变 速度风力涡轮机，功率调控设备包括变流器，所述变流器将来自发电机40的变化的交流电 流（AC)输出转换成直流电流（DC)，并且以适当的频率和电压转换回交流电流，以输入到传 输电网。对于恒定速度风力涡轮机，可以在不使用变流器的情况下直接连接到电网。
[0036] 涡轮机20也设有风力涡轮机控制器50,所述风力涡轮机控制器用于接收来自安 装在机舱3中的传感器的信号（见下文）、用于将控制信号提供到发电机40以及用于与风 场控制器27通讯。控制器50具有用于存储数据和控制算法的存储器51、用于执行控制算 法的处理器、以及用于将数据发送到风场控制器27和从风场控制器接收数据的收发器。
[0037] 根据本发明的这个示例，风力涡轮机20也包含用于确定变速箱32的操作状态的 多个传感器。旋转转矩变换器45联接到低速传动轴，以确定由风力涡轮机轮毂施加到轮系 组件34、35和36的转矩。类似地，速度传感器46和振动传感器47也联接到传动轴，以测 量传动轴转速w和任何变速箱振动的幅值。速度传感器46能够是安装在传动轴31自身上 的加速度计或转速计。应理解的是，所描述的传感器可以设置在变速箱壳体32的内侧或外 侦牝只要所述传感器联接到关注的轮系构件，并且所述传感器可联接到仅低速传动轴31或 传动系组件30的其他构件的一个或多个。也可设置其他传感器，诸如声学传感器。
[0038] 附加地，机舱3包括用于确定在涡轮机处的电压的电压传感器48。传感器能够在 功率调控系统44之后紧接着设置在发电机40的输出处，或设置为功率调控系统44的构 件。
[0039] 传感器45、46、47和48连接到存储传感器数据的风力涡轮机控制器50。常规的继 电器和速度传感器被用于传输数据。
[0040] 现在将更详细地且参考图4说明风场控制器27的操作，图4展示示意性控制算 法。应理解的是，控制算法的方面可在软件或硬件或两者中实施。
[0041] 在步骤S2中，控制器确定风场10可实现的总功率。总功率将是在每个风力涡轮 机处由风力供应且由各个发电机转换成电功率的功率以及就储能系统24中的存储电荷而 言的可用功率的函数。
[0042] 由风力涡轮机提供的机械功率经由变速箱32从传动轴31传递到发电机转子42， 且是由风力在旋转轴上提供的转矩和轴转速的函数。施加到发电机的机械功率P m因此由 公式1给出：
[0043] Pm= w?Tm (公式1)
[0044]其中，w是由速度传感器46测量的低速轴的速度，而Tm是由旋转转矩变换器45测 量的由轴31施加到轮系组件的转矩。应理解的是，旋转转矩变换器45和速度传感器46也 可以放置在发电机转子轴杆37上，在这种情况下，用于表示P m的w和T 将测量轴杆37 的转速和施加到转子42的转矩。对于风场10中的每个风力涡轮机20,施加到转子的机械 功率因此传递到风场控制器27。
[0045] 附加地，存储在储能系统24中的电功率PES的量也由ESS判断系统确定且传递到 风场控制器27。风场系统的可用功率的总量则由以下表达式计算：
[0046] Pm(来自多个风力涡轮机）+PES= P tQtal
[0047]在步骤S4中，来自机舱电压传感器48和PCC电压传感器29的传感器输出在控制 器27处接收且用于确定风场中的多个发电机40的功率系统角度。功率系统角度Ss(发 电机终端电压与机器的内部电压之间的角度）能够由公式2计算：
【主权项】
1. 一种用于风场的风场控制系统，所述风场 包括多个风力涡轮机和储能系统，所述多 个风力涡轮机与所述储能系统借助于低压功率网络连接到彼此，其中，低压功率网络联接 到电网，并且其中，所述多个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的 发电机之间连接的传动系和变速箱， 风场控制系统包括： 位于至少第一风力涡轮机中的一个或多个环境传感器，所述环境传感器设置成确定风 力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个操作参数， 位于至少第一风力涡轮机中的或位于低压功率网络上的一个或多个功率传感器，所述 功率传感器设置成确定发电机转子角度和低压功率网络之间的功率失谐指标且向风场控 制器输出所述功率失谐指标；以及 控制器，其配置成接收所确定的所述一个或多个操作参数和所述功率失谐指标，以基 于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度，以及基于所述 功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和风力涡轮机的 功率命令。
2. 根据权利要求1所述的风场控制系统，其中，控制器基于所述一个或多个操作参数 而确定所述变速箱或传动系健康状况量度，所述操作参数包括一个或多个变速箱或传动系 构件的转矩、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、应变数据或温度数据。
3. 根据权利要求1或2所述的风场控制系统，其中，控制器为每个风力涡轮机存储用于 变桨控制命令、风力制动命令和启动或关闭命令的一个或多个历史时序，并且变速箱健康 状况和传动系量度的计算基于所述历史时序中的一个或多个。
4. 根据权利要求1、2或3所述的风场控制系统，其中，变速箱或传动系健康状况量度包 括变速箱寿命的评估。
5. 根据任一前述权利要求所述的风场控制系统，其中，所述功率失谐指标表达为 delta角度，等于发电机的转子角度和功率网络的系统相位角度的差值。
6. 根据权利要求5所述的风场控制系统，其中，控制器能够操作以确定用于储能系统 的功率命令，以使得delta角度恢复到零值。
7. 根据任一前述权利要求所述的风场控制系统，其中，控制器能够操作以基于来自储 能系统的可用功率和所述变速箱或传动系的健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率 命令。
8. 根据权利要求7所述的风场控制系统，其中，风场控制器存储将所述多个风力涡轮 机中的每个风力涡轮机分配到不同的组的信息，以及基于风力涡轮机被分配的组而向各个 风力涡轮机发布功率参考命令。
9. 根据权利要求7或8所述的风场控制系统，其中，风场控制器存储用于每个风力涡轮 机的所述变速箱或传动系健康状况量度，以及基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个 风力涡轮机发布功率参考命令。
10. -种控制风场的方法，所述风场包括借助于低压功率网络连接到彼此的多个风力 涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网，以及其中，所述多个风力涡轮机均分 别包括在风力涡轮机的转子与风力涡轮机的发电机之间连接的传动系和变速箱， 控制风场的方法包括： 确定至少第一风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数； 确定用于至少第一风力涡轮机或在所设置的低压功率网络处的发电机转子角度与低 压功率网络之间的功率失谐指标； 在控制器处接收所确定的所述一个或多个环境操作参数和所述功率失谐指标；以及借 助于控制器： 基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度；以及 基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和 风力涡轮机的功率命令。
11. 一种控制根据权利要求10所述的风场的方法，包括： 基于所述一个或多个操作参数而确定所述变速箱或传动系健康状况量度，所述操作参 数包括一个或多个变速箱或传动系构件的转矩、声学数据、振动数据、速度数据、位置数据、 应变数据或温度数据。
12. 根据权利要求10或11所述的控制风场的方法，包括： 为每个风力涡轮机存储用于变桨控制命令、风力制动命令和启动或关闭命令的一个或 多个历史时序；以及 基于所述历史时序中的一个或多个而计算变速箱健康状况和传动系量度。
13. 根据权利要求10、11或12所述的控制风场的方法，其中，变速箱或传动系健康状况 量度包括变速箱寿命的评估。
14. 根据权利要求10至13中任一所述的控制风场的方法，其中，所述功率失谐指标表 达为delta角度，等于发电机的转子角度和功率网络的系统相位角度的差值。
15. 根据权利要求14所述的控制风场的方法，包括确定用于储能系统的功率命令，以 使得delta角度恢复到零值。
16. 根据权利要求10至15中任一所述的控制风场的方法，包括基于来自储能系统的可 用功率和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于风力涡轮机的功率命令。
17. 根据权利要求16所述的控制风场的方法，包括： 存储将所述多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机分配到不同的组的信息；以及 基于风力涡轮机被分配的组而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。
18. 根据权利要求16或17所述的控制风场的方法，包括： 存储用于每个风力涡轮机的所述变速箱或传动系健康状况量度；以及 基于变速箱或传动系健康状况量度而向各个风力涡轮机发布功率参考命令。
19. 一种用于控制风场控制器的计算机程序，所述风场包括借助于低压功率网络连接 到彼此的多个风力涡轮机和储能系统，其中，低压功率网络联接到电网，并且其中，所述多 个风力涡轮机均分别包括在风力涡轮机的转子和风力涡轮机的发电机之间连接的的传动 系和变速箱， 其中，当程序在风场控制器上运行时，控制器被致使执行以下步骤： 接收至少第一风力涡轮机传动系或变速箱的一个或多个环境操作参数； 确定用于至少第一风力涡轮机或在低压功率网络处的发电机转子角度和低压功率网 络之间的功率失谐指标； 基于所确定的所述一个或多个操作参数而确定变速箱或传动系健康状况量度；并且 基于所述功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度而确定用于储能系统和 风力涡轮机的功率命令。
20. -种有形且非瞬态的计算机可读介质，权利要求19所述的计算机程序存储在所述 计算机可读介质上。
【专利摘要】本发明描述了一种用于风场(10)的风场控制器和控制方法。风场包括借助于低压功率网络(22、25)连接到彼此的多个风力涡轮机(20)和储能系统(24)，所述低压功率网络继而联接到电网。控制器确定风力涡轮机变速箱或传动系的多个操作参数，并且计算变速箱或传动系健康状况量度。这可以包括变速箱寿命的测量。控制器也确定风力涡轮机发电机或共同联接点(26)的一个或多个功率特征，以确定功率失谐指标。基于功率失谐指标和所述变速箱或传动系健康状况量度，控制器以提高变速箱健康状况和寿命为基础确定用于储能系统和风力涡轮机的功率命令。
【IPC分类】F03D7-02, F03D9-02
【公开号】CN104813021
【申请号】CN201280077207
【发明人】M·哈贾-马哈尔斯
【申请人】维斯塔斯风力系统集团公司
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2012年11月26日
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