[发明专利]使用入射风速估算的风轮机控制方法

说明书

本发明的目的涉及一种控制风轮机的方法，从而优化产出能量，控制考虑入射风速V_w的估算以获得最优控制(COM)θ^sp，。风速V_w的估算通过考虑来自转子速度Ω_r的测量的系统动力学(MOD DYN)、施加于发电机上的扭矩T_e、以及涡轮叶片的方位θ而达到。

本发明涉及可再生能源领域，特别地，涉及风轮机控制。

风轮机允许来自风的动能转变为电或者机械能。为了将风能转换为电能，它包括以下元件：

-塔，其允许转子定位在足够的高度以实现它的运动(对于水平轴风轮机是必须的)，或者允许该转子定位在一个高度以允许其被比地面上更强且更规律的风驱动。塔通常容纳电或者电子组件的一部分(模块，控制，倍增器，发电机等)。

-舱，其装配在塔顶部，容纳操作该机器所必需的机械、气动以及一些电和电子组件。舱可以旋转以将该机器调整到正确的方向。

-转子，其固定于舱，包括若干叶片(通常三个)和风轮机前端。该转子由风能驱动并且由机械轴直接或者间接(通过变速箱和机械轴系统)连接到电机(发电机)，该电机将回收的能量转变为电能。

-传动装置，其由通过传送装置(变速箱)连接的两个轴(转子的机械轴和电机的机械轴)组成。

自九十年代开始以来，就开始对风能再度产生兴趣，特别是在欧盟，其年增长率是大约20％。该增长归因于无碳排放的电力发电的固有可能性。为了维持该增长，风轮机的能量产量仍然需要提高。风力产量增加的前景需要开发有效的生产工具和提升的控制工具以改进机器的性能。风轮机设计为以最低可能的成本来生产电。它们因此通常被建造成在风速大约是15m/s时达到它们的最大性能。这实际上对于设计在更高风速(这不是通常情况)时最大化其产量的风轮机而言是不必要的。在风速高于15m/s的情况下，损失风中包含的部分额外能量是必要的，以避免对风轮机的损害。所有风轮机被设计成具有功率调节系统。

对于该功率调节，控制器必须被设计成用于可变速度风轮机。控制器的目的是最大化回收的电能，最小化转子速度波动，以及最小化结构(叶片、塔和平台)的疲劳和极端动量。

线性控制器通过控制叶片倾角(叶片的方位)广泛地应用于功率控制。其包括使用PI(比例积分)和PID(比例积分导数)控制器的技术，LQ(线性二次方程式)控制技术和基于机器人线性控制的策略。

然而，这些线性控制器的性能被风轮机的高非线性特征限制。已经开发了基于非线性控制的第一个策略，该策略例如在文献：Boukhezzar B.，LUPU L.，Hand M.的“Multivariable control strategy for variable speed，variable pitch windturbines(用于可变速度、可变斜度风轮机的多变量控制策略)”，Renewable Energy，32(2007)1273-1287中详细描述。

然而这些策略中没有一个使用入射风速，该风速是用于支配风轮机的空气动力学现象的基础要素。为了考率该元素，初始工作是执行风速的测量。该工作显示通过使用风速的创新策略，风轮机的生产力和它们的寿命可显著地增加。

不幸地，该技术需要昂贵而且不非常准确的传感器。为了在不使用传感器的情况下考虑该入射风速，速度的估算可被执行以将该数据用在控制中。使用Kalman滤波器，进一步工作已经进行到该目标，这一方法在文献：Boukhezzar B.，Siguerdidjane H.的“Nonlinear control of variable speed wind turbine without wind speedmeasurement(不使用风速测量的可变速风轮机的非线性控制)”，IEEE Control andDecision Conference(2005)中被描述。该方法不够准确，因为风重建是极度非代表性的。的确，根据该方法，风是不结构化的，其被认为是白噪声，这在试验中不是这样的。