[发明专利]对具有柔性塔架的风力涡轮机的鲁棒控制

说明书

描述了一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于所述转子的额定旋转频率的基频。所述控制器包括：转子速度控制模块(1)，所述转子速度控制模块(1)包括适于基于转子速度误差信号(11)生成第一桨距控制信号(P1)的第一线性时不变控制系统(10)；塔架阻尼模块(2)，所述塔架阻尼模块(2)包括适于基于机舱加速度信号(17)生成第二桨距控制信号(P2)的第二线性时不变控制系统(20)；以及输出模块，所述输出模块适于基于所述第一桨距控制信号和所述第二桨距控制信号输出桨距控制信号。此外，描述了一种风力涡轮机和一种控制风力涡轮机的方法。

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的领域，特别是涉及一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于转子的额定旋转频率的基频。

背景技术

在过去的几年中，由于在通常具有低至中风速的地点处对更高电力生产机会的需求，因此高风力涡轮机塔架已经变得非常普遍。

然而，高塔架在制造、构造和安装方面带来更高成本。于是，塔架高度的选择基于能量生产与构造成本之间的折衷以优化平准化能源成本(LCOE)。为此原因，材料减轻在高塔架设计中特别令人感兴趣，这导致可以显著降低生产成本的柔性塔架（soft-softtower）解决方案。

塔架通常基于相对固有频率被分类，这主要取决于总塔架高度和重量。因此，材料减少导致柔性塔架设计，其基本固有频率低于1P转子旋转频率。随着风力涡轮机大小的增加和重量的减少，其带来不仅与结构设计相关、而且与控制策略相关的挑战。塔架固有模态的频率下降，从而朝向风力涡轮机闭环控制操作以调节电力生产的频带移动。另外，柔性塔架结构模态的频率和nP转子旋转频率可能变得更接近，从而因其相互作用而增加结构机械负载。柔性塔架的此特定动态行为对在风力涡轮机中使用的经典控制策略施加重要限制。通过使用这些经典控制策略无法实现设计具有柔性塔架的风力涡轮机的所需控制性能值，因此可能无法保证这些风力涡轮机的结构完整性。

因此，可能存在对控制风力涡轮发电机以便克服上述问题的新方法的需求。

发明内容

此需求可以由根据独立权利要求的主题满足。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供一种用于风力涡轮机的控制器，所述风力涡轮机包括转子和布置在塔架上的机舱，所述塔架具有接近于或低于转子的额定旋转频率的基频。所述控制器包括：(a) 转子速度控制模块，所述转子速度控制模块包括第一线性时不变控制系统，所述第一线性时不变控制系统适于基于转子速度误差信号生成第一桨距控制信号；(b) 塔架阻尼模块，所述塔架阻尼模块包括第二线性时不变控制系统，所述第二线性时不变控制系统适于基于机舱加速度信号生成第二桨距控制信号；以及(c) 输出模块，所述输出模块适于基于所述第一桨距控制信号和所述第二桨距控制信号输出桨距控制信号。

本发明的此方面基于如下构思：第一线性时不变控制模块用于基于转子速度误差信号生成第一桨距控制信号，而第二线性时不变控制模块用于基于机舱加速度信号生成第二桨距控制信号。所产生的桨距控制信号由输出模块基于所述第一和第二桨距控制信号提供。从而，所产生的桨距控制信号考虑转子速度误差和由塔架振荡移动引起的机舱的移动。通过使用第一和第二线性时不变控制系统，可以提供对风力涡轮机的鲁棒控制，而无来自具有接近于转子的额定旋转频率的频率的塔架振荡的干扰。这种鲁棒控制对于利用例如PI（比例-积分）和/或PID（比例-积分-微分）以及基于稳定性裕量、带宽和阶跃响应的传统规范的已知控制器来说是不可能的。

在本上下文中，术语“桨距控制信号”可以特别表示可以用于控制风力涡轮机叶片的桨距角、优选地呈将应用于桨距角的改变或调整（递增/递减值）形式的信号。替代地，桨距控制信号可以指示待设定的桨距角。这同样适用于术语“第一桨距控制信号”和“第二桨距控制信号”。