风力涡轮机的高级偏航控制的方法和系统与流程

风力涡轮机的高级偏航控制的方法和系统
1.与相关专利申请的交叉引用
2.本技术是非临时申请并要求获得2020年11月2日提交的第63/108,532号美国专利申请和2020年7月13日提交的第63/051,243号美国专利申请的优先权，这两个申请的全部内容通过参引的方式并入本文。
技术领域
3.本公开涉及风力涡轮机的高级偏航控制。


背景技术：

4.风力发电是一种主要的电力来源，截至2018年底，全球装机容量接近600吉瓦(gw)。预计到2021年，这一数字将增加到近800吉瓦。然而，正在运行的风力项目和风力发电场在电力输出方面继续表现不佳，平均为9％。这一点，再加上主要由高部件故障率造成的比预期高得多的计划外维护费用，正导致收入的减少和运营费用的增加。随着电力价格的不断下降，该行业还面临着激励和补贴减少的进一步挑战。因此，对增加或改造现有风力涡轮机以提高能源产量的系统有很大需求。
5.大多数情况下，多个风力涡轮机被安装在彼此相对较近的地方，以方便利用具有良好风资源的地区，并且有效利用土地、电网基础设施和维护人员。这种涡轮机的集合被称为风力发电厂。当风力发电厂中的每个涡轮机从经过涡轮机的空气中提取能量时，风速会降低，并且涡轮机下游的涡流会增加。这个降低风速的区域被称为涡轮机的尾流(wake)。人们已经知道一段时间的是，候风力发电厂中涡轮机之间的尾流的相互作用会导致下游涡轮机生产的重大损失。用于减少尾流对下游涡轮机的影响的一种技术是通过使上游涡轮机略微远离垂直于风的方向偏航而将尾流重定向为远离这些涡轮机。这种尾流转向的方法已经在科学文献中得到了广泛的研究，并且在brake和scott以及obrecht中都有描述。典型的情况是，通过中央控制系统来尝试尾流转向。
6.风力涡轮机的设计是将从经过叶片的空气中获取的机械能转化为电能。一种典型的风力涡轮机将试图根据使用安装在机舱的背面上的仪器对相对风向进行的测量来最大化其电力输出。如果相对风向没有在某个预定的相对风向范围内直面冲向涡轮机，那么涡轮机控制单元将命令偏航驱动器旋转，直到相对风向处于允许的相对风向幅度内。这个系统有几个缺点：涡轮机控制单元正在使用的是机舱的背面上收集的有限数量的信息，而且最终其总是被动的，而不是主动的。此外，已经证明，如果上风向的涡轮机通过调整其偏航角度使尾流远离下风向的涡轮机转向，从而略微影响其发电量，就有可能增加整个风力发电场的产量。
7.大多数已建成的风力涡轮机没有一种机制来实现对机舱的偏航位置的外部控制。为了在风力发电厂上实施尾流转向或任何其他先进的偏航的控制方法，需要某种类型的改造数据通信和处理单元。以前的研究和系统都集中在实现由涡轮机控制单元测量的相对风向的动态偏移。
8.此外，在安装风力涡轮机时，机舱相对于正北的偏航校正必须通过目视检查或传感器校准来进行校准。不幸的是，这种校准往往随着时间的推移而飘移，并且需要经常性地进行重新校准。偏航校正的不一致会导致依赖该信号的控制算法的错误运作，包括尾流转向。
9.因此，需要用于风力涡轮机的偏航控制的更先进的系统和方法。还需要提供对机舱的偏航位置的外部控制的方法和系统。


技术实现要素：

10.本公开的实施例通过以下方式在很大程度上缓解了已知的风力涡轮机偏航控制系统的缺点：使用虚拟相对风向信号来闭合机舱偏航位置的回路，并且因此使其将偏航位置驱动到所需的最佳位置。所披露的系统和方法与目前的方法相比具有明显的优势，因为该系统和方法直接实现了理想机舱偏航位置，而不需要考虑在机舱的背面上测量的风向的局部快速变化。这种方法还可以通过比原来的偏航控制单元更快或更慢地响应不断变化的条件来提高偏航驱动器性能，并且这种方法可以将来自其他涡轮机和测量装置的额外传感器信息纳入，以确定涡轮机在一组特定的环境条件下的最佳偏航角度。来自改造后的涡轮机周围区域的多个传感器对风向和风速的额外的同时期测量结果可以被传送到系统中，并被纳入，以确定将优化风电厂的整体性能的一个理想机舱偏航位置。
11.本发明的实施例主要是作为现有风力涡轮机的改造系统，作为一种使能技术，以允许在最初没有使用这些技术的风力发电厂上实施尾流转向、增强的动态偏航优化和集体偏航优化算法。然而，所述的绝对机舱偏航位置测量、闭环机舱偏航位置控制和动态机舱偏航位置优化的技术也可以直接纳入新的数据通信和处理单元或改造数据通信和处理单元。示例性实施例使用分布式计算或边缘计算和分布式资源控制来实现风力发电场的偏航控制，以促进尾流转向和功率输出优化。
12.本文所述技术的另一个应用是通过调整涡轮机控制单元中的偏航控制参数对机舱偏航位置行为进行系统识别和随后的现场特定优化。可以调整这些参数，以便系统通过其自身的传感器或通过将由改造数据通信和处理单元提供的虚拟风向信号作为由风力发电厂优化控制器确定的机舱偏航位置命令的函数，以最佳方式工作。当改造数据通信和处理单元没有收到代表最佳机舱偏航方向的信号或被禁用时，来自机舱上的风向传感器的相对风向信号将直接提供给涡轮机控制单元。因此，当涡轮机控制单元正在使用风向传感器运行时和其正在使用虚拟风向信号运行时，最佳性能应该是平衡的，以实现命令机舱偏航位置。
13.示例性的实施例包括用于改造风力涡轮机的系统，以实现增强的偏航控制，从而改善风力涡轮机或风力发电厂的性能。示例性风力涡轮机包括机舱，涡轮机控制单元，以及一个或多个附接到风力涡轮机的风向传感器。示例性风力涡轮机改造系统包括被配置为与涡轮机控制单元通信耦合的改造数据通信和处理单元。改造数据通信和处理单元接收代表风力涡轮机的初始机舱偏航位置的第一信号和代表风力涡轮机的理想机舱偏航位置的第二信号。改造数据通信和处理单元通过以下步骤对风力涡轮机进行辅助控制：将风向传感器和涡轮机控制单元之间的相对风向信号断开连接，确定虚拟相对风向信号以使得涡轮机控制单元将机舱驱动到理想机舱偏航位置，并将虚拟相对风向信号而不是相对风向信号发
送到涡轮机控制单元。
14.在示例性实施例中，改造系统检测到传感器故障或通信故障或电源失效，并且改造数据通信和处理单元将风向传感器直接与涡轮机控制单元通信耦合，从而将相对风向信号发送到涡轮机控制单元。风向传感器可以在相对风向信号与涡轮机控制单元断开连接后继续监测相对风向。风力涡轮机可进一步包括连接到风力涡轮机的风速传感器，并且改造数据通信和处理单元拦截并接收来自风速传感器的风速信号。风速信号可以未经修改地传递给涡轮机控制单元，也可以生成虚拟风速测量数据，以进一步修改原始的涡轮机行为。
15.在示例性实施例中，如果风向传感器和/或风速传感器失效，则改造数据通信和处理单元使风力涡轮机能够使用由额外的风力涡轮机或额外的传感器产生的外部信号继续运行。外部信号可由改造数据通信和处理单元作为虚拟传感器信号提供给涡轮机控制单元。改造系统可进一步包括两个或多个gnss天线和附接到风力涡轮机的差分gnss接收器，并且可以使用差分gnss接收器计算两个或多个gnss天线之间的相对位置矢量来确定初始机舱偏航位置。
16.为包括机舱、涡轮机控制单元和附接到风力涡轮机的一个或多个风向传感器的风力涡轮机提供增强的偏航控制的示例性方法包括接收代表风力涡轮机的初始机舱偏航位置的第一信号和接收代表风力涡轮机的理想机舱偏航位置的第二信号。所披露的方法还包括将在一个或多个风向传感器和涡轮机控制单元之间行进的相对风向信号断开连接。示例性方法进一步包括确定虚拟相对风向信号，以使涡轮机控制单元将机舱驱动到理想机舱偏航位置，并将虚拟相对风向信号而不是相对风向信号发送到涡轮机控制单元，以便涡轮机控制单元将机舱驱动到理想机舱偏航位置。
17.在示例性实施例中，当没有收到代表最佳机舱偏航位置或理想机舱偏航位置的信号时，来自一个或多个风向传感器的相对风向信号被直接提供给涡轮机控制单元，从而使风力涡轮机返回到初始机舱偏航位置。示例性方法还包括将行进到涡轮机控制单元的风速信号断开连接并向涡轮机控制单元提供虚拟风速信号。
18.在示例性方法中，虚拟相对风向信号是用初始机舱偏航位置和理想机舱偏航位置之间的圆差(ci rcu l ar d ifference)作为控制回路中的反馈误差来确定的。理想机舱偏航位置可以用相对风向信号、风速信号和代表初始机舱偏航位置的第一信号来确定。示例性方法可进一步包括纳入来自以下一者或两者的运行状况数据：多个额外的风力涡轮机组件和多个额外的传感器，以确定理想机舱偏航位置。所公开的方法可包括自动改进控制回路。示例性方法可进一步包括在风力不足以开始发电时阻止风力涡轮机的偏航。
19.在示例性方法中，初始机舱偏航位置是使用两个或多个全球导航卫星系统(gnss)天线和差分gnss接收器计算两个或多个gnss天线之间的相对位置矢量来确定的。更具体的是，(gnss)天线可以安装在机舱上，相距固定的距离，并且差分gnss接收器可以用来确定gnss天线之间的相对位置矢量。这个相对位置矢量投射在水平面上，再加上固定的偏移量，然后提供机舱偏航位置信号，该信号可直接使用或与来自包括加速度计、陀螺仪、磁罗盘和scada数据的一个或多个额外传感器系统的数据相结合，以确定相对于正北的机舱偏航位置信号。方法可以进一步包括结合初始机舱偏航位置信号分析来自gnss天线和差分gnss接收器的数据，以估计初始机舱偏航位置。
20.示例性实施例包括优化涡轮机控制单元的性能的方法，该方法包括将来自涡轮机
控制单元的风向信号和风速信号断开连接，并将一系列的虚拟风向信号和风速信号引入涡轮机控制单元。接下来，示例性方法包括测量风力涡轮机的机舱对一系列虚拟风向信号的偏航位置响应，，修改涡轮机控制单元的参数，并重复一系列虚拟风向信号。该方法可包括将机舱的偏航位置响应预测为一系列虚拟风向信号和涡轮机控制单元参数的函数，并利用历史运行数据进行优化，以减少偏航移动，并最小化机舱偏航位置和风向之间的误差。
21.示例性方法还包括自动生成要运行的参数案例，以便用最少数量的步骤来覆盖参数空间。可以模拟额外的输入信号并将额外的输入信号提供给涡轮机控制单元。在示例性方法中，在执行这些方法期间，风力涡轮机正在运行，并且真实的相对风向保持在预定的范围内。示例性方法还进一步包括调整涡轮机控制单元的参数，以便在涡轮机控制单元与风向传感器断开连接并对虚拟风向信号做出响应时实现理想机舱偏航位置。
22.在示例性实施例中，可能需要根据现有的涡轮机控制单元行为来调试改造数据通信和处理单元，以实现跟踪命令机舱偏航位置的理想性能。涡轮机控制单元系统识别和随后的改造数据通信和处理单元调试可以在正常运行前安装在风力涡轮机上时进行。可替代地，在示例性实施例中，系统识别和改造数据通信和处理单元调试是在系统的整个正常运行过程中以连续的自动化过程进行或更新。更特别的是，来自改造涡轮机周围区域中的多个传感器对风向和风速的额外的同时期测量被纳入，以确定将优化风力发电厂的整体性能的理想机舱偏航位置。
23.本公开的示例性实施例进一步提供了使用差分gps/gnss(全球定位系统/全球导航卫星系统)测量机舱偏航位置的系统和方法。更重要的是，本公开描述了使用差分gps/gnss来测量风力涡轮机的机舱偏航方向。目前，差分gps/gnss还没有被用于风力涡轮机的机舱偏航方向测量。这些技术被用于其他行业，并且这种设备通常被称为“卫星罗盘”。应该注意的是，公开的实施例可以利用gps和/或gnss。测量地球磁场的磁强计也可以在本技术中与差分gps/gnss系统结合使用，或取代差分gps/gnss系统。其他仪器，例如陀螺仪和加速度计，也可用于进一步提高信号分辨率和时间响应，并在卫星信号丢失时实现短时穿越。
24.应该注意的是，本文描述的实施例和解决方案，当分配和安装在风力发电场时变成在线，相互识别，并开始工作，自主地优化风力发电场的运行，创造一个“社会性”风力发电场。所披露的单元通过无线或有线通信网络相互“交谈”，并且不一定有任何外部信息。如果任何一个涡轮机或单元出现故障或其他不正常的情况，则其余的涡轮机或单元将在没有它的情况下继续运行。优化是通过数据共享和达成双方同意的优化/有利的优化来实现的。
25.因此，可以看出，所描述的高级偏航控制系统和方法为涡轮机控制单元提供了一个或多个虚拟相对风向信号，并且因此使其将偏航位置驱动到理想最佳位置。通过对下面的详细描述以及附图的审查，可以了解到这些和其他的特点和优点，在附图中，类似的附图标记指的是类似的部分。
附图说明
26.考虑到以下结合附图的详细描述，本公开的上述内容和其他目的将是显而易见的，其中：
27.图1是根据本公开内容的风力发电厂的示例性实施例的透视图；
28.图2是根据本公开内容的风力涡轮机机舱的示例性实施例的侧视图，示出了风力
涡轮机的示例性改造系统，该风力涡轮机包括安装在现有风向传感器和涡轮机控制单元之间的改造数据通信和处理单元；
29.图3是根据本公开内容的用于风力涡轮机的改造系统的示例性实施例的流程图；
30.图4是根据本公开内容的改造系统中，在发生通信故障或失去电源的情况下，确保涡轮机能够继续运行的继电器的示例性实施例的示意图；
31.图5是根据本公开内容的示例性涡轮机机舱的侧视图，其中增加了两个gnss天线和一个差分gnss接收器，差分gnss接收器计算天线之间的相对位置矢量以确定涡轮机的当前绝对机舱偏航位置；
32.图6是根据本公开内容的示例性机舱的俯视图；
33.图7是根据本公开内容使用gnss接收器确定当前机舱偏航位置的示例性改造数据通信和处理单元的示例性控制过程的流程图；
34.图8是根据本公开内容在每个涡轮机中实施的示例性总风力发电厂的控制过程的流程图；
35.图9是集中式风力发电厂控制器的示例性实施例的示意图，用于根据从每个涡轮机以及改造数据通信和处理单元接收到的信号来优化发电厂的性能；
36.图10是分散式风力发电厂优化方案的示例性实施例的示意图，其中每个改造数据通信和处理单元与其他每个改造数据通信和处理单元进行通信，并根据来自每个涡轮机的信号来确定将其各自的涡轮机所驱动到的最佳位置，以使总风力发电厂受益；
37.图11是控制过程的示例性实施例的流程图，示出了整体控制中的不同控制回路级别；
38.图12是示出了计算机内部结构的示例性实施例的方框图，其中本公开内容的各种实施例都可以实施；
39.图13是用于通过合成输入和后续分析将涡轮机数据通信和处理单元机舱偏航位置行为识别为为其参数的函数的示例性方法的流程图；
40.图14是正弦可变频率输入虚拟相对风向信号和简单非线性响应机舱偏航位置的波形图的示例；以及
41.图15是示出了示例性实施例的流程图，该实施例是根据本公开内容的用于机舱偏航位置控制的涡轮机控制单元参数优化过程。
具体实施方式
42.在以下段落中，将参照附图以示例的方式详细描述实施例，附图未按比例绘制，且图示部件不一定是按比例绘制的。在整个描述中，所示的实施例和示例应被视为示例，而不是对本公开内容的限制。如本文所使用的，“本公开”是指本文所描述的任何一个实施例，以及任何对应物。此外，在本文中提及本公开的各个方面并不意味着所有要求的实施例或方法必须包括所提及的方面。
43.本公开的实施例总体上提供方法和系统，通过拦截传感器和涡轮机控制单元之间的相对风向测量信号，并向涡轮机控制单元提供虚拟风向信号，使其将机舱的偏航驱动到理想位置，从而修改风力涡轮机的偏航位置行为。
44.图1中示出了示例性的风力发电场1。风力发电场或风力发电厂1包括多个风力涡
轮机10。每个风力涡轮机10包括塔架11和转子12以及与偏航轴承9一起安装到塔架11的顶部的机舱14。转子12有多个转子叶片16，转子叶片16联接到转子轮毂15并从其上延伸。转子轮毂15通过主轴3可旋转地联接到发电机17。图2示出了机舱14中的主要部件。各种机械系统、电气系统和计算机系统，包括但不限于发电机17、齿轮箱19、偏航电机7和涡轮机控制单元24，可以被安置在机舱14中。可以在风力涡轮机中增加体现本公开内容所述方法的改造数据通信和处理单元23。
45.图3和图4示出了通过示例性改造系统和方法20的信息的示例流程图。通常情况下，该系统使用包括plc或工业计算机(图12)在内的电气线路来实现，以执行必要的计算，确定是否存在故障状态31，并提供故障状态数字输出45。改造系统20，也被称为辅助偏航位置控制系统，实现了风力涡轮机10的高级偏航控制，并与涡轮机控制单元24通信耦合。该系统20包括改造数据通信和处理单元23，以提供对风力涡轮机10的辅助控制。在示例性的实施例中，改造数据通信和处理单元23安装在风向传感器或传感器22和涡轮机控制单元24之间。
46.改造数据通信和处理单元23接收代表风力涡轮机10的初始机舱偏航位置27的信号。传感器22和涡轮机控制单元24之间的原始电缆21(虚线)可以与涡轮机控制单元24断开连接，并连接到改造系统20。这样就使得风向传感器22和涡轮机控制单元24之间的虚拟风向信号26断开连接。应该注意的是，风向传感器22在与涡轮机控制单元24断开连接后可以继续监测相对风向。
47.然后，第二电缆25将改造系统20连接到涡轮机控制单元24，在那里该涡轮机控制单元通常会接收来自风向传感器22的信号。改造数据通信和处理单元23确定56虚拟风向信号26，以使涡轮机控制单元24将机舱14驱动到理想偏航位置并继续操作风力涡轮机10。改造数据通信和处理单元23从传感器22接收相对风向信号39，并将根据风力涡轮机10的当前机舱偏航位置27和理想机舱偏航位置29所确定的虚拟风向信号26发送至涡轮机控制单元24，取代相对风向信号39。正如本文更详细地讨论的那样，理想机舱偏航位置29可以使用风力涡轮机10的相对风向、风速和初始机舱偏航位置信号或基于整个风力发电厂的多个信号来计算。
48.由改造系统20提供的虚拟风向信号26的行为与从传感器22到涡轮机控制单元24的原始相对风向信号39一样，使用与原始系统相同的通信协议和尺度，这样涡轮机控制单元24就无法检测到差异。当代表最佳机舱偏航位置的信号没有出现时，可以执行上述序列，这样风力涡轮机10就会返回到初始机舱偏航位置。可以根据需要向虚拟风向信号26添加抖动(dither)或噪声，使其对涡轮机控制单元24来说足够真实。
49.通常，风向测量与风速和温度测量结合在被称为声波风速计的一个设备中。当声波风速计用于风力涡轮机时，改造系统20也提供风速和温度信号给涡轮机控制单元24。可以提供风速传感器，并且改造数据通信和处理单元23拦截和接收风速传感器信号。通常情况下，这些信号是未经修改的。然而，可以提供虚拟信号来代替，例如，用于修改涡轮机的行为，或者在涡轮机10上的风向传感器22失效的情况下，利用另一个来源的信息来向涡轮机控制单元24提供所需的信息。更特别的是，如果任何一个传感器22失效，则风力涡轮机10可以使用由额外的风力涡轮机62或额外的传感器产生的信号继续进行操作。
50.图4示出了继电器电路28的实施方案，以确保在改造系统20发生故障或失去通信
时，来自涡轮机10上的相对风向传感器22的实际信号可供涡轮机控制单元24使用。可以使用多极继电器和/或多个继电器，以便每个所需的通信线通过单独的电路。如果出现故障状态，例如传感器或通信故障或断电，在示例性的实施例中，风向传感器22直接与涡轮机控制单元24电气连接，因此在涡轮机上测量的相对风向信号39而不是由改造数据通信和处理单元23产生的虚拟风向信号26将直接提供给涡轮机控制单元24。根据故障状态，输出41将是相对风向信号39或虚拟风向信号26。
51.现在参考图5和图6，确定绝对机舱偏航位置的一个示例性方法是使用两个或更多的gps/gnss天线30直接测量绝对机舱偏航位置，这些天线彼此之间有一定的距离，与单个接收器32相连接。接收器32在所谓的差分gnss模式下工作，这样该接收器就根据从每个卫星到每个天线接收的信号的差异在全局范围内计算两个天线30的相对位置。差分gnss在其他工业应用中用于确定不同部件的相对方向和位置，并且可以被称为卫星罗盘，但风力涡轮机10的机舱定向代表了该技术的新应用。这项技术能够确定天线30之间的高度精确的相对位置矢量，并且因此，只要天线30相距合理的距离(通常为0.5米至2米)，就能在约l度以内确定机舱偏航位置。
52.图5和图6示出了这些天线的安装位置的示例性实施例，其中天线被表示为与风力涡轮机10的主轴3轴向对齐，并与其平行。然而，天线的位置可以根据条件而改变。天线30可以被放置为相对于主轴的任何已知的取向，并在控制系统20中使用适当的偏移来确定当前偏航位置27。例如，该天线可以被放置为垂直于涡轮机10的主轴3，或者被放置为可以在改造控制系统20中考虑的任何已知的角度。在示例性的实施例中，gnss天线30安装在机舱14上，相距固定的距离，并且差分gnss接收器32被用来确定gnss天线30之间的相对位置矢量。这可以用单一的gnss接收器32来完成。
53.对于风力涡轮机机舱偏航位置的gnss差分测量，天线30可以安装在支架上，支架使天线相距已知的距离，并使轴线与涡轮机10对齐。方向测量的准确性随着天线30之间的水平距离而提高。通常，0.5米至2米就足够了，3米至5米是最好的，天线底架之间的竖直距离应最小化。可以以相对于主轴3的任何角度(当从上面看时)来安装天线30，只要该角度是已知的并在软件中进行了修正。在一些实施方案中，垂直于主轴3安装可能更实用。
54.如图7所示，连同两个天线30的相对位置一起确定机舱偏航位置，gnss接收器32也可以向改造数据通信和处理单元23或指示涡轮机10在全局坐标中的位置的风力发电厂控制器64提供信号。然后，这可用于风力发电厂优化设置，而不是预编程的涡轮机位置。额外的仪器，如陀螺仪、加速度计和磁力计，可以被包括在内，以进一步提高gnss接收器32的准确性和可靠性。这些信号可用于检测和应对涡轮机10上的其他情况，如过度的塔架振动。
55.在示例性的实施例中，绝对机舱偏航位置测量50是使用差分gnss进行的。为了使所披露的系统和方法正确工作，该系统和方法必须知道当前机舱偏航位置(反馈)信号。机舱的响应可以通过scada数据、陀螺仪、加速器和/或差分gnss来测量。如上所述，示例性实施例采用了两个gnss天线32，该天线相隔一定距离安装，并连接到处理以计算天线之间的矢量的同一个接收器32。这两个天线30可以被内置到单一的设备中，该设备将该天线定位为相距精确的距离，并且然后整个设备可以以所需的取向安装在涡轮机10上。差分gnss系统在可接受的成本点上有利地提供了首选的小于2度的精度。应该注意的是，除了准确测量机舱偏航位置外，还可以用这种方式测量涡轮机10的大致位置和高度。
56.在示例性实施例中，可以对差分gnss系统数据进行分析，以校准来自scada的机舱偏航位置测量，这可能是更可靠的信号，或者两个信号可以结合使用，以确定最佳的当前机舱偏航位置估计值。更特别的是，将来自gnss天线和差分gnss接收器的数据与初始机舱偏航位置信号相结合进行分析，以估计初始机舱偏航位置。
57.参照图8至图11，作为外部控制回路61实施的示例性风力发电厂优化控制过程对风向的全局变化响应相对缓慢，并确定每个涡轮机10的最佳机舱偏航位置。该风力发电厂优化控制过程可以被纳入改造数据通信和处理单元23，或者该风力发电厂优化控制过程可以是向改造数据通信和处理单元23提供理想机舱偏航位置的单独的系统。单独的控制过程随后包括了中间回路63控制器(图11)。中间回路63提供风向信号，以使内回路60将机舱偏航位置驱动到该目标机舱偏航位置。内环控制过程是在安装改造系统20之前涡轮机10中的当前涡轮机控制单元24，并将机舱14驱动到相对风向信号39接近零的位置。
58.风力发电场偏航优化控制系统的方法已在本文其他地方描述，一般来说，包括从一个或多个机舱安装的风向传感器22确定的风向和这些涡轮机10的机舱偏航位置，以及风速。来自涡轮机10上的传感器22以及其他来源的数据可以被结合起来，以实现整个风力发电厂1关于风的可能的最佳信息。如果涡轮机10被关闭或削减，那么其他信号，如每个涡轮机10的功率输出，也可用于调整优化。
59.一个示例性的方法是使用风速和风向的查询表来识别每个涡轮机10的预定理想机舱偏航位置。还可以应用更复杂的过程，根据风向的局部差异、风向的变化率等进一步优化设备性能。优化64可以以闭环的方式进行，其中通过考虑所收集的数据使得预测能力以及因此的优化的解决方案随着时间的推移而提高。这种优化还需要考虑到脱机、缩减以减少电力输出或正在运行但无法控制的涡轮机10。这可以从功率信号和改造数据通信和处理单元23的状态中检测出来，但也可以纳入额外的信号，如涡轮机状态。
60.理想机舱偏航位置的确定可以在改造数据通信和处理单元23之外进行，也可以将其纳入其能力范围。风力发电厂优化控制器64可以在单独的集中式控制器上实施(图9)，也可以实施为分配式控制方案(图10)，其中每个改造数据通信和处理单元23与其他系统交流关键信息，并根据这些结果确定该改造数据通信和处理单元23所控制的涡轮机的最佳位置。这种分配式控制可以被配置为即使与一个或多个改造数据通信和处理单元23的通信丢失也能继续运行。
61.示例性实施例通过将涡轮机控制单元24对相对风向信号39的响应作为时间的函数进行观察来改进控制回路63，并从这些观察中对涡轮机控制单元24的行为进行建模，以确定一系列的虚拟风向信号26，以有效地将机舱14移动到理想机舱偏航位置29。为了使中间回路63发挥最佳性能，应该对现有涡轮机控制单元24(内回路60)进行系统识别。这可以通过设置不同的相对风向输入并观察结果来进行实验，也可以使用在涡轮机10正常运行期间收集的数据，利用风向的变化来进行。
62.示例性实施例的另一个应用包括在风力不足以开始发电时防止涡轮机10的不必要的偏航。风力涡轮机10在小风条件下的偏航会消耗能量，并且当整个风力发电厂1在小风条件下同时启动其偏航驱动时，功率消耗会相当大。在安装了辅助改造偏航控制系统20后，只有少数哨兵涡轮机10被旋转以面对风，直到该涡轮机有足够强的风开始发电。然后，其余的涡轮机逐渐偏航以面对风并开始发电。通过这种方式，风力发电厂1的能源消耗可以在小
风期间减少。
63.第三种应用是临时安装改造偏航控制系统20，对tcu中的涡轮机控制单元24过程进行系统识别和调整优化。涡轮机控制单元24的目的是根据从机舱14的背面上的风向标或声波风速计测得的反馈保持转子16指向风。挑战在于，对于许多风力发电厂来说，涡轮机控制单元的算法或源代码并不提供给发电厂所有者或寻求优化设置的第三方。虽然涡轮机oem已经开发并调整了用于通用现场的涡轮机控制单元24，但如果考虑到风电厂的典型条件，即比通用现场更大或更小的湍流，这些设置不一定是最佳的。如果涡轮机控制单元24过于活跃，则该涡轮机控制单元将迅速磨损偏航驱动部件。该涡轮机控制单元还可能不断地过冲——在风向转变回到其之前的情况之前，移动以赶上风向的转变。如果该涡轮机控制单元不够活跃，那么就会损失大量的能源生产，因为涡轮机将在大于必要的相对风向幅度下运行，并且在某些情况下，当相对风向变得过大时，甚至可能遭受阈值关机事件，进一步减少生产。
64.虽然有可能通过试验和错误来调整涡轮机控制单元24，但这需要很长的时间，而且可能无法提供最佳结果。一些设置可能会极大地降低涡轮机10的性能。相反，所公开的实施例利用在涡轮机10上测量的真实历史高速风向数据，在模拟环境中确定涡轮机控制单元24的最佳参数。然后可以直接输入这些参数以提供最佳性能。要做到这一点，我们需要精确的模型或将涡轮机控制单元24的响应模拟为输入相对风向信号、风速和可调整参数的函数。本技术提供了一种通过实验建立涡轮机控制单元24的数值模型的方法，该数值模型可用于优化特定涡轮机10或风力发电厂1的参数。
65.虽然涡轮机控制单元偏航位置控制操作缓慢，但输入信号通常是高频率的(10赫兹至25赫兹)。这些信号然后以某种方式被过滤。不幸的是，对于大多数涡轮机来说，原始输入没有被记录下来，并且在scada数据集中可能有也可能没有所需的过滤信号。由于数据采样很慢(通常是10秒或20秒的间隔)，因此不可能开发模型来预测涡轮机控制单元24的性能并且将相应的机舱偏航位置预测为时间的函数。另外，具有不同参数的涡轮机控制单元24的数据是不可用的。因此，最好是在短时间内用已知的输入和相关参数的各种排列组合进行一组受控的实验。
66.一种示例性的方法是使用先前描述的改造数据通信和处理单元23，将虚拟相对风向和风速信号送入涡轮机控制单元24并测量响应。可以提供gui和/或向导式界面来进行这些实验，包括显示和记录参数值，这些参数值在每次运行前也必须手动输入涡轮机控制单元24中。该设备可以被配置为直接测量偏航响应，而不是依赖scada数据。这可以使用imu或差分gnss或组合来完成。陀螺仪可用于测量偏航系统的加速度，该加速度与部件上的力有关，因此与该部件的磨损有关。
67.在示例性实施例中，相对风向信号39和风速信号与涡轮机控制单元24断开连接。然后，一系列的虚拟风向信号26被引入涡轮机控制单元24中，并测量对虚拟风向信号26的机舱偏航位置响应。根据这些响应，涡轮机控制单元24的参数可以被修改以优化性能。一系列的虚拟风向信号26可以被重复地发送到涡轮机控制单元24。示例性实施例将机舱偏航位置响应预测为一系列虚拟风向信号26和涡轮机控制单元24的参数的函数。正如本文所讨论的，机舱14的响应可以由scada数据、陀螺仪、加速器差分gnss或这些的任何组合来测量。示例性实施例会自动生成一些要运行的参数案例，从而以最少的步骤覆盖参数空间。积累的
历史运行数据允许进行性能的优化，以减少机舱偏航位置的移动，并使运行期间相对风向的幅度最小化。
68.示例性的优化方法如图13至图15所示，并且可按以下步骤描述：
69.安装改造系统20，并确保涡轮机控制单元24正确通信(这要求系统在通信上的表现与涡轮机10通常使用的风向传感器22完全一样)。这些方法涉及运行90系统识别实验。如果涡轮机10将在实验期间运行，那么真实的相对风向和风速将由改造系统20测量，并调整输出的虚拟相对风向信号，以使实际相对风向幅度在实验期间保持在安全范围内。
70.通常，需要输入信号的频率、振幅和可能的波形(图14)的变化以识别系统行为。这些试验可以在涡轮机10不发电的情况下进行，或者如果需要的话，在涡轮机10发电的情况下进行，在相对稳定的条件下进行。频率范围应从涡轮机10随输入信号移动时的低端到该涡轮机完全不移动时的高端。在示例性实施例中，涡轮机10在执行该方法时运行，并且真实的相对风向被保持在预定的范围内。
71.识别70相关的涡轮机控制单元机舱偏航位置参数并选择参数的范围。生成(步骤74)要运行的参数的排列组合，并且模拟76相对风向和风速信号的时间历史，包括提供(步骤82)新的模拟值给涡轮机控制单元。选择78案例，并且设置并记录80参数，包括记录84当前的输入信号和由此产生的机舱偏航位置。对可用参数的各种排列组合进行重复。记录80每个运行输入和机舱偏航位置响应，以及所使用的涡轮机控制单元24参数。对于给定的涡轮机控制单元24，可以提前确定要运行的参数的最佳组合，以便在最少的实验运行中对涡轮机控制单元24进行建模。如拉丁超立方抽样(latin hypercube sampling)的随机抽样算法可用于最小化实验迭代的数量，同时捕捉控制行为的本质。
72.开发将所产生的机舱移动准确地预测为输入参数和相对风向信号的函数的过程。这可以是基于这些结果训练的机器学习模型92，以产生机舱移动的数字预测，或者在某些情况下，可以得出分析模型，该分析模型提供机舱偏航位置响应的准确预测。
73.使用实际的工厂数据集94建立并运行96优化模拟，以确定最佳参数99——可以包括偏航驱动磨损的成本函数98，并且将能源生产作为总体优化收入的一部分。
74.一旦定义了作为其参数的函数的涡轮机控制单元24的精确模型，涡轮机控制单元24可替代地被优化99，以提供与风力发电厂控制器64和机舱偏航位置的中间控制回路63相结合的最佳性能。只要当涡轮机10正在没有激活继电器以引入改造数据通信和处理单元23的情况下运行时仍能获得足够的性能，那么当所有系统正在正常运行时，使用改造数据通信和处理单元23的优越性能将产生整个风力发电场1的优异性能。
75.公开的实施例的潜在变化与输入信号有关。例如，有可能在涡轮机控制单元24中使用其他输入信号，并可以在这些方法的应用中对其他输入信号进行模拟和建模。这些信号可能包括湍流强度(风速的变化)、温度、功率限制(削减水平)等。各种测试条件，即在系统识别过程中，涡轮机可以正在运行或处于待机状态。如果正在运行，则必须注意实际相对风向不会变得太大。对于扫描输入信号，可以采用自动序列或人工测试。在特征测试期间测量偏航响应的方法可以包括，但不限于，scada数据，imu，差分gps，或其一些组合。可以针对特定的涡轮机或场地，以及一年中的部分时间或一年或多年的典型条件进行优化。
76.示例性的实施例将边缘计算和分布式资源控制用于风电场1的偏航控制，以促进尾流转向和功率输出优化。这些系统可以通过有线或无线网络通信系统相互通信。这有利
于通过协调单个涡轮机10、避免对单个中央风力发电厂优化处理器的需求来提高整个风力发电场1的功率输出。如果一个上风向的涡轮机通过调整其偏航角度来使尾流远离下风向的涡轮机转向而稍微影响其功率产量，那么整个风力发电场的产量就可能增加。如果一个或多个分布式系统出现故障或停机，那么其余的系统可以继续优化风力发电厂1，因此，与集中式控制器相比提供了稳健性。
77.图12示出了计算机1250的示例性内部结构，本公开的各种实施例可在其中实现。例如，计算机1250可以作为数据分析和增强的控制系统20，如图3中所描述的那样。计算机1250包括系统总线1279，其中总线是一组硬件线路，用于在计算机或处理系统的组件之间进行数据传输。总线1279基本上是连接计算机系统的不同元件(例如，处理器、磁盘存储器、存储器、输入/输出端口、网络端口等)的共享管道，该计算机系统使信息在元件之间传输。附接到系统总线1279的是i/o设备接口1282，用于将各种输入和输出设备(例如，传感器、换能器、键盘、鼠标、显示器、打印机、扬声器等)连接到计算机1250。网络接口1286允许计算机1250连接到附接到网络的各种其他设备(例如，风力发电场系统130，scada系统，风力发电场控制器，个体涡轮机控制单元，天气状况传感器，数据采集系统等)。
78.存储器1090为计算机软件指令1292(例如，用于上述过程/计算的指令，例如，从风力发电场系统接收运行状态信息并且从叶片传感器接收传感器数据以计算循环载荷，循环计数的过程，计算循环载荷，确定循环载荷对风力涡轮机或其特定部件的寿命的影响，弯矩计算和校准计算)和用于实现本公开的实施例的数据1294提供易失性存储。磁盘存储器1295为用于实现本公开的实施例的计算机软件指令1292和数据1294提供非易失性存储。中央处理器单元1284也附接到系统总线1279，并提供计算机指令的执行。
79.在示例性实施例中，处理器例行程序1292(例如，用于上述过程/计算的指令)和数据1094是计算机程序产品(一般指1292)，包括计算机可读介质(例如，可移除存储介质，如一个或多个dvd-rom、cd-rom、磁盘、磁带等)，该计算机可读介质为本发明系统提供至少一部分的软件指令。计算机程序产品1292可以通过任何合适的软件安装程序进行安装，这在本领域是众所周知的。
80.在另一个实施例中，至少有一部分软件指令也可以通过电缆、通信和/或无线连接下载。此外，本实施例可以在各种计算机架构中实现。图12的计算机是为了说明的目的而不是限制本发明。在本发明的一些实施例中，数据分析和增强型控制系统可以作为计算机来执行本发明的各个方面。
81.因此，可以看出，提供了高级偏航控制系统和方法。应该理解的是，上面描述的示例性实施例可以用许多不同的方式实现。在某些情况下，本文所述的各种方法和机器可以由物理的、虚拟的或混合的通用计算机来实现，该计算机具有中央处理器、存储器、磁盘或其他大容量存储、通信接口、输入/输出(i/o)设备和其他外围设备。通用计算机被转化为执行上述方法的机器，例如，通过将软件指令加载到数据处理器中，并且然后使得执行指令来实现本文所述的功能。因此，实施例通常可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实现。
82.虽然本发明的实施例已特别显示并参照其示例性实施例进行了描述，但本领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求所涵盖的发明范围的情况下，可对其进行形式和细节的各种改变。例如，所披露的增强控制是在风力发电场和风力涡轮机的背景下描述的，但也可应用于增强其他涡轮机(如水下涡轮机)的控制。

技术特征：
1.一种用于风力涡轮机的改造系统，所述风力涡轮机包括机舱、涡轮机控制单元和附接到所述风力涡轮机上的一个或多个风向传感器，所述改造系统包括：改造数据通信和处理单元，所述改造数据通信和处理单元被配置为与所述涡轮机控制单元通信耦合；其中，所述改造数据通信和处理单元接收代表所述风力涡轮机的初始机舱偏航位置的第一信号和代表所述风力涡轮机的理想机舱偏航位置的第二信号；以及其中，所述改造数据通信和处理单元通过以下步骤为所述风力涡轮机提供辅助控制：使得在所述一个或多个风向传感器和所述涡轮机控制单元之间行进的相对风向信号断开连接，确定虚拟相对风向信号以使得所述涡轮机控制单元将所述机舱驱动到所述理想机舱偏航位置，并将所述虚拟相对风向信号而不是所述相对风向信号发送到所述涡轮机控制单元。2.根据权利要求1所述的改造系统，其中当所述系统检测到传感器故障或通信故障或电源失效时，所述改造数据通信和处理单元将所述一个或多个风向传感器直接与所述涡轮机控制单元通信耦合，从而将所述相对风向信号发送到所述涡轮机控制单元。3.根据权利要求1所述的改造系统，其中所述一个或多个风向传感器在所述相对风向信号从所述涡轮机控制单元断开连接后继续监测相对风向。4.根据权利要求1所述的改造系统，其中所述风力涡轮机进一步包括连接到所述风力涡轮机的一个或多个风速传感器；其中，所述改造数据通信和处理单元拦截并接收来自所述风速传感器的风速信号。5.根据权利要求4所述的改造系统，其中如果所述风向传感器或风速传感器中的一者或两者发生故障，则所述改造数据通信和处理单元使得所述风力涡轮机能够使用由额外的风力涡轮机或额外的传感器产生的外部信号继续运行，所述外部信号作为虚拟传感器信号由所述改造数据通信和处理单元提供给所述涡轮机控制单元。6.根据权利要求1所述的改造系统，进一步包括两个或多个gnss天线和附接到所述风力涡轮机的差分gnss接收器；其中所述初始机舱偏航位置是使用所述差分gnss接收器计算所述两个或多个gnss天线之间的相对位置矢量来确定的。7.一种为风力涡轮机提供增强偏航控制的方法，所述风力涡轮机包括机舱、涡轮机控制单元和附接到所述风力涡轮机的一个或多个风向传感器，所述方法包括：接收代表所述风力涡轮机的初始机舱偏航位置的第一信号；接收代表所述风力涡轮机的理想机舱偏航位置的第二信号；将在所述一个或多个风向传感器和所述涡轮机控制单元之间行进的相对风向信号断开连接；确定虚拟相对风向信号，以使得所述涡轮机控制单元将所述机舱驱动到所述理想机舱偏航位置；以及向所述涡轮机控制单元发送所述虚拟相对风向信号而不是所述相对风向信号，使得所述涡轮机控制单元将所述机舱驱动到所述理想机舱偏航位置。8.根据权利要求7所述的方法，其中当没有收到代表理想机舱偏航位置的信号时，来自所述一个或多个风向传感器的所述相对风向信号被直接提供给所述涡轮机控制单元，从而
使得所述风力涡轮机返回到所述初始机舱偏航位置。9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将行进到所述涡轮机控制单元的风速信号断开连接，并向所述涡轮机控制单元提供虚拟风速信号。10.根据权利要求7所述的方法，其中所述虚拟相对风向信号是利用所述初始机舱偏航位置和所述理想机舱偏航位置之间的圆差确定的。11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括自动改进控制回路。12.根据权利要求7所述的方法，其中所述理想机舱偏航位置是利用所述相对风向信号、风速信号和代表所述初始机舱偏航位置的所述第一信号确定的。13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括结合来自以下一者或两者的运行状况数据：多个额外的风力涡轮机组件和多个额外的传感器，以确定所述理想机舱偏航位置。14.根据权利要求7所述的方法，进一步包括当风不足以发电时，避免所述风力涡轮机的偏航。15.根据权利要求7所述的方法，其中所述初始机舱偏航位置是使用两个或多个gnss天线和差分gnss接收器计算所述两个或多个gnss天线之间的相对位置矢量来确定的。16.根据权利要求7所述的方法，进一步包括结合代表所述初始机舱偏航位置的所述第一信号分析来自gnss天线和差分gnss接收器的数据，以估计所述初始机舱偏航位置。17.一种优化涡轮机控制单元的性能的方法，包括：将风向信号和风速信号与涡轮机控制单元断开连接；将一系列虚拟风向信号和风速信号引入所述涡轮机控制单元中；测量风力涡轮机的机舱对所述一系列虚拟风向信号的偏航位置响应；修改所述涡轮机控制单元的参数；重复所述一系列虚拟风向信号；将所述机舱的所述偏航位置响应预测为所述一系列虚拟风向信号和所述涡轮机控制单元的所述参数的函数；以及使用历史运行数据进行优化，以减少偏航移动并使机舱偏航位置和风向之间的误差最小化。18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括自动生成要运行的参数案例，使得参数空间以最少数量的步骤数被覆盖。19.根据权利要求17所述的方法，其中对额外的输入信号进行模拟并将所述额外的输入信号提供给所述涡轮机控制单元。20.根据权利要求17所述的方法，其中在执行所述方法期间，所述风力涡轮机正在运行，并且真实的相对风向被保持在预定范围内。21.根据权利要求17所述的方法，进一步包括调整所述涡轮机控制单元的所述参数，以便在所述涡轮机控制单元与风向传感器断开连接并对虚拟风向信号作出响应时实现理想机舱偏航位置。

技术总结
本公开的实施例包括一种改造辅助机舱偏航位置控制系统，该系统通过以下步骤实现对风力涡轮机的高级机舱偏航位置进行控制：比较理想机舱偏航位置信号和实际机舱偏航位置，并生成提供给现有涡轮机控制单元的虚拟相对风向信号。该方法和系统能够实现被称为风力发电厂的风力涡轮机的集合的尾流转向、集体偏航优化和动态偏航优化。不需要修改现有的涡轮机控制单元，大大简化了现有的风力发电厂的高级偏航控制策略的实施过程。控制策略的实施过程。控制策略的实施过程。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：文德斯科有限公司
技术研发日：2021.06.29
技术公布日：2023/5/24