專利名稱：用于為控制和/或監(jiān)測應用提供至少一種輸入傳感器信號的方法和設備以及控制設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于為與裝置特別是風輪機相關的控制和/或監(jiān)測應用提供至少一種輸入傳感器信號的方法和設備。本發(fā)明進一步涉及用于裝置特別是風輪機的控制設備。
背景技術：
由于海上風電場數量的不斷增加，因此對改進的控制和監(jiān)測方法以及對用于這種 風電場的風輪機的改進的控制和監(jiān)測設備都存在需求。原因在于存在將海上風電場進一步 遠離海岸設置到遠海中的趨勢。但是，在遠海區(qū)域要比在海岸附近的區(qū)域更加難以進行維 護。而且，將技術人員送至遠海區(qū)域是昂貴、耗時并且可能是危險的。因此，人們希望使維 護的時間間隔盡可能長并且人們設法減少由于風輪機故障造成的停機次數。為了減少停機 次數，有時會進行前瞻性的維護，這意味著在早期階段檢測部件的損壞并在可能會導致風 輪機失效并因此導致停機的故障狀態(tài)出現(xiàn)之前即維修或更換相應部件。另一方面，改進的 控制方案例如對每一個槳葉的獨立變槳距控制允許降低作用在風輪機部件上的載荷，增加 風輪機部件的壽命并延長維護的時間間隔。但是，復雜控制方法的使用以及風輪機狀態(tài)的復雜監(jiān)測要受到能夠從測量風輪機 各種參數的傳感器信號中提取的信息的限制。沿風向的風速就是不能以足夠的精度測量 以用于在風輪機控制中使用的參數實例。因此，在US2006/0033338A1和W02007/010322A1 中已經提出使用風速估計器以利用測得的轉子轉速、槳葉槳距角和塔架位置來估算空氣流 速。估算的流速狀態(tài)隨即被用于控制算法中以利用估算的流體流速來計算所需的槳葉槳距 角。風輪機自身的性質也有可能是既難于測量，并且又是控制發(fā)電機所必需的。S. Donders 在Twente大學應用物理、系統(tǒng)和控制工程系2002年的碩士論文“Fault Detection and Identificationfor Wind Turbine Systems -.a closed-loop analysis，，中介紹了用于在 槳距調節(jié)器中進行故障診斷的狀態(tài)估計的應用。對參數估計和多模型估計都進行了測試并 且發(fā)現(xiàn)多模型估計適合用于診斷槳距調節(jié)器中的未知增益和未知延遲。用于確定風輪機上的結構狀態(tài)和風切變的狀態(tài)估計在例如以下文獻中進行了 介紹國家可再生能源實驗室2003年12月的技術報告TP-500-35172中Μ. M. Hand的 "Mitigation of Wind Turbine/VortexInteraction Using Disturbance Accommodating Control ”，Μ. M. Hand和Μ. J. Balas在2004年荷蘭代爾夫特的由風力生成轉矩的科學 研究 2004 專題會議上發(fā)表的 “Load Mitigation Control Design for a WindTurbine Operating in the Path of Vortices”，科羅拉多大學波爾得分校A. Wright在2003年的 博士論文“Modern Control Design forFlexible Wind Turbines，，，以及美國機械工程師 協(xié)會的太陽能工程雜志 126(4) 1083-1091，2004 中 A.D.Wright 和 M.J. Balas 的 “Design ofControls to Attenuate Loads in the Controls Advanced ResearchTurbine，，。W001/76925A1介紹了一種汽車的數字式或模擬式傳感器控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，遞歸濾波器，優(yōu)選地是卡爾曼濾波器，提供預定物理參數的估計值并將物理參數信號輸出至傳感器信號處理單元，該單元適合用于根據物理參數信號算出一種或多種虛擬傳感器信 號。在虛擬傳感器的一個示例中，從ABS接收實際角速度信號并將其在車內的選定位置處 轉化為成比例的速度。US2007/0156259A1介紹了一種系統(tǒng)，產生的輸出在一定范圍內變化用于具有輸入 突變轉換動態(tài)特性的模型預測控制。在該文獻中介紹了獲取預期的未來數據。US5289379介紹了一種陸地車輛懸架控制系統(tǒng)和相關的控制電路。但是，盡管現(xiàn)有技術中介紹的上述估計方案控制和監(jiān)測例如風輪機這樣的裝置， 但是仍然會受到用于控制設備和/或監(jiān)測設備的傳感器信號的可用性有限的影響。因此，本發(fā)明的目標是提供一種用于為控制和/或監(jiān)測應用提供至少一種輸入傳 感器信號的改進的方法和改進的設備。本發(fā)明進一步的目標是提供一種改進的控制設備。

發(fā)明內容
第一個目標通過如權利要求1中所述的用于為控制和/或監(jiān)測應用提供至少一種 輸入傳感器信號的方法以及通過如權利要求14中所述的用于為控制和/或監(jiān)測設備提供 至少一種輸入傳感器信號的設備實現(xiàn)。進一步的目標通過權利要求15中所述的控制設備 實現(xiàn)。從屬權利要求包含了本發(fā)明更多的擴展內容。從屬權利要求的特征彼此獨立或者彼 此結合都可能是有利的。為與裝置相關的控制和/或監(jiān)測應用提供至少一種輸入傳感器信號的本發(fā)明的 方法包括以下步驟-基于在裝置處測得的至少一種參量提供至少一種實際傳感器信號；-提供裝置的至少一種動態(tài)模型；-利用動態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號的基礎上估計狀態(tài)；-通過由估計狀態(tài)計算裝置處的至少一種局部條件以由估計的狀態(tài)生成至少一種 虛擬傳感器信號以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號；和-提供至少一種虛擬傳感器信號作為用于控制和/或監(jiān)測應用的至少一種輸入傳 感器信號。裝置具體地可以是風輪機。在本發(fā)明的方法中，裝置是風輪機，而動態(tài)模型包括 風輪機的結構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用。估計的狀態(tài)是風 輪機的風切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)，而控制和/或監(jiān)測應用是以下情況 中的一種(a)基于以局部流動條件為基礎的空氣動力輸入的槳葉空氣動力控制，其中至 少一種虛擬傳感器信號表示局部的風向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺 服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲 勞損傷估計器，其中至少一種虛擬傳感器信號表示風輪機內的載荷。本發(fā)明的方法允許提供表示不能通過直接測量獲得或輕易獲得的裝置參數的虛 擬傳感器信號。這樣的虛擬傳感器信號可以隨后被用于控制應用或監(jiān)測應用中。在本文中， 至少一種局部條件可以被視為估計的測量值。該估計的測量值允許虛擬檢測否則將難以測 量或者根本不可測的參量。為難以通過實際測量直接獲取的參數提供虛擬傳感器信號增加了可用于控制或 監(jiān)測功能的參數數量。參數數量的增加允許在控制算法或監(jiān)測算法方面有更高的靈活性。如果有控制算法或監(jiān)測算法需要不能通過實際傳感器獲得或輕易獲得的傳感器信號，那么 在過去就無法輕易地使用這樣的算法。但是，通過本發(fā)明提供至少一種輸入傳感器信號的 方法，即可根據現(xiàn)有的一種或多種實際傳感器信號來生成這樣的傳感器信號作為虛擬傳感 器信號。在本發(fā)明的方法中，狀態(tài)估計器依靠測量信號來算出狀態(tài)估計值。如果直接測量 也完全可行，這些信號的具體選擇與直接測量局部條件的可選方式相比能夠提供成本、可 靠性和安全性方面的優(yōu)勢。而且，狀態(tài)估計算法的性質可以在特定的應用中被變成優(yōu)勢。允 許調整的性質的例子有對于模型誤差的魯棒性、計算成本、對有限數值精度的靈敏度以及 測量延遲下的準確度。至少一種局部條件的計算可以基于狀態(tài)之間的非線性關系和/或狀態(tài)之間的動 力學關系。非線性關系和/或動力學關系可以可選地以查表的形式提供。不過，至少一種 局部條件的計算也可以基于由狀態(tài)圍繞穩(wěn)態(tài)值的擾動分析給出的線性關系。最后提及的計 算至少一種局部條件的實施方式特別適合于如果預期只會發(fā)生從穩(wěn)態(tài)值微小偏離的情況。 而且，至少一種局部條件的計算另外還可以基于至少一種實際測量的結果?？蛇x地，估計狀態(tài)可以在將至少一種實際傳感器信號與由控制和/或監(jiān)測應用提 供的至少一種輸出信號結合在一起的基礎上進行。這樣就提供了反饋，反饋可以被用于抵 消模型的不準確性或者被用于考慮未知的控制器動 態(tài)特性。
作為進一步的可選項，估計狀態(tài)還可以包括未來狀態(tài)的估計，這就提供了給出預 估的虛擬傳感器信號并由此考慮實際傳感器信號測量中的延遲的可能性。借助延遲的實際 傳感器信號，基于這種延遲的實際信號計算的虛擬傳感器信號也會導致虛擬傳感器信號中 的延遲。通過計算未來狀態(tài)，該延遲能夠通過計算估計的狀態(tài)而被抵消，估計的狀態(tài)以一時 間相對于實際傳感器信號處于未來，該時間等于延遲?？蛇x地，可以根據多種未來的輸入情 況來算出多種未來的虛擬傳感器信號。為了估計狀態(tài)，可以使用遞歸濾波器，例如無限脈沖響應的卡爾曼濾波器或有限 脈沖響應的卡爾曼濾波器。在本發(fā)明通用方法的一種有利的實施方式中，裝置是風輪機，而控制和/或監(jiān)測 應用是基于局部流動條件的槳葉空氣動力控制。槳葉空氣動力控制可以是例如載荷控制、 轉子轉速控制、變槳距控制或失速控制。在這種實施方式中，動態(tài)模型可以包括風輪機的結 構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用。因此估計的狀態(tài)就是風切變 和/或尾流狀態(tài)和/或估計的風輪機結構狀態(tài)。至少一種虛擬傳感器信號表示局部流動條 件。在這第一種實施方式中，任何可用的測量信號都可以被用作用于狀態(tài)估計的輸入。但 是，鑒于成本、維護和可靠性方面的原因，來自風輪機機艙內的傳感器的信號是優(yōu)選的。而 且，根據由機艙內的傳感器生成的信號可以很好地估計結構狀態(tài)和轉子槳葉風速。在本實施方式中，動態(tài)模型并不局限于結構狀態(tài)、風切變狀態(tài)和風輪機尾流狀態(tài) 的特定組合。優(yōu)選地，動態(tài)模型包括塔架前向/后向彎曲和槳葉襟翼彎曲的至少第一模式 的動態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為零的風切變和轉子方位角內的第一風速諧波。而且，任意適合的變量均可被用于表征局部流動條件，也就是形式為虛擬傳感器 信號的虛擬測量的結果。示例有攻角、相對速度或速度分量、局部壓力、局部翼面加速度以 及無量綱變量例如雷諾數和升力系數、阻力系數、法向力系數或力矩系數。可以用以下三種方式中的一種來根據估計的結構狀態(tài)和風切變計算局部流動變量1、根據風輪機的估計風速分量和估計結構狀態(tài)之間的矢量關系。2、根據通用的非線性和/或動力學關系，可選地為查表的形式。3、根據由結構狀態(tài)和風切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動分析給出的線性關系。由于風速估計值是在整個轉子平面上定義的，因此虛擬傳感器信號也可以包括槳 葉前方的風速。在本發(fā)明方法的一種進一步的有利實施方式中，裝置是風輪機而控制和/或監(jiān)測 應用是基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制。通常的影響槳距方位角控制的力和 力矩是施加的控制力矩、來自摩擦的干擾力矩、扭轉振動、重力和空氣動力。在此情況下，動 態(tài)模型包括風輪機的結構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用。估計 的狀態(tài)是風輪機的風切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)。由估計的狀態(tài)生成的至 少一種虛擬傳感器信號表示軸承力和/或軸承力矩。在上述的實施方式中，考慮到干擾轉矩和/或槳葉上下旋轉隨著槳葉彎曲而變化 的轉動慣量，控制算法可以響應于槳距角或槳距角變化率指令而生成控制轉矩。軸承力和 軸承力矩的計算可以在由結構狀態(tài)和風切變產生的力和力矩的模型基礎上并且在將力和 力矩傳輸到變槳軸承的方式的基礎上完成。用于槳葉內的力和力矩的模型可以是非線性模 型的線性表示或者是完全非線性的模型。軸承摩擦可以例如被假定為庫侖型且正比于槳葉 根部處的彎矩，正如H. Markou等人在2007年ECN WindEnergy技術報告ECN-E-06-056的 "Morphological Study ofAeroelastic Control Concepts for Wind Turbines，，中介紹白勺 那樣。具體地，模型可以進一步包括可選的槳葉扭轉表示以作為又一個自由度。在本發(fā)明方法的第三種有利的實施方式中，裝置也是風輪機?？刂坪?或監(jiān)測應 用是基于長期載荷的疲勞損傷估計器。在此情況下，動態(tài)模型包括風輪機的結構動態(tài)特性 表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用。估計的狀態(tài)是風輪機的風切變和/或尾 流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)。由估計的狀態(tài)生成的至少一種虛擬傳感器信號表示風輪機 內的載荷。就像第一種和第二種實施方式那樣，載荷計算可以是從結構狀態(tài)和風切變到一 組在結構內所需位置處的估計的載荷的線性或非線性映射。虛擬傳感器信號，其隨后表示由這些虛擬傳感器信號組成的載荷序列，可以被存 儲一段時間。如果將存儲的載荷作為時間序列處理，那么估計疲勞度即可通過用于估計疲 勞度的任意公知技術實現(xiàn)。為與裝置特別是風輪機相關的控制和/或監(jiān)測設備提供至少一種輸入傳感器信 號的本發(fā)明的設備包括含有裝置的動態(tài)模型的至少一種模型單元，其被設計用于輸出裝置 的模型表示。設備進一步包括至少一種狀態(tài)估計器，其包含可連接至裝置的傳感器輸出的 傳感器信號輸入，用于接收由所述傳感器提供的實際傳感器信號。至少一種狀態(tài)估計器被 連接至至少一種模型單元，用于接收裝置的模型表示，并被設計用于至少在至少一種實際 傳感器信號和裝置模型表示的基礎上估計和輸出狀態(tài)。另外，本發(fā)明的設備包括至少一種 信號發(fā)生器，其被連接至狀態(tài)估計器用于接收估計的狀態(tài)。信號發(fā)生器被設計用于根據估 計的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號并包括可連接至控制和/或監(jiān)測設備的輸出，用于 輸出所述至少一種虛擬傳感器信號。在本發(fā)明的設備中，裝置是風輪機，而動態(tài)模型包括風 輪機的結構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用。估計的狀態(tài)是風輪機的風切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)，而控制和/或監(jiān)測應用是以下情況中 的一種(a)基于以局部流動條件為基礎的空氣動力輸入的槳葉空氣動力控制，其中至少 一種虛擬傳感器信號表示局部的風向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服 控制，其中至少一種虛擬傳感器信號表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞 損傷估計器，其中至少一種虛擬傳感器信號表示風輪機內的載荷。本發(fā)明的設備適合用于執(zhí)行本發(fā)明的方法。具體地，信號發(fā)生器適用于通過根據 估計的狀態(tài)計算裝置處的至少一種局部條件也就是通過估計的或虛擬的測量值而由估計 的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號。在模型單元的動態(tài)模型的基礎上由狀態(tài)估計器建立 起以在信號發(fā)生器內生成的虛擬傳感器信號為基礎的狀態(tài)。本發(fā)明的控制設備適用于通過受控信號作用在裝置例如風輪機的受控系統(tǒng)上，目 的是為了影響受控系統(tǒng)的實際值。本發(fā)明這樣的控制設備包括被設計用于至少在實際值偏 離設定值或參考值的基礎上生成和輸出表示被生成用于受控系統(tǒng)的控制信號的控制器輸 出信號，目的是為了至少間接地影響所述實際值。本發(fā)明控制設備的調節(jié)器被連接至控制 器用于接收控制器輸出信號。它被設計用于在接收到的控制器輸出信號的基礎上生成和輸 出所述控制信號。本發(fā)明的控制設備進一步包括用于提供至少一種輸入傳感器信號的獨創(chuàng) 設備。該設備被連接至受控系統(tǒng)的至少一種傳感器，用于接收由所述傳感器提供的實際傳 感器信號。這樣由所述設備提供的虛擬傳感器信號即為被輸入到控制器內的實際值。本發(fā) 明的控制設備不僅允許在實際傳感器信號的基礎上執(zhí)行控制作用，而且允許在本應適合用 于運行控制算法但是不能通過實際測量輕易獲得的傳感器信號的基礎上執(zhí)行控制作用。根 據本發(fā)明，這些有用的傳感器信號被作為虛擬傳感器信號提供。本發(fā)明的控制設備可以進一步包括調節(jié)器模型單元，其被連接至控制器用于接收 控制器輸出信號。調節(jié)器模型單元包含調節(jié)器模型并被設計用于在控制器輸出信號和調節(jié) 器模型的基礎上生成模擬控制信號。差分功能單元被連接至調節(jié)器用于接收控制信號以及 被連接至調節(jié)器模型單元用于接收模擬控制信號。差分功能單元被設計用于生成和輸出表 示控制信號和模擬控制信號之間差值的差分信號?？刂破麟S即也被連接至差分功能單元以 接收差分信號并被設計用于不僅在實際值偏離設定值或參考值的基礎上而且還在差分信 號的基礎上生成和輸出所述控制器輸出信號。這就允許將未知的調節(jié)器效應考慮在內。附圖簡要說明本發(fā)明更多的特征、性質和優(yōu)點將根據以下結合附圖對實施例的說明而變得顯而 易見。

圖1示出了使用本發(fā)明控制設備的系統(tǒng)的主要結構。圖2示出了在用于風輪機獨立槳葉空氣動力控制的具體情況下的圖1中的結構。圖3示出了在風輪機轉子槳葉外側位置的流動幾何特性。圖4示出了對未知的調節(jié)器動態(tài)特性和速率限制具有補償的控制設備。
具體實施例方式將參照圖1介紹使用本發(fā)明控制設備的應用的主要結構。該示意圖示出了作為要 被控制或監(jiān)測的裝置示例的風輪機1。風輪機被裝有傳感器3，其提供表示對可測量參數的 測量結果的實際傳感器信號。例如，適當的傳感器提供針對發(fā)電機的電輸出、機艙和/或塔架內的加速度、左右搖擺作用力和力矩以及針對主軸承力和力矩的測量值。特別地，由于成本低、易于維護和高可靠性以及由于通過將傳感器安置在機艙以外不易受影響的位置處所 獲得的好處有限的事實，因此傳感器設置在風輪機的機艙內是優(yōu)選的。該系統(tǒng)進一步包括狀態(tài)估計器5和模型單元7。狀態(tài)估計器5被連接至至少一種 傳感器3，用于接收表示被測參數的實際傳感器信號。它被進一步連接至模型單元7用于接 收模型參數。狀態(tài)估計器5被設計用于在接收的模型參數和接收的實際傳感器信號的基礎 上進行狀態(tài)估計。在將風輪機作為裝置的本示例中，由狀態(tài)估計器提供的輸出是估計狀態(tài)， 表示風輪機1的一組估計風切變和估計結構狀態(tài)。有限脈沖響應的卡爾曼濾波器被用于本實施例中以進行狀態(tài)估計。但是，無限脈 沖響應的卡爾曼濾波器或任意其他的遞歸線性濾波器也都可以使用。實際上，本發(fā)明并不 局限于任何特定的狀態(tài)估計算法。選擇上述類型的濾波器僅僅是因為它們允許有效的計算 并且它們的結果也足夠準確。信號發(fā)生器9被連接至狀態(tài)估計器5用于接收估計狀態(tài)。它被設計用于根據估計 狀態(tài)通過將估計的風切變和結構狀態(tài)映射為至少一種局部條件也就是在風輪機1特定位 置處的條件而生成至少一種虛擬傳感器信號。這種對至少一種局部條件的映射可以被認為 是對該條件的估計測量。根據局部條件，信號發(fā)生器9計算出表示該局部條件的虛擬傳感
器信號?？刂坪?或監(jiān)測設備11被連接至信號發(fā)生器9用于接收虛擬傳感器信號作為輸 入。基于該輸入，并且可選地基于來自實際傳感器的更多輸入也就是基于實際的傳感器信 號，控制和/或監(jiān)測設備執(zhí)行所需的控制和/或監(jiān)測動作并將操作決策輸出至風輪機1。在所介紹的結構中，狀態(tài)估計器5、模型單元7和信號發(fā)生器9構成設備10，用于 為控制和/或監(jiān)測設備11提供輸入傳感器信號。參照圖1介紹的系統(tǒng)的關鍵特征之一是將估計狀態(tài)映射為風輪機特定位置處的 條件。用于根據估計狀態(tài)表示局部狀態(tài)的合適的變量是攻角、風的相對速度或風的速度分 量、局部壓力、局部翼面加速度以及無量綱變量例如雷諾數、阻力系數、升力系數、作用在槳 葉上的力或力矩。局部流動變量可以下三種方式之一根據估計的狀態(tài)也就是根據估計的風 切變和估計的結構狀態(tài)來進行計算根據估計的風速分量和估計的結構狀態(tài)之間的矢量關 系；根據通用的非線性和/或動力學關系，其可選地可以是查表的形式；或者根據由估計的 狀態(tài)和估計的風切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動分析給出的線性關系。估計的風切變和估計的結構狀態(tài)是根據由模型單元7提供的動態(tài)模型計算的。該 動態(tài)模型并不局限于結構狀態(tài)、風切變狀態(tài)以及發(fā)電機尾流狀態(tài)的特定組合，而是可以包 括塔架前向和后向彎曲以及槳葉襟翼彎曲的至少第一模式的動態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為 零的風切變和轉子方位角內的第一風速諧波。現(xiàn)在將參照圖2介紹圖1中所示控制系統(tǒng)的具體應用。在該具體實施方式
中，以 風輪機處估計的局部流動條件為基礎的獨立槳葉空氣動力控制得以進行。動態(tài)模型包括結 構動態(tài)特性的簡單表示及其與簡單風切變的相互作用。但是，動態(tài)模型并不局限于結構狀 態(tài)、風切變狀態(tài)和尾流狀態(tài)的特定組合。它可以包括塔架前向/后向彎曲以及槳葉襟翼彎 曲的至少第一模式的動態(tài)特性，以及表現(xiàn)為至少為零的風切變和轉子方位角內的一階風速 諧波。
在該實施方式中，已經被證明為實用的是使用高速軸轉矩傳感器、加速度傳感器 用于測量機艙前向/后向加速度和機艙兩側的加速度，使用左右搖擺傳感器測量主轉子軸 承處的左右搖擺動作以及使用上下?lián)u擺傳感器測量主轉子軸承處的上下?lián)u擺動作。所有這 些傳感器都提供由狀態(tài)估計器5使用的實際傳感器信號以基于由模型單元7提供的動態(tài)模 型來估計風輪機的風切變和結構狀態(tài)。根據估計的狀態(tài)，信號發(fā)生器9計算風輪機特定位 置處的局部流動條件。這種局部流動條件的示例有攻角、風的相對速度或風的速度分量、 特定翼面位置處的局部壓力和局部翼面加速度。可選地或附加地，無量綱變量例如轉子槳 葉的雷諾數、升力系數、阻力系數、法向力或法向力矩也適合用于描述局部流動條件。
這些局部流動條件特征變量中的至少一種被以虛擬傳感器信號的形式輸入至變 槳距控制器13，其計算要被設置用于轉子的每一個轉子槳葉的獨立槳距角，目的是為了降 低作用在風輪機上的結構載荷?？刂破?3基于由信號發(fā)生器9提供的虛擬傳感器信號計 算控制器輸出信號，該信號由槳葉調節(jié)器15接收，槳葉調節(jié)器15被連接至控制器13并且 適合用于根據控制器輸出信號為每一個轉子槳葉設置所需的獨立槳距角。通過由此設置轉 子槳葉的槳距角，即可降低風輪機的載荷。映射估計的結構狀態(tài)和風切變的一種可行方式是利用風速分量以及風輪機的結 構參數例如轉子的轉速和槳距角θ之間的矢量關系。這些關系在圖3中示出，圖3示出了 穿過風輪機轉子槳葉21的部分以及代表轉子轉速或風速的各個矢量。現(xiàn)在將參照圖3介紹用于根據估計的風切變來計算局部流動條件也就是攻角和 相對風速的一個例子?？梢约俣嘟铅群娃D子轉速Ω是根據實際測量已知的，并且例 如槳葉沿翼展方向的移動速度和風切變實在動態(tài)模型的基礎上通過使用上述的傳感器信 號估計的。轉子半徑R處點的轉速(轉速Vrat是轉子的轉速Ω和半徑R的乘積QR)在 轉子的旋轉平面內造成了相對于轉子槳葉的風速-Vrat。沿槳葉方向的短暫變形造成了槳葉 位置處的速度中又一個需要考慮的分量。該速度分量在圖3中被表示為vfl。對于相對風 矢量的合成結果在要考慮的槳葉位置參照系內是_vfl。這樣以相對于翼弦線的攻角α對 轉子槳葉21起作用的相對風速Vrel就能夠通過由狀態(tài)估計器5提供的轉子槳葉指定位置 處的估計風速以及風速矢量-vf。t和-Vfl的矢量和得出。通過由此確定的相對風速Vrel， 就能夠確定相對于轉子槳葉的相對風的入流角。該入流角在圖3中用β表示。根據入流 角β即可通過從入流角β中減去槳距角θ而得出攻角α。請注意已經參照圖3給出的說明只是關于如何根據估計的風切變得出參數的一 個示例。但是，還有更多得出局部參數的可行方式，即利用通常的非線性和/或動力學關系 或者是利用通過狀態(tài)和風切變圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動分析給出的線性關系。攻角α和相對風速能夠被用于構建簡單控制器以明顯地降低作用在槳葉上 的結構載荷。由于估計的風速是在整個轉子槳葉上定義的，因此這樣的控制器可以可選地 包括槳葉前方的相對風速。另外，獨立變槳距控制的應用可以通過失速預測而被進一步增強。失速的特征在 于后緣駐點的位置或者等價地在于不穩(wěn)定的升力系數。分離點位置的動態(tài)特性取決于翼面 性質、攻角和相對流速。在本發(fā)明的環(huán)境中，必要的攻角和相對速度可以根據狀態(tài)估計確 定，正如已經參照圖3介紹的那樣。后緣駐點的位置隨后即可通過一組非線性動力學關系 確定，并且可以調節(jié)槳距角以防止出現(xiàn)完全形成的失速。
對于通過設置獨立槳距角控制空氣動力載荷來說可選地，空氣動力載荷也可以通 過調節(jié)槳葉或翼面的幾何形狀進行控制?？烧{節(jié)幾何形狀的示例有部分伸展的槳葉槳距、 槳葉扭曲、微翼片、微型噴氣發(fā)動機、撓性后緣、可變的槳葉彎度以及前緣下垂等。這些可調 節(jié)的幾何形狀例如由Markou等人在2007年ECN Wind Energy的技術報告ECN-E-06-056的 "Morphological Study of Aeroelastic Control Concepts for WindTurbines，，中進對于了 介紹。本申請中調節(jié)后緣的準備工作使用了在舷外槳葉位置處的加速度測量值(與丹麥科 技大學流體力學學院機械工程系的P. Andersen在2005年的碩士論文“Load Alleviation on WindTurbine Blades using Variable Airfoil Geometry (2D and 3D study)”相比)。 根據本發(fā)明，加速度的測量值可以由估計加速度代替，或者是如果測量噪聲在狀態(tài)估計中 被完全排除那么則通過得出估計的結構狀態(tài)，或者是如果數值推導給出錯誤結果那么則作 為估計的結構狀態(tài)和風切變的線性組合。通過干擾通常的非線性空氣動力模型，使每一種 狀態(tài)和風切變圍繞其工作點擾動并記錄對測量值的影響而建立適當的線性關系。除了已經介紹的部件之外，圖2中示出的系統(tǒng)還可以包括發(fā)電機轉矩和統(tǒng)一變槳 距控制器17。該發(fā)電機轉矩和統(tǒng)一變槳距控制器17基于由風輪機的轉子轉速傳感器提供 的轉子轉速信號計算表示要在風輪機處設置的發(fā)電機轉矩控制器輸出信號以及表示要由 調節(jié)器15對每一個轉子槳葉設置的統(tǒng)一槳距的控制器輸出信號。統(tǒng)一槳距表示要對每一 個轉子槳葉設置的槳距角對每一個轉子槳葉都是一致的。這樣的統(tǒng)一變槳距控制具體地用 于風輪機的有效功率控制。
還是如圖2中所示，可選的調度模塊19可以存在用于估計器和控制器在工作點上 的調度。在實際應用中，獨立變槳距控制在有風條件下開始，其中風輪機的輸出功率被限制 為機械的額定功率以防止結構和電子硬件的過載。如果風速低于某確定閾值，那么輸出功 率將小于額定功率以使過載不會成為問題。調度單元19促使控制器13在風速足夠高時執(zhí) 行控制動作以使風輪機被以限制為額定功率的輸出功率驅動。圖2中示出的控制器13和調節(jié)器15的具體結構在圖4中示出。這種具體結構允 許將控制信號針對未建模的調節(jié)器動態(tài)特性例如槳距角變化率進行校正。附圖示出了控制 器13、槳葉調節(jié)器15以及表示圖2中的風輪機1、傳感器3、狀態(tài)估計器5、動態(tài)模型單元7 和信號發(fā)生器9的組合的方塊27。由槳葉調節(jié)器15輸出的控制信號被輸送至方塊27并且 在此具體輸送至風輪機1。另外，圖4中示出的控制系統(tǒng)包括調節(jié)器模型單元25，其被并行連接至調節(jié)器15。 控制器13的控制器輸出信號也被輸送至調節(jié)器模型單元25，其包括調節(jié)器的模型并且其 在控制器輸出信號的基礎上仿制出模擬的控制信號。改進的控制系統(tǒng)進一步包括差分功能單元29，其被連接至槳葉調節(jié)器15的輸出 端以及被連接至調節(jié)器模型單元25的輸出端。差分功能單元接收控制信號和模擬控制信 號，并且從控制信號中減去模擬控制信號。由此得出的差分隨后被作為輸入信號反饋至控 制器13。通過這種辦法可以在控制系統(tǒng)中將未知的調節(jié)器動態(tài)特性和變化率限制考慮在 內。已經參照圖2和圖3在獨立槳葉空氣動力控制的環(huán)境中詳細介紹了本發(fā)明。但是， 本發(fā)明也可以在變槳距伺服控制和疲勞損傷估計的環(huán)境中實施。在此情況下，參照圖2介 紹的控制器13和槳葉調節(jié)器15將分別由適當的控制器或調節(jié)器或適當的監(jiān)測應用代替。
本發(fā)明實施例中介紹的示例表現(xiàn)了可以通過本發(fā)明實現(xiàn)的示范性優(yōu)點。在基于局 部空氣動力條件控制槳葉空氣動力特性的環(huán)境中使用本發(fā)明得到了簡單、有效的控制器， 降低了結構中的載荷并且能夠考慮到非線性的槳距調節(jié)器動態(tài)特性和失速的動態(tài)特性。與 直接測量流速相關的問題能夠得以避免。在本發(fā)明被用于變槳距伺服控制環(huán)境中的情況下，這種控制的精度可以通過獲知 作用在變槳軸承上的干擾轉矩而得以改善。測量載荷或槳葉內的位移并不是必須的，因為 這些值可以根據其他信號進行估計。在本發(fā)明被用于疲勞損傷估計環(huán)境中的情況下，監(jiān)測結構內的載荷變得可行而不 用直接測量載荷。用作對現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的備份，該實施例在傳感器故障的情況下提高了可 靠性并用作診斷工具以辨識此類故障。在沒有直接測量具體載荷的應用中，該實施例擴展 了監(jiān)測系統(tǒng)的能力。通過已介紹的實施例已經證明本發(fā)明在多種控制和監(jiān)測環(huán)境下都是有利的。但是，沒有具體介紹的本發(fā)明的更多變形也是可能的。例如，輸入給估計器的信號可以用任意 合適的方式進行預調制。另外，動態(tài)模型可以可選地包括描述發(fā)電機尾流的狀態(tài)。動態(tài)模 型還可以由多個動態(tài)模型代替，每一個都具有不同的建模假設。估計器因此可以由一系列 狀態(tài)估計器代替，其中每一個估計器根據相同的輸入信號集合估計出不同模型的狀態(tài)。隨 后通過分析對估計器的信號輸入和利用每一個估計器得到的相同信號估計值之間的剩余 誤差來選擇指定時刻合適的一個或多個模型。而且，在應用會生成控制信號的情況下，這些 控制信號可以可選地通過調節(jié)器傳遞函數模型或者通過非線性動態(tài)模型被反饋給估計器。 測得的控制輸入也可以被反饋給估計器。
權利要求
一種為與裝置(1)相關的控制和/或監(jiān)測應用(13)提供至少一種輸入傳感器信號的方法，包括以下步驟-基于在裝置(1)處測得的至少一種參量提供至少一種實際傳感器信號；-提供裝置的至少一種動態(tài)模型；-利用動態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號的基礎上估計狀態(tài)；-通過由估計的狀態(tài)計算裝置處的至少一種局部條件以由估計的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號；和-提供至少一種虛擬傳感器信號作為用于控制和/或監(jiān)測應用(13)的至少一種輸入傳感器信號，其特征在于-裝置是風輪機(1)，-動態(tài)模型包括風輪機(1)的結構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相互作用，-估計的狀態(tài)是風輪機(1)的風切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)；以及-控制和/或監(jiān)測應用是以下情況中的一種(a)基于以局部流動條件為基礎的空氣動力輸入的槳葉空氣動力控制(13)，其中至少一種虛擬傳感器信號表示局部的風向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號表示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞損傷估計器，其中至少一種虛擬傳感器信號表示風輪機(1)內的載荷。
2.如權利要求1所述的方法，其中至少一種局部條件的計算是基于狀態(tài)之間的非線性關系。
3.如權利要求1或權利要求2所述的方法，其中至少一種局部條件的計算是基于狀態(tài) 之間的動力學關系。
4.如權利要求1或權利要求2所述的方法，其中至少一種局部條件的計算是基于由狀 態(tài)圍繞其穩(wěn)態(tài)值的擾動分析給出的線性關系。
5.如權利要求2至4中的任意一項所述的方法，其中至少一種局部條件的計算另外還 可以基于至少一種實際測量的結果。
6.如前述權利要求中的任意一項所述的方法，其中至少一種輸出信號由控制和/或監(jiān) 測應用(13)提供，并且其中估計狀態(tài)在至少一種實際傳感器信號和至少一種輸出信號的 基礎上進行。
7.如前述權利要求中的任意一項所述的方法，其中估計狀態(tài)包括估計未來狀態(tài)。
8 如權利要求7所述的方法，其中根據一種或多種未來的輸入情況來估計一組或多組 未來狀態(tài)。
9.如前述權利要求中的任意一項所述的方法，其中估計狀態(tài)是基于遞歸線性濾波器。
10.如前述權利要求中的任意一項所述的方法，其特征在于控制和/或監(jiān)測應用是基 于以局部流動條件為基礎的空氣動力輸入的槳葉空氣動力控制(13)，其中至少一種虛擬傳 感器信號表示局部的風向條件；并且局部流動是根據風輪機(1)的估計的風速分量和估計的結構狀態(tài)之間的矢量關系來計算的。
11.如權利要求10所述的方法，其中虛擬傳感器信號表示估計的風速和/或風攻角。
12.如權利要求11所述的方法，其中虛擬傳感器信號表示轉子槳葉前方的估計的風速。
13.如權利要求1至9中的任意一項所述的方法，其中控制和/或監(jiān)測應用是基于軸承 力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號表示軸承力和/或軸 承力矩，并且其中動態(tài)模型進一步包括槳葉扭轉的表示。
14.一種為與裝置(1)相關的控制和/或監(jiān)測設備提供至少一種輸入傳感器信號的設 備(10)，包括-包含裝置(1)的動態(tài)模型的至少一種模型單元(7)，其被設計用于輸出裝置(1)的模 型表示；-至少一種狀態(tài)估計器(5)，其包含可連接至裝置(1)的傳感器(3)的輸出的傳感器信 號輸入，用于接收由所述傳感器(3)提供的實際傳感器信號，至少一種狀態(tài)估計器(5)被連 接至至少一種模型單元(7)，用于接收裝置(1)的模型表示，并被設計用于至少在至少一種 實際傳感器信號和裝置(1)模型表示的基礎上估計狀態(tài)并輸出所述估計的狀態(tài)；和-至少一種信號發(fā)生器(9)，其被連接至狀態(tài)估計器(5)，用于接收估計的狀態(tài)，信號發(fā) 生器被設計用于根據估計的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號，并包括可連接至控制和/ 或監(jiān)測設備(13)的輸出，用于輸出所述至少一種虛擬傳感器信號，其特征在于_裝置是風輪機(1)，-動態(tài)模型包括風輪機(1)的結構動態(tài)特性表示及其與風切變和/或風輪機尾流的相 互作用，-估計的狀態(tài)是風輪機(1)的風切變和/或尾流狀態(tài)和/或估計的結構狀態(tài)；以及-控制和/或監(jiān)測應用是以下情況中的一種(a)基于以局部流動條件為基礎的空氣動力輸入的槳葉空氣動力控制(13)，其中至少 一種虛擬傳感器信號表示局部的風向條件；(b)基于軸承力和/或軸承力矩的變槳距伺服控制，其中至少一種虛擬傳感器信號表 示軸承力和/或軸承力矩；(c)基于長期載荷的疲勞損傷估計器，其中至少一種虛擬傳感器信號表示風輪機(1) 內的載荷。
15.一種控制設備，用于通過控制信號作用在裝置(1)的受控系統(tǒng)上，以便影響受控系 統(tǒng)的實際值，所述控制設備包括-控制器(13)，其被設計用于至少在實際值偏離設定值或參考值的基礎上生成和輸 出表示被生成用于受控系統(tǒng)的控制信號的控制器輸出信號，以便至少間接地影響所述實際 值；_調節(jié)器(15)，其被連接至控制器(13)，用于接收控制器輸出信號，調節(jié)器(15)被設計 用于在控制器輸出信號的基礎上生成和輸出所述控制信號；和_用于提供如權利要求14中所述的至少一種輸入傳感器信號的設備(10)，其被連接至 受控系統(tǒng)的至少一種傳感器(3)，用于接收由所述傳感器(3)提供的實際傳感器信號，其中虛擬傳感器信號是要被影響的實際值。
16.如權利要求15所述的控制設備，其進一步包括-調節(jié)器模型單元(25)，其被連接至控制器(13)，用于接收控制器輸出信號，調節(jié)器模 型單元(25)包含調節(jié)器模型并被設計用于在控制器輸出信號和調節(jié)器模型的基礎上生成 模擬控制信號，_差分功能單元(29)，其被連接至調節(jié)器(15)用于接收控制信號以及被連接至調節(jié)器 模型單元(25)用于接收模擬控制信號，并且其被設計用于生成和輸出表示控制信號和模 擬控制信號之間差值的差分信號；其中控制器(13)也被連接至差分功能單元(29)以接收差分信號，并且其中控制器 (13)被設計用于在差分信號以及實際值偏離設定值或參考值的基礎上生成和輸出所述控 制器輸出信號。
全文摘要
用于為控制和/或監(jiān)測應用以及控制設備提供至少一種輸入傳感器信號的方法和設備。提供了一種為與裝置(1)相關的控制和/或監(jiān)測應用(13)提供至少一種輸入傳感器信號的方法。該方法包括以下步驟基于在裝置(1)處測得的至少一種參量提供至少一種實際傳感器信號；提供裝置的至少一種動態(tài)模型；利用動態(tài)模型至少在至少一種傳感器信號的基礎上估計狀態(tài)；通過由估計的狀態(tài)計算裝置處的至少一種局部條件以由估計的狀態(tài)生成至少一種虛擬傳感器信號以及由至少一種局部條件建立起至少一種虛擬傳感器信號；提供至少一種虛擬傳感器信號作為用于控制和/或監(jiān)測應用(13)的至少一種輸入傳感器信號。
文檔編號G05B13/04GK101821689SQ200880111148
公開日2010年9月1日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權日2007年10月12日
發(fā)明者A·迪奧普, J·埃勒斯 申請人:西門子公司