用于在降噪操作期间优化风力涡轮性能的系统和方法与流程

本公开一般涉及风力涡轮，并且更具体地说，涉及用于在降噪操作期间优化风力涡轮性能的系统和方法。

背景技术：

1、近年来，例如通过使用大型风力涡轮从风中生成的能量经历了快速增长。这种增长的来源可能是与风力发电产生相关的众多环境、技术和经济利益。风能广泛可用，可再生，并通过减少化石燃料作为能源的需要来降低温室气体的产生。此外，风力涡轮的设计、制造技术、材料和功率电子装置的改进已经并将在未来继续降低风力涡轮的生产成本，同时增加其能量产生能力和效率。

2、至少一些已知的风力涡轮包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子可旋转地安装在机舱，并通过轴耦合到发电机。多个转子叶片从转子延伸。转子叶片定向成使得在转子叶片之上经过的风转动转子并旋转轴，从而驱动发电机生成电力。

3、通常，在操作期间，风力涡轮生成以分贝(db)测量的可听噪声形式的声发射。这样的噪声可能是由机械或空气动力学引起的。通常，本地监管水平可能限制风力涡轮或包括多个风力涡轮的风力涡轮装置(即，风电场)的可允许噪声排放水平，尤其是在其中风力涡轮或风电场在人口密集区域附近或区域中操作的情况下。

4、通常，由齿轮和轴承引起的来自机械源的噪声在过去几年中例如通过适当的隔音措施已经大大减少，并且因此不再令人关注。然而，为了进一步降低风力涡轮噪声，现在将关注放置于降低由风力涡轮产生的空气动力学噪声。

5、通常，空气动力学噪声由转子叶片穿过空气的旋转移动产生，例如由在噪声生成过程中在转子叶片的外部上形成的叶尖涡流噪声产生。例如，可以通过优化叶片设计(例如，翼型形状和使用的材料)实现降低源于风力涡轮的空气动力学效应的噪声。

6、然而，由于在风力涡轮的操作期间尚未完全消除噪声生成，因此风力涡轮的声功率管理(spm)例如针对在开发新项目时风力涡轮的现场规划许可和验收已成为重要标准。为了满足的噪声排放的本地监管水平，个体风力涡轮或风电场也可以部分操作(例如夜间操作)，或者以降噪操作(nro)模式连续操作。

7、通常，nro模式和spm方案包括风力涡轮参数的预定设定点，所述设定点通常确定转子速度并因此影响叶尖速度。例如，改变风力涡轮的一个或多个转子叶片的桨距角设定点可能会改变转子速度。通常，模拟工具用于产生用于前述设定点的值。

8、为了实现某些噪声排放水平，风力涡轮的操作的nro模式和spm方案通常会降低转子速度。通常，转子速度的这种降低意味着风力涡轮在当前现场条件下(尤其是风速)生成低于其最大可能功率生成容量的电功率。这导致年能量产生(aep)的相当大的损失，并且还增加了功率转换器上的扭矩和/或应力，尤其是功率转换器的igbt开关装置上的扭矩和/或应力，因为额定功率是以同步速度或接近同步速度提取的。

9、然而，这样的损失通常是为了获得本地当局对风力涡轮安装的许可而做出的妥协。因此，将领会，为了最大化在nro模式和/或利用spm方案运行的风力涡轮的aep产量，应该接近风力涡轮用于生成电功率和在这样的模式和/或方案内操作的最大容量。

10、在一些情况下，要求“全时nro”操作来将声学噪声保持在规格限制内。全时nro有时被称为高风速噪声斜变(hwsnr)操作。在这种情况下，如图1中所示，风力涡轮发电机速度/功率曲线在额定功率下具有可变速度区域。因此，如所示，当风力涡轮产生额定功率时，并且随着风速增加，转子速度降低以控制噪声。然而，如所示，风力涡轮的功率输出通过增加扭矩来维持。这样的情况下的设计权衡通常是降低的aep(其由以同步速度或接近同步速度操作的缩减产生引起)，或者减少的igbt寿命(如果要求增加的aep)。

11、图2图示根据常规构造的典型nro/hwsnr电系统能力轮廓(profile)。因此，如所示，当电网电压和功率因数接近1(例如，0.95)时，风力涡轮的功率输出最大化，但是在更低电网电压和功率因数条件的情况下会显著降低。历史上，诸如图2的性能曲线之类的性能曲线已被用于以开环方式绘制可用aep。

12、因此，本公开涉及实现nro模式的前述优化的系统和方法，其确保风力涡轮在特定噪声排放约束下操作时从风能提取最大量的功率。

技术实现思路

1、本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中学习，或可通过实施例的实践来学习。

2、在一个方面中，本公开涉及一种用于在降噪操作期间优化连接到电力网的风力涡轮的性能的方法。该方法包括选择风力涡轮的第一性能参数或第二性能参数之一以优先化。当选择第一性能参数时，该方法包括实现第一优化模式。第一优化模式包括经由控制器监测电力网的一个或多个电网参数，并基于一个或多个电网参数主动调整风力涡轮的功率输出，以便最大化风力涡轮的能量产生，而不加速风力涡轮的一个或多个组件的寿命的消耗。当选择第二性能参数时，该方法包括实现第二优化模式。第二优化模式包括：经由控制器以最大功率输出额定值操作风力涡轮，同时监测风力涡轮的多个参数；经由控制器中编程的算法基于多个参数计算一个或多个组件的剩余寿命；以及当一个或多个组件的剩余寿命超过预定阈值时，生成通知以指示针对风力涡轮需要维护动作。

3、在实施例中，第一性能参数可以是优先化风力涡轮的设备寿命的设备寿命性能参数。此外，在实施例中，第二性能参数可以是优先化风力涡轮的功率输出的功率输出性能参数。

4、在另一个实施例中，电力网的(一个或多个)电网参数可包括例如电网电压、无功功率需求、环境温度和发电机速度。

5、在另外的实施例中，风力涡轮的(一个或多个)组件可包括风力涡轮的功率转换器的开关装置，例如绝缘栅双极晶体管(igbt)。

6、因此，在实施例中，基于一个或多个电网参数主动调整风力涡轮的功率输出以便最大化风力涡轮的能量产生而不加速风力涡轮的(一个或多个)组件的寿命的消耗可以包括基于(一个或多个)电网参数在接近同步速度时主动限制风力涡轮的功率输出，以便最大化风力涡轮的能量产生而不加速功率转换器的开关装置的寿命的消耗。

7、在另外的实施例中，风力涡轮的多个参数可包括例如有功功率输出、无功功率输出、一个或多个电网参数、环境温度、发电机速度、功率转换器的一个或多个开关装置的结温度和/或功率转换器的一个或多个开关装置的基板温度。

8、在另一个实施例中，功率输出可包括风力涡轮的有功功率输出和/或无功功率输出。

9、在若干实施例中，该方法可进一步包括经由控制器从电力网接收一个或多个电网需求，并且当(一个或多个)电网需求需要最大功率输出额定值时，经由控制器用第二优化模式替代(override)第一优化模式。

10、在另外的实施例中，生成通知以指示对于风力涡轮需要维护动作可包括确定风力涡轮在第二优化模式下操作的时间量，当时间量超过时间阈值时生成逐渐更紧急的警告消息，以及经由监督控制和数据采集(scada)系统传输逐渐更紧急的警告消息以驱动维护动作。

11、在另一方面中，本公开涉及一种用于在降噪操作期间优化连接到电力网的风力涡轮的性能的系统。该系统包括监督控制器和通信耦合到监督控制器的转换器控制器。转换器控制器配置成执行多个操作，包括在第一优化模式或第二优化模式之一下操作风力涡轮。第一优化模式包括基于电力网的一个或多个电网参数主动调整风力涡轮的功率输出，以便最大化风力涡轮的能量产生而不加速风力涡轮的一个或多个组件的寿命的消耗。第二优化模式包括以最大功率输出额定值操作风力涡轮，同时基于多个参数跟踪一个或多个组件的剩余寿命，并且当一个或多个组件的剩余寿命超过预定阈值时，生成通知以指示针对风力涡轮需要维护动作。

12、本公开的其它示例方面可以包括用于转换器调制和/或过调制的设备、系统、方法、控制系统和其它技术。