在存在尾流影响的情况下控制风力涡轮机

摘要

本发明涉及风电场、风电场控制器以及用于控制风电场（1）的多个风力涡轮机（2、3、4、…）中的第一风力涡轮机（2、2'）的方法，其中，所述多个风力涡轮机（2、3、4、…）中的第二风力涡轮机（3、3'）可能受到由所述第一风力涡轮机（2、2'）引起的尾流区域（10）的影响，所述第一风力涡轮机（2、2'）位于所述第二风力涡轮机（3、3'）的上游。确定当前偏摆状态，其中，所述当前偏摆状态选自以下至少一项：a）所述第一风力涡轮机（2、2'）的实际转子偏摆错位角（20），其中，所述实际转子偏摆错位角（20）被定义为所述第一风力涡轮机（2、2'）的转子（22）的旋转轴线（21）与所述第一风力涡轮机（2、2'）的上游的旋转轴线（21）处的当前风向（23）之间的角度，b）标识符，其表示所述实际转子偏摆错位角（20）是处于正偏摆错位角（24）的范围内还是替代地处于负偏摆错位角（25）的范围内。此外，确定指示第二涡轮机（3、3'）上的潜在尾流引发的风况，例如风向。基于当前偏摆状态、风况以及至少一个偏摆角滞后转换阈值（51，52），跟随滞后（50）限定第一风力涡轮机（2、2'）的转子偏摆偏移角设定点（40）。由此，避免了在正偏摆偏移角和负偏摆偏移角的范围之间的立即连续转换。

说明书

技术领域

本发明涉及用于控制包括多个风力涡轮机的风电场中的至少一个风力涡轮机的方法和风电场控制器，并且还涉及包括该风电场控制器的风电场。

背景技术

风电场包括多个风力涡轮机。根据当前的风向，一些风力涡轮机位于其他风力涡轮机的下游。上游风力涡轮机可降低下游风力涡轮机所经受的风速和风能。在下游风力涡轮机处，风的湍流也可能增加。在上游风力涡轮机下游或后方的背风区域也可称为该上游风力涡轮机的尾流区域，或简称为尾流。

为了减少由风电场中的风力涡轮机尾流引起的生产损失，可使用优化的叶片桨距、转子速度、电力生产设定点、转子倾斜度和/或偏摆偏移或者风力涡轮机上的其他控制设置。

当风力涡轮机尾流对另一个或多个其他风力涡轮机产生影响时，上游风力涡轮机可调整其控制设置，以减少尾流引起的负载或优化风力发电场的总产量。这些优化的设置最通常基于风力发电场模型，该模型假定知道进入到风力发电场中的风况和风力发电场的布局。通常，优化设置是基于所有风力涡轮机都处于操作中时的状况。

在用于优化整个风电场的功率输出或负载的常规控制系统中，将识别出可能对其他下游风力涡轮机具有影响的上游涡轮机，并且控制相应的上游涡轮机。

一种控制动作可以是设置上游风力涡轮机的偏摆角。在该文献中，术语“偏摆错位角（yaw misalignment angle）”用于表示风力涡轮机的当前偏摆状态，其中，该角度被定义为风力涡轮机的旋转轴的旋转轴线与该风力涡轮机的上游的当前风向之间的角度。术语“偏摆偏移”或“偏摆偏移设定点”用于表示在执行控制动作时偏摆错位角应满足的控制设置。

作为进一步的定义，“正偏摆角”在文献中将用于限定如从涡轮机上方观察涡轮机转子轴线从主风向的顺时针转向的角度。“负偏摆角”在文献中将用于限定如从涡轮机上方观察涡轮机转子轴线从主风向的逆时针转向的角度。当转子定向进一步偏离涡轮机转子轴线与主风向的对准时，这些正偏摆角和负偏摆角的绝对值会增加，其中，涡轮机转子轴线与主风向的完美对准由0度的偏摆角表示。但是，将在本文中后面论述的方法也允许替代的定义，其中逆时针旋转被视为正偏摆角，而顺时针旋转被视为负偏摆角。

特别聚焦于偏摆控制，可能存在如下状况，即：上游涡轮机可能具有特定偏摆角设置且风况的变化可能导致控制动作，使得偏摆位置剧烈变化，例如从较高值的正偏摆角重新定位到较高值的负偏摆角。即使这将导致上游风力涡轮机的最佳定向，这也可能引发挑战，因为转子的重新定位可能会花费一些时间，并且风况的变化可能比重新定位发生得更快。在最坏的状况下，可能会在相当短的时间间隔内发生若干这些主要的转子偏摆角的重新定位。

通常，还必须注意，所有偏摆动作都会对如轴承之类的部件产生机械负载或应力，并且高的偏摆控制活动可能会对这些部件在其使用寿命或保养循环方面具有负面影响。

可能需要一种改进的偏摆控制方法，从而确保可靠的性能并同时减少不期望的偏摆活动的数量。

在专利申请EP 3 037 657 A1中论述了偏摆以优化风力发电场的操作。论述了具有上游风力涡轮机和下游风力涡轮机的风力发电场，上游涡轮机在当前风况下以当前或现在的上游操作参数值或根据当前或现在的上游操作参数值来操作。在其他示例中，这样的操作参数也可以是偏摆角。在上游操作参数被修改的情况下，还估计了所谓的“参数改变代价”。

根据专利申请EP 2 767 710 A2，在还考虑主动尾流操纵的情况下，论述了提高风力发电场发电效率。在其他细节中，论述了何时应触发主动偏摆错位。论述了在间歇风向转变的情况下提供平稳操作的延迟。

在Jinkyoo Park和Kincho H. Law通过Elsevier出版的出版物“A data-driven,cooperative wind farm control to maximize the total power production”中，论述了尾流模型以及偏摆偏移角对尾流的影响。还展示出上游风力涡轮机对下游风力涡轮机具有尾流效应。

发明内容

本发明试图解决这些问题并缓解相关的缺点。

该目标通过独立权利要求来实现。从属权利要求描述了本发明的有利的改进方案和修改。

根据本发明，提供了一种用于控制风电场的多个风力涡轮机中的第一风力涡轮机的方法，其中，多个风力涡轮机中的第二风力涡轮机可受到由位于第二风力涡轮机上游第一风力涡轮机引起的尾流区域的影响，其中，定义第一风力涡轮机的转子偏摆偏移角设定点以遵循滞后特性。因此，如果在刚发生从负偏摆偏移角范围到正偏摆偏移角的转换之前不久发生，则可防止从正偏摆偏移角范围到负偏摆偏移角的转换。

根据本发明，施加滞后特性，从而避免（即，禁止或防止）正偏摆角和负偏摆角之间的立即连续转换。

零偏角意味着转子完全对准主风向。“正”偏移角应理解为转子的偏摆角，从零偏移角开始沿顺时针方向旋转。“负”偏移角应理解为转子的偏摆角，从零偏移角开始沿逆时针方向旋转。通过“转换”，可理解重新偏摆过程，其中，转子以角度进行主要的重新定位（例如，超过10度的变化），并且其中转子将重新对准（a）从正角区域开始并以负角区域结束，或者（b）从负角区域开始并以正角区域结束。

结果，用简单的话来说，转子翻转到另一侧。

“立即连续转换”将是一些紧跟在另一个之后的重新定位动作。因此，通过避免这种立即连续的转换，如果最近执行了这种具有符号改变的转换动作，则抑制了瞬间转换回具有相反符号的角度。

更详细地，本发明涉及一种用于控制风电场的多个风力涡轮机中的第一风力涡轮机的方法，其中，多个风力涡轮机中的第二风力涡轮机可受到由位于第二风力涡轮机上游第一风力涡轮机引起的尾流区域的影响，该方法包括以下步骤：

（1）确定当前的偏摆状态，其中，当前的偏摆状态选自以下至少之一：

a）第一风力涡轮机的实际转子偏摆角错位角，其中，实际转子偏摆角错位角被定义为第一风力涡轮机的转子的旋转轴线与第一风力涡轮机处的当前风向之间的角度，

b）代表实际转子偏摆错位角是在正偏摆错位角的范围内还是在负偏摆错位角的范围内的标识符；

（2）确定指示至少由第一风力涡轮机引起的在第二风力涡轮机处的潜在的尾流引发的水平的风况，优选地，尾流引发的水平至少由第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的位置之间的距离和/或由第一风力涡轮机处的当前风向表示，

（3）基于当前偏摆状态，风况和至少一个偏摆角滞后转换阈值来定义第一风力涡轮机的偏摆偏摆角设定点，使得转子偏摆偏摆角设定点遵循滞后。

优选地，可按照上述定义的顺序执行步骤。

因此，当前偏摆状态或者是第一风力涡轮机的当前偏摆位置的精确角度值，即实际转子偏摆错位角。在该配置中，假定控制以循环执行，则所确定的当前偏摆状态可表示由先前的偏摆控制循环期间经历的风向引起的精确偏摆位置。

或者当前的偏摆状态仅仅是一个标识符-具有两个可能值的二进制标识符-定义当前的偏摆位置是处于正偏摆角错位角的范围内，还是位于负偏摆角错位角的范围内。这样的标识符可能足以定义控件的上下文。

当前风向可通过单个测量来确定，例如使用LIDAR（光检测和测距）。备选地，由于由于风力涡轮机自身可能产生湍流而可能难以经由附接到风力涡轮机的传感器来确定当前风向，因此可执行多次测量，从而可推断出风向。

风力涡轮机处的当前风向可以是代表距转子地面的高度处的风向的值，好像该风力涡轮机将不存在。当前的风向代表风力涡轮机上游不久的风向，因为它将撞击转子。

用“当前”风向定义在特定时间点当前发生的风向。

风向可在传感器和/或控制单元中作为矢量或矩阵进行处理，以定义风向。在本公开的意义上，风向可被定义为风从其吹出的方向，但是该方法还允许使用以下定义：风向是朝向风流动的方向，通常也称为风矢量。

尾流引发的水平可由下游第二风力涡轮机上的功率损失来表示。

尾流引发的水平是第二风力涡轮机受到第一涡轮机的尾流影响的指标。几个值可用作尾流引发水平。尾流引发水平的一个选择是确定第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的位置之间的距离。由此可确定上游第一风力涡轮机是否以及影响到下游第二风力涡轮机多少，或者是否可忽略对第二风力涡轮机的尾流冲击。在该选项的变型中，不仅可评估上游和下游风力涡轮机之间的距离，而且可考虑横流距离来确定尾流引发的水平。给定的下游和横流距离可能会导致来自不同涡轮机的尾流重叠，其中，尾流重叠可在尾流引发水平上考虑。另外必须注意，下游距离，尤其是横流距离随着风向的变化而变化。尾流引发水平的另一种选择可以是计算与总转子面积相比受尾流影响的转子面积的百分比。这将清楚地表明第二风力涡轮机受到尾流的影响。另一选择将是，通过多于一个物理值，例如，通过一对风向以及第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的位置之间的距离来表示尾流引发的水平。

在优选的解决方案中，在本控制方法的操作期间，可能不执行对尾流引发水平的直接确定或测量。可在配置步骤中使用模型来考虑尾流引发的级别，该模型用于定义事先的控制器查找表，该表随后将在执行该方法时使用。

在本控制方法直接处理尾流引发水平的情况下，对于基于风向选择的给定一对风力涡轮机，尾流引发水平仅可由第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的位置之间的距离来表示，因为位置较近的风力涡轮机将比远距离的风力涡轮机影响更高的尾流影响。

第一风力涡轮机的转子偏摆偏移角设定点代表偏摆位置的目标值，当偏摆控制循环结束时应达到该目标值。

在下文中，也可将“至少一个偏摆角滞后转换阈值”的术语简化为“滞后阈值”。如果要论述一个以上的偏摆角滞后转换阈值，则使用复数形式的术语“滞后阈值”。

滞后阈值-最好是为给定的风向定义两个阈值对-定义了滞后的开关水平，即滞后曲线的水平。

滞后阈值可以是预定值，或者可基于当前风向来计算。

为了根据滞后控制转子偏摆偏移角设定点，将评估当前偏摆状态，风况和至少一个偏摆角滞后转换阈值。风向可以是用于风况的一种优选参数。作为进一步的选择，转子偏摆偏移角设定点也可基于风速，风湍流和/或影响尾流的其他条件。

转子偏摆偏移角设定点的某些输入参数也可能取决于实际风向。这尤其适用于选择至少一个偏摆角滞后转换阈值中的相关阈值之一。

本发明考虑了被称为尾流偏转的效果。尾流是由风力涡轮机产生的区域，在该区域中，由于从风中提取动能而导致下游风速降低。随着水流向下游流动，尾流会散布或分散，尾流最终会恢复到自由流状态。甚至可考虑将多个上游风力涡轮机的尾流用于单个下游涡轮机的运行，该单个下游涡轮机可再次被认为是风电场中其他涡轮机的上游。根据本发明，特别地考虑了来自相邻风力涡轮机的尾流效应。术语“尾流偏转”是指一种效果，其中在上游风力涡轮机偏摆未对准的情况下，尾流可能不会对称地出现在上游风力涡轮机后面，而是在一个方向上位移甚至弯曲。偏摆错位角可能对位移或曲率的水平有影响。这意味着，如果将偏摆未对准用于上游涡轮机以产生尾流偏转，则直接位于上游风力涡轮机后方的下游风力涡轮机可能仅部分受到上游风力涡轮机引起的尾流的影响。

在风电场控制器中，使用偏摆偏移设定值来减轻使用尾流偏转对下游涡轮机的尾流影响时，至少一个偏摆角滞后转换阈值要使用，定义一个点，在该点上，偏摆角不仅均匀增加，而且在正和负偏摆角之间基本反转-并为第一风力涡轮机定义遵循滞后的转子偏摆偏移角设定点是特别有利的，因为这可防止在正向和负向参考偏摆角之间快速重复过渡，否则可能会发生过渡。偏摆角滞后转换阈值可定义触发，在该触发时，将针对转子偏摆偏移角设定点触发正偏摆角和负偏摆角之间的转换，但是同时，只要不满足或超过偏摆角滞后转换阈值，转子偏摆偏移角设定点可被控制为仅执行较小的角度调节，例如在转子偏摆偏移角设定点和实际转子偏摆错位角之间小于5°或甚至小于2°。

如果以曲线表示这种行为，其中y轴代表实际的转子偏摆错位角，x轴最好代表风向角，则该曲线将一直持续到当前风向角达到偏摆角滞后转换阈值为止，在该阈值处将发生实际转子偏摆错位角的不连续反转，使得曲线就被打断了，例如从以前的正转子偏摆角错位角跃升为负角。还可定义第二偏摆角滞后转换阈值，以使得将从先前的负转子偏摆错位角跳到正偏摆。显然，在存在一对偏摆角滞后转换阈值的情况下，这些阈值应具有不同的值以产生滞后效应。

在先前的示例中，偏摆角滞后转换阈值由风向角，特别是第一风力涡轮机的风向的阈值定义。相反，偏摆角滞后转换阈值也可基于另一个参数，优选地，只要该另一个参数反映风向和/或到产生尾流的上游风力涡轮机的距离即可。

因此，滞后阈值可以是预先配置的值，或者可在方法步骤中基于输入参数，特别是风向和/或风力涡轮机之间的距离来确定。滞后阈值也可基于尾流引发的水平来确定。这样，滞后阈值定义了一个值，在该值处，尾流引发的水平增加到可接受的极限以上。

在一种解决方案中，可通过针对每个要考虑的风向范围将这些值设置为预先配置的可接受的尾流引发水平来确定多个至少一个偏摆角滞后转换阈值。可接受的尾流引发水平定义了一个范围，在该范围内将不需要翻转偏摆位置，因为尾流引发水平仍将在合适的范围内。

可预先执行优化。通过在使用风力涡轮机尾流模型的优化中应用可接受的尾流引发水平，可为风电场中的每个涡轮机计算每个要考虑的风向范围的滞后阈值，并将其集成到偏摆偏移查找表中。

在风电场的情况下，特定的风力涡轮机可具有几个对特定的风力涡轮机有影响的相邻的风力涡轮机。在这种情况下，可能存在多个风向范围，如前所述，在这些范围内，滞后特性可能会具有优势。在这种情况下，优选地具有多个偏摆角滞后转换阈值，优选地，对于可能受给定上游风力涡轮机的尾流效应影响的每个下游风力涡轮机，应为给定上游风力涡轮机定义一对偏摆角滞后转换阈值。

所解释的方法将上游第一风力涡轮机和下游第二风力涡轮机定义为基础。随着风向的变化，不同的风力涡轮机对可能会受到尾流的影响，因此可为该方法选择不同的风力涡轮机对。

在本发明的一个选择中，可基于当前风况，尤其是当前风向，或基于至少由第一风力涡轮机引起的第二风力涡轮机的尾流引发水平，可确定至少一个偏摆角滞后转换阈值-优选地从一组预先配置的值中选择。此外，可基于角距离值确定至少一个偏摆角滞后转换阈值，其中优选地，角距离值对应于至少一个偏摆角滞后转换阈值的滞后，该滞后滞后于第一风力涡轮机的可能偏摆角值的局部最优值。

换句话说，可能存在针对偏摆角的最佳转换值，在该最佳转换值处，反转偏摆角的方向可能是有利的，因为通过这种行为，尾流引发的水平可能不会超过给定值。该最佳开关值是转子偏摆偏移角设定值的局部最佳值。根据本发明的实施例，该局部最优不用于触发偏摆角的取向的反转，但是将存在滞后或延迟，使得仅进一步的角度变化将触发该反转。因此，该“滞后”是角度增量值-角度滞后-但可能会导致时间滞后，直到将触发偏摆角的方向反转。通过这种行为，可遵循转子偏摆偏移角设定点的滞后特性。

在本发明的实施例中，风况可以是先前论述的参数中的一个或几个的输入参数。例如，第二风力涡轮机处的尾流引发水平的确定可基于当前风况。替代地或附加地，第一风力涡轮机的转子偏摆偏移角设定点的定义也可基于当前的风况。而且，滞后阈值可基于当前的风况。一种主要风况是在给定时间点出现的当前风向。因此，作为示例，尾流引发的水平可优选地是当前风向的函数。

更详细地，当前风况可由以下参数中的至少一个来表示：如已经说过的，其可由当前风向来表示，优选地在第一风力涡轮机的位置处或针对第一风力涡轮机的位置来确定。第二，其可由当前风速表示，当前风速优选地在第一风力涡轮机的位置处或针对第一风力涡轮机的位置，在第二风力涡轮机的位置处或针对任何其他代表性位置而确定。第三，它可由当前的风力湍流来表示，当前的风力湍流优选地在第二风力涡轮机处或针对第二风力涡轮机的位置确定。最后，它可由当前尾流偏转表示为，与第一风力涡轮机在偏摆错位角为零的情况下引起的尾流相比，尾流的未对准，优选地在第二风力涡轮机的位置处或针对第二风力涡轮机的位置或在第一风力涡轮机和第二风力涡轮机之间的区域中确定。

在前面对“某个位置”的解释中，应该理解，“在”特定位置的直接测量可能是不可能的，但是可至少基于一个或几个位置处的测量值来“导出”特定位置的风况，或者从对应于待确定风况的其他测量值中得出风况。

风况也可以是平均值，例如在当前时刻之前发生的给定-相当短的时间跨度的平均风速，或者可在该时间跨度上计算出风向的平均值。

在下文中，将沿一些实施例论述转子偏摆偏移角设定点的控制，还简而言之来解释偏摆角滞后转换阈值或“滞后阈值”的含义。

在第一实施例中，可执行限定转子偏摆偏移角设定点的步骤，使得偏摆角滞后转换阈值限定转子偏摆偏移角设定点的滞后的转换极限。转换极限可以是特定的风向角度值，并且可执行控制方法，使得一旦达到或超过当前风向角度值的转换极限，转子偏摆偏移角设定点将在正角度和负角度之间改变。因此，结果是偏摆位置将急剧变化，并且偏摆电动机将被触发，以根据新的转子偏摆偏移角设定点重新定位转子。

在另一个实施例中，可执行定义转子偏摆偏移角设定点的步骤，使得对于转子偏摆偏移角设定点或对于风向而言，在两个偏摆角滞后转换阈值之间的范围内，增加的尾流引发水平将不会触发正转子偏摆偏移角设定点和负转子偏摆偏移角设定点之间的转换。这允许选择两个滞后阈值，使得仅在风向已发生重大变化时才会在正偏摆角和负偏摆角之间进行转换，而风向的微小反向变化不会直接触发正偏摆角和负偏摆角之间的另一个转换。这应该减少主要重新定位的次数，并且只有在风向发生重大变化时，才会在正偏摆角和负偏摆角之间进行另一个转换。

进一步解释根据滞后的行为，定义转子偏摆偏移角设定点的步骤可包括以下步骤：如果达到或超过了至少一个偏摆角滞后转换阈值中的第一个阈值，则将实际的转子偏摆错位角从正角转换为负角，并且如果达到或超过至少一个偏摆角滞后转换阈值中的第二个，则将具有负角的实际转子偏摆错位角转换为正角。

如已经提到的，至少一个偏摆角滞后转换阈值可为转子偏摆偏角设定点或风向定义至少第一滞后极限，使得转子偏摆偏移角设定点（a）在转子偏摆偏移角设定点或风向低于第一滞后极限并且（b）在转子偏摆偏移角设定点或风向达到或将超过第一滞后极限的情况下，可在正和负角之间转换角度，从而反转转子偏摆错位角度。术语“在极限以下”可表示一个值（包括考虑其代数符号）可在极限以下，或者仅比较绝对值。这意味着-10°的角度仍可认为小于-15°的极限（即使在考虑符号时，-10°也会大于-15°）。

如果第一滞后极限可定义从正角度到负角度的转换，那么可为第二行为定义第二滞后极限，以便从负角度到正角度转换相反的行为。

在优选实施例中，滞后阈值可被定义为多对偏摆角滞后转换阈值，其中，针对特定的风况或特定的风况范围选择每一对。作为示例，第一风力涡轮机可在各种方向上产生尾流，但是可能影响X个其他不同的下游涡轮机（作为示例，X可为3）。因此，可将X个下游涡轮机中的任何一个视为之前介绍的“第二个风力涡轮机”的下游。取决于实际的风向，将所论述的滞后特性应用于风向的X个范围可能是有利的，这样可保护所有X个下游涡轮机免受尾流感应的影响，同时还可防止在第一个涡轮机的正偏摆角和负偏摆角之间快速转换 。结果，可定义X对滞后阈值。为了进一步说明这一点，对于三个下游风力涡轮机，例如在相对于北方的风向为15°，60°和150°的情况下，如果不使用滞后，则可能存在最佳开关水平。现在，可将滞后极限定义为例如6°的宽度，因此滞后特性可定义为[12°，18°]和[57°，63°]和[147°，153°]的角度对，它们定义了三个特定风向范围的三个滞后区域。这意味着，对于连续顺时针旋转的风向，正角度和负角度之间的转换可能会发生在18°，63°和153°。对于连续的逆时针旋转风向，可能会在147°，57°和12°之间发生负角度和正角度之间的转换。

先前解释的方法仅得出转子偏摆偏移角设定点。结果，可能的目的是将该设定点用于偏摆动作，即，优选地，可将进一步的方法步骤定义为激活第一风力涡轮机的偏摆致动器，优选地为步进电动机，以偏摆第一台风力涡轮机，直到达到偏摆偏摆角设定点为止。

先前，已经针对给定的上游第一风力涡轮机和下游第二风力涡轮机的集合说明了该方法。然而，在风力发电场中，通常，在给定的风况下，所有涡轮机可位于另一台风力涡轮机的上游或下游。因此，优选地，该方法被增强，使得在所有先前定义的方法步骤之前，该方法可进一步包括以下步骤：（i）基于当前的风况，尤其是当前的风向，确定风电场的一对风力涡轮机，其中，所述一对风力涡轮机中的下游风力涡轮机受到或可能受到由所述一对风力涡轮机中的上游风力涡轮机引起的尾流区域的影响，（ii）选择所述一对风力涡轮机中的上游风力涡轮机作为第一风力涡轮机，以及（iii）选择所述一对风力涡轮机中的下游风力涡轮机作为第二风力涡轮机。

在另一实施例中，可基于第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的定位坐标来计算第一风力涡轮机和第二风力涡轮机的位置之间的距离。通常，可配置风电场的所有风力涡轮机的坐标，并将其存储在数据库或查找表中。相邻风力涡轮机之间的距离和对准角度也可存储在数据库或查找表中。

在另一实施例中，可通过至少访问预配置的查找表来执行为第一风力涡轮机定义转子偏摆偏移角设定点的步骤，其中访问查找表将返回转子偏摆偏移角设定点。作为示例，用于确定的一对风力涡轮机的查找表可以是至少风向的函数并且返回转子偏摆偏移角设定点。其他输入参数可以是风速，风湍流或其他参数。即使使用术语“函数”，查找表也可能不是数学函数，而是矩阵。

本发明还涉及执行上述方法步骤的风电场控制器。

此外，本发明还针对包括多个风力涡轮机和这样的风电场控制器的风电场。

对于所有上述解决方案，有利的是，可操纵尾流，可减小正偏摆角和负偏摆角之间的许多主要偏摆动作。结果，这减少了偏摆致动机构的磨损。

这种尾流转向可被定义为偏转尾流以减少尾流对下游涡轮机的冲击的控制。另一个优点是，所提及的尾流转向可通过减少尾流损失，即由于上游涡轮机的尾流而降低下游风力涡轮机所经历的功率，来增加风力发电场的发电量。

需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。

此外，在下面的部分中已经并且将会通过参考风力涡轮机叶片来公开示例。本发明还适用于任何类型的风力涡轮机模块，例如塔架或轮毂。此外，当风力涡轮机在维修或安装工作结束之后操作时，一般概念可应用于旋转部分以及固定部分。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1示意性地示出了如从上方观察的风力涡轮机转子产生的尾流；

图2图示了在本文各处将如何使用的正偏摆角和负偏摆角的范围；

图3图示了对于给定的风向使用偏摆偏移由上游风力涡轮机引起的尾流偏转；

图4图示了当风向改变时根据本发明的控制方法的行为以及产生的尾流；

图5图示了当风向继续变化时根据本发明的控制方法的行为以及产生的尾流；

图6示意性地示出了如何识别对另一涡轮机造成尾流效应的成对的风力涡轮机；

图7示出了偏摆角控制的现有技术行为的示图；

图8示出了根据本发明的偏摆角控制的行为的示例性示图；

图9图示了风电场控制拓扑；

图10抽象地图示了具有查找表的风电场控制器及其配置；

图11示出了根据本发明的偏摆角控制的行为的另一示例性示图。

附图中的图例是示意性的。要注意的是，对于不同附图中的相似或相同的元件，将使用相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中，示意性地示出了如从上方观察的由风力涡轮机转子产生的尾流。这意味着，视图的方向被限定为从风力涡轮机上方的空中看向竖立风力涡轮机的地面或水面。对于另外的图2-6也是这样。

在图1以及另外的附图中，抽象地示出了风电场1，其至少具有第一风力涡轮机2和第二涡轮机3。风电场通常还包括未在图1中示出的其他风力涡轮机。

第一风力涡轮机2非常抽象地示出为具有转子22，该转子22从顶部仅被描绘为一直线，其限定了区域64，该区域64在旋转时被转子叶片穿过或覆盖。风力涡轮机的抽象描绘的另一元件是轮毂62和机舱67。轮毂62和机舱67安置在未在图1中示出的塔架上，并且该定向为迎风，在操作期间，轮毂62被定向成迎风，并且机舱67相对于当前风向23并且如所示相对于转子22处于下游。当前风向23是在执行控制方法的特定时间点的风向，并且至少在针对受基本上均匀的风影响的风力涡轮机进行论述时由箭头标识。请注意，在图中箭头表示风吹的方向（即风矢量），但在气象学上，“风向”可用风来的方向表示。对于本发明的原理，在控制上风向是被视为风流动的矢量还是风从哪里流动的矢量没有实质性的区别。

风力涡轮机的旋转轴线21由虚线表示。旋转轴线21垂直于转子22的定向，即转子叶片的定向。

在图1中，对于从左到右的所示风向23，第一风力涡轮机2被认为处于第二风力涡轮机3的上游。第一风力涡轮机2和第二风力涡轮机3的位置之间的距离31可被确定为该对风力涡轮机的塔架之间的最短距离。

上游第一风力涡轮机2可产生尾流，其被标识为尾流区域10。尾流区域10是湍流增加的区域，并且是第一风力涡轮机2下游的区域。如果旋转轴线21与风向23对准，则尾流区域10可相对旋转轴线21近似对称。尾流区域10沿距离31扩展，但是也可能失去其负面影响，使得在某一距离处尾流可被认为已经消失，并且风向23和风速再次近似均匀。与之相反，下游第二风力涡轮机3被认为位于上游第一风力涡轮机1的尾流区域10中。尾流的影响由附图标记30标识，其表示区域64的受尾流影响的部分，区域64标识受旋转叶片覆盖的整个区域。具有附图标记30的要素可被认为是尾流引发水平30，因为其表示尾流对下游第二风力涡轮机3的影响。

到目前为止，图1仅示出了当关注两个风力涡轮机的子集时，在具有多个风力涡轮机的风电场1内的尾流影响的已知效应。

随图2引入了一些其他术语。图2的两个图表示第一风力涡轮机2的偏摆。实际的转子偏摆错位角20被标识为第一风力涡轮机2的旋转轴线21与被引导到第一风力涡轮机2上的风向23之间的角度。图2的第一图表示正偏摆错位角25的范围。这样的正角25是如下所有角度，即：其示出了相对于进入风向23如从上方观察的风力涡轮机的顺时针错位。因此，偏摆错位角25的正值在0°和+90°之间。图2的第二图表示负偏摆错位角24的范围。这样的负角24是如下所有角度，即：其示出了如从上方观察的风力涡轮机的逆时针错位。因此，偏摆错位角25的负值在0°和-90°之间。

基于此定义，当前状况的当前偏摆错位可仅由两种状态、即当前偏摆状态表示，当前偏摆错位处于正偏摆错位的范围内（在图中以“+”标识符示出） 或当前偏摆错位处于负偏摆错位的范围内（在图中以“-”标识符示出）。

根据本发明，重要的是确定当前偏摆状态，即，风力涡轮机的偏摆位置当前位于哪个角度区域中。这是用于确定下一个转子偏摆偏移角设定点的信息之一，现在参考图3至图5来说明。

图3图示了对于给定的风向23由上游第一风力涡轮机2引起的尾流偏转。如虚线所示，第一风力涡轮机2可被完美地引导成迎风，即，旋转轴线21可平行于风向23。所示的角度40于是将为零。结果，可能在图中夸大了，将发生尾流，该尾流将对下游第二风力涡轮机3的转子具有重大影响。因此，对于所描绘的风向23，第二风力涡轮机3将明显受到上游第一风力涡轮机2的尾流的影响。作为根据本发明的控制方法的一个重要要素，如果第一风力涡轮机2被置于处于负角度范围内的偏摆位置，则可减少这种尾流影响。因此，限定了转子偏摆偏移角设定点40，其指示用于第一风力涡轮机2的偏摆的目标位置。如果现在触发了偏摆致动器，并且当前偏摆错位角将根据转子偏摆偏移角设定点40定位，则产生的尾流改变其形状，这称为尾流偏转35。上游涡轮机使尾流偏转，在这种情况下，当从上方观察时向右偏转，使得减少了尾流与下游涡轮机的转子区域的重叠。在该示例性图中，仅尾流的小的区域影响转子区域。与未偏摆的上游涡轮机相比，这减少了下游第二涡轮机3上的由尾流引起的负载并且允许改善的电力生产。

因此，控制方法的一个要素是设置转子偏摆偏移角设定点40，使得基于风向23作为当前风况，来优化第二风力涡轮机3处的尾流引发水平30。对于所示的情况，偏摆错位角40处于负转子偏摆角的范围内。

在图3中还示出了另一风力涡轮机4，其不受第一风力涡轮机2或第二风力涡轮机3的影响。假定该另一风力涡轮机4也不在风电场1的另一风力涡轮机的尾流中，则其以0°的偏摆角迎风对准。

现在根据图4和图5进一步解释本发明的控制方法。图4图示了当风向改变时根据本发明的控制方法的行为以及产生的尾流。图4的状况是可能在图3中所示的上一个位置之后的某个时间发生的状况。图3的先前的风向和先前的偏摆位置在图4中如虚线所示。

根据图4，当前方向23以如下方式改变，即：第一风力涡轮机2的尾流区域10将再次更强地影响下游第二风力涡轮机3。每次风况变化时，在下一个控制循环中，转子的绝对偏摆位置也将沿相同方向转动。但是，相对于风向23，相对偏摆错位角可不一定改变。由于转向的风，转子位置的增量变化可能导致对尾流引发水平的负面影响，这可在图4中看到，因为尾流区域10覆盖了大部分的转子叶片区域。

对于根据图4所示的情况，偏摆错位角40继续处于负转子偏摆角的范围内。

第二风力涡轮机3还可能由于主风向的改变而重新调整定向（如图4所示）。对于图4中描绘的情况，这不会导致尾流引发水平的强烈提高。

该另一风力涡轮机4可基于该另一风力涡轮机4的位置处的新的风向23而简单地改变定向。

根据从图3到图4的转变，可看到本发明的控制方法的另一要素。只要达到特定上限，即如果达到或超过偏摆角滞后转换阈值（或简称为“滞后阈值”），则转子偏摆偏移角设定点40将逐步改变，例如通过以1°的步长更改定向。

图5现在图示了当达到这样的滞后阈值时根据本发明的控制方法的行为。图5进一步图示了当风向继续改变时所产生的尾流，其中图4是开始的情况。

根据本发明，用于第一风力涡轮机2的转子偏摆偏移角设定点40遵循滞后。转子偏摆偏移角设定点40的设置是基于当前偏摆状态、风况以及至少一个偏摆角滞后转换阈值。尾流引发水平30可能已用于预定义适当的偏摆角滞后转换阈值。图4中的当前偏摆状态处于负角度的范围内。尾流引发水平30处于高水平，例如，转子区域的70%受到尾流区域10的影响。在这样的情况下，可达到触发特定过程的偏摆角滞后转换阈值。代替转子偏摆偏移角设定点40的进一步增量变化，发生实质重新定位动作41，其中，发生从负偏摆角到正偏摆角的转换。仅作为示例，采用当前偏摆错位角的绝对值，改变代数符号，将具有改变的代数符号的新值作为新的转子偏摆偏移角设定点40。

虽然该控制方法的一个重要要素是执行正偏摆角和负偏摆角之间的改变，即正偏摆状态与负偏摆状态之间的改变，但并不要求绝对角度保持相同。很可能是发生从-20°到+15°的转换，使得绝对值（在示例中为20°和15°）不相同。

通过达到滞后阈值并借助将偏摆状态从负角度改变为正角度来重新定位第一风力涡轮机2的转子，先前的尾流区域也被翻转，从而产生具有相反定向的尾流偏转，如图5所示。结果，转子区域仅部分地受到尾流区域10的影响。

转子偏摆偏移角设定点40的所解释的定义将在一个控制循环中执行。在控制方法中，将连续执行控制循环以便连续执行所述控制。

如果随后在下一个控制循环中风向继续沿与以前相同的方向变化，则只要不满足下一个滞后阈值，在已经通过滞后阈值时，将再次执行增量改变。

如果随后在下一个控制循环中风向继续沿与以前相反的方向变化，则这是本发明的控制方法的一部分，现在滞后生效，并且转子的定向将不会再次直接向回翻转。现在只要不达到第二滞后阈值，就将以增量改变来执行重新定向。反向操作的细节未在图5中示出，但稍后将根据图6来说明。

到目前为止，成对的风力涡轮机2和3对彼此具有影响。如果风向可能更剧烈地变化（例如，从图中左侧的风将变为从顶部的风），则可能发生风力涡轮机2的尾流不再对风力涡轮机3具有影响。但是另一方面，风力涡轮机3可能对该另一风力涡轮机4具有影响。这在图6中图示。

因此，风力涡轮机3现在可被认为是上游风力涡轮机，并且风力涡轮机4可被认为是下游风力涡轮机。然后，可应用与之前相同的逻辑，因此上游风力涡轮机将需要执行先前针对第一风力涡轮机（先前标识为“2”）解释的控制逻辑，并且因此，被标识为上游风力涡轮机2'。下游风力涡轮机现在占据第二风力涡轮机（先前标识为“3”）的位置，并且因此，被标识为下游风力涡轮机3'。

现在将再次执行控制以受益于尾流偏转，在如图6所示的示例中，应用正偏摆错位角，以使尾流区域10从下游风力涡轮机3'的转子叶片区域转移。

因此，识别可能影响另一涡轮机的涡轮机也可能是所述控制方法的一个要素。可从到另一个涡轮的距离、相对另一个涡轮的定向以及当前的风向得出相关的一组涡轮。基于此，可选择该对涡轮机，对于该对涡轮机，可触发上游涡轮机偏摆，以获得尾流偏转。

如果认为风向23可能进一步沿顺时针方向改变，则可能再次发生如下情况，即：此次由风力涡轮机2'对风力涡轮机3'的尾流引发水平可能超过不期望的水平。同样，可达到滞后阈值，并且可触发重新偏摆，以在正角度和负角度之间转换。

图7示出了其中没有实施滞后的偏摆角控制的现有技术行为的示图。这不是针对本发明，而是应作为解释本发明的控制的基础。

该示图在x轴上示出了风向23，即在上游风力涡轮机2或2'处获得的流入风向角。y轴示出了转子偏摆偏移角设定点40，并且由于在执行偏摆致动之后实际设置满足该设定点40，所以y轴还代表了实际转子偏摆错位角20。

在该示例中，从左到右，转向的风向将在某个点处触发偏摆以启动尾流偏转。在该示例中，首先触发正偏移，并且在风向进一步转向的过程中，偏移逐渐增加。如果风向继续沿相同方向变化，则需要转换转子的定向。点α可以是转换角，在该转换角处发生偏摆状态的新定向。这样从左向右延续了曲线，将设置负偏摆角，并且一旦配置了相当大的负偏移，进一步增加角度将导致逐渐减小偏摆偏移。

在该曲线中，如果风向在α的区域中，但是风向顺时针和逆时针变化几次，从而几次通过α的值，则是有问题的。在这样的情况下，尾流偏转会反复地反转，这会在每次重大的重新偏摆动作时产生。这将导致高的机械工作量（mechanical effort）并导致磨损。其次，偏摆通常是基本上缓慢的动作，因为必须旋转重的负载。因此，根据所示示图的所触发的偏摆动作甚至可能无法跟踪快速的风变化，使得上游风力涡轮机可能经常自身重新定位，并且可能不始终处于优选角度中，这导致非最佳的尾流偏转。

图8现在示出了根据本发明的偏摆角控制的行为的示例性示图。x轴和y轴与图7中相同。

根据图8的过程与图7的不同之处在于，可能不会在“完美”角度α处发生转换，但是偏摆角可能会继续执行增量变化，或者甚至根本没有变化，直到达到具有第一转换极限51的第一滞后阈值，其在曲线中标识为角度β。然后发生从正偏摆角到负偏摆角的转换，在示图上从正转子偏摆偏移角设定点44跳到负转子偏摆偏移角设定点45。一旦满足示图的第二分支，曲线就可继之以沿两个方向的增量改变。在与以前相同的方向上进一步增加风向旋转将使曲线继续向右，并且负转子偏摆偏移角设定点45在其绝对值上将减小。

但是，如果风向旋转沿相反方向逆转，则曲线的第二分支将向左，并且这里允许增量角度变化，直到达到具有第二转换极限52的第二滞后阈值，其在曲线中标识为角度γ。如果满足角度γ，则将再次转换回到正偏摆角到示图的先前论述的分支上，使得新位置再次允许风向变化，而不会立即触发另一转换回到负偏摆角。

结果，形成滞后50，使得仅当发生大幅的风向变化时才将发生在正偏摆角和负偏摆角之间的转换。

作为示例，角度β和γ之间的距离可为2.5°、5°或10°。这可取决于风电场的位置以及风向在给定位置处改变的频率。

示图在y轴上示出了转子偏摆偏移角设定点40，并且正值表示正转子偏摆偏移角设定点44，而负值表示负转子偏摆偏移角设定点45。但是，由于致动器将遵循设定点设置，使得最终实际设置与设定点设置相同，因此该图可理解为还在y轴上示出了实际转子偏摆错位角20，并且正值表示正实际转子偏摆错位角24，而负值表示负实际转子偏摆错位角25。

一起回顾图8和图3至图5，图3和图4中的状态表示曲线的负角度分支上从右到左随绝对角度增加的转变。图5表示达到滞后阈值γ，使得发生向正偏摆角的转换。根据图5的新定向由图8的正分支上的点表示，转换极限52的箭头指向该点。

理论上的值α定义了最佳转变点，并位于两个转换极限β和γ之间。

现在已介绍了所述控制方法的所有要素，应在一个控制循环内对这些要素进行全面回顾。首先，基于风向和与另一风力涡轮机的距离，选择一对风力涡轮机作为第一风力涡轮机2或2'，其可能对第二涡轮机3或3'具有影响。然后确定当前偏摆状态。优选地，当前偏摆状态仅仅是二进制标识符，其表示实际转子偏摆错位角20是处于正偏摆错位角24的范围内还是负偏摆错位角25的范围内。因此，由此选择了图8的曲线上的分支。可替代地，当前偏摆状态也可与第一风力涡轮机2或2'的实际转子偏摆错位角20相同。

根据所解释的过程，控制反映了至少由第一风力涡轮机2或2'引起的第二风力涡轮机3或3'处的尾流引发水平30。该尾流引发水平可以是多少转子区域将受到尾流的不利影响的百分比。尾流引发水平30还可对应于第一风力涡轮机2或2'和第二风力涡轮机3或3'的位置之间的距离31和/或风向23。

最后，将第一风力涡轮机2或2'的转子偏摆偏移角设定点40限定为遵循滞后50。这是基于当前偏摆状态、特别是风向的风况以及偏摆角滞后转换阈值51和52。隐含地，转子偏摆偏移角设定点40也基于尾流引发水平30来控制。偏摆角滞后转换阈值51和52本身可取决于尾流引发水平30，因为它们限定了减小当前尾流引发水平的触发点。

利用限定的转子偏摆偏移角设定点40，可触发偏摆致动器，以将实际转子偏摆错位角20设置为转子偏摆偏移角设定点40的目标值。由此，控制循环将结束，并且在另一时间点，将根据相同的过程步骤启动下一个控制循环。

图9现在图示了风电场控制拓扑。这次从侧面示出了风力涡轮机2，从而示出了处于塔架63的顶部上的轮毂62和机舱67。在机舱67和塔架63之间抽象地示出了偏摆致动器60，该偏摆致动器60允许绕风力涡轮机的竖直轴线的偏摆。因此，可配置实际转子偏摆错位角20。

对于风电场中的每个风力涡轮机，可存在风力涡轮机控制器65。风力涡轮机控制器65将再次与风电场控制器61通信。

风电场控制器61执行先前论述的控制方法，特别是选择成对的涡轮机，确定上游涡轮机的当前偏摆状态，确定尾流引发水平，并且在考虑至少一个偏摆角滞后转换阈值的情况下限定转子偏摆偏移角设定点。然后，可将所确定的转子偏摆偏移角设定点从风电场控制器61传送到风力涡轮机控制器65，这继而将触发偏摆致动器60执行偏摆动作。

在该控制方法的过程中，可从风电场控制器61访问查找表66。图10抽象地图示了具有查找表66的风电场控制器61及其配置。

对于风电场1中的每个风力涡轮机，可存在这样的查找表66。查找表66可具有多个输入参数，至少为风向和当前偏摆状态。可选地，可使用其他输入参数，例如风速、风湍流和/或关于地面轮廓的信息。输出参数可以是滞后阈值和/或转子偏摆偏移角设定点。

图11现在示出了图8的变体，其中针对选定的上游第一涡轮机和更宽范围的风向角示出了偏摆角控制的行为的曲线。x轴和y轴与图7或图8中相同。

根据图11的过程与图8的不同之处在于，上游涡轮机可对给定上游涡轮机下游的三个下游涡轮机产生尾流影响。可存在三个角度区域，对于每个下游涡轮机一个区域，可在其中应用滞后以减少重大偏摆角转换的次数。可为第一下游风力涡轮机限定第一滞后501，其具有达到具有第一转换极限511的第一滞后阈值的理论上的“完美”角度α1，该第一转换极限511在曲线中标识为角度β1。然后发生从正偏摆角到负偏摆角的转换，从而在图上从正转子偏摆偏移角设定点跳到负转子偏摆偏移角设定点。一旦满足示图的第二分支，曲线就可继之以沿两个方向的增量改变。如果风向旋转逆转，则该曲线将在第二分支上继之以增量变化向左，直到达到具有第二转换极限521的第二滞后阈值，该第二转换极限521在曲线中标识为角度γ1。如果满足角度γ1，则将再次转换回到正偏摆角到示图的先前论述的分支上，使得新位置再次允许风向变化，而不会立即触发另一转换回到负偏摆角。

假定该位置在β1右边的第二分支上，则沿与以前相同的方向进一步增加的风向旋转将使曲线继续向右，并且负转子偏摆偏移角设定点在其绝对值上将减小。这将可继续到偏摆偏移角设定点至零，在该水平处偏摆可在更大的角度范围内保持。一旦风沿相同方向进一步转向，就将以与以前类似的方式来控制偏摆，但对于滞后502，其对于角度β2和γ2由特定滞后转换阈值512和522标识，该角度β2和γ2与理论上完美的转换角度α2具有一定距离。该第二下游涡轮机的曲线部段可与第一下游涡轮机的曲线部段不同，特别是具有不同的最大幅度和/或具有不同的转换阈值。

然后，在图11中，该曲线甚至继续，使得对于第三下游涡轮机，第三滞后503可利用其特征角α3、β3和γ3以及滞后转换阈值513和523来实现。

因此，给定的控制方法可为给定的上游涡轮机的每个潜在的下游风力涡轮机限定成对的滞后转换阈值。

总而言之，当在负偏摆角和正偏摆角之间转换时，以上论述的解决方案提供了滞后特性或滞后行为。术语“转换”是指重大的角度变化，不仅是通过零角度的增量变化。例如，相对于风向的偏摆的转换角度例如可为+25°，并且目标角度设定点可以是-20°。未被术语“转换”涵盖的应是从+0.1°经由0°到-0.1°或接近0°的类似值的增量转变。

需要注意的是，在风力发电场的情况下，其中风力涡轮机可根据风向影响多个不同的其他风力涡轮机，滞后可允许减少这种转换动作的次数。可实现具有多个转变角度的滞后实现。可计算或得出到最接近的尾流源的距离。此外，可根据当前状态和距产生尾流的风力涡轮机的距离来计算查找表选择的状态。在这种情况下，查找表可以是根据至少风向和可能影响尾流偏转的其他参数来限定偏摆角的函数。

该滞后函数将允许在正偏摆角和负偏摆角之间的急剧转变，以在变化的风向中将尾流从下游涡轮机引离，但防止偏摆致动器可能无法跟踪的正参考偏摆角和负参考偏摆角之间的快速重复的转变。

可使用对偏摆角的约束来使它们保持为负或正，从而基于尾流模型使用基于模型的优化来优化和得到如图8所描绘的曲线。两个曲线分支中的一个的选择是涡轮机对准角的函数和当前选择的偏摆状态的函数。由此引入了滞后。