CN101016879B - 用于机舱风速修正的方法和系统 - Google Patents

Abstract

用于修正由舱载风速计(21)所产生的数据的测量误差以及用于确定风力涡轮机(10)的自由流风速的一种技术包括：确定与风力涡轮机(10)及其运行相关的参数，并且把这些参数(72)和来自舱载风速计(21)的数据用作算法的输入以提供对修正的风速数据(91)的确定。

Description

用于机舱风速修正的方法和系统

技术领域

在此的教导一般而言涉及一种用于对风力驱动涡轮机修正所测量的机舱风速的误差的方法。 

背景技术

越来越依赖风力驱动涡轮机来帮助减轻社会对能源日益增长的需求。因此，需要复杂的技术来确保在使用中每个风力涡轮机的可靠运行和最佳性能。因此，期望风速的精确估计以帮助解决对能源的需求。 

用于对风速进行精确估计的一种技术涉及独立的气象桅杆的使用。这项技术需要在风力涡轮机的逆风的某一距离设置一个装有测量设备(例如风速计)的独立的塔。虽然这项技术能够提供风速的精确估计，但是这项技术在经济上是昂贵的。另外，这项技术在一些情况下可能不提供期望的精度，例如在复杂的地形中。 

另一种技术涉及在风力驱动涡轮机的机舱上设置一个风速计。利用舱载(nacelle based)风速计获得的风速测量的比较显示出，舱载风速测量并不与那些利用在气象桅杆上的设备获得的测量精确地相关。此问题的研究已经显示出，对于任何给定的风速，利用舱载风速计获得的风速测量受到了风力涡轮机的动力生产的影响。实际上，风速的指示与所产生的动力相联系。遗憾的是，现有的数据采集系统假设了在利用舱载风速计获得的测量与自由流风速之间成比例。这种系统没有适当地解决误差，结果，对于各种操作所应用的风速数据并不如能被实现的那样精确。因此，诸如涡轮机优化之类的操作并不尽可能有效。 

由于许多原因，期望自由流风速的精确测量。例如，改进的测量将导致减小动力曲线测试的变化和风险。减小或者消除对现场校准的需要可以被实现，从而减少成本和时间花销。这可以通过减小或者消除对于与大多数地形变化相关联的流修正的需要来进一步有益于操作者。更多的益处非限定性地包括改善系统优化以及对于负载规划和性能估计改善精确度。 

所需要的是一种由舱载测量设备来精确地确定环境风速的方法。 

发明内容

在此所公开的教导克服或者减轻上面讨论的以及其它的缺点和不足。 

所公开的是一种用于对包括舱载风速计的风力驱动涡轮机确定修正的风速数据的方法，该方法包括：利用风速计测量风速以产生未修正的风速数据；在处理单元中接收未修正的风速数据；通过测量参数值和选择预定参数值中的至少一个来获得涡轮机运行的参数值；以及利用处理单元对未修正的风速数据和所述值进行处理，以确定修正的风速数据。 

还公开的是一种用于对具有舱载风速计的风力涡轮机产生修正的风速数据的系统，该系统包括：至少一个传感器，用于测量风力涡轮机的至少一个运行条件并产生至少一个动态值，其中所述至少一个传感器包括用于产生未修正的风速数据的舱载风速计；以及与所述至少一个传感器耦合的处理单元，该处理单元包括用于存储算法和存储至少一个预定静态值的存储器，其中该处理单元接收风速数据和至少一个动态值，并且将未修正的风速数据以及静态值和动态值中的至少一个用作算法的输入来产生修正的风速数据。 

进一步公开的是一种在机器可读介质上存储的计算机程序产品，该产品提供用于对具有舱载风速计的风力驱动涡轮机确定修正的风速数据的指令，这是通过：利用风速计测量风速以产生未修正的风速数据；在处理单元中接收未修正的风速数据；通过测量参数值和选择预定参数值中的至少一个来获得涡轮机运行的参数值；以及利用处理单元对未修正的风速数据和所述值进行处理，以确定修正的风速数据。 

进一步还公开的是一种用于对包括测量风速的舱载装置的风力涡轮机产生修正的风速数据的系统，该系统包括：用于获得风力涡轮机的至少一个运行条件的装置，所述至少一个运行条件至少包括未修正的风速数据；以及与该获得装置耦合的处理装置，该处理装置具有用于接收在至少一个运行条件下的至少一个值的装置，以及还包括利用所述至少一个值产生修正的风速数据的装置。 

本领域技术人员由以下的详细说明和附图将会认识和理解本发明的特征以及优点。 

附图说明

现在参考附图，其中在若干附图中相同的元件以同样的方式来编号，其中： 

图1说明风力驱动涡轮机的状况(aspect)； 

图2是涡轮机的机舱的剖视图； 

图3是描绘流过涡轮机转子的风的特性的图； 

图4是描绘相对于涡轮机的风速的图； 

图5是描绘相对于涡轮机的静压的图； 

图6描绘了进入转子叶片附近的风的分散； 

图7描绘了风力涡轮机的示例性功率曲线； 

图8描绘了用于产生修正的风速数据的处理单元的状况； 

图9描绘了用于产生修正的风速数据的示例性过程；以及 

图10是描绘用于一组示例性测量的未修正的风速数据和修正的风速数据的图。 

具体实施方式

参考图1，示出了一个示例性风力驱动涡轮机10。在这个实施例中，涡轮机10包括一个塔11，该塔11具有用于将涡轮机10固定在地形的底座12。至少一个至多个转子叶片13与机舱15连接，该机舱15再与塔11连接，所述每个转子叶片具有根部14和尖端16。在运行期间，风(由从左指向右的箭头说明)流过转子叶片13，从而引起转子叶片13绕旋转轴R转动。在这里所讨论的非限定性实例中，转子叶片13的转动所产生的机械能由机舱15内的系统进行转换以产生电力输出。 

虽然风力涡轮机10的一些实施例使用一个转子叶片13，但是其它实施例使用更多的转子叶片13。在典型的实施例中，使用了三个转子叶片13。因此，本公开一般而言根据具有三个转子叶片13的典型实施例来讨论风力涡轮机10，然而，这些实施例仅仅是说明性的，并且不限定在此的教导。 

图1进一步描绘了在现有技术中用于测量风速的设备。包括了一个气象桅杆4。这项技术需要在风力涡轮机10的逆风的某一距离D设置一个气象桅杆4，并对风速进行直接测量。最佳地，气象桅杆4上的测量设备以旋转轴R为中心。尽管图1描绘了一个水平面来作为旋转轴R，但是应该认识到在典型实施例中， 转子毂(hub)的高度可以与风力涡轮机10与气象桅杆4之间的间距相比。因此，所描绘的旋转轴R的状况仅仅是说明性的，并且不限定在此的教导。 

图2是说明其中所选的部件的示例性机舱15的剖视图。图2所示的是转子叶片13，每个转子叶片13在其根部与转子毂25相连。鼻锥26为毂25和其它部件提供流线型化。转子毂25在机舱15内与主轴22相连，该主轴22驱动齿轮箱28，该齿轮箱28再驱动发电机23。发电机23提供电力供应来为与其连接的电力负载(未描绘)服务。 

通过控制面板24内部的控制系统来管理涡轮机10的运行状况。在这个实施例中，前述的部件和各种其它部件被连接到机舱15内的主架27上。应该注意，图2中所描绘的各种其它部件的一些被认为对于在此的教导不是主要的。因此，在此不进一步介绍或讨论这些其它部件。 

图2中描绘的一个附加部件是风速计21。在典型实施例中，风速计21测量流过涡轮机10的迎面气流的速度。风速计21所收集的数据通常被馈送到控制系统。控制系统为了各种目的而利用风速计的数据。这种目的非限定性地包括涡轮机性能估计、涡轮机校准和涡轮机优化。在一些实施例中，风速计21位于在机舱1 5尾部中锚定的桅杆上，典型地在其中部。然而应该注意，在此的教导提供来自位于机舱15上或其周围的风速计21的风速计数据的使用。例如，在一个实施例中，风速计21可以被安装在转子叶片13的上游。因此，在此的教导关于风速计21的安装和安装位置仅仅是说明性的，并且不对其进行限定。 

为了在适当的环境下讨论在此的教导，首先重要的是描述与风力驱动涡轮机10相关的空气动力学的状况。图3-6提供了对于风流过在使用中的转子叶片13的标准模型的图形描绘。 

图3是描绘流过涡轮机10的转子叶片13的顺风的流管31的图。一系列从左指向右的箭头指示在流管31内风的方向和速度。如图3所示，在流管31截面A₁内的风具有比在流管31截面A₂内的风更大的速度，在流管31截面A₂内的风速又比在流管31截面A₃内的风速大。注意，如图3中所描绘的流管31经历了一些分散，因为它经过包含转子叶片13的平面A₂。 

图4类似地描绘了由图3中给出的方向性箭头说明的关系。也就是，图4描绘了在流管31内的风从平面A₁前进到平面A₂并穿过平面A₃时风速的降低。 

图5描绘了流管31内静压的变化。如图5所示，当流管31流过转子叶片13的外表面时，压力(P)从一个标称值P₁增加到最大值P。当流管31离开转子叶片13的平面时，流管31内的静压下降到最小压力。在某点处(这里描绘为平面A₃)，静压回到环境条件P₁。 

当考虑测量风速的最佳位置时，可能推测在流管31内设置风速计21是期望的。可以预测，图3-5中所说明的效应将对利用这样定位的风速计21获得的测量具有某种影响。 

典型地，转子叶片13在根部14处具有一个圆柱段，该圆柱段在空气动力方面是不起作用的。因此，在该段的阻力低于与转子叶片13的其它段相关的阻力。与转子叶片13的空气动力有效段相关的阻力取决于各种特性以及俯仰角。与转子叶片13的有效部分相关的阻力导致风向朝着尖端16以及根部14的移动。在图6中描绘了这种影响。 

图6描绘了风移动的一些定性的方面，包括流线和速度。图6中所描绘的涡轮机10的部件包括两个转子叶片13、机舱15和鼻锥26。转子叶片13的示例性旋转轴被描绘为虚线R，其绕转子毂25的中心线进行旋转。实线描绘了当风接近转子叶片13时流管31中风的移动。结果，风速在风速计21的位置处(靠近旋转轴R)增加。风速的增加是作为C_p(功率系数)和C_t(推力系数)的函数，其中这些量被定义为： 

$C_p=\frac{\mathrm{Power}}{0.5*\mathrm{\ρ}*v^3*A}$ (公式1)

$C_t=\frac{\mathrm{Thrust}}{0.5*\mathrm{\ρ}*v^2*A}$ (公式2)

其中： 

(Power)表示电力输出，并且优选在发电机23之后和变压器之前进行测量； 

(Thrust)表示沿流动方向在转子上的风力； 

(ρ)表示空气密度； 

(v)表示自由流风速；以及 

(A)表示转子叶片13的扫掠面积。 

还参考图6，示出了穿过转子叶片13的示例性风速分布图。所示的风速分布图说明，对于每个转子叶片13，在靠近尖端16处以及还在靠近根部14处 风速最大。 

参考图7，示出了风力涡轮机10的示例性功率曲线，从而说明使用利用舱载风速计所产生的未修正的风速数据的问题。在这个实例中，提高C_p导致在某个风速处更高的功率输出。该提高用向上的箭头(在风速为9米/秒处指示)说明。不正确地，以及由于功率和所指示的风速之间的有效联系，指示了增加的风速，如由水平箭头所说明。因此，该风速数据将错误地指示优化风力涡轮机10的努力的结果。 

因而可以认识到，在舱载风速计21的位置处获得的风速测量取决于各种静态和动态因素。各种因素的非限定性例子包括由于机舱15以及转子叶片13而引起的流畸变。还应该认识到，所使用的风速传感器(风速计21)的特性可能影响测量结果。动态因素的非限定性例子包括转子叶片13的空气动力学特性。所述空气动力学特性又取决于其它性质。这种其它性质的非限定性例子包括转子叶片13的类型和转子叶片13的表面状况。 

因此，修正对利用舱载风速计测量的风速的各种影响的效果的一种技术需要使用下列根据经验获得的公式： 

$V_{\mathrm{nacelle},\mathrm{corrected}}=\left(\frac{a-\sqrt[3]{C_p}}{b}\right)*V_{\mathrm{nacelle},\mathrm{measured}}+c$ (公式3)， 

其中：(a)、(b)和(c)表示与涡轮机及其运行的状况相关的值。 

值(a)、(b)和(c)可以是常量或者变量。常量值的非限定性例子包括从所使用的转子叶片13的类型获得的那些常量值以及从所采用的风速计21的状况获得的那些常量值。变量值的非限定性例子是从考虑了紊流的函数获得的变量值。 

本领域的技术人员可以推测到，可以使用各种传感器来收集数据以用于导出值(a)、(b)或(c)。例如，传感器可以用来提供应变的估计或者每个转子叶片13、转子毂25、主轴22和塔11的偏转。 

参考图8，示出了一个用于处理风速数据以及与涡轮机10的运行相关的值的系统70。在所描绘的实施例中，系统70包括一个处理单元71、至少一个传感器73和至少一个参数72。处理单元71可以包括通常用于数据处理的设备，非限定性地包括中央处理器(CPU)、存储器、数据存储设备、网络接口设备、以及其它通常可以用于实时数据处理的部件。与处理单元71分开示出的是至 少一个传感器73。优选地，所述至少一个传感器73以由涡轮机10的操作者认为合适的间隔提供对涡轮机10的至少一个运行条件(即运行参数72)的监控(例如监控在连续的、频繁的或周期性的基础上进行)。运行参数72的非限定性例子包括环境气象条件，例如压力、温度和湿度，以及其它条件，例如功率、推力、偏航、俯仰和转速。 

在一个实施例中，系统70包括一个用来执行在此的教导的计算机程序产品。在另一个实施例中，个人手工计算修正的风速数据。在这个实施例中，对于修正的风速数据的产生，可能不需要某些方面(比如处理单元71)。此后一实施例在环境生产条件是相对静态的并且周期性的估计满足了运行需要的情况下可能是有用的。 

图9描绘了用于产生修正的风速数据90的示例性过程。在图9中，将未修正的风速数据91和运行参数72用作处理单元71的输入。使用这些输入，处理单元71产生了修正的风速数据90。在优选实施例中，修正的风速数据90是被存储在数据存储器中和被路由到网络接口以供外部使用中的至少一种。 

通过修正的风速数据与在独立的气象桅杆4处收集的风速数据的比较，可以实现对风速数据修正确定的适当性的估计。估计已经显示，与基于桅杆的风速数据的线性相关可以根据在此公开的教导来实现。 

图10提供了用于一组示例性测量的未修正的风速数据和修正的风速数据的比较。在图10中，该图一般而言描绘了两组数据。上面的一组对应于未修正的风速数据91，而下面的数据对应于修正的风速数据90。 

因此，在此的教导提供了使用来自舱载风速计21的数据从现有技术的风速确定中除去偏差、从而减小功率曲线测量的可变性的技术效果。这向用户提供了完成调整以修正同时依赖于功率数据和指示的风速数据的各种参数设置、俯仰、偏航等(风力涡轮机10的优化)所需的信息。 

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种变化，并且可以用等同物来代替其元件。另外，在不背离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教导。因此，打算本发明不限于作为用于实现本发明所考虑的最佳方式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。 

附图标记列表 

4	气象桅杆
		10	涡轮机
11	塔
		12	底座
13	转子叶片
		14	根部
15	机舱
		16	尖端
21	风速计
		22	主轴
23	发电机
		24	控制面板
25	转子毂
		26	鼻锥
27	主架
		28	齿轮箱
31	流管
		70	系统
71	处理单元
		72	参数
73	传感器
		90	未修正的风速数据
91	修正的风速数据

Claims (10)

1.一种用于对包括舱载风速计(21)的风力驱动涡轮机(10)确定修正的风速数据(91)的方法，该方法包括：

利用风速计(21)测量风速以产生未修正的风速数据(90)；

在处理单元(71)中接收未修正的风速数据(90)；

通过测量参数(72)值和选择预定参数(72)值中的至少一个来获得涡轮机(10)运行的参数(72)值；以及

利用处理单元(71)对未修正的风速数据(90)和所述涡轮机(10)运行的参数(72)值进行处理，以确定修正的风速数据(91)。

2.如权利要求1所述的方法，其中参数包括运行特性、空气动力学特性和物理特性中的至少一个。

3.如权利要求2所述的方法，其中运行特性包括转速和发电机(23)输出中的至少一个。

4.如权利要求2所述的方法，其中空气动力学特性包括转子偏转、偏航和转子俯仰中的至少一个。

5.如权利要求2所述的方法，其中物理特性包括大气压力、温度、湿度、部件应变和部件应力中的至少一个。

6.如权利要求1所述的方法，其中参数(72)从包括下述中的至少一个的部件中获得：

涡轮机(10)、安装塔(11)、转子叶片(13)、转子毂(25)、转子主轴(22)、机舱(15)、舱载风速计(21)以及环境地形。

7.一种用于对包括舱载风速计(21)的风力涡轮机(10)产生修正的风速数据(91)的系统，该系统包括：

至少一个传感器，用于测量风力涡轮机(10)的至少一个运行参数(72)，并产生至少一个动态值，其中所述至少一个传感器(73)包括用于产生未修正的风速数据(90)的舱载风速计(21)；

与所述至少一个传感器(73)耦合的处理单元(71)，该处理单元(71)包括用于存储算法和存储至少一个预定静态值的存储器，其中该处理单元(71)接收未修正的风速数据(90)和至少一个动态值，并且将未修正的风速数据(90)以及静态值和动态值中的至少一个用作算法的输入来产生修正的风速数据(91)。

8.如权利要求7所述的系统，其中所述至少一个传感器(73)包括适于测量环境气象条件、功率、推力、转速、偏航、俯仰、应变和偏转中的至少一个的至少一个传感器(73)。

9.如权利要求7所述的系统，其中算法包括一个关系：

$V_{\mathrm{nacelle},\mathrm{corrected}}=\left(\frac{a-\sqrt[3]{C_p}}{b}\right)*V_{\mathrm{nacelle},\mathrm{measured}}+c$

其中：

V_{nacelle，corrected}表示修正的风速数据(91)；

a表示静态值或动态值；

b表示静态值或动态值；

C_p表示风力涡轮机(10)的功率的系数；

V_{nacelle，measured}表示未修正的风速数据(90)；以及

c表示静态值或动态值。

10.如权利要求7所述的系统，其中修正的风速数据(91)包括与在风力涡轮机(10)的上游测量的自由流风速的线性关系。

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