CN101201413A - 基于风速测定法的冰检测 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于风力涡轮机冰检测的方法。该方法包括：提供冰条件阀值参数，其适于区分其间结冰可以发生的条件和其间结冰不会发生的条件，用第一风速仪(110)测量风速度，其中第一风速仪属于第一类型，用第二风速仪(120)测量风速度，其中第二风速仪属于第二类型，且其中第二类型与第一类型不同，对于其间结冰可以发生的条件，评估用第一风速仪测量的风速度和用第二风速仪测量的风速度的偏差，且确定该偏差是否超过基于在其间结冰不会发生的条件进行的校准的极限值。

Description

基于风速测定法的冰检测
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的结冰。更特定地，本发明涉及用于风力涡轮机的冰检测和冰检测单元。具体地，本发明涉及用于风力涡轮机冰检测的方法、用于校准冰检测单元的方法和用于风力涡轮机的冰检测单元。
背景技术
在过去，风力涡轮机经历日益增长的需求。因此，越来越多的风力涡轮机也在一年期间具有更高的结冰可能性的地点计划并架设。例如，这样的地点可以位于冷而苛刻的气候中，如北欧、近海位置或者高山区域。这些条件导致增加的结冰可能性，即冰积聚。特定地，在涡轮机转子叶片处的结冰导致减少的能量输出。这基于风力涡轮机上增加的质量载荷以及风力涡轮机空气动力学属性的恶化。此外，在冰抛洒的情况时，可能发生调节以关闭风力涡轮机，进一步恶化能量输出。
典型地，由于结冰，风力涡轮机的功率输出减少。能够发现这些和更多的细节，例如在由T.Laakso，H.Holttinen，G.Ronsten，L.Tallhaug，R.Horbaty，I.Baring-Gould，A.Lacroix，E.Peltola，和B.Tammelin的“State-of-the-art of wind energy in coldclimate”(2003年4月)中、在由H.Seifert的“Betrieb vonWindenergieanlagen unter Vereisungsbedingungen”(来自AUF WIND99，ST.Plten的摘要)中、在由Henry Seifert的“TechnicalRequirements for Rotor Blades Operating in Cold Climate”、以及在由B.Schaffner的“arWind Energy Site Assessment in HarshClimate Conditions”中。
发明内容
由此，依据一个实施例，提供用于冰检测的方法。该方法包括提供冰条件阀值参数，其适于区分其间结冰可以发生的条件和其间结冰不会发生的条件，用第一风速仪测量风速度，其中第一风速仪属于第一类型，用第二风速仪测量风速度，其中第二风速仪属于第二类型，且其中第二类型与第一类型不同，对于其间结冰可以发生的条件，评估用第一风速仪测量的风速度和用第二风速仪测量的风速度的偏差，且确定该偏差是否超过基于在其间结冰不会发生的条件下进行的校准的极限值。
本发明进一步的方面、优势和特征从附上的权利要求书、说明书和附图显而易见。
依据另一实施例，提供用于校准冰检测单元的方法。该方法包括测量一定时期且在其间结冰不会发生的条件的第一风速仪的数据集，其中第一风速仪属于第一类型，测量相应时期第二风速仪的数据集，其中第二风速仪属于第二类型，且其中第二类型与第一类型不同，限定第一数据集和第二数据集之间的函数相互关系，且限定确定偏差阀值的极限值以指示结冰条件标记。
依据又一实施例，提供冰检测单元。冰检测单元包括属于第一类型的第一风速仪、属于第二类型的第二风速仪，其中第二类型与第一类型不同，且其中第二风速仪是可加热的以减少由冰对第二风速仪的影响，温度传感器，其适于测量冰条件阀值参数以区分其间结冰可以发生的条件和其间结冰不会发生的条件，和评估单元，其适于评估来自第一风速仪和第二风速仪的信号之间的函数关系。
附图说明
对本领域普通技术人员来说，本发明的完整和可以实现的披露，包括其最佳模式，在说明书的剩下部分更特定地阐述，包括参见附图，其中：
图1显示图示依据在此描述的实施例的包括基于风速仪的冰检测单元的风力涡轮机的示意图；
图2显示依据在此描述的实施例的冰检测单元控制方法的算法的流程图；
图3显示依据在此描述的实施例的冰检测单元校准方法的算法的流程图；
图4显示依据在此描述的实施例的冰检测单元冰检测方法的算法的流程图；
图5显示图示用于在此描述的实施例的风速仪的示意图；和
图6显示图示用于在此描述的实施例的风速仪的示意图。
具体实施方式
现在将进行本发明不同的实施例的详细参考，其一个或者更多示例在图中图示。每个示例以本发明解释的方式提供，且并不意味为本发明的限制。例如，作为一个实施例的部分图示或者描述的特征能够在其他实施例上或者与其他实施例结合使用，以产出又进一步的实施例。本发明意欲包括这样的修改和变化。
在某些大气条件下，冰将在涡轮机部件，例如风速仪和叶片上产生。通常使用的冰传感器并不提供足够的准确性。对以希望的准确性检测冰无能为力导致从涡轮机叶片的冰抛洒，且结果风力涡轮机在低于一定温度时需要关闭。
图1图示一个实施例，其中在风力涡轮机100上提供用于冰检测的系统。舱体6提供在塔架2的顶部。轮毂4可旋转地保持在舱体6处。转子叶片8装配到舱体6。用于冰检测的系统包括两个风速仪110和120。两个不同类型的风速仪在舱体6上提供，如用不同尺寸的风速仪指示。第一风速仪110更容易受结冰影响。第二风速仪120较少地受结冰影响。由两个风速仪110和120接收的信号被评估以发出结冰条件信号。
此外，依据一个实施例，可以提供用于冰条件参数值的检测单元130。风速仪110和120以及检测单元130连接到评估单元。依据另一实施例，检测单元130为本领域中已知的温度传感器。温度传感器测量温度且确定温度是低于还是高于阀值。评估单元140从第一和第二风速仪以及温度传感器接收信号。如以下关于图2-4描述的，评估单元适于提供第一风速仪和第二风速仪的测量值之间的函数关系。一般地，通过比较风速仪120的信号和风速仪110的信号，能够产生冰检测信号。
依据一个实施例，风速仪120为不容易结冰的加热的声波风速仪。风速仪110为风杯风速仪，其更可能受结冰影响。因此，在特别是舱体处发生结冰时，第二风速仪110受结冰影响。第一风速仪120的信号和第二风速仪110的信号将指示风速度的差值。该差值将关于图2-4中图示的方法和图5和6中图示的风速仪更详细地描述。
图2显示图示进行用于冰检测系统的方法的流程图。该方法从步骤210开始，其中系统初始化，且例如，事先确定的参数值从存储器读取，事先确定的参数值由使用者接口等提供。在步骤212内，测量的冰条件值与冰条件阀值参数比较。
依据一个实施例，冰条件阀值参数为温度值。例如，如果温度用温度传感器测量且测量温度高于事先确定的温度阀值参数值，结冰条件可能不会发生。另一方面，如果测量温度低于温度阀值参数值，存在发生结冰条件的可能性。因此，在步骤212内，其确认结冰条件不会发生的条件是否存在。这样的条件能够例如由至少在3℃-7℃或者甚至更高的温度范围内的阀值温度确定。如果温度为例如低于作为阀值的5℃，结冰条件可能发生。
如果在步骤212中已经确认没有结冰的危险(例如T＞Tth：是)，方法继续进行到步骤214。因此流程图的左手侧提供方法的校准分支。依据一个实施例，校准于结冰不可能发生的条件期间进行。依据另一实施例，例如如果结冰条件在风力涡轮机操作的长周期期间出现，校准对于很不可能发生结冰条件的结冰条件阀值参数进行。
一般地，在此描述的实施例中，校准对于在其间没有结冰出现的条件下获得的数据集进行，且在冰条件阀值参数值指示结冰条件可能发生的情况时，得到的校准值用于结冰条件的检测。
在步骤214中，生成数据集的直方图，其分别为来自第一风速仪的信号值和来自第二风速仪的值的直方图。依据一个实施例，生成的数据集的直方图可以包括最小风速度范围内的值。依据另一实施例，生成的数据集的直方图可以包括最大风速度范围内的值。依据更进一步的实施例，生成的直方图可以包括最小和最大风速度范围内的值。在产生数据集直方图后，在步骤216中，评估数据集是否包括在希望范围的每个内足够数量的值。依据进一步的实施例，直方图也可以相对于直方图的每一面元(bin)最小数量的值评估。
在测量数据集的分布(直方图)已经在步骤216中评估且数据集满足校准的要求(是)后，步骤218通往如图3图示的校准方法。否则，方法继续进行到步骤230。在步骤230中，一个算法循环结束且另一算法循环开始。
数据集的直方图可能是不够的，例如在数据集产生期间如果仅有小的风速度变化发生。依据实施例，在产生用于校准的带有不够的直方图的数据集的情况时，这些数据集可以与第一和第二风速仪的进一步测量值，即，以前的数据集或者外部数据集的值组合。
依据一个实施例，这些进一步的数据集可以从类似的风力涡轮机引入。依据另一实施例，可以提供更长的数据集产生周期，以产生第一风速仪和第二风速仪更多的值。在使用引入的数据值的情况时，在数据集中测量值的可用数量增加后，还可以渐渐地以测量数据替换引入的数据。依据另一实施例，如果直方图中可用值的数量允许从数据集删除较老的值，甚至可以删除较老的数据值。
接着，在描述图2的冰检测步骤222之前，将描述图3中图示的校准。关于图3图示的实施例以步骤218开始，其作为从一般系统方法到校准方法的转移步骤。
在步骤310中，第一风速仪可以定义为参考风速仪，而第二风速仪可以定义为测试风速仪。依据另一实施例，第一风速仪可以为风速仪的测试，而第二风速仪可以为参考风速仪。
然后，在分别相应于两个风速仪的两个数据集的值之间进行线性回归。作为线性回归的结果，计算斜率b、偏量a和确定系数r2。接着，在步骤312中，进行数据集的残差分析。其中，计算与步骤310中获得的线性回归比较的数据集单个值的残差。此外，残差的标准偏差作为第一校准值提供。在步骤314中，第一校准值，即残差的标准偏差，乘以固定的参数。
依据一个实施例，固定参数为使用于多个风力涡轮机的事先确定的值。残差的标准偏差和固定参数的乘积提供限定冰检测极限值的最大残差。依据另一实施例，固定参数为至少2。依据更进一步的实施例，固定参数在3-20的范围内。从而，在这些实施例中，在步骤314中确定极限值，其限定冰检测的阀值。
在步骤316中，在从包含斜率b、偏量a、确定系数r2、和大于最大残差的残差数量的集合中选择的至少一个元素上进行测试。
如果例如斜率b、偏量a或确定系数r2在事先确定的范围外，方法继续进行到步骤318，其中冰检测单元失效标记设为等于1。如果大于最大残差的残差数量超过事先确定的阀值，同样适用。因此，能够通知操作者校准失败或者冰检测单元有故障。如果斜率b、偏量a、确定系数r2、和大于最大残差的残差数量在希望的事先确定的范围内，校准在步骤319中限定为成功，冰检测单元失效标记设为0，且方法在步骤219中继续进行到图2中图示的冰检测系统方法。
依据进一步可替换的实施例，如果从包含斜率b、偏量a、确定系数r2、和大于最大残差的残差数量的集合中选择的两个或者更多元素在事先确定的范围外，方法继续进行到步骤318，其中冰检测单元失效标记设为等于1。因此，能够通知操作者校准失败或者冰检测单元有故障。否则，校准在步骤319中限定为成功，冰检测单元失效标记设为0，且方法在步骤219中继续进行到图2中图示的冰检测系统方法。
如果在步骤212中已经确认有一定的结冰危险(例如T＞Tth：否)，方法继续进行到步骤222。在图2中的步骤222中，确定现场校准是否已经进行。现场校准应该理解为关于图3描述的实施例的一个的校准，且其在与使用冰检测系统相同的风力涡轮机上进行。
依据一个实施例，在没有现场校准已经进行且没有可用的现场数据进行校准的情况时，可以加载经验值且校准可以用外部数据集进行。依据另一实施例，数据集从风力涡轮机本身给出，且校准已经或者能够用该数据集进行。依据更进一步的实施例，数据集从风力涡轮机本身给出，但直方图可能不够。然后附加的外部数据可能增加到测量数据集以校准冰检测单元。
由此，斜率b、偏量a和作为第一校准值的残差的标准偏差的值或者作为第一校准值和事先确定的因子的乘积的冰检测极限值能够在步骤222中提供。在步骤224中，方法继续进行到关于图4描述的冰检测程序。在图4中，冰检测方法以从图2的冰检测系统方法的转移步骤224开始。
在步骤410中，进行现有数据点的残差分析。因此，线性回归值斜率b、偏量a用于转换一个风速仪值。转换的值与另一风速仪值比较且计算残差。确定现有数据点的残差。也就是，确定风速仪的一个在多大程度上与由另一风速仪基于校准的斜率和偏差的线性函数计算的值不同。
此外，使用残差的标准偏差(作为第一校准值)或者作为第一校准值和事先确定的因子的乘积的极限值。在步骤412中，确定现有数据点的残差是否超过极限值(第一校准值和固定的参数的乘积)。如果现有数据点的残差超过极限值，冰计数指示器增加1(步骤412)。如果现有数据点的残差低于极限值，冰计数器指示器设为0(步骤416)。
此外，在步骤225中，方法返回到主冰检测系统算法。依据一个实施例，关于冰计数指示器，如果冰计数器值大于0，能够指示冰检测。从而，指示冰检测的一个数据点可以作为结冰的指示器使用。然而，依据另一典型的实施例，仅如果冰检测计数器指示大于1的值，冰检测系统可以指示风力涡轮机的结冰。因此，仅如果冰检测已经至少由第二个冰检测数据点确认时，指示结冰条件。
在算法返回到关于图2描述的方法的步骤225后，一个循环以步骤230终止。
依据上述的实施例，风力涡轮机的冰检测能够改进至少因子5。例如，用于苛刻气候中的通常使用的冰传感器可以导致大约14％错误结冰条件指示。这意味着，对于14％的冰检测情况，要么在舱体处没有结冰条件出现时指示结冰，或者在结冰实际出现时没有给出结冰指示。作为比较，在类似的苛刻气候中，用在此描述的冰检测系统可能降低错误结冰指示的数量到低于1.5％的值。此外，冰检测系统的置信度水平能够从85％改进到接近60％。这意味着包括风速仪算法的冰检测系统几乎跟参考冰信号一样好。
在图5和6中图示风速仪的实施例。图5显示风杯风速仪500。在主本体510上提供机轴或者轴512。风杯514安装到臂516，其通过环518可旋转地固定到机轴或者轴。环能够围绕机轴或者轴512旋转。依据一个实施例，机轴或者轴512和/或者环518能够用例如15-20W的功率加热。因此，结冰在风速仪上的影响减少。然而，由于风杯还可能由冰覆盖，风速仪相对容易受结冰影响。依据另一实施例，风速仪500未加热。因此，气候影响更强。一般地，风杯风速仪的实施例包括三个风杯。然而，依据其他实施例，也可以采用带有四个风杯的风杯风速仪。
图6显示声波风速仪的实施例。在主本体610上提供臂612和614。臂都包括声波收发器(或者分别发送器和接收器)，其彼此相隔以提供测量段。声音的传播速度与风速度叠加。从而，风速度影响声音的传播速度。从而能够应用声音的传播延迟的测量以确定风速度。如果四个臂和四个声波收发器提供彼此垂直的两个测量段，除风速度外能够测量风方向。
进一步依据一个实施例，如果使用收发器，可以测量从臂612到臂614以及相反的两个方向的声音传播速度。从而，声音传播速度从空气温度的依赖性能够被排除。依据另一实施例，声波风速仪600能够进一步提供有加热。因此，从空气温度偏离的进一步温度影响能够被排除。结果，依据关于图6描述的实施例的风速仪不受或者几乎不受结冰影响。
依据一个实施例，图1中图示的用于风力涡轮机的冰检测系统包括作为第一风速仪120的加热的声波风速仪(图6中600)和轴加热的风杯风速仪(图5中500)。
依据在此描述的实施例，能够提供改进的冰检测系统且涡轮机可以带有冰检测系统操作以尽可能地防止冰抛洒。
本书面描述使用示例以披露本发明，包括最佳模式，且也使任何本领域中技术人员能够进行和使用本发明。尽管本发明已经以不同的具体实施例形式描述，本领域中技术人员将认识到，本发明能够用在权利要求书的精神和范围内的修改实施。特别是，上述实施例的相互非专用的特征可以彼此组合。本发明保护范围由权利要求书限定，且可以包括本领域中技术人员可以想象的其他示例。这种其他示例意欲在具有与本权利要求书的字面语言没有区别的结构性元素，或者如果其包括具有与本权利要求书的字面语言非实质性区别的等同结构性元素的权利要求书的范围。
零件列表
塔架2
轮毂4
舱体6
转子叶片8
风力涡轮机100
第一风速仪110
第二风速仪120
用于冰条件参数值的检测单元130
评估单元140
方法步骤210(初始化)
方法步骤212(检查冰条件阀值)
方法步骤214(生成直方图)
方法步骤216(检查直方图)
方法步骤218(转移到校准)
方法步骤219(从校准转移)
方法步骤222(评估校准状态)
方法步骤224(转移到冰检测)
方法步骤225(从冰检测转移)
方法步骤230(结束循环)
方法步骤310(线性回归)
方法步骤312(残差分析)
方法步骤314(确定极限值)
方法步骤316(检查失效)
方法步骤318(设定失效标记)
方法步骤319(设定失效标记)
方法步骤410(残差分析)
方法步骤412(比较残差和极限值)
方法步骤414(设定冰计数指示器)
方法步骤416(设定冰计数指示器)
风速仪500
主本体510
机轴或者轴512
风杯514
臂516
环518
风速仪600
主本体610
臂612
臂614

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机(100)冰检测的方法，其包括：
提供冰条件阀值参数，其适于区分其间结冰可以发生的条件和其间结冰不会发生的条件；
用第一风速仪(110；500；600)测量风速度，其中第一风速仪属于第一类型；
用第二风速仪(120；500；600)测量风速度，其中第二风速仪属于第二类型，且其中第二类型与第一类型不同；
对于其间结冰可以发生的条件，评估用第一风速仪测量的风速度和用第二风速仪测量的风速度的偏差；和
确定该偏差是否超过基于在其间结冰不会发生的条件下进行的校准的极限值。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
计数偏差超过极限值的次数的数量；和
指示次数的数量超过计数阀值的结冰条件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中极限值为标准偏差和固定参数的乘积，其中标准偏差为基于在其间结冰不会发生的条件下测量的第一风速仪(110)和第二风速仪(120)的数据集获得的回归的残差的标准偏差。
4.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
加热第一风速仪；和
加热第二风速仪。
5.根据权利要求4所述的方法，其中数据集一年产生至少一次且校准一年进行至少一次。
6.根据权利要求1所述的方法，其中校准包括：
测量一定时期且在其间结冰不会发生的条件的第一风速仪的数据集，其中第一风速仪(110)属于第一类型；
测量相应该时期第二风速仪(120)的数据集，其中第二风速仪属于第二类型，且其中第二类型与第一类型不同；和
限定第一数据集和第二数据集之间的函数相互关系；
限定确定偏差阀值的极限值以指示结冰条件标记。
7.根据权利要求6所述的方法，其中函数关系为线性回归。
8.一种用于风力涡轮机(100)的冰检测单元，其包括：
属于第一类型的第一风速仪(110；500；600)；
属于第二类型的第二风速仪(120；500；600)，其中第二类型与第一类型不同，且其中第二风速仪是可加热的以减少由冰对第二风速仪的影响；
温度传感器(130)，其适于测量冰条件阀值参数，以区分其间结冰可以发生的条件和其间结冰不会发生的条件；和
评估单元(140)，其适于评估来自第一风速仪和第二风速仪的信号之间的函数关系。
9.根据权利要求8所述的冰检测单元，其中第一风速仪为可加热的，以减少由冰对第一风速仪的影响，且其中第二风速仪为加热的超声风速仪。
10.一个风力涡轮机(100)，其包括：
根据权利要求8所述的冰检测单元。
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