CN101493379B - 风力涡轮机风速测定补偿 - Google Patents

风力涡轮机风速测定补偿 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风力涡轮机风速测定补偿。公开了一种对具有转子(8)的风力涡轮机(2)的自由流风力特性进行估算的方法。该方法包括：估算涡轮机的吊舱风速；根据估算出的吊舱风速来确定转子(8)的至少一个角位置，以用于测量涡轮机的吊舱风力特性；以及在转子的已确定角位置处测量吊舱风力特性。

Description

风力涡轮机风速测定补偿
技术领域
本申请所述主题大体涉及对流率的测量和测试，且更具体地讲，涉及对风力涡轮机的风速测量值的吊舱-自由流补偿。
背景技术
风力涡轮机是一种用于将风动能转换为机械能的机械。如果该机械能直接由机器用来例如抽水或碾磨小麦，那么该风力涡轮机可称为风车。类似地，如果该机械能进一步转换为电能，那么该涡轮机可称为风力发电机或风力发电站。
风力涡轮机使用采用“叶片”形式的一个或多个翼型件(airfoil)，以产生升力(lift)并且从流动的空气中获取动力，然后将该动力传给转子。各个叶片通常在其“根部”端固定，然后沿径向“向外侧”“跨”到自由的“梢”端。叶片的前部或“前缘”连接叶片最前点，该叶片最前点首先接触到空气。被前缘分隔开的气流在经过叶片的抽吸和压力表面后，在叶片的后部或“后缘”处重新汇合。“弦线”沿着经过叶片的的典型气流的方向连接叶片的前缘和后缘。该弦线的长度简称为“弦长”。
风力涡轮机通常根据叶片旋转所围绕的垂直轴线或水平轴线来分类。一种称为水平轴线风力发电机的风力涡轮机示意性地显示在图1中，并且可以从美国乔治亚州亚特兰大的GE能源公司(GE Energy ofAtlanta，Georgia UAS)获得。用于风力涡轮机2的特定构造包括对具有转子8的传动系6进行支撑的塔架4，转子8由称为“吊舱”的保护性壳体覆盖。在吊舱外侧，叶片10布置在转子8的一个端部上，以用于驱动连接到发电机14的变速箱12，该发电机14在吊舱中的传动系6的另一端并且具有控制系统16。
为了防止损坏叶片，控制系统16通常构造成以便在大约为8英里每小时至16英里每小时的最小风速下自动启动风力涡轮机，然后在大约为55英里每小时的最大风速下停止风力涡轮机。此外，控制系统16还可以构造成以便响应风速和/或其它控制系统输入对风力涡轮机运行的各个其它方面进行控制，诸如功率输出、功率曲线测量、吊舱偏转和叶片倾斜。控制系统16的这些方面和/或其它方面通常在两类宽泛的且通常交迭的控制系统下实施，这两类控制系统具有很多变化和结合：逻辑控制或顺序控制，以及反馈控制或线性控制。然而，所谓的模糊逻辑也可以用来将逻辑控制系统的一些设计简便性和线性控制系统的实用性相结合，反之亦然。
反馈控制系统通常包括具有传感器、控制算法和执行器的控制环，该控制环通常设置成以便调整设置点处的操作参数变量或者基准值。所谓的“PID控制”是可应用在风力涡轮机中的一种通用型反馈控制系统。在另一方面，  “开环”控制系统被用来以不使用反馈的预先设定的方式来控制风力涡轮机运行。
用于风力涡轮机2的现代控制系统16通常由常作为本地嵌入式控制系统和/或范围更宽的分布式控制系统的一部分的本地计算机和/或远程计算机来实施。这些计算机通常配置成以便通过测量开关输入、根据这些测量值计算逻辑函数且然后将结果发送到电子控制的开关，来模拟逻辑设备。虽然逻辑控制系统和反馈控制系统都由可编程逻辑控制器来针对风力涡轮机实施，但是控制系统16也可以由其它非计算机技术来实施，如由电子继电器或机械继电器、真空管道、电子、液压和/或汽动系统、甚至简单的周期性手动调整来实施。
如上所述，对控制系统16的输入通常包括各种风力特性，例如由具有风向标的风速计所获得的风速和风向。如图1所示，风速计18可安装在风涡轮机2的吊舱上或附近。例如，所显示的杯式风速计包括臂端部处的杯，在吹风时这些杯进行旋转。然而，也可以使用其它类型的风速计，包括叶片式风速计、压力管式风速计、热线式风速计和声波风速计。
使用这些仪器来实施的“吊舱风力特性测量”受到导致错误的各种影响，包括叶片10的紊流效应，其旋入或旋出风速计18的流体流动通道和/或吊舱上的风向标。因此，如图2所示，有时在风力涡轮机2的逆风方向的适当距离D处布置另外的气象桅杆20，以便于对“自由流”或“自由气流”的风速和风向进行测量，该风速和风向近似于若不存在涡轮机时在涡轮机位置处测到的“真实的”风速和风向。实际上，这样的风速和风向测量值对国际电工委员会标准(InternationalElectrotechnical Commission Standard)“IEC61400-12”所述的“Powerperformance measurements of electricity producing wind turbines”特别重要。
美国专利公开No.2007/0125165(来自编号No.11/295,275的申请)披露了一种用于修正由基于舱的风速计所产生的数据中的测量值误差以及用于利用下述的根据经验获得的公式来确定自由流风速的技术：
Figure G2009100024486D00031
其中，Cp为功率系数，并且a，b和c表示与涡轮机及其运行方面相关的值。然而，如果没有气象桅杆20，这些和其它传统的吊舱风速误差修正技术不足以解决叶片10的紊流效应，其旋进和旋出在吊舱上的风速计18的流体流动通道。在涡轮机吊舱上的该测得的风速和实际自由流风速之间的关系有时称为“吊舱-自由流转换函数”，或者简称为“转换函数”。
发明内容
本申请通过在各个实施例中提供针对具有转子的风力涡轮机的自由流风力特性进行估算的系统来解决这些传统方法的这些方面和其它方面，其包括：对涡轮机估算吊舱风速；根据该估算出的吊舱风速来确定转子的至少一个角位置，以用于对涡轮机测量吊舱风力特性；以及在转子的、经确定的角位置处测量吊舱风力特性。
附图说明
现在将参考下列附图(“图”)来描述本技术发明的各个方面，这些附图不一定是按比例绘制的，但是在若干视图的各个附图中，使用相同的参考标号来表示相应部件。
图1为传统风力涡轮机的示意性侧视图；
图2为具有气象桅杆的、图1中的风力涡轮机的示意性侧视图；
图3为轴向吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图4为侧向吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图5为向上吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图6为水平吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图7为桅杆风速-吊舱风速的关系曲线；
图8为斜率及确定系数-转子位置的关系曲线；
图9为吊舱风速与桅杆风速之差-轴向吊舱风速的关系曲线；
图10示意性地显示了对具有转子的风力涡轮机的自由流风速进行估算的方法。
部件列表：
2.风力涡轮机
4.塔架
6.传动系
8.转子
10.叶片
12.变速箱
14.发电机
16.控制系统
18.风速计
20.气象桅杆
30.斜率相关线
32.r-平方相关线
40.曲线线条
42.曲线线条
44.曲线线条
46.曲线线条
48.曲线线条
50.估算自由流风力特性的方法和系统
52.第一步
54.第二步
56.第三步
具体实施方式
图3是对于9米每秒和10秒每秒之间的平均轴向风速的、沿着图2所示的转子轴线“U”的吊舱风速曲线。更具体地讲，对于沿着图2的转子轴线“U”的、落入在9米每秒(“m/s”)和10米每秒之间的“范围(bin)”值的测量值，该图显示了由三维声波记录风速计测量的、作为转子角位置的函数的沿转子轴线的吊舱风速。然而，也可以使用其它风速计和/或其它空间定向。对于相同的9m/s至10m/s的轴向风速“U”范围，图4和图5显示了沿着图2所示的侧向轴“V”和向上轴“W”的平均风速测量值的类似曲线。因为转子轴线“U”可以自水平倾斜，所以图6还显示了对于所测得的、9m/s至10m/s范围中的轴向风速“U”的水平风速测量值“H”。
对于转子的全部角位置，图7是显示了对于9m/s至10m/s范围的、气象桅杆20处的测得水平风速“M”对于来自图6的水平的测得吊舱风速“H”的散点图。在本示例中，桅杆水平风速“M”用来指代真实风速。然而，对真实风速的其它指代也可以使用。优选但并不是必要地，将以这样一种方式来获得真实风速测量值，以降低测量装置和/或其它外部因素对读数的影响。
图7还显示了转子定向的两个角度范围以及针对这些角范围的“M”和“H”之间的相应的相关性。参考线30显示了“M”/“H”的斜率值大约为0.15，此处，转子的角位置在59度与61度之间。参考线32显示了“M”对“H”的回归确定系数“R平方”值大约为0.55，此处，转子的角位置在119度和121度之间。为了找出和/或等级划分对于转子各种角度定向范围的测得风速和真实风速之间的关系，还可以使用其它相关性，包括但不限于加权最小二乘方，卡方(Chi-square)，点二列相关性，皮尔森积矩和/或相关性系数，Spearman′sρ、Kendall′sτ、多项相关性、交叉相关性、自相关性和/或联合函数(copulas)。
图8为以上关于图7所述的对于各种转子角位置的的斜率和确定系数的曲线。图8显示出“M”与“H”的确定系数和斜率的最大值出现在大约20°、140°和260°转子角位置处，其中，零度角是叶片之一大体垂直地布置时测得的角度。然而，也可以使用用于确定转子角位置的其它起始位置。
上述各种测量和计算也可以针对风向和/或与除上面讨论的9m/s至10m/s范围外的其它风速“范围”相联系来进行。当考虑其它风速范围时，对于在转子的其它角位置处的真实风速与测得吊舱风速之间的最大(确定系数)相关性的角位置如下所示：
  风速范围(m/s)   第一位置(度)   第二位置(度)   第三位置(度)
  3-4   50   170   290
  4-8   40   160   280
  8-9   30   150   270
  9-10   20   140   260
  10-11   10   130   250
  11-13   0   120   240
  13-14   350   110   230
  14-16   340   100   220
对于高风速，上述表格显示了测得风速与真实风速之间的最大相关性的角位置是如何减小的(朝向零度旋转)。这样，真实风速与测得吊舱风速之间的最佳相关性可以在某个角位置处找到，对于所测得的吊舱风速的不同范围，该角位置会变化。对于真实风速和测得的吊舱风速之间的并不一定是最强相关的相关性，也可以确定任何可接受限度内的其它位置和/或位置的范围。也可以针对各个风力涡轮机叶片构造来重新计算这些角位置，并且/或者对于任何风力涡轮机叶片构造，上面所指出的位置也可以用作最佳估算。针对真实风向和测得的吊舱风向之间、和/或其它风力特性之间的最佳相关性，对于确定转子的角位置也预期有类似的结论。
在另一方面，测得吊舱风速和风向与真实风速最不可能相关的角位置可以由下面的几何计算来确定：
d*360*Nr/(v*60)，
其中，“d”为转子平面和风速计之间的距离，“Nr”为转子速度(以每分钟转数来表示)，并且“v”是吊舱风速的时间平均测量值。那么测得吊舱风速至少与真实风速最不可能相关的其它两个“受影响位置”为在由该公式所指出的位置之后的120°和240°。相反，因此也能够确定测得吊舱风速与真实风速最可能相关的角位置出现在上述公式给出的受影响位置之前(或之后)的60°。或者，对于所有风速，也可以粗略地确定测得吊舱风速与真实风速最可能相关的角位置出现在60°、180°和300°转子位置，在该位置，叶片10定位成距离通向风速计18的风力流动通道最远。
图9为吊舱风速与桅杆风速之差-轴向吊舱风速的关系曲线。在图9中，对于上表列出的转子位置，曲线线条40绘出了测得吊舱风速与真实风速之间的差值“Δ”与测得轴向吊舱风速“U”之间的关系。因为240°位置的一些数据看起来是错误的，所以图9还显示了若干个另外的数据筛选。曲线线条42显示了忽略240°位置的特例。曲线线条44显示了对数据应用了一分钟移动平均的另外一个特例。曲线线条46是对数据应用了一分钟移动平均并且忽略240°位置的另一个特例。曲线线条48显示了对于各个角位置仅仅利用单一测量值的又一个特例。
图10示意性地显示了对具有转子的风力涡轮机的自由流风力特性进行估算的系统和方法50。例如，吊舱风力特性可以选自但不限于包括风速、速度和方向的组。图10的流程图示出了系统和方法50的许多可行实施方案中的一种实施方案的大体架构、功能和操作。例如，图10所示的用于系统和方法50的步骤的其中一些或所有步骤可以在包括用于实施逻辑功能的可执行指令有序序列的软件、固件和/或硬件中实施。当在作为图1所示的控制系统16的一部分的软件中实施时，各个方块可代表模块、片段或代码的一部分，其包括用于实施特定逻辑功能的一个或多个可执行指令。应该注意的是，在各个备选实施方案中，方块所说明的功能可以不按图10所示的顺序发生。例如，根据所涉及的功能，图10中连续地显示的两个方块实际上可以大体上同时执行，并且/或者方块有时可以以相反的顺序或者其它顺序来执行。
这些指令可以写入在任何计算机可读介质中，以通过或者连接指令执行系统、装置或设备(例如基于计算机的系统、包括处理器的系统、可编程逻辑控制器和/或能够从该指令执行系统、装置或设备中获取指令并执行该指令的其它系统)来使用。该“计算机可读介质”可以是能容纳、存储、通信、传播或传输程序的任何器件，以通过或连接指令执行系统、装置或设备来使用。例如，该计算机可读介质可以是电子的、磁的、光学的、电磁的、红外线的或半导体的系统、装置、设备或传播介质。该计算机可读介质的其它非穷举性的示例可包括以下：具有一个或多个线路的电连接(电子的)、便携式计算机软盘(磁的)、随机存储器(RAM)(电子的)、只读存储器(ROM)(电子的)、可擦可编程序只读存储器(EPROM或闪存)(电子的)、光纤(光学的)以及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学的)。注意该计算机可读介质甚至可以是纸张或程序打印在其上的其它适合介质，因为可以通过例如对纸张或其它介质进行光扫描来以电子方式获取程序，然后编译、解释或者如有必要以适合的方式进行其它处理，然后存储在计算机存储器中。
在图10所示的非限定性示例中，系统和方法50包括用于对涡轮机进行吊舱风速和/或其它吊舱风力特性进行估算的步骤52。例如，可以在涡轮机运行的预定期间将吊舱风速隐含地或明确地估算为大致恒定的值。然后可根据特定原因、天气状况和/或其它本地变量来修改该值。对吊舱风速的这种定期估算甚至可以由操作人员手动进行。
备选地，或者另外，可以通过随时间测量实际吊舱风速来估算吊舱风速，例如通过测量多个角位置和/或转子多周旋转的平均吊舱风速来估算吊舱风速。例如，可以通过实际吊舱风速的一个或多个较早测量值(包括针对上面表格所示的转子角位置中的一个或多个角位置所获得的测量值)来估算当前的吊舱风速。
估算吊舱风速的另一个可选步骤包括测量涡轮机的功率输出，然后根据涡轮机功率曲线来输入风速。估算吊舱风速的另一个选择步骤包括，根据对于给定转子位置的转子速度“Nr”的测量值以及转子平面与风速计之间的距离“d”，使用上面讨论的公式d*360*Nr/(v*60)和/或其它计算来计算风速“v”。
图10中的系统和方法50的步骤52包括根据估算出的吊舱风速来确定转子的至少一个角位置，以用于测量涡轮机吊舱风力特性。例如，如以上所讨论的那样，该确定步骤可包括对于转子若干角位置中的各个角位置，使真实风速和吊舱风速相关；并且基于该相关性来选择该至少一个角位置。可以使用包括上面讨论的任何最强相关性的任何可接受的相关性等级。特别是，对于落入表格左栏中列出的范围的其中一个范围内的任何估算出的风速，可根据上面显示的表格来确定用于测量吊舱风速和/或风向的三个角位置。除了使用这样的查询表格外，类似信息能够以函数或图表的形式来获得和/或利用。备选地，或者另外，角位置可根据上面讨论的公式d*360*Nr/(v*60)来确定。
图10中的系统和方法50的步骤54包括在确定了的角位置处测量吊舱风力特性。例如，可以使用声波风速计来测量吊舱风速和/或风向。然而，也可以使用其它合适的快速风速计和/或风向标。
图10中的系统和方法50的步骤56包括选择性地对测得的吊舱风力特性进行补偿，以得出自由流或其它风力特性。例如，该补偿可包括设立对吊舱风速的修正因数，并且用该修正因数来调整吊舱风速。特别是，可以使用图9中的任何曲线线条来使“Δ”值与测得的吊舱风速相关联。然后，可将该关联的“Δ”值加到测得的吊舱风速上以得到自由流风速。除了使用图9中的曲线线条外，类似信息可以以查询表或函数的形式来获取和/或利用。备选地，或者另外，也可以实施包括上面讨论的、于美国专利公开No.2007/0125165所披露的关系在内的其它线性和/或非线性关系，以用于使测得的风力特性与补偿的风力特性相关。也可以使用相似类型的曲线、查询表和/或函数，以将测得的吊舱风力特性转换成其它有用的形式。未经补偿的测得吊舱风力特性可直接用于进行功率性能测量和/或通过对那些系统的其它方面进行补偿来控制涡轮机。
对于风力技术的任何方面，包括上面讨论的对发电风力涡轮机的功率性能测量，该经调整的吊舱风速可作为对自由流风速的估算值或代替值来使用。上述各种技术容许确定例如速度和/或方向的自由流风力特性而无需气象桅杆20，而其它技术需要气象桅杆20以解决旋入和旋出吊舱上的风速计18的流动流动通道的叶片10的紊流效应。此外，由于很多风力装置不设有气象桅杆20，所以本申请所述的技术容许对现有的发电风力涡轮机或其它装置进行较简单的修改而取得更精确的功率性能(和/或其它)测量。
应该强调的是，上述实施例，特别是任何“优选的”实施例，仅仅是本申请提出的各种实施方案的示例，以供清楚地理解本技术的各个方面。在没有实质上脱离仅由所附权利要求的适当解释所限定的保护范围的情况下，对这些实施例中的许多实施例进行改变是可行的。

Claims (13)

1.一种对具有转子的风力涡轮机的自由流风力特性进行估算的方法，包括：
估算所述涡轮机的吊舱风速；
根据估算出的所述吊舱风速来确定所述转子的至少一个角位置，以用于测量所述涡轮机的吊舱风力特性；以及
在所述转子的已确定的所述角位置处测量所述吊舱风力特性；
其中，所述估算步骤包括测量所述涡轮机的功率输出；以及根据所述涡轮机的功率曲线来输入风速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，叶片布置在所述转子上，且所述吊舱风力特性包含由在所述叶片下游的具有风向标的风速计所获得的风速和风向。
3.一种对具有转子的风力涡轮机的自由流风力特性进行估算的方法，包括：
估算所述涡轮机的吊舱风速；
根据估算出的所述吊舱风速来确定所述转子的至少一个角位置，以用于测量所述涡轮机的吊舱风力特性；以及
在所述转子的已确定的所述角位置处测量所述吊舱风力特性；
其中，所述确定步骤包括对于所述转子的若干角位置的其中各个角位置，使真实风速与所述吊舱风速相关；以及基于所述相关来选择所述至少一个角位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述选择步骤还包括：
选择具有最强相关性的所述至少一个角位置。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，叶片布置在所述转子上，且所述吊舱风力特性包含由在所述叶片下游的具有风向标的风速计所获得的风速和风向。
6.一种对具有转子的风力涡轮机的自由流风速进行估算的方法，包括：
估算所述涡轮机的吊舱风速；
对于所述转子的若干角位置的其中各个角位置，使真实风速与所述吊舱风速相关；以及
基于所述相关来选择所述转子的至少一个角位置；
对于所述转子的所选择的所述角位置测量所述吊舱风速；
其中，所述估算步骤包括测量所述涡轮机的功率输出；以及根据所述涡轮机的功率曲线来输入风速。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对测得的吊舱风速进行补偿的步骤。
8.一种设备，包括：
用于估算风力涡轮机的吊舱风速的器件；
用于根据估算出的所述吊舱风速来确定转子的至少一个角位置、以用于测量所述涡轮机的吊舱风力特性的器件；
用于在所述转子的已确定的所述角位置处测量所述吊舱风力特性的器件；且其中
用于确定的所述器件包括用于对于所述转子的若干角位置的其中各个角位置使真实风速与吊舱风速相关的器件；以及用于基于所述相关来选择所述至少一个角位置的器件。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，用于选择的所述器件包括用于选择具有最强相关性的所述至少一个角位置的器件。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于估算的所述器件包括用于测量所述转子的多个角位置的平均吊舱风速的器件。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于估算的所述器件包括用于测量所述涡轮机的功率输出的器件；以及用于根据所述涡轮机的功率曲线来输入风速的器件。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述吊舱风力特性选自包括速度和方向的组。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述吊舱风力特性是速度。
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