CN101995488B - 风力发电机可避开紊流的测风向方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机可避开紊流的测风向方法，其特征是：所述测风仪为超声波测风仪，且发电机使用两个超声波测风仪分别安装在机舱两侧，每个超声波测风仪的输出信号线与控制器的输入接口连接。本发明利用了超声波测风仪可以测三维风向的特点，有效排除了紊流的影响，提高风机偏航准确度，由于消除了紊流的影响，提高了对风精度和风力机使用寿命，简化了数据处理，为大型化风机偏航对风困难提出了解决办法。

Description

风力发电机可避开紊流的测风向方法

技术领域

本发明涉及风力发电机，具体说是一种风力发电机可避开紊流的测风向方法。

背景技术

偏航系统确保风力机舱始终正面对风，是风力发电机组的特有控制系统。其设计理念的提出解决了由于风作为随机矢量，不宜捕获的特性，在提高风能利用效率的同时延长了风机使用寿命。

现有技术，偏航有两种模式，被动迎风与主动迎风。其中被动迎风方式又包括尾舵偏航、下风向偏航及侧风轮偏航三种。其中下尾舵偏航由于结构简单，可靠度高，被广泛运用于中小型，小型，微型风向发电机组，但不适用于大型风力发电机；下风向偏航由于叶片需要经过塔架下风向紊流区，导致叶片振动以至于叶片梁与轮毂的连结处产生疲劳断裂；侧风轮偏航是早期大型风机唯一的偏航方式，但随着主动迎风的兴起，逐渐被淘汰。主动迎风基于控制器控制偏航电机实现偏航功能，由风向标、伺服电机、减速器、回转齿轮共同构成，通过风向传感器来测量当前风向，与机舱位置进行比较，通过计算机舱与风向位置差，实现电机控制，调整机舱位置，最终达到主动迎风的目的。为了提高主动迎风的性能，工程师在控制器中添加了一系列复杂的控制算法，例如采用PID、模糊算法、最优控制等等。但只是起到改善的作用，根本问题无法解决。其根本原因是风向传感器安置在下风向，会受到紊流影响，导致无法准确测量当前风向。

另一方面，伴随着装机容量的增加，风力机的叶片长度逐渐增加，对风不准导致主轴累积性疲劳损伤成为风机大型化的障碍。为此，有必要对此进行研究，提出一个新的方法来解决风向测量不准确的问题。

发明内容

针对目前风力机偏航装置无法准确对风的现状，尤其是针对于大型并网风力发电机组，本发明提出了一种风力发电机可避开紊流的测风向方法。

所述风力发电机可避开紊流的测风向方法，其特征是：发电机使用两个超声波测风仪分别安装在机舱两侧，连接每个超声波测风仪的输出信号线到控制器的输入接口，取两个超声波测风仪所测风力风向信号的水平面投影确定风向：取较大一组信号的水平面投影值，控制器通过如下算式确定当前风向与机舱轴向的相对位置：

θ＝arctan(b/a)，

此处θ为风向偏移角，b为机舱向外延展方向所测得的风力，a为机舱轴向方向所测得的风力。

本发明的有益效果是，由于消除了紊流的影响，提高了对风精度和风力机使用寿命，简化了数据处理，为大型化风机偏航对风困难提出了解决办法。

附图说明

图1是带传统测风向装置的风力发电机，

图2是本发明结构示意图，

图3是本发明测风向示意图。

图中：1-风向传感器，2-机舱左侧风向传感器，3-机舱右侧风向传感器，4-机舱正面，5-风向偏移角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：如图2中所示风力发电机可避开紊流的测风向方法，其特征是：发电机使用两个超声波测风仪分别安装在机舱两侧，连接每个超声波测风仪的输出信号线到控制器的输入接口，取两个超声波测风仪所测风力风向信号的水平面投影确定风向：取较大一组信号的水平面投影值，控制器通过如下算式确定当前风向与机舱轴向的相对位置：

θ＝arctan(b/a)，

此处θ为风向偏移角，b为机舱向外延展方向所测得的风力，a为机舱轴向方向所测得的风力。

传统偏航测风向方法将测风仪分别安装在机舱顶部(见图1)。为了提高主动迎风的性能，控制器中添加了一系列复杂的控制算法，例如采用PID、模糊算法、最优控制等等。但只是起到改善的作用，根本问题无法解决。其根本原因是风向传感器1安置在下风向，会受到紊流影响，导致无法准确测量当前风向。

如图3所示，利用超声波测风仪可以测三位风向的特点，通过安装在机舱左右两侧的超声波测风仪器，可以获得机舱两侧的两组三维风向图。即机舱左侧超声波测风仪1与机舱右侧超声波测风仪2分别提供了机舱左侧x-y-z坐标风向及右侧x-y-z坐标风向。

其中：x为机舱轴向，y为机舱相外延展方向，z为竖直向上方向。

每当其中一个风向传感器3朝向当前风向时，另一个风向传感器2由于机舱的原因，在背风处。取正风向的风向传感器3所发送的风向信号为准，即水平平面风向较大的一组风向信号为准。具体说就是y向数值较大的风向标信号为有效信号。

风向测量时，由于风向标处于下风向，因而会受到紊流影响。由于紊流是由风轮漩涡中心涡导致，紊流方向与机舱外壳相切。当风向标安装在机舱两侧时，其受到的紊流方向作用在竖直平面，与偏航所需的水平面风向互不影响，因而取水平面风向能够有效的避免紊流对偏航对风的影响。

由此，所获取的水平面风向是当前真实风向，于是可以取较大一组的风向标信号的水平面投影为有效值，风向偏移角5的获得是控制器通过如下算式确定当前风向与机舱的相对位置：

θ＝arctan(b/a)，

此处b为机舱向外延展方向所测得的风力，a为机舱轴向方向所测得的风力。

如此可以满足机舱准确对风需要，同时减少叶片及轮毂所受疲劳，最终提高风力机的使用寿命。

Claims (1)

1.一种风力发电机可避开紊流的测风向方法，其特征是：发电机使用两个超声波测风仪分别安装在机舱左右两侧，连接每个超声波测风仪的输出信号线到控制器的输入接口，取两个超声波测风仪所测风力风向信号的水平面投影确定风向：取较大一组信号的水平面投影值，控制器通过如下算式确定当前风向与机舱轴向的相对位置：

θ＝arctan(b/a)，

此处θ为风向偏移角，b为机舱向外延展方向所测得的风力，a为机舱轴向方向所测得的风力。

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