CN102859184B - 用于风力涡轮机的监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可变速度风力涡轮机（11）的监测方法，所述风力涡轮机包括控制装置，该控制装置用于跟随功率相对于发电机速度的曲线（21）针对被应用于由安置在风流被扰动位置的风力传感器所测量的风速的传递函数（TF）所表示的风速调节桨距，所述方法包括如下步骤：a）提供风速从属变量（V）例如叶片桨距角与风力涡轮机性能变量（P）例如发电机速度之间的最佳关系函数（F1）；b）连续地测量所述变量（V、P）并且获取它们之间的关系函数（F2）；c）连续地获取表示所述关系函数（F1、F2）之间差额的参数（D）；d）当所述参数（D）的值大于预定值时产生警告信息。

Description

用于风力涡轮机的监测方法
技术领域
本发明涉及风力涡轮机监测方法，更具体地，涉及风速传递函数的监测方法。
背景技术
风力涡轮机是将来自于风的能量转化为电能的设备。典型的风力涡轮机包括安装在塔上的吊舱，其容纳用于将转子的转动传递到发电机和其它组件的传动系统，所述其它组件例如调整风力涡轮机方向的偏航驱动器、数个促动器和传感器以及制动器。所述转子支撑数个叶片，所述叶片由此放射状地延伸以用于捕获风的动能并促成所述传动系统的旋转运动。所述转子叶片具有空气动力学形状，以使得当风吹过叶片的表面时，产生促成轴旋转的升力，所述轴直接或通过齿轮装置连接到位于吊舱内部的发电机。风力涡轮机所产生的能量的数量取决于接收来自于风的作用的转子叶片扫过表面，因此增加叶片的长度通常导致风力涡轮机的功率输出的增加。
在已知的控制方法下，由风力涡轮机所产生的功率随着风速增加直到到达额定标称功率输出，然后其保持恒定。在桨距调节风力涡轮机中，为了独立于风速地最优化功率捕获，这通过调节叶片的桨距动作来实现。
因此，风速是用于可变速度风力涡轮机的运行的一项重要控制参数。在很多已经安装的风力涡轮机中，风力涡轮机控制系统所使用的风速是通过将传递函数（以下称TF）应用于位于风力涡轮机吊舱上的风速计所测量的风速而计算得出的风速。
TF被定义为函数，其将自由流风速表示成风力涡轮机控制系统所使用的风力传感器所测量的风速的函数。这个函数被预期用来修正风力涡轮机转子和风力涡轮机周围的气流畸变的影响。所述TF取决于风力涡轮机特性、取决于风力传感器位置和类型并且取决于风力涡轮机所处位置处的风力特性。
由于吊舱周围的风流受到风力涡轮机转子和吊舱的扰动，应用适当的TF以修正气流畸变是非常重要的。
为了得到适当的TF，在风力涡轮机转子前面的自由风速必须被测量（使用安装在气象桅杆上的风杯或声波风速计，或者风速的遥感器，或者通过其他装置，如果有必要还包括位置校正），并且通过风力涡轮机风速计测量风速。在适当的数据分析和损坏数据剔除之后，所获得的相关函数应该被应用于由风力涡轮机风速计所给出的数据，以获得风力涡轮机转子前面的实际风速。
不用测量风力涡轮机前面的自由风速而获得用于风力涡轮机的适当的TF的一种已知方法是US 2008/0307853中所公开的风速计校正方法，该方法包括步骤：获得风速和风速从属的风力涡轮机变量的几对测量值，将所述测量值对与风速和从风力涡轮机的预期涡轮机变量曲线获得的涡轮机变量的对进行比较，以确定测量风速值与对于给定的风力涡轮机变量值的预期风速值之间的差额，以及基于所述确定的差额调整所述风速计的校正函数。
在用于评估风力涡轮机性能的不同方面的已知监测方法中，尽管已经知道了使用用于使风力涡轮机功率产出最优化的适当的TF的重要性，但还不知道用于监测应用于风力涡轮机的TF的任何具体方法。
本发明旨在通过使用已知控制装置对所述问题的解决方案，以使得其可以在已经安装的风力涡轮机中实施。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种桨距控制风力涡轮机的性能的监测方法。
本发明的另一个目的是提供一种被应用于桨距控制风力涡轮机的TF的监测方法。
这些和其他目的可以通过提供一种可变速度风力涡轮机的监测方法来实现，所述风力涡轮机包括控制装置，该控制装置用于跟随功率相对于发电机速度的曲线针对被应用于由安置在风流被扰动位置的风力传感器所测量的风速的TF所表示的风速调节桨距，所述方法包括如下步骤：
a）提供风速从属变量V与风力涡轮机性能变量P之间的最佳关系函数F1；
b）连续地测量所述风速从属变量V和所述风力涡轮机性能变量P并且获取它们之间的关系函数F2；
c）连续地获取表示所述关系函数F1、F2之间差额的参数D；
d）当所述参数D的值大于预定值时产生警告信息。
在一较佳实施例中，在所述步骤b）中，所述关系函数F2是使用至少10分钟的周期中的所述变量V、P的平均值获得的。由此，获得了确保用于获取所述关系函数F2的数据不受到临时波动影响的方法。
在另一个较佳实施例中，在所述步骤c）中，所述参数D是针对在所述变量V、P中的一个变量的值的预定范围内的所述关系函数F1、F2之间的差额获取。由此获得了只应用于所述变量中的一个变量的所选范围的方法，在所述变量中的一个变量的所选范围内，其预期对所述差额的更好的检测。
在另一个较佳实施例中，所述风速从属变量V为叶片桨距角并且所述风力涡轮机性能变量P为发电机速度。由此获得了使用一对特别相关的用于表示所述关系函数F1、F2之间差额的变量，因为，尤其是在最佳性能条件下，具有一明显的风速范围，在此风速范围内叶片桨距角会保持恒定（经统计的平均为10分钟），因此在使用不适当的TF时或者在风力涡轮机遇到其它问题时，使得能够对偏差进行容易地监测。
在另一个较佳实施例中，所述在风力涡轮机控制装置中实施的TF为预先验证的TFv。由此获得了用于检测风力涡轮机的不同于使用不适当的TF的问题的适当方法。
本发明的其他特征和优点将从如下带附图的详细描述中得知。
附图说明
图1示意性地示出了风力涡轮机的主要组件；
图2示出了现有技术中的用于控制可变速度风力涡轮机的功率相对于发电机速度的曲线；
图3示出了典型的功率相对于风速的曲线；
图4示出了被监测的风力涡轮机中的叶片桨距角速度与发电机速度之间的最佳关系函数F1；
图5示出了在被监测的、运转中的风力涡轮机中获得的叶片桨距角与发电机速度之间的关系函数F2。
具体实施方式
典型的风力涡轮机11包括支撑吊舱18的塔13，所述吊舱18容纳用于将风力涡轮机转子的转动能转化为电能的发电机19。所述风力涡轮机转子包括转子毂15和典型情况下的三个叶片17。所述转子毂15直接地或通过齿轮箱连接到风力涡轮机的发电机19，以用于将转子15所产生的转矩传递到发电机19和增加轴速度以达到发电机转子的合适转动速度。
现代风力涡轮机的功率输出典型地由控制系统控制，以调节转子叶片的桨距角和发电机转矩。风力涡轮机的转子旋转速度和功率输出可以据此从源头上被控制，例如在通过变流器传输到公用电网之前。在此描述中我们将参照用于所有转子叶片的共同叶片桨距角，但是本领域技术人员将容易地意识到本发明也可以适用于具有用于控制每个转子叶片的桨距角的单独装置的风力涡轮机。
可变速度风力涡轮机的操作方法的基本目的在于获得在理想的空气动力学输出下运行尽可能长的时间。
众所周知，与入射风相关联的动能取决于转子叶片所扫过区域、取决于空气密度并且取决于风速的立方，人们认为风力涡轮机可以提取到这种能量的59%。因此，每个风力涡轮机达到此界限的能力由所谓的功率系数Cp所表示，功率系数Cp由其空气动力学特征所决定，尤其由其尖端速度比率λ所决定，尖端速度比率λ被定义为叶片尖端的切向速度与入射风的速度之间的关系。如果此比率保持在其最优值，如此，转子速度跟随风速，将获得风力涡轮机的最大功率系数Cp，实现了极高效率的能量转换。
通常用在可变速度风力涡轮机中的控制策略是基于电力调整发电机的转矩以获得最大的输出，并且这是使用一控制器来实施，所述控制器接收表示发电机速度和发电机所产生的功率的信号并且提供转矩参考信号到变流器以获得所需的功率。
于是，风力涡轮机控制器使用定义功率与速度之间的期望函数关系的曲线来实现理想输出。
为了更好地理解本发明，如图2所示的典型现有技术的功率相对于发电机速度的曲线21的简要说明如下。
这条曲线包括第一子标称区域21，在此处风速达到为启动风力涡轮机运行的最小级别，在这个区域，由于风力涡轮机不能够捕获最大的能量，所以风力涡轮机控制是受限制的。第二子标称区域25相对应于低风速，在此处发电机速度增加并且涡轮机以最佳功率系数Cp运转。第三子标称区域27相对应中等风速，发电机速度保持恒定在标称发电机速度nr1而功率增加到标称功率。在这个区域内，桨距角是固定并且发电机速度通过转矩控制。在标称区域29，以标称功率的满载荷风力涡轮机运行在桨距控制下发生以避免过载。
在理想情况中，作为结果的平均功率曲线将是如图3中的曲线31，但是如果TF没有提供用于自由流风速的正确值，将会有相对于理想能量输出的能量损失。
最初被应用于风力涡轮机的TF通常是在不同于工作的风力涡轮机位置的风力涡轮机位置获取的TF。在其他变量之中，TF取决于风的条件（湍流强度、风速的垂直分量）和风力涡轮机地点的地形特征。因为这些变量可以从一个风力涡轮机位置到另一个风力涡轮机位置而变化，即使他们之间的距离只有几米，可能发生最初被应用于风力涡轮机的TF不是对其位置最适合的，导致风力涡轮机性能将低于最佳水平。
本发明的基本想法是提供一种基于一个风速从属变量V与一个风力涡轮机性能从属变量P之间关系的TF监测方法。当TF没有正确地估计转子前面的风速时，所述变量V、P之间的关系不是最佳的。因此，无论风力涡轮机是否以适合的TF工作，将所述变量V、P的期望值与所述变量V、P从风力涡轮机得到的测量值相比较，其均可以被监测。
适合的V变量是下列各项：风速、叶片桨距角或者与风力传感器所测量的风速相关的任何其他变量。
适合的P变量是下列各项：发电机速度、输出功率、转矩、转子速度或者与风力涡轮机性能相关的任何其他变量。
在本发明的较佳实施例中，已经发现作为风速从属变量V的一对叶片桨距角和作为风力涡轮机性能从属变量P的发电机速度特别适合用于监测TF偏差。
根据本发明较佳实施例的监测方法的第一步因此是提供叶片桨距角与发电机速度之间的最佳关系函数F1（也就是适当的TF下的关系），例如图4所表示的函数F1。
所述函数F1作为由风力涡轮机的理论运行所产生的所述变量之间的函数被获得。很容易注意到，图4中的函数F1和图2中的功率相对于发电机速度的曲线21示出了理论风力涡轮机运行的不同视图。
在根据本发明的监测方法的第二步中，叶片桨距角和发电机速度的值被持续地测量，并且他们之间的关系函数F2被获得，例如图5的函数F2（其阐释了不适当的TF下的关系）。
叶片桨距角和发电机速度的值应该尽可能频繁地被测量，典型地为1Hz，并计算出平均值，也就是10分钟的平均值。叶片桨距角和发电机速度两个变量的这些平均值被用于获取函数F2。
上文中提到的函数F1和F2在本发明内应该被广义地理解，包括例如几组几对叶片桨距角和发电机速度的值和由所述数据的回归分析所获得的数学函数。
在根据本发明的监测方法的第三步中，表示所述函数F1、F2之间差额的参数D是使用传统的数学工具获得的并且是排除了非显著值之后过滤的数据。
所述参数D可以作为预定期间（例如一个小时或一天）的平均值来获取，其同样适合于趋势分析。
所述参数D也可以在值的预定范围内被获取，例如参照图4和5，其只针对发电机速度在G3-G5之间的几对值，当风力涡轮机使用不适当的TF时，其将预期发现F1和F2之间清晰的差额。图形比较图4和图5，所述差额可以容易地认识到。用于叶片桨距角的期望值为恒定值P2，然而，当风力涡轮机使用不适当的TF时，其实际值高于P3。
在根据本发明的监测方法的第四步中，当所述参数D的值高于为每一个风力涡轮机模型设立的预定值时产生警告信息。
所述函数F1、F2之间相关差额的检测之后，TF应该根据在背景技术中提到的任何已知方法被校正以最大化风力涡轮机功率性能。
可能发生的是使用预先验证的TFv实施本发明的监测方法，由于诸如风力涡轮机未对准或者在风力涡轮机中的机械问题的原因，仍然存在所述函数F1、F2之间的相关差额。在这种方式下，根据本发明的监测方法可以被用于检测所述问题。
本领域技术人员将很容易地理解到，可以在风力涡轮机SCADA中实施这种方法以监测风力涡轮机性能并发送警告信息以警告风力涡轮机并没有工作在最佳状态。这类问题的检测可以避免风力涡轮机能量收益的显著下降。
尽管已经结合较佳实施例充分地描述了本发明，但很明显，本发明并不限于这些实施例，在本申请权利要求的保护范围内，可以对所述实施例进行修改。

Claims (6)

1.可变速度风力涡轮机(11)的监测方法，所述风力涡轮机包括控制装置，该控制装置用于跟随功率相对于发电机速度的曲线(21)针对被应用于由安置在风流被扰动位置的风力传感器所测量的风速的传递函数(TF)所表示的风速调节桨距，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a)提供风速从属变量(V)与风力涡轮机性能变量(P)之间的最佳关系函数(F1)；
b)连续地测量所述风速从属变量(V)和所述风力涡轮机性能变量(P)并且获取它们之间的实时关系函数(F2)；
c)连续地获取表示所述最佳关系函数(F1)与所述实时关系函数(F2)之间差额的参数(D)；
d)当所述参数(D)的值大于预定值时产生警告信息。
2.根据权利要求1所述的可变速度风力涡轮机(11)的监测方法，其特征在于，在所述步骤b)中，所述实时关系函数(F2)是使用至少10分钟的周期中的所述变量(V、P)的平均值获得的。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的可变速度风力涡轮机(11)的监测方法，其特征在于，在所述步骤c)中，所述参数(D)是针对在所述变量(V、P)中的一个变量的值的预定范围内的所述最佳关系函数(F1)与所述实时关系函数(F2)之间的差额获取。
4.根据权利要求1所述的可变速度风力涡轮机(11)的监测方法，其特征在于，所述风速从属变量(V)为叶片桨距角并且所述风力涡轮机性能变量(P)为发电机速度。
5.根据权利要求1所述的可变速度风力涡轮机(11)的监测方法，其特征在于，所述在风力涡轮机控制装置中实施的传递函数为预先验证的传递函数(TFv)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的监测方法所监测的可变速度风力涡轮机(11)。
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