CN103147917A - 一种基于gps对风机状态进行检测的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制，本方案基于全球卫星定位传感器，可较好的实现对风力发电机组进行状态监测。

Description

一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法

技术领域

本发明涉及风电场数据处理技术领域，特别涉及一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法。

背景技术

随着化石能源储存量的不断减少和地球环境被破坏以及污染程度的日益加重，如何对太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等可再生而且洁净的非化石能源进行开发利用，目前已经受到全世界范围内的广泛关注。风能作为太阳能的一种转化形式，在地球上储量丰富且分布广阔。因此，风力发电目前已成为人类利用可再生洁净能源发电中最有潜质的发电形式之一。

发展至今，我们将风能转换成机械能的装置称为风力机（风轮机），风车发展到今天主要以风力机的形式来完成风能的利用。风力机由叶片构成风轮，并将风轮安装在转轴上，利用风力在叶片上产生的推力推动风轮转动，风轮轮轴随风轮转动并带动其后连接的装置转动来完成一定的功能，所以风轮或者说风力机是把风的动能转变为机械能的重要部件。

风力发电机由于受到振动的力量可能引起很多部件的变形,例如,振动可能是由于风机的高度，机舱和转子的重量引起的。例如，一个典型的钢制的风力发电机的塔架可能在每3秒一个正常的循环下，来回震荡。此外，由于叶片也具有某种灵活性，它们在一个典型的固有频率下振动，大约每秒一个周期（或每秒一个赫兹）。由于其它的作用最终也可能会产生裂缝，造成严重的机械性故障，因此风力发电机的这些和其它部件能够弯曲或偏转是一个很重要的特性。因此一定要实时监测风力发电机中部件的变形，确定风机运行过程中的弯曲、振动、或其它的偏移。

为保证风力发电机组可靠稳定运行，降低机组的维护成本，最有效的办法是监测风力发电机组的运行状态。因此，要实时计算风速、确定风向、调整叶片的桨距角、确定轴承的偏航方位、同时估计风力发电机的负载，以便对风力发电机实时进行控制。对风力发电机的状态进行实时监测，使其更好地为电网服务具有重要的意义。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，尝试通过基于全球卫星定位系统，对风力发电机的状态进行监测，获取风机的详细偏移信息并估计风力发电机的负载，以便对风力发电机进行控制，是目前风电场数据处理技术领域亟待解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制，本方案基于全球卫星定位传感器，可较好地实现对风力发电机组进行状态监测。

为解决上述技术问题，本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于GPS对风机状态进行检测的方法，包括：

步骤一、将全球定位传感器设置在风力发电机上；

步骤二、将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数；

步骤三、通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

优选的，上述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机叶片的最大振动位移处。

优选的，上述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机叶片的尖端处。

优选的，上述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机塔架的顶端处。

优选的，上述全球定位传感器可以包括一个无线发射器和/或接收器。

优选的，上述全球定位传感器可以包括一个电源。

优选的，上述全球定位传感器可以包含一个加速度计和/或一个控制单元。

优选的，上述加速度计可以是双轴或三轴的。

优选的，上述控制单元可包括一个过滤器，用于处理来自加速度计的信号。

优选的，上述步骤三中，计算风力发电机的运行状态，包括但不限于风力发电机塔架顶部的转子方位角、前后加速度和速度、侧面的加速度和顶部的速率、塔架顶部方向的偏转，和/或处在不同位置的每个风力发电机叶片的偏转。

优选的，上述步骤三中，可计算风力发电机的负载。

优选的，上述步骤三中，所述对风力发电机进行控制可包括调整发电机叶片的桨距角，以及确定轴承的偏航方位。

一种基于GPS对风机状态进行检测的系统，包括风力发电机、调整装置及控制装置，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

优选的，上述风力发电机含有设置在风力发电机上的全球定位传感器。

优选的，上述调整装置用于将全球定位传感器校正和/或补偿来自其它传感器的读数。

优选的，上述控制装置用于通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

优选的，上述风力发电机可包含一个塔架；

一个支持主轴的位于塔架上的机舱；

一个位于主轴一端的轮毂；

一个使主轴旋转的位于轮毂上的叶片；

一个控制系统；

一个位于塔架和叶片一端的全球定位传感器，用于确定塔架和叶片的偏移。

优选的，上述生成单元用于依据数据结构中的数据生成风电场运行数据报告。

综上所述，本发明提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制，本方案基于全球卫星定位传感器，可较好的实现对风力发电机组进行状态监测。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于GPS对风机状态进行检测的方法示意图；

图2为水平轴风力发电机的示意图；

图3为本发明实施例风力发电机的侧视原理图；

图4为本发明实施例位置传感器原理图；

图5为本发明实施例一种基于GPS对风机状态进行检测的系统示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制，本方案基于全球卫星定位传感器，可较好的实现对风力发电机组进行状态监测。

本发明实施例的核心思想是，通过基于全球卫星定位系统，对风力发电机的状态进行监测，将全球定位传感器安装在风力发电机上，确定风机组件的偏转，包括但不限于风机的塔架、叶片、机舱、轮毂。风力发电机的控制系统将通过计算处理相关数据，包括但不限于风力发电机之塔架顶部的转子方位角、前后加速度和速度、侧面的加速度和顶部的速率、塔架方向的偏转，和/或处在不同位置的每个叶片的偏转，同时剪切因子也可以被确定。然后，响应于来自全球定位传感器的信号，控制系统将控制风力发电机的操作。

此外，本方案可实现对风机实施各种控制策略，包括使风机从一个运行状态改变到另一个运行状态。对风力发电机进行控制，以便优化整个风电场的生产，同时降低一个涡轮对其它涡轮的影响。诸如通过减少一个特定的风力发电机的旋转速度。另外，全球定位传感器还可用于确定风力发电机轴承的偏航方位。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的方法，如图1所示，具体步骤包括：

步骤一、将全球定位传感器设置在风力发电机上；

具体而言，在本发明实施例中，图2是水平轴风力发电机的示意图。风力发电机90的特殊的配置包括与塔架配套的机舱装置94和一个封闭主轴96。叶片100布置在轮毂98上，以形成“转子”，叶片100位于主轴96的一端，机舱装置94的外部。风机叶片100驱动齿轮箱102，该齿轮箱102与发电机104相连接，发电机104安装在机舱94内的主轴96的一端，并且机舱94内的控制系统106可以接受来自风速计108的输入信号。控制系统106包括关断控制单元和接收控制单元，关断控制单元用于关断转子的旋转，接收控制单元连接到关断控制单元上，用于接收远方的关断控制信号。

图3是本方案风力发电机的侧视原理图，包括几个位置传感器202。一些或全部的位置传感器202可以被布置在风力发电机90的各个地方，包括但不限于这里所示的，位置传感器202用于确定风力发电机的一个组成部分的偏移。例如，位置传感器202可以被布置在风力发电机90的不同的静止的或移动的部件中，来确定风机运行过程中的弯曲，振动，或其它的偏移。包括，但不限于塔架92，机舱94，轮毂98，和/或叶片100。位置传感器202可以布置在任何位置，包括预期的每个组件的最大偏移处。例如，如图3所示，位置传感器202可以被布置在叶片100的任何位置，如在预期的最大的变形的位置。如全球定位传感器至少应安装在靠近风力发电机叶片的最大振动位移处；或全球定位传感器安装在接近叶片的尖端处；或全球定位传感器安装在靠近塔架的顶端处。

步骤二、将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数；

具体而言，在本发明实施例中，全球定位传感器将利用全球导航卫星的全球卫星定位系统，确定垂直或水平位置（在一维，两维，或三维空间）。为了提高全球定位传感器的准确性，传感器可以被多种方式配置，这样所有的传感器使用同一组卫星。如图3所示，一个或多个全球定位传感器202可以被布置在任何固定位置（如示出的接地）并用于校正和/或补偿来自于风力发电机90上的其它传感器202的读数。例如，那些校正可以在控制系统106和/或其它的具体的专用控制器上进行。

步骤三、通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

具体而言，在本发明实施例中，如图4所示，全球定位传感器202可以包括一个转发器，一个GPS接收器204，一个无线发射器和/或接收器206，电源208。例如，电源208可以作为供电的电池和/或连接到风力发电机的电气系统。由于全球定位传感器202是不固定的，它可以安装在叶片100的任意位置，所以通常情况下一个微型发电机，如压电微型发电机被设置，用于提供全球定位传感器202所需的能量。在各种实施方式中，全球定位传感器202可被安装在一个寄存器中，便于访问和维护。

全球定位传感器202还可能包括一个加速度计210和/或一个控制单元212。例如，加速度计210可以是双轴或三轴的，控制单元212可能包括一个过滤器214，用于处理来自GPS接收器204和/或加速度计210的信号。控制单元212可以计算位置，速度，加速度等数据，并将这些和其它数据发送到发电机控制系统106。然后控制系统106将通过计算处理这些数据，这些数据包括但不限于塔架92顶部的转子方位角、前后加速度和速度、侧面的加速度和顶部的速率、塔架顶部方向的偏转，和/或处在不同位置的每个叶片的偏转，同时剪切因子和湍流度也可以被确定。然后，响应于来自全球定位传感器202的信号，控制系统106将控制风力发电机90的操作。

发电机控制系统106使用偏差信息来计算（例如使用模糊逻辑）主轴96，塔架92，和/或叶片100上的负载。例如，软件可嵌入在控制系统106中，目的是可以给风力发电机90中各种部件建模，包括但不限于塔架92，叶片100，主轴96，和/或其他的组件，通过查找表的形式，查找多项式传递函数和/或基于物理的传递函数。那些建立的模型可以解释大量的变量，如GPS时间延迟，定位误差，制造差异（如叶片重量）。

通过GPS接收器204的信号，加速度计210的信号（使用惯性计算），或它们的组合，可以计算风力发电机90的位置、压力、速度、加速度和/或其它的物理量。例如，发电机塔架的几何中心和塔架附近的固定点可安装GPS传感器，接收卫星信号。然后，控制系统106将这些测量的参数与设计参数进行比较，以便控制和操作发电机，当检测到的参数超出阈值时，将关闭发电机。控制系统106也可以为每一个部件建立一个疲劳模型，根据消耗疲劳的原理，这个模型将控制发电机90的操作。

此外，在本发明实施例中，可使用各种控制策略。如根据风力条件和/或位置传感器202的故障情况，对风力发电机90的操作可能会从一个控制状态改变到另一个控制状态。风力发电机90可保持在一个控制状态下至少10分钟，除非出现故障或过载。然后，依据塔架92的偏转和/或叶片100的转动速度和桨距角，可以计算出风速。通过塔架的偏转方向也可以确定风向，从而可以不使用风向标。同样的，如果风力发电机具有一个可倾斜的机舱94，通过计算剪切因子，就可以调整发电机90的桨距角。为了提供低噪音操作，每个叶片100的桨距角和/或转子方位角也可以根据风速，乱流度来进行调整。每个叶片100的倾斜可进一步单独进行调整，以减少塔架92的一侧到另一侧的振动级别。

另外，一个，两个，或更多的位置传感器202可用于确定风力发电机轴承的偏航方位。例如，一个单一的位置传感器202布置在机舱94或轮毂98上，根据传感器跟踪一起移动的发电机90的电弧痕迹，可用于指示某个点的位置（如经度和纬度）。然后，依据单个传感器202和发电机固定的旋转中心的位置，可以推测出轴承的偏航。

另外，本发明实施例还提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统。如图5所示，为本发明实施例提供的一种基于GPS对风机状态进行检测的系统示意图。

一种基于GPS对风机状态进行检测的系统，包括风力发电机11、调整装置22及控制装置33。

风力发电机11，含有设置在风力发电机上的全球定位传感器；

具体而言，在本发明实施例中，图2是水平轴风力发电机的示意图。风力发电机90的特殊的配置包括与塔架配套的机舱装置94和一个封闭主轴96。叶片100布置在轮毂98上，以形成“转子”，叶片100位于主轴96的一端，机舱装置94的外部。风机叶片100驱动齿轮箱102，该齿轮箱102与发电机104相连接，发电机104安装在机舱94内的主轴96的一端，并且机舱94内的控制系统106可以接受来自风速计108的输入信号。控制系统106包括关断控制单元和接收控制单元，关断控制单元用于关断转子的旋转，接收控制单元连接到关断控制单元上，用于接收远方的关断控制信号。

图3是本方案风力发电机的侧视原理图，包括几个位置传感器202。一些或全部的位置传感器202可以被布置在风力发电机90的各个地方，包括但不限于这里所示的，位置传感器202用于确定风力发电机的一个组成部分的偏移。例如，位置传感器202可以被布置在风力发电机90的不同的静止的或移动的部件中，来确定风机运行过程中的弯曲，振动，或其它的偏移。包括，但不限于塔架92，机舱94，轮毂98，和/或叶片100。位置传感器202可以布置在任何位置，包括预期的每个组件的最大偏移处。例如，如图3所示，位置传感器202可以被布置在叶片100的任何位置，如在预期的最大的变形的位置。如全球定位传感器至少应安装在接近叶片的最大振动位移处；或全球定位传感器安装在接近叶片的尖端处；或全球定位传感器安装在接近塔架的顶端处。

调整装置22，用于将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数；

具体而言，在本发明实施例中，全球定位传感器将利用全球导航卫星的全球卫星定位系统，确定垂直或水平位置（在一维，两维，或三维空间）。为了提高全球定位传感器的准确性，传感器可以被多种方式配置，这样所有的传感器使用同一组卫星。如图3所示，一个或多个全球定位传感器202可以被布置在任何固定位置（如示出的接地）并用于校正和/或补偿来自于风力发电机90上的其它传感器202的读数。例如，那些校正可以在控制系统106和/或其它的具体的专用控制器上进行。

控制装置33，用于通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

具体而言，在本发明实施例中，如图4所示，全球定位传感器202可以包括一个转发器，一个GPS接收器204，一个无线发射器和/或接收器206，电源208。例如，电源208可以作为供电的电池和/或连接到风力发电机的电气系统。由于全球定位传感器202是不固定的，它可以安装在叶片100的任意位置，所以通常情况下一个微型发电机，如压电微型发电机被设置，用于提供全球定位传感器202所需的能量。在各种实施方式中，全球定位传感器202可被安装在一个寄存器中，便于访问和维护。

全球定位传感器202还可能包括一个加速度计210和/或一个控制单元212。例如，加速度计210可以是双轴或三轴的，控制单元212可能包括一个过滤器214，用于处理来自GPS接收器204和/或加速度计210的信号。控制单元212可以计算位置，速度，加速度等数据，并将这些和其它数据发送到发电机控制系统106。然后控制系统106将通过计算处理这些数据，这些数据包括但不限于塔架92顶部的转子方位角、前后加速度和速度、侧面的加速度和顶部的速率、塔架顶部方向的偏转，和/或处在不同位置的每个叶片的偏转，同时剪切因子和湍流度也可以被确定。然后，响应于来自全球定位传感器202的信号，控制系统106将控制风力发电机90的操作。

发电机控制系统106使用偏差信息来计算（例如使用模糊逻辑）主轴96，塔架92，和/或叶片100上的负载。例如，软件可嵌入在控制系统106中，目的是可以给风力发电机90中各种部件建模，包括但不限于塔架92，叶片100，主轴96，和/或其他的组件，通过查找表的形式，查找多项式传递函数和/或基于物理的传递函数。那些建立的模型可以解释大量的变量，如GPS时间延迟，定位误差，制造差异（如叶片重量）。

通过GPS接收器204的信号，加速度计210的信号（使用惯性计算），或它们的组合，可以计算风力发电机90的位置、压力、速度、加速度和/或其它的物理量。例如，发电机塔架的几何中心和塔架附近的固定点可安装GPS传感器，接收卫星信号。然后，控制系统106将这些测量的参数与设计参数进行比较，以便控制和操作发电机，当检测到的参数超出阈值时，将关闭发电机。控制系统106也可以为每一个部件建立一个疲劳模型，根据消耗疲劳的原理，这个模型将控制发电机90的操作。

此外，在本发明实施例中，可使用各种控制策略。如根据风力条件和/或位置传感器202的故障情况，对风力发电机90的操作可能会从一个控制状态改变到另一个控制状态。风力发电机90可保持在一个控制状态下至少10分钟，除非出现故障或过载。然后，依据塔架92的偏转和/或叶片100的转动速度和桨距角，可以计算出风速。通过塔架的偏转方向也可以确定风向，从而可以不使用风向标。同样的，如果风力发电机具有一个可倾斜的机舱94，通过计算剪切因子，就可以调整发电机90的桨距角。为了提供低噪音操作，每个叶片100的桨距角和/或转子方位角也可以根据风速，乱流度来进行调整。每个叶片100的倾斜可进一步单独进行调整，以减少塔架92的一侧到另一侧的振动级别。

另外，一个，两个，或更多的位置传感器202可用于确定风力发电机轴承的偏航方位。例如，一个单一的位置传感器202布置在机舱94或轮毂98上，根据传感器跟踪一起移动的发电机90的电弧痕迹，可用于指示某个点的位置（如经度和纬度）。然后，依据单个传感器202和发电机固定的旋转中心的位置，可以推测出轴承的偏航。

在本方案中，风力发电机可包含一个塔架；

一个支持主轴的位于塔架上的机舱；

一个位于主轴一端的轮毂；

一个使主轴旋转的位于轮毂上的叶片；

一个控制系统；

一个位于塔架和叶片一端的全球定位传感器，用于确定塔架和叶片的偏移。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

综上所述，本文提供了一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制，本方案基于全球卫星定位传感器，可较好的实现对风力发电机组进行状态监测。

以上对本发明所提供的一种基于GPS对风机状态进行检测的系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方案；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (17)

1.一种基于GPS对风机状态进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、将全球定位传感器设置在风力发电机上；

步骤二、将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数；

步骤三、通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机叶片的最大振动位移处。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机叶片的尖端处。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，全球定位传感器可安装在靠近风力发电机塔架的顶端处。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全球定位传感器可以包括一个无线发射器和/或接收器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全球定位传感器可以包括一个电源。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全球定位传感器可以包含一个加速度计和/或一个控制单元。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述加速度计可以是双轴或三轴的。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述控制单元可包括一个过滤器，用于处理来自加速度计的信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，计算风力发电机的运行状态，包括但不限于风力发电机塔架顶部的转子方位角、前后加速度和速度、侧面的加速度和顶部的速率、塔架顶部方向的偏转，和/或处在不同位置的每个风力发电机叶片的偏转。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，可计算风力发电机的负载。

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述对风力发电机进行控制可包括调整发电机叶片的桨距角，以及确定轴承的偏航方位。

13.一种基于GPS对风机状态进行检测的系统，其特征在于，所述系统包括风力发电机、调整装置及控制装置，通过将全球定位传感器设置在风力发电机上，然后将全球定位传感器用于校正和/或补偿来自其它传感器的读数，接着通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述风力发电机含有设置在风力发电机上的全球定位传感器。

15.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述调整装置用于将全球定位传感器校正和/或补偿来自其它传感器的读数。

16.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述控制装置用于通过接收的GPS信号，计算风力发电机的运行状态，并对风力发电机进行控制。

17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述风力发电机包含

一个塔架；

一个支持主轴的位于塔架上的机舱；

一个位于主轴一端的轮毂；

一个使主轴旋转的位于轮毂上的叶片；

一个控制系统；

一个位于塔架和叶片一端的全球定位传感器，用于确定塔架和叶片的偏移。

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