CN103899497A - 检测风力涡轮机的偏航误差度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测风力涡轮机的偏航误差度的方法，具体描述了一种确定风力涡轮机（1）的偏航误差角的方法，该方法包括：从转子平面的前方获得风压测量值（300，S），风压测量值（300，S）显示与风力涡轮机（1）的整流罩（10）的旋转有关的周期性性质；执行信号处理步骤以处理风压测量值（300，S）以确定风压测量值（300，S）相对于角度参考（330）的相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）；由相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）得出偏航误差角（332，332'，α）。本发明还描述了一种确立风压测量值的相位偏移与风力涡轮机的偏航误差度之间的关系的方法、一种偏航误差确定单元以及一种风力涡轮机。

Description

检测风力涡轮机的偏航误差度的方法

技术领域

本发明描述了一种检测风力涡轮机的偏航误差度的方法、一种确立风压测量值的相位偏移与风力涡轮机的偏航误差度之间的关系的方法、一种用于检测风力涡轮机的偏航误差度的偏航误差检测单元以及一种风力涡轮机。

背景技术

为了优化风力涡轮机的能量输出，必须控制风力涡轮机使其正对风。通常，风力涡轮机包括：安装到位于机舱前面的整流罩上的若干转子叶片、以及安装在塔架顶部且可利用偏航驱动装置使其旋转或“偏航”的机舱。在大部分现有技术的风力涡轮机中，利用安装在机舱上的气象站所提供的测量输入来估计瞬时风向。例如，通常利用风向标来估计风向，并且将此信息转换成偏航驱动装置控制命令。然而，来自这种测量系统的信息是不准确的，因为由转子叶片引起的湍流意味着由测量系统所采集的数据并不反应在风力涡轮机的前面或转子平面（即转子叶片所运动的平面）中的实际情况。由于这些不准确性，机舱会以“偏航误差”度而改变方向，以致机舱、整流罩和转子平面并不正对风。由于甚至较小的偏航误差度所造成的风力涡轮机效率下降可以积累，从而导致年发电量（AEP）显著减小。此外，由于机舱、整流罩和转子平面相对于风的偏斜位置所造成的不均匀载荷也会显著增加疲劳载荷。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种更准确的方式来使风力涡轮机相对于风对准。

此目的通过权利要求1的检测风力涡轮机偏航误差度的方法、权利要求8的确立相位偏移与偏航误差之间的关系的方法、权利要求11的偏航误差检测单元以及权利要求14的风力涡轮机而实现。

根据本发明，一种检测风力涡轮机的偏航误差度的方法包括以下步骤：从转子平面的前方获得风压测量值，该风压测量值显示与风力涡轮机的整流罩的旋转有关的周期性性质；执行信号处理步骤以处理风压测量值，从而确定风压测量值相对于角度参考的相位偏移；以及由该相位偏移得到偏航误差角。

根据本发明的检测某个偏航误差度的方法的优点是：用相对较少的工作便可以完成对实际偏航误差角的准确估计，并且偏航驱动装置控制单元可利用此信息来校正风力涡轮机的取向。因此，根据本发明的方法提供这样的信息，该信息可用于控制风力涡轮机使其始终基本正对风，因此可以优化风力涡轮机的能量输出，由此避免现有技术风力涡轮机已知的收益损失。根据本发明的方法利用风力涡轮机的特性特征，即整流罩（和叶片）的旋转以及风对整流罩的影响，并且由此获得信息。相比而言，现有技术的位于转子平面后面的测量系统的缺点实际上来源于该旋转，因为转子叶片产生湍流，该湍流危害在转子平面后面所进行的任何测量。

根据本发明，一种确立风压测量值的相位偏移和风力涡轮机的某个偏航误差度之间的关系的方法，该方法包括以下步骤：

（A）设置特定的偏航角；

（B）对于该偏航角的设置，获得风压测量值，该风压测量值具有与整流罩的旋转有关的周期性性质；

（C）处理该风压测量值，以确定周期性风压测量值相对于角度参考的相位偏移；

（D）对于该偏航角，记录相位偏移；以及

（E）对于若干不同的偏航角，重复步骤（A）-（D）。

根据本发明的方法是基于以下认识：风压通常显示明确定义的行为；风压中的变化可以与整流罩的旋转有关；以及偏航角的度数也影响在某些位置测量的风压。根据本发明的确立相位偏移与偏航误差之间的关系的方法的优点是可以以直接方式执行该方法。利用在此校准阶段期间对于不同偏航角所确定的相位偏移值，可以随后对于在风力涡轮机运行期间所确定的基本上任何相位偏移来得出实际偏航误差角。根据此方法执行的任何校准仅需执行一次。仅仅通过对于宽范围的偏航角来确定相位偏移值，可以有利地使校准具有高精度。在风力涡轮机的校准期间所确立的认知在风力涡轮机的使用寿命期间可以仍然有效。

根据本发明，一种用于检测风力涡轮机的某个偏航误差度的偏航误差检测单元包括：输入，其用于提供风压测量值，风压测量值显示与风力涡轮机的整流罩的旋转有关的周期性性质；信号处理单元，其用于处理风压测量值以确定压力测量值相对于角度参考的相位偏移；以及分析单元，其用于确定与相位偏移相关联的偏航误差角。

根据本发明的偏航误差确定单元的优点是该单元在制造和安装到风力涡轮机中的方面相对简单。根据本发明的偏航误差检测单元也可以用于升级现有风力涡轮机以便优化并增加其年发电量。

根据本发明，一种风力涡轮机包括：机舱，其可旋转地安装在塔架上；偏航驱动装置，其用于使机舱相对于塔架旋转；测量系统，其被布置成在风力涡轮机的转子平面中（或上）获得压力测量值，该压力测量值显示与风力涡轮机的整流罩的旋转有关的周期性性质；以及根据本发明的用于根据压力测量值来检测风力涡轮机的某个偏航误差度的偏航误差检测单元。

根据本发明的风力涡轮机的优点是其对于风的取向可以始终最优地保持在正确方向，即使得机舱和整流罩的纵向轴线对准风向。这样，最佳地利用了风力涡轮机转子叶片从风中汲取能量的能力，使得根据本发明的风力涡轮机的年发电量可以有利地达到高水平。同时，可以使风力涡轮机的部件（例如轴承）的损耗有利地保持在低水平，这是因为当风力涡轮机正确地面对风时基本上避免了与偏航误差角有关的不均匀载荷。

从属权利要求给出了本发明的特别有利的实施例和特征，如在下面的描述中所揭示的。视情况，可将不同权利要求种类的特征加以组合以提供本文中未描述的其它实施例。

如上所述，从位于转子平面之前的区域（即在转子平面的前方或者转子平面的上风位置）获得周期性的风压测量值。例如，压力传感器可以布置在弯曲的整流罩鼻部或鼻锥的外侧。当整流罩旋转时，在测量点处测量的压力值会发生震荡或波动，这取决于偏航误差度。然而，就圆锥形的整流罩而言，可以从这种压力测量中提取的信息水平是有限的。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，在布置在风力涡轮机的前平面中的若干测量点处获得风压测量值，其中，前平面在风力涡轮机的转子平面之前或者与风力涡轮机的转子平面重合。这里，“前平面”应被理解成基本平行于转子平面，其中，“转子平面”应被理解成当转子叶片经过一整圈旋转时由转子叶片的行进路径所画出的平面。“前平面”甚至可以与转子平面重合，这取决于转子叶片与整流罩是如何连接的。“测量点”可以包括整流罩中的开口，从而可以利用以某种合适方式连接到该开口的压力传感器来测量空气压力或风压。

对于本发明的一个特别优选的实施例，整流罩的形状基本为圆柱形，并且整流罩包括基本平的前表面。此设计具有若干优点，因为可以把测量点布置在相同平面中，即布置在前表面中。此外，这种整流罩的形状是牢固耐用的并且更易于运送至风力涡轮机位置，因为这种整流罩较不易受到损坏。因此，在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假设整流罩的迎风面基本是平的，具有极小曲率，并且前表面或迎风面基本为圆形或圆盘形。在本发明的一个特别优选的实施例中，将用于测量偏航误差的任何部件布置在整流罩的内部空腔中。优选地，为了有利地获得精确的测量结果，任何压力传感器均被布置在平行于前平面的平面中，因此也平行于转子旋转平面。通过在这种理想风场中获得风压测量结果，能够实现更精确的测量，因此也能够更精确地确定实际瞬时偏航误差角，从而能够确定校正措施以增加AEP并减小疲劳载荷。当然，如果由于任何原因不能将测量装置布置在平行于转子旋转平面的平面中，那么可以对所测量的压力值进行适当的校正或补偿。

可以以任何合适的方式获得压力测量值。例如，可使用若干压力传感器。压力传感器可以是例如压力换能器、压力传送器等。现成的压力传感器或压力传送器是广泛可用的。压力传感器可以基于各种传感技术，例如压力传感器可以包括一个或多个波尔登压力计、压阻式应变计等。这种测量装置可位于任意合适的测量点，以便测量在转子旋转平面前方的压力。压力传感器可以紧挨着在测量点的后面，或者可以位于与测量点相隔一距离处。例如，可以将气密性的管或导管从位于布置在前平面中的压力测量点处的开口引导至在前平面后面的压力传感器。

在本发明的另一个优选实施例中，风压测量值优选地包括在第一测量点处获得的第一压力值和在第二测量点处获得的第二压力值之间的压差，第一测量点基本布置在整流罩的中心处，第二测量点布置在与第一测量点相隔一距离处。为了此目的，可以采用压差传感器。这种传感器同时从两个测量点获得压力读数并且以输出的形式传送这两个点之间的压差。在该实施例中，压差传感器可以借助于第一气密性导管连接到第一压力测量点处的开口，并且借助于第二气密性导管连接到第二压力测量点处的开口。压差传感器的使用给出压力变化的绝对测量值，并且与例如使用两个绝对压力传感器相比可以显著地更加精确，两个绝对压力传感器具有由于制造公差而造成的基本不可避免的不同测量设置。

测量点可以位于整流罩的迎风面上的任何合适位置。然而，在本发明的一个特别优选的实施例中，将第一压力测量点基本布置在整流罩表面的几何中心，并且将第二压力测量点布置在远离第一压力测量点一距离处。在此布置的情况下，当整流罩旋转时，第一测量点基本保持静止。如果将第一测量点精确地布置在整流罩的中心，那么第一测量点实际上将围绕其自身的中心点旋转。即使第一测量点没有精确地居中布置，而是非常接近几何中心点，那么当整流罩旋转时第一测量点将仅发生略微位移并且可看作是基本静止的。当整流罩旋转时，定位成更加远离中心的第二测量点将实际上围绕第一测量点旋转。因此，当整流罩旋转时，第二测量点将画出基本圆形的行进路径。优选地，第二测量点位于整流罩的迎风面上尽可能远离第一测量点的位置，也即接近整流罩的迎风面的外边缘。将测量点布置在整流罩的中心以及布置在更加远离整流罩前表面的点处，确保了更好的测量精度或分辨率。此布置也确保任何测量值具有清楚的“符号（sign）”，因为中心测量值是固定的并且外部测量值基本是相对于中心测量值而得出。这种整流罩的优点是，通过在其迎风面上形成一个或多个开口而使整流罩可以用于容纳偏航角测量系统的部件的其它目的，从而不必将这种部件安装在整流罩的外部前表面上或者安装在转子平面的前方的另一位置。

当风冲击整流罩的迎风面时，风推动该表面在所有方向上向外偏转。因此，在位于整流罩表面中心的第一测量点处测量的压力基本上将是最高压力，而在第二测量点处的压力将较低。将第二测量点放置在越远离中心的位置，则压力的差或“压差”将越明显。在此布置的情况下，即使整流罩偏离实际风向，即在具有偏航角误差的情况下，在第一测量点处测量的压力也将仍然保持基本恒定。例如，如果风改变方向则会发生这种情况。

对于基本竖直的整流罩迎风面而言，当整流罩正对风时，第一测量点与第二测量点之间的压差将保持基本恒定，并且当对于第二测量点的一整圈旋转（从0°至360°）而相对于角度绘出压差时，该压差可以显示为一条直线。这在下面被称为竖直整流罩表面的“参考压差”。

然而，对于大多数的大型风力涡轮机设计而言，整流罩的旋转轴线从水平方向向上倾斜大约6°以提供长的转子叶片的末端与塔架之间的安全间隙。对于这种向上倾斜的整流罩而言，当整流罩正对风时，第一测量点与第二测量点之间的压差将略微震荡，这是因为整流罩的迎风面的较高外部区域中的压力将略微小于整流罩的迎风面的较低外部区域中的压力，并且第二测量点经过这些具有略微不同压力的区域。当对于第二测量点的一整圈旋转（从0°至360°）相对于角度绘出压差时，压差中的振荡可以显示为正弦波的一个相位。在下面将此振荡称为向上倾斜整流罩的“参考振荡”。对于向上倾斜的整流罩表面而言，压力区略向下偏移。当向上倾斜的整流罩不正对风时，压力区也将略向侧部偏移，从而在外部测量点处测量的空气压力将具有周期性的性质，因为第二测量点沿其行进路径运动移动经过现在显著不同的压力区。因此，周期性的压差从参考振荡侧向地偏移达相位偏移并且竖直地偏移达幅度偏移。此振荡信号与参考振荡之间的相位偏移将主要取决于偏航偏移的大小或程度。

为了把测量值与整流罩旋转联系起来，可将第二测量点布置在整流罩的前表面中使得第二测量点与特定转子叶片的纵向轴线基本一致。因此，每当该特定转子叶片随整流罩一起旋转而经过其最高点时，第二测量点也完成一整圈旋转。

然而，确保这种精确的布置会是相当困难的。因此，在本发明的一个优选的实施例中，将参考信号提供给偏航误差确定单元。可以由合适的传感器例如加速度计（诸如双轴加速度计）、霍尔效应传感器等生成该参考信号。这种传感器可以位于任何适当位置，例如位于整流罩内部，并且当整流罩旋转时可以以有规律的间隔传送参考值。例如，如果把传感器安装成与特定转子叶片一致，那么每当该转子叶片经过其最高点时传感器可以传送方位角参考值。传感器可以构造成以某些间隔（例如每旋转四分之一圈、每旋转30°等）传送信息。这种传感器实际上提供表示在周期性风测量数据输入（例如15°、30°、45°等）期间的特定角度的信号。可以利用传感器输出来触发压力测量，即可以以方位角的函数来采样压差信号，从而在一次旋转期间所获得的压差样本可以用于确定压差信号的幅度和相位。当对于整流罩的每圈旋转采集了足够数量的压差值或样本时，根据本发明的方法可以有利地具有高精度。例如，对于整流罩的每一圈旋转，采集优选至少10个、更优选至少20个、最优选至少30个风压测量值或样本。

可以利用所提供的信息（即角度参考和周期性压差样本）来计算相对于参考振荡的相位偏移。可以利用各种已知技术来估计相位偏移。在一个方法中，可以使用相位锁定环（PLL）。然而，诸如PLL的技术的缺点是压差信号的缓慢变化以及需要进行过滤以过滤掉对应于双倍整流罩旋转频率的频率成分。此外，PLL对幅度变化敏感。然而，压差信号的幅度将以与风速的直接关系而变化，该风速进而可以相当快速地波动。因此，为了使用PLL，还需要对输入压力信号进行某种类型的归一化处理。

因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，采用了可以更好地处理这种特定情况的处理技术。例如，诸如Goertzel算法之类的算法是非常合适的，因为这种算法可以确定在整流罩的单圈旋转中（即在周期性压差信号的单个周期内）的相位偏移。Goertzel算法可以处理具有单一频率成分的信号（这里，压差信号是具有整流罩旋转频率的简单正弦波），以便传送包括输入信号的幅度及其相位的复杂输出。该幅度可以用于确定风速，如下面将要说明的，而相位用于确定瞬时偏航误差角。Goertzel算法在数值计算方面是非常高效的，尤其是因为这里仅考虑单一频率成分，因此比其它技术（例如最小均方、递推最小二乘方、傅立叶变换等）更加适合于在小型处理器和/或嵌入式应用中执行。

诸如Goertzel算法的算法对幅度变化是高度稳健的，并且得益于良好采样的方位角或角度参考。因此，使用具有适当精确度的角度参考传感器，优选地使用具有至少10°（优选更小）的分辨率的传感器。例如，可以优选地使用具有大约1.0°的分辨率的角度参考传感器。

通过估计不同角扇区上的相位，可以进一步提高相位偏移计算的分辨率，因此进一步提高偏航误差确定的分辨率。例如，可以将Goertzel算法设置成分别在0°、90°、180°和270°开始，从而每旋转四分之一圈就传送新的相位估计。这将允许为整流罩的每圈旋转确定多达四次的偏航角误差。显然，利用此信息，风力涡轮机的偏航驱动装置控制装置可以操作成对风向的任何变化几乎立即做出反应。然而，通常优选的是不过于频繁地操作或启动偏航驱动装置，以减小对偏航驱动装置的部件的磨损。例如，偏航系统可以仅运行达转子工作时间的大约5%，从而在低成本设备的情况下实现更长的使用寿命。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，可频繁地执行偏航误差确定，但仅用于确定偏航驱动装置的启动是否合适。例如，可以在整流罩每旋转四分之一圈时进行一次相位估计，但偏航驱动装置仅可在需要时启动。上述经提高的分辨率使得能够过滤掉风向中的有噪声的或者高峰值的波动，因此可以确定偏航误差的更精确估计，从而将只在认为是必要时才启动偏航驱动装置。

根据本发明的方法优选地包括确立数学关系的步骤，该数学关系将相位偏移表示为偏航误差角的函数。由于在整流罩上经过的风的行为是明确定义的并且与整流罩的旋转和偏航角直接有关，而使这成为可能。确立这种关系的一种方式可以包括基于计算流体力学的理论方法。可以模拟风在整流罩上的行为，并且可以通过使用以前由测量系统在“真实”风力涡轮机上记录的数据来加强这种模拟。例如，可通过建立模拟而确定在相对于风向（即相对于风矢量）的各种角度处在平的向上倾斜的整流罩上的压力分布。可以通过以下方式完全地在软件中执行方法步骤（A）-（E）：利用以前从一个或多个工作的风力涡轮机采集的存入数据的混合（例如步骤（A）和（B））、从一个或多个流体动力学模型获得的数据（例如步骤（B））、以及在模拟过程中计算的数据（例如步骤（C）和（D））。在步骤（B）中，可由安装在气象桅杆上的传感器提供压力测量数据。

取决于所采用的（一个或多个）模型的精度，这种模拟可以预测在整流罩前表面上的压力分布，从而可以计算整流罩上的两个点（一个点在中心，另一个点更远）之间的周期性压差。可以对所计算的压差进行分析，以确定偏航误差（整流罩偏离风矢量的角度）如何与周期性压力信号和参考振荡之间的相位偏移有关。在本发明的过程中所实施的这种模拟期间，观察到把相位偏移与偏航误差联系起来的函数类似于双曲正切函数。

在第二方法中，利用根据本发明的偏航角确定单元对风力涡轮机进行校准。为了这个目的，对于第一正偏航误差角和第二负偏航误差角之间的一系列不同的已知偏航误差角，确定并记录相位偏移的值。例如，该方法的步骤（A）可以包括控制偏航驱动装置以设置特定的已知偏航误差角。可以利用由气象桅杆所提供的数据或者来自另一个合适传感器或可靠信息来源的数据来确定当前的风向。使风力涡轮机像平常一样工作。步骤（B）包括在该偏航角设置期间获得风压测量值。这些风压测量值显示上文详细描述的周期性性质。然后，在该方法的步骤（C）中对风压测量值进行处理，以确定风压测量值相对于角度参考的相位偏移，例如利用上述Goertzel算法。在步骤（D）中记录如此计算的对于已知偏航误差角的每个相位偏移。优选地，以所需要的频繁程度重复这些步骤，以获得相位偏移和偏航误差角之间的可靠相互关系。

优选地，在适当的宽范围的偏航误差角中确定该相互关系，以便提高测量和校准的质量。因此，在本发明的另一个优选实施例中，对于第一最大偏航误差角和第二最大偏航误差角之间的一系列不同偏航误差角，确定并记录相位偏移的值。在本发明的一个优选的实施例中，偏航误差角的系列包括以下的一系列角度：+15°、-15°、+12°、-12°、+9°、-9°、+6°、-6°、+3°、-3°、0；假设0°与风向一致。换句话说，将偏航驱动装置控制成使得机舱首先从平行于风向的虚拟线向一侧偏航达+15°的角度。当整流罩旋转时，采集并记录此偏航误差角的风压测量值。在经过某段时间后，启动偏航驱动装置以使机舱反向偏航经过30°直到机舱到达另一侧上的-15°的位置。在此位置，当整流罩旋转时，采集并记录更多的风压测量值。然后，启动偏航驱动装置以使机舱再次反向偏航经过27°，即到达+12°的偏航角。再次地，当整流罩旋转时，采集并记录风压测量值，然后使机舱反向偏航经过24°到达-12°的偏航角。重复这些步骤直到已经针对该系列中的每个偏航误差角采集了风压测量值。当然，视情况可以选择其它合适的角度系列，例如以4°或2°的步幅。在现实情况中执行这种校准会经受由于波动的风速而造成的任何不准确性。因此，对于给定的角度系列，重复进行多次测量，从而可以对结果进行平均以减小变动。

可以相对于所测量的偏航误差绘出相位偏移的值（在此，利用输入偏航驱动装置的已知风向数据和已知角度设置来确立偏航误差）。各相位偏移和偏航误差值对与上述图表或图形中的点相对应。利用所确立的方法进行回归或插值，可以确定相位偏移和偏航误差之间的数学关系，即可以将相位偏移表示为偏航误差的函数。该数学关系是静态的，即对于风力涡轮机或者对于特定的风力涡轮机类型，仅需对该数学关系估计一次。

此信息可以用于风力涡轮机中的计算模块。例如，偏航误差确定模块可包括如上所述的压差传感器、角度参考传感器等，以及基于输入相位偏移值计算偏航误差的处理器。例如，可在处理器中执行用于进行反双曲正切计算的算法。替代地，处理器可以用于每当其接收相位偏移的更新值或新值时从查找表获取偏航误差的值。当然，该处理器也可用于执行任何对于偏航误差信号的任何过滤步骤。因此，偏航误差确定单元可以输出信号，所述信号可以用于控制风力涡轮机。因此，在本发明的一个特别优选的实施例中，偏航误差确定单元包括偏航驱动装置控制信号生成单元，其用于基于所确定的偏航误差角而生成偏航驱动装置控制输出信号。

如上所述，由压力传感器采集的信息可以用于确定风速。风速可以用于提高风力涡轮机的安全性和效率，例如通过确定风力涡轮机应何时关机。在高风速下，应当将转子叶片收拢或者倾斜到“风之外”从而避免对叶片、发电机的损伤，防止超速等。另外，重要的是确保将叶片末端速度保持在安全极限内。此外，对于先前关机的风力涡轮机而言，可以在一个时间段内对风速测量值进行分析以确定是否应再次启动风力涡轮机。一旦平均风速超过某个最低值则会是这种情况，同时可认为优选的是只要平均风速低于该最低值则使风力涡轮机保持关机。

吹入的风流的动态压力是（第一测量点处的）滞止压力和利用环境压力值所测量的静压力或总压力之间的差。为了此目的，在本发明的一个特别优选的实施例中，测量系统包括另外的环境压力测量输入装置，其例如从整流罩中的任意位置引出并连接到压力传感器。优选地，压力传感器可以利用这些输入来传送动态压力值。在已知动态压力的情况下，可以利用以下公式计算风速：

其中，q是动态压力（单位为帕斯卡），ρ是空气密度（单位为kg/m³），并且ν是风速。如上所述，所计算的风速值可以用于确定何时启动或关闭风力涡轮机。

因此，在本发明的另一个优选的实施例中，分析模块包括风速极限确定模块，其中，由风速极限确定模块生成的控制信号包括风力涡轮机的控制器的启动/关闭信号，该启动/关闭信号是基于从动态压力得出的风速值而生成的。因此，可以通过首先测量参考压力P_ref和速率v_ref而计算风速。利用算法块输出的幅度值（例如来自Goertzel算法块），可以使用上述公式直接计算风速。可以对输出风速值进行过滤，这取决于随后对该信号的使用。例如，过滤器可用于计算若干相继的风速值的移动平均，从而可以确立更可靠的值。

当然，该处理器也可用于运行软件模块，该软件模块能够利用压差测量值来计算风速值，并且该处理器可用于执行任何过滤步骤以便求出这种风速值的平均。这种风速信号可以用于控制风力涡轮机的部件，例如启动/关闭控制器、叶片桨距控制器等。

附图说明

基于以下的详细说明并结合附图，本发明的其它目的和特征将变得显见。然而，应该理解的是这些附图仅仅是用于说明的目的而不是对本发明的限制。

图1示出了根据本发明一个实施例的风力涡轮机的平整流罩的第一取向的压力分布。

图2示出了图1的整流罩的第二取向的压力分布。

图3是图1和图2的整流罩的示意性剖视图。

图4示出了图1至图3的整流罩的一圈旋转的压差曲线的图。

图5示出了计算模块的一个实施例的方块图，该计算模块用于执行根据本发明的方法的步骤以便确定偏航误差。

图6示出了由根据本发明的方法的一个实施例所确立的、相位偏移和偏航误差之间的数学关系。

图7示出了根据本发明一个实施例的风力涡轮机。

图8示出了处在相对于风的非理想位置的现有技术风力涡轮机的平面示意图。

在遍及所有附图中，相同的附图标记表示相同的物件。附图中的物件不必按照比例绘制。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的风力涡轮机的平整流罩10的表面上的、在整流罩10的第一和第二位置的压力分布。这里，假设整流罩10的形状基本为圆形，具有基本圆形的前表面11，并且安装在风力涡轮机上，使得由于上面给出原因，前表面11向上倾斜达大约6°的小角度。在此附图中，整流罩10正对风。当略微向上倾斜时，平的整流罩表面11上的压力分布使得在从圆形整流罩表面11的几何中心（由“x”表示）略向下偏移的第一压力区P0中存在最高压力。随着与最高压力P0区域的距离增加，压力下降，为了简单起见，这由压力减小的分离的压力区P1、P2、P3表示，其中，位于整流罩的最外边缘处的压力区P3显示最低压力。当整流罩正对风时，压力区P0、P1、P2、P3被确立为关于经过整流罩前表面中心的竖直轴线（如由竖直虚线所示）基本对称。当然，在分离的压力区P0、P1、P2、P3上压力并不是阶越下降，如图中所示，而是从整流罩中心处的最高压力平滑地下降至整流罩表面的周边处的最低压力。

当整流罩旋转时（由箭头所示），压力分布保持相同，使得第一点101基本仍然处在第一压力区P0内，而第二点102画出圆形行进路径（由虚线表示），该路径使第二点102经过若干外部压力区P2、P3。因此，虽然第一点101处的压力基本保持恒定，但当整流罩10旋转时作用于第二点102的压力以循环的方式增加和减小，并且第二点102在其圆形行进路径上进入并离开不同的压力区P2、P3，从整流罩前表面11上的其方位角或最高点处的0°直到整流罩前表面11上的其最低点处的180°。因此，最低压力点是在行进路径的最高点，因为此点与滞止压力点101距离最远；而在行进路径的最低点处经历最高压力，因为此点最接近滞止压力点101。最高和最低压力点关于第一点101在直径上相对。

图2示出了整流罩10不再正对风而是以不利的偏航角偏离面对风的情况。此偏航角误差的影响是压力区不再关于整流罩前表面上的竖直轴线对称。相反，压力区P0'、P1'、P2'、P3'现在也“偏移”并略微变形。结果，第二点102现在进入并离开若干压力区P1'、P2'、P3'。因此，在此偏移的偏航误差位置，在第二测量点102处所经历的最低和最高压力将略低于图1的非偏移位置中的第二测量点102处所经历的相应压力（再次地，最高和最低压力点关于第一点101在直径上相对，这里由经过这些点的直的倾斜虚线表示）。

本发明很好地利用此效应，如图3中所示。这里，安装在机舱12前面的风力涡轮机的整流罩10具有两个开口101、102或者测量点101、102，用于对偏航误差确定单元3进行压力测量，这两个开口被布置成使得第一开口101基本位于整流罩前表面11的几何中心，并且第二开口102定位成相对更接近整流罩前表面11的外边缘。因为开口101、102在整流罩前表面11中，所以它们在转子平面P_R的前方，风力涡轮机的转子叶片（未图示）在转子平面P_R中旋转。在图1和图2的帮助下如上面所述，当整流罩10旋转时，在第一开口101或测量点101处将会经历基本不变或滞止的压力，而第二测量点102由于其反复地经过较高和较低压力区而将会经历周期性变化的压力。压差传感器30被布置于在整流罩10的前表面11后面的空腔中，并且借助于导管31、32连接到开口101、102。压差传感器30输出压差值300，该压差值300可以以电信号的形式经由导线和滑环被传递，或者以无线信号的形式被传递，表示开口101、102之间的压差。压差传感器30的输出300被计算模块33接收，计算模块33可被实现在处理器上。在此实施例中，偏航误差确定单元3的计算模块33可基于压力传感器输出300来确定偏航角误差值332、332'和风速值333。偏航误差确定单元3还包括：偏航驱动装置控制信号生成单元34，其可生成偏航驱动装置的偏航驱动装置控制信号340以校正偏航角误差；以及开/关控制信号生成单元35，其用于生成涡轮机控制信号350以便根据风速关闭或重新启动风力涡轮机。

非常精确的压力传感器30可以对偏航误差角做出精确的估计并且相应地对偏航驱动装置进行精确的控制，使得此整流罩10所附接的风力涡轮机能够优化其能量输出。如上所述，计算模块33或者分析单元33还包括风速确定模块，风速确定模块可基于压力传感器输出300来确定风速333，例如平均风速。风速值333可以用于例如生成风力涡轮机控制器的启动/关闭信号。此数据也可以用于在恒速涡轮机控制过程期间确定风力涡轮机转子叶片的最佳叶片桨距角，在恒速涡轮机控制过程中，风力涡轮机功率已达到额定水平并且在此期间可根据需要采样所估计的风速值来调整桨距角。在本实施例中，方位角信号传感器51为偏航误差确定单元3提供方位角参考值330，如下面将要说明的。

图4示出了整流罩10从0°到360°的一圈旋转的压差曲线40、41的两个图形。第一图形40对应于第一偏航误差角，并且其特征是具有偏移40_偏移和幅度40_幅度的压差的正弦振荡40。第二图形41对应于第二偏航误差角，并且其特征也是具有偏移41_偏移和幅度41_幅度的压差的正弦振荡41。布置在整流罩前表面11后面的压差传感器30可以以规则的角间隔（例如每10°、每20°等）采集测量值或样本S，如沿第一图形40布置的示例性样本点S所表示的。根据本发明的方法能够使这种压差测量值S与偏航角误差建立联系，如上所述。例如，可以利用这些样本点S和角度参考作为输入来运行Goertzel算法，以确定在这些样本点S下的周期性压差信号的幅度和相位。

图5示出了计算模块33的一个实施例的方块图，计算模块33用于执行根据本发明的用于确定偏航误差的方法的步骤。向Goertzel算法块50提供压差值300（对应于图4的样本点S）和方位角参考值330。Goertzel算法块50的输出是幅度50_3的值和相位偏移50_4的值。相位偏移块51提供“处理（handle）”331以校正所计算的相位，该“处理”331取决于方位角输入的来源。相位校正信号331也可以由方位角信号传感器51传送，或者由此得出。例如，如果当特定转子叶片竖直地指向上方时将方位角定义为0，并且压力传感器安装在相对于转子平面上的该方位角的随机角度，那么来自Goertzel算法块50的相位输出将会与该叶片有关。校正信号331利用限定传感器相对于该方位角的位置的角度来校正相位偏移50_4，从而0°的经校正的相位偏移53_1将对应于0°的偏航角。经校正的相位偏移53_1被传送至查找表53。这里，通过获取对应于该相位偏移输入53_1的偏航误差值332而确定偏航误差332。然后，可以在过滤器块55中对偏航误差332进行过滤，过滤器块55传送经过滤的偏航误差值332'，例如用于偏航驱动装置控制器。Goertzel算法块50输出的幅度50_3也可以用于确定风速。在Bernoulli计算块52中，应用Bernoulli方程来确定风速，然后在另一个过滤器块54中对该风速值进行过滤以获得平均风速值333，该平均风速值333可用于生成风力涡轮机的启动/关闭信号，如上所述。

图6示出了在针对本发明进行的实验过程中确立的数学关系R，作为相位偏移（Y轴，[o]）相对于偏航误差（X轴，[o]）的图形，并且还示出了在偏航误差估计步骤期间Goertzel算法模块50所输出的幅度值60、61。在插值后，该图示出了关系R显示出双曲正切函数的特性。因此，将所测量的相位偏移看作双曲正切函数的“y”值，可以通过执行适当的反双曲正切计算而计算相应的“x”值，即偏航误差值。这里，大约60°的相位偏移被示出为对应于大约10°的偏航误差，而大约-40°的相位偏移被示出对应于大约-5°的偏航误差。显然，可以用相对较少的计算工作（Goertzel算法要求非常少的计算）并且在相对短的时间内（可以简单地从查找表获取偏航误差），而相当精确地确定实际偏航角误差。偏航驱动装置可以利用此偏航角误差来校正整流罩相对于风的取向，使得风力涡轮机的功率输出始终被优化。随着时间的推移，这可以显著地增加风力涡轮机的年能量输出。

图7示出了根据本发明一个实施例的风力涡轮机1。平的整流罩10被安装到机舱12，机舱12借由偏航驱动装置14可旋转地安装在塔架13上。这里，三个转子叶片15被安装到整流罩10。偏航误差确定单元3被包括在整流罩10内，并且压差传感器被连接到整流罩前表面11上的两个开口101、102（这里极度夸张地示出）。当整流罩旋转时，角度参考传感器以规则的角间隔将采样触发信号传送至压力传感器。如上所述，基于由压力传感器所传送的压差的样本，在偏航误差确定单元中确定偏航误差，并且将所估计的或所确定的偏航误差值用于生成偏航驱动装置控制信号340，该偏航驱动装置控制信号340可以在必要时启动偏航驱动装置以校正整流罩的对准使得它始终正对风。可以以某些预定的间隔启动偏航驱动装置以避免过度活跃和不必要的磨损，例如可以每分钟执行一次、每5分钟执行一次偏航误差校正，等等（如果有必要）。

图8示出了处于相对于风W的非理想位置的现有技术风力涡轮机的平面示意图。由上述可见，偏航驱动装置800（用虚线表示）可以使机舱80旋转以便使机舱80和整流罩83的纵向轴线L与风W的瞬时方向v_w一致。偏航驱动装置800的控制器响应于安装在机舱80顶部的风向标81所传送的测量值而工作。转子叶片82当它们旋转时画出虚拟的“转子圆盘”或“转子平面”P_R，这里由虚线表示（在此，转子平面P_R垂直于附图平面）。因为风向标101位于转子平面P_R的后面并且转子叶片104导致在转子平面的后面形成一定量的湍流W_T，所以由风向标81传送的测量值不能精确且可靠地描述风向v_w。结果，偏航驱动装置控制器会错误地导致机舱80因此也导致整流罩83面对与理想风向偏移的方向。在此，该偏移或偏航角误差被图示为纵向轴线L和风向v_w之间的角α。由于该偏航角误差α以及所造成的载荷不平衡，风力涡轮机的任何主要部件会被负面地影响。例如，转子叶片82和轴承（例如变桨轴承或转子的轴承）或者发电机的主轴会经受不希望的疲劳载荷。另外，由于相对于风的较不理想的取向，此风力涡轮机的能量输出低于风力涡轮机正对风时的能量输出。

尽管已通过优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但应当理解的是在不背离本发明范围的前提下可以做出许多其它修改和变型。例如，根据本发明的方法还可以包括用于验证方位角信号和压力信号的数据质量例行程序。根据本发明的方法还可以包括安全例行程序，用于在确定压力测量值是不可靠的情况下停止转子、或者切换到二级风速测定装置。

为了清楚起见，应该理解的是在本申请中“一”或“一个”的使用不排除复数的情况，“包括”不排除其它步骤或元件。对“单元”或“模块”的描述不排除多于一个单元或模块的使用。

Claims (15)

1.一种确定风力涡轮机（1）的偏航误差度的方法，所述方法包括：

从所述转子平面的前方获得风压测量值（300，S），所述风压测量值（300，S）显示与所述风力涡轮机（1）的整流罩（10）的旋转有关的周期性性质；

执行信号处理步骤以处理所述风压测量值（300，S）从而确定所述风压测量值（300，S）相对于角度参考（330）的相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）；

由所述相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）得出偏航误差角（332，332'，α）。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在布置在所述风力涡轮机（1）的前平面（11）中的若干测量点（101，102）获得所述风压测量值（300，S），其中，所述前平面（11）在所述风力涡轮机的转子平面（P_R）之前或者与其重合。

3.如权利要求2所述的方法，其中，风压测量值（300，S）包括在第一测量点（101）处获得的第一压力值和在第二测量点（102）处获得的第二压力值之间的压差，所述第一测量点（101）大致布置在所述整流罩（11）的中心处，所述第二测量点（102）布置在与所述第一测量点（101）相隔一距离处。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述执行信号处理步骤的步骤包括应用Goertzel算法来处理所述风压测量值（300，S）。

5.如权利要求4所述的方法，包括应用多个Goertzel算法来处理所述风压测量值（300，S）的步骤，其中，每个Goertzel算法与不同的角度参考相关联。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，包括确立数学关系（R）的步骤，所述数学关系（R）将相位偏移表示为偏航误差角的函数。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对于所述风力涡轮机（1）的整流罩（10）的每一圈旋转，获得至少10个、更优选至少20个、最优选至少30个风压测量值（300，S）。

8.一种确立风压测量值（300，S）的相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）与风力涡轮机（1）的偏航误差度之间的关系的方法，所述方法包括：

（A）设置特定的偏航误差角；

（B）对于该偏航角的设置，从转子平面的前方获得风压测量值（300，S），所述风压测量值（300，S）显示与所述风力涡轮机（1）的整流罩（10）的旋转有关的周期性性质；

（C）对于所述风压测量值（300，S）执行信号处理步骤，以确定所述风压测量值（300，S）相对于角度参考（330）的相位偏移（50_4）；

（D）对于该偏航误差角，记录所述相位偏移（50_4）；以及

（E）对于若干不同的偏航误差角，重复步骤（A）至（D）。

9.如权利要求8所述的方法，其中，对于第一最大偏航误差角和第二最大偏航误差角之间的一系列不同偏航误差角，确定并记录相位偏移（50_4）的值。

10.如权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，偏航误差角系列包括一系列的角度{15°，-15°，12°，-12°，9°，-9°，6°，-6°，3°，-3°，0°}。

11.一种用于确定风力涡轮机（1）的偏航误差度的偏航误差确定单元（3），所述偏航误差检测单元（3）包括：

输入装置（31，32），所述输入装置（31，32）用于提供风压测量值（300，S），所述风压测量值（300，S）在所述转子平面的前方获得并且显示与所述风力涡轮机（1）的整流罩（10）的旋转有关的周期性性质；

信号处理单元（33），所述信号处理单元（33）用于处理所述风压测量值（300，S）以确定压力测量值（300，S）相对于角度参考（330）的相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）；以及

分析单元（53），所述分析单元（53）用于确定与所述相位偏移（50_4，40_偏移，41_偏移）相关联的偏航误差角（332，332'，α）。

12.如权利要求11所述的偏航误差确定单元，包括来自整流罩角位置传感器（51）的至少一个角度参考输入（331）。

13.如权利要求11或权利要求12所述的偏航误差确定单元，包括偏航驱动装置控制信号生成单元（34），用于基于所确定的偏航误差角（332，332'，α）生成偏航驱动装置控制输出信号（340）。

14.一种风力涡轮机（1），包括：

可旋转地安装在塔架（13）上的机舱（12）；

用于使所述机舱（12）相对于所述塔架（13）旋转的偏航驱动装置（14）；

可旋转地安装到所述机舱（12）的整流罩（10），若干转子叶片（15）被安装到所述整流罩（10）；

并且还包括如权利要求11至13中任一项所述的用于确定风力涡轮机（1）的偏航误差度（α）的偏航误差确定单元（3），其中，所述偏航误差检测单元（3）的输入装置（31，32）连接到布置在所述整流罩（10）的前表面（11）上的第一测量点（101）和第二测量点（102）。

15.如权利要求14所述的风力涡轮机，其中，所述测量系统（3）被大致布置在所述整流罩（10）的前表面（11）的后面。

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