CN106988959A

CN106988959A - 校准风力涡轮机的偏航系统

Info

Publication number: CN106988959A
Application number: CN201611168108.7A
Authority: CN
Inventors: P.埃格达尔; P.B.埃内沃尔德森; C.瓦德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2017-07-28
Also published as: EP3181896A1; US20170175710A1

Abstract

本发明涉及校准风力涡轮机的偏航系统，提议了一种用于校准风力涡轮机的偏航系统的方法，其包括以下步骤：关于风力涡轮机的位置确定真实太阳位置（530），基于以下各项校准偏航系统：基于真实太阳位置（530），以及基于涡轮机专用信息。此外，建议风力涡轮机和装置以及计算机程序产品和计算机可读介质以便执行所述方法。

Description

校准风力涡轮机的偏航系统

技术领域

本发明涉及风力涡轮机以及用于校准风力涡轮机的偏航系统的方法和装置。另外，建议了相符的计算机程序产品和计算机可读介质。

背景技术

操作中的风力涡轮机并非总是经受垂直于转子平面的风。当风力涡轮机的转子平面（其也被称为航向（heading））不垂直于风时，效率将降低。因此，实际风力涡轮机包括被设计成自动调整其航向（例如，将转子平面旋转成垂直于进入的风）或相对于风维持一定角度以使涡轮机转子的表面积（“偏航”）最大化的偏航系统。

通常地，偏航系统是机舱的一部分，所述机舱可参与偏航运动（即，经由至少一个偏航轴承可旋转地安装在塔架的顶部上）。转子附接于机舱的逆风侧。转子经由传动系联接到装纳在机舱内侧的发电机。转子包括中央转子毂和多个叶片，所述叶片安装于转子毂并从转子毂径向地延伸，从而限定转子平面。

对于风力发电厂操作员而言，知道转子平面的实际位置或方向或者相应风力涡轮机的航向是重要的，所述平面或航向与机舱的实际位置或方向相关联。机舱的实际方向也被称为偏航方向或偏航位置，或相对于预先限定的方向（例如，基本方向）被称为偏航角。替代性地，偏航角可以被限定为机舱相对于进入的风的方向的方向。

图1以示意性俯视图示出风力涡轮机100关于众所周知的方位基点或罗经点（在图1的背景中被指示为罗经盘）的示例性情形。转子毂120安装在机舱110的逆风侧处，所述转子毂120包括限定转子平面140的多个叶片130。根据图1的情形，风力涡轮机100的实际偏航方向150（其也被称为“罗经航向”），即，机舱110的实际方向指向基本方向“东北”或“NE”。如图1中示例性地示出的，绝对偏航角“θ偏航角”相对于朝向基本方向“北”或“N”的风力涡轮机参考实际偏航方向150。绝对偏航角θ偏航角由箭头160指示，其中，θ偏航角 = 45°。

关于偏航方向的信息是用于分析关于风力涡轮机的数据或执行扇形件（sector）管理控制的常用基础，其中所述扇形件管理控制比如例如：

– 关于风型的现场风测绘和历史数据收集，

– 通过避免在噪音生成过度的风向中操作来限制风力涡轮机噪音，

– 自动减缩（curtailment）和调节处于可能存在显著的风湍流的偏航角下的风力涡轮机，

– 针对在日间的某些时间和某些偏航角下的附近居民或商户预防阴影闪烁/光污染，

– 远程手动控制风力涡轮机偏航位置，

– 有效测试及风力涡轮机功率曲线确认，或

– 在有冰情况期间当维修组靠近时安全地定位转子。

为了确定例如绝对偏航角，风力涡轮机可装备有偏航编码器，所述偏航编码器测量相对于静止物体（比如，例如固定于地平面处的地基的塔架）的相对偏航方向。通常，在风力涡轮机安装结束之后通过确定参考偏航方向或参考偏航角来校准偏航编码器（也被称为“初始校准”）。

在一些情形中，由于应用粗略的估计或经验法则以确定作为用于偏航角校准的基础或参考的基本方向，因此偏航角的初始校准是不正确的或较不准确。

偏航角校准不准确的另一原因是风力涡轮机安装基于包括强大的永磁体的设计，从而消除了应用磁罗经以确定偏航方向或偏航角的可能性。作为另一个通常的缺点，磁罗经本身包括不准确性，特别是在位于高地理纬度的安装设施处。

替代性地，已应用基于GPS（全球定位系统）或其它基于卫星的定位系统的罗经来确定风力涡轮机的参考偏航方向。然而，这些系统会需要专用维修组的专业技能，并且维修时间局限于具体测试和测量应用。

更进一步地，前述系统可承受具体偏航位置或偏航方向偏移在风力涡轮机配置（比如，例如软件参数列表）中可以被覆写或删除的风险。还可以存在偏航传感器在损伤维修期间被改变的风险。在这种状况中，可能存在偏航位置未被恰当校准和可能读出错误的偏航位置的风险。

发明内容

因此，目标是克服前述缺点，且具体地提供用于优化风力涡轮机的偏航系统的改进方法。

根据独立权利要求的特征解决该问题。另外的实施例由从属权利要求产生。

为了克服这个问题，提供一种用于校准风力涡轮机的偏航系统的方法，其包括以下步骤：

– 关于风力涡轮机的位置确定真实太阳位置，

– 基于以下各项校准偏航系统：

– 基于真实太阳位置；以及

– 基于涡轮机专用信息。

确定太阳的真实位置意指获取表示太阳在天空中的实际位置的信息。该信息还可表示太阳位置向量，即，表示关于例如风力涡轮机的地理位置朝向真实太阳位置的方向的信息。

校准意指基于例如太阳位置信息来确定参考偏航方向或参考偏航角。作为示例，可基于所提议的解决方案将基本方向“北”确定为参考偏航方向。

所提议的解决方案提供一种用于校准或重新校准风力涡轮机的偏航系统的经济的且特别地价格合理的方法。

所呈现的本发明的一个方面在于，在校准偏航系统期间，可以使用真实太阳位置作为可靠及绝对的方向指示。

在实施例中，涡轮机专用信息包括以下各项中的至少一项：

– 表示风力涡轮机的地理位置的信息，

– 日历信息，

– 校准信息。

可通过使用地理坐标系来限定地理位置。作为示例，可根据以下各项来限定地理位置：

– 地理纬度和经度坐标系，或

– 通用横轴墨卡托（UTM）坐标系，或

– 通用极球面（UPS）坐标系。

日历信息可以是根据单个风力涡轮机的地理位置的当地日期和当地时间。

校准信息可以是已经存在的信息，例如

- 表示偏航系统的当前配置，和/或

- 表示在过去执行的校准步骤的结果，其中，所述校准步骤的结果已储存在风力涡轮机的存储器中。

作为示例，可将前述涡轮机专用信息分配于储存在风力涡轮机的存储器中的查找表。

在另一实施例中，所述方法包括：

– 基于偏航系统的当前配置关于风力涡轮机的位置确定估计的太阳位置，

– 用真实太阳位置验证估计的太阳位置，

– 基于验证的结果校准偏航系统。

在实施例中，在至少一个太阳位置传感器的帮助下确定真实太阳位置。

在另一实施例中，

- 至少一个太阳位置传感器包括

- 测量光的强度的至少一个光敏传感器，以及

- 至少一个阴影发出（shadow emitting）元件，

- 其中，至少一个太阳位置传感器被布置成使得至少一个光敏传感器测量光的强度，所述强度取决于太阳的实际位置以及取决于至少一个阴影发出元件的单个设计和取向。

在下一个实施例中，

- 至少一个太阳位置传感器被布置在机舱顶部上或风力涡轮机的转子毂前方，

- 根据表示估计的太阳位置的偏航方向使机舱偏航，

- 在太阳位置传感器的帮助下用真实太阳位置验证偏航方向，

- 基于验证的结果校准偏航系统。

还有一个实施例是在机舱的解缆（unwind）程序期间执行所述方法。

依据另一个实施例，在确定真实太阳位置期间，最小化或去除干扰效应。

干扰效应可为在风力涡轮机的正常操作期间的叶片阴影效应以及通过使用适当算法或过滤器得以去除或最小化的黑夜和云效应。

上文所陈述的问题也由风力涡轮机解决，所述风力涡轮机包括：

- 偏航系统，

- 处理单元，其被布置成用于：

– 关于风力涡轮机的位置确定真实太阳位置，

– 基于以下各项校准偏航系统：

– 基于真实太阳位置；以及

– 基于涡轮机专用信息。

上文所陈述的问题也由一种装置解决，所述装置包括处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置，和/或与处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置相关联，所述处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置被布置成使得能够在其上执行如本文中所描述的方法。

所述处理单元可包括以下各项中的至少一项：处理器、微控制器、硬连线电路、ASIC、FPGA、逻辑装置。

本文中所提供的解决方案进一步包括能够直接加载于数字计算机的存储器中的计算机程序产品，其包括用于执行如本文中所描述的方法的步骤的软件代码部分。

另外，上文所陈述的问题由计算机可读介质（例如，任何种类的储存装置）解决，所述计算机可读介质具有计算机可执行指令，所述指令适应于引起计算机系统执行如本文中所描述的方法。

本文中所提供的解决方案进一步包括用于确定太阳的真实或实际位置的至少一个太阳位置传感器，所述至少一个太阳位置传感器包括：

- 测量光的强度的至少一个光敏传感器，以及

- 至少一个阴影发出元件，

其中，至少一个太阳位置传感器被布置成使得至少一个光敏传感器测量光的强度，所述强度取决于太阳的实际位置并且取决于至少一个阴影发出元件的单个设计和取向。

附图说明

在以下附图中示出和说明了本发明的实施例：

图1以示意性俯视图示出风力涡轮机关于众所周知的方位基点的示例性情形；

图2A和图2B以示意图示出太阳位置传感器的一个可能的实施例；

图3A和图3B形象化如图2中所示的太阳位置传感器200取决于太阳的位置的两种可能的情形；

图4A和图4B形象化根据所提议的解决方案的太阳位置传感器的替代性实施例；

图5以俯视图示出如图4中所示的太阳位置传感器的若干示例性操作情形；

图6以框图示出实现所提议的解决方案的示例性信号流程图。

具体实施方式

图2以示意图示出可根据所提议的解决方案使用的太阳位置传感器200的一个可能的实施例。由此，图2A形象化太阳位置传感器200的俯视图，并且图2B形象化太阳位置传感器200的透视图。太阳位置传感器200包括接地板210连同固定的第一阴影发出（shadowemitting）元件220和第二阴影发出元件225，每个阴影发出元件均呈被布置成正交于接地板210的半圆板的形式。由此，阴影发出元件220、225被布置以便提供沿接地板210延伸入纵向方向或轴线245中的通道（由箭头240指示），其适合于导引从源通过通道240发出的光。在通道240的特定中心中（即，在两个阴影发出元件220、225的布置的中心中），光敏传感器230被布置在接地板210上。

光敏传感器230的一个可能的实施例是光敏电阻。

替代性地，可使用CCD传感器（电荷耦合装置）。

接地板210可进一步包括与纵向轴线245对齐的标记250，所述标记250指示太阳位置传感器200的当前方向（也被称为“取向”）。在图2A中，太阳位置传感器200的当前方向/取向由箭头255指示。

根据所提议的解决方案，能够根据以垂直于接地板200的方式布置的旋转轴线使太阳位置传感器200旋转。在图2B中，所述旋转轴线由箭头270指示。

图3形象化如图2中所示的太阳位置传感器200取决于太阳位置传感器200相对于光源位置（比如，例如太阳位置）的当前取向的两种可能情形。在图3中，主要使用与如图2中所示的附图标记相同的附图标记。在图3的情形中，由假想太阳发射的光由箭头310指示。换句话说，太阳的真实位置与发射的光310相关。

根据如图3A中所示的情形，太阳位置传感器200与太阳310的真实位置完全对齐，即，太阳位置传感器200的取向255确切地指向太阳的位置。因此，阴影发出元件220、225未朝向通道240发射阴影，即，最大量的光被导引通过两个阴影发出元件220、225之间的通道240。因此，由光敏传感器230测量或记录光的最大量或光的最大强度。对应地，由光敏传感器230测量或记录“阴影强度”的最小量。

相比之下，根据如图3B中所示的示例性情形，由于太阳位置传感器200的示例性逆时针旋转，太阳位置传感器200的取向255与太阳310的真实位置之间存在失准。所述失准由角度“α”（由箭头320指示）指示。由于该失准，阴影发出元件220朝向通道240发出阴影330。由于阴影330覆盖光敏传感器230，因此由光敏传感器230测得的光的测得强度小于图3A的测得的光强度。

取决于太阳位置传感器200的取向的测得的或记录的光强度的差异是用于根据所提议的解决方案确定太阳的真实位置的基础。

根据所提议的解决方案的一个可能的实施例，如图2和图3中所示的太阳位置传感器200安装在风力涡轮机的机舱顶部上。由此，以一定方式安装太阳位置传感器200，使得太阳位置传感器200的取向255与风力涡轮机的航向或偏航方向一致。

可以应用以下步骤以便根据所提议的解决方案校准风力涡轮机的偏航位置：

在第一步骤中，可基于风力涡轮机的当前配置信息/数据估计太阳的位置（“估计的太阳位置”）。这些配置数据还可以包括当前校准数据，其可以是由在过去执行的在先校准步骤产生的信息。

在第二步骤中，根据估计的太阳位置使风力涡轮机偏航，即，以一定方式使包括风力涡轮机的转子毂的机舱偏航，使得风力涡轮机的航向或偏航方向与估计的太阳位置一致。因此，由于固定的附接，太阳位置传感器200的取向相应地改变。

在第三步骤中，通过分析所记录的由太阳位置传感器200测量的光的强度，用真实太阳位置验证估计的太阳位置。为此，进一步运动（即，使机舱沿两个可能的偏航方向偏航）可以是必须的，以确定测得的光的强度的最大值或确定覆盖光敏传感器230的阴影的最小值。通过识别光强度的最大值（替代性地，阴影强度的最小值），可以确定光的真实位置。

在太阳的估计位置与真实位置之间存在失准的情况下，可在第四步骤期间发起偏航系统的新校准或重新校准。

图4形象化根据所提议的解决方案的太阳位置传感器400的替代性实施例。由此，图4A示出太阳位置传感器400的俯视图，并且图4B示出太阳位置传感器400的侧视图。在接地板410（其可为环形）上，根据环状布置放置一圈若干光敏传感器430。此外，环形阴影发出元件420（比如，例如圆盘或板）被布置成使得当在等轴视图中从顶部直接向下观察时，所有光敏传感器430的光敏区域的某一部分均被覆盖或遮蔽。根据图4A的示例，光敏传感器430中的每一个的光敏区域的大约50%被圆盘420覆盖或遮蔽。该圈光敏传感器430以及圆盘420由固定到紧固板455的半球形透明顶盖450覆盖。

太阳位置传感器400的组成或设计使得在太阳在天空上运动和/或风力涡轮机偏航时，由圆盘420发射或投射的阴影将至少部分地覆盖某一数量的光敏传感器430的光敏区域，同时其余的光敏传感器430将完全暴露于阳光。基于这种可用的信息（即，哪些光敏传感器430由单个百分比的阴影（“阴影覆盖率”）所覆盖），可能通过数据处理来获取指示朝向太阳的真实位置的方向的航向向量（“太阳位置向量”）。

进一步的信息对于准确地确定太阳的真实位置可以是必要的，比如，例如以下各项中的至少一项：

- 表示风力涡轮机的地理位置的信息，

- 日历信息（例如，日期和当地时间），

- 当前校准信息。

根据先进的实施例，连续测量（即，对光敏传感器430的阴影覆盖率的连续分析）将允许对结果求平均值且因此提供对太阳的真实位置的非常准确的获取。

图5以俯视图示出如图4中所示的太阳位置传感器400的若干示例性操作情形。由此，假设太阳位置传感器400被安装在面向北的风力涡轮机的机舱顶部上，并且所述风力涡轮机在地理上位于地球的北半球。

图5A的示例性操作情形表示大约中午时的时序的状况（chronologicalsituation）。由于阴影通常由圆盘420发射，所以在中午时分第一数量（由附图标记430A指示）的光敏传感器至少部分地由阴影（由箭头520指示）覆盖，并且第二数量（由附图标记430B指示）的光敏传感器未被阴影520覆盖。基于由光敏传感器430提供的各个测量信号，能够获取指向太阳的真实位置的实际太阳位置向量（由箭头530指示）。

进一步地，如上文已经解释的那样，能够基于可用的（例如，所储存的）风力涡轮机专用信息来确定估计的太阳位置。

在真实太阳位置与估计的太阳位置之间存在失准的情况下，能够发起偏航系统的新校准或重新校准。

图5B中示出两个另外的示例性情形，其中，早晨时分的对应“阴影情形”由箭头550指示，且夜晚时分的对应“阴影情形”由箭头560指示。

作为优点，通过使用安装在机舱顶部上的如图4和图5中所示的太阳位置传感器400，对于确定太阳的真实位置，不必要使风力涡轮机偏航。因此，可以在不切换到不同操作模式（比如，例如切换到涡轮机专用校准模式）的情况下在风力涡轮机的正常操作期间执行所提供的解决方案。

根据所提供的解决方案的另一可能的实施例（未示出），如图4和图5中所示的太阳位置传感器可布置在转子毂前方，具体地可以固定在转子毂的旋转转动体（spinner）（“转动体安装式传感器”）上，以在安装期间避免可能的方向失准。在转子毂的旋转期间连续地扫描光的强度并与方位角和太阳位置相关联，可以获取精确的偏航方向。相比于如图2和图3中所示的情形，无需精确定位太阳位置传感器，因为收集到的总是轴对称数据。作为相对图2和图3的太阳位置传感器200的另一优点，转动体安装式传感器能够以比当仅指向太阳时的角度更宽的角度操作。

所提议的解决方案的所有可能的实施例的基本原理是基于对环境光强度的测量。因此，在处理所得的测量信号期间，必须区分正常日光、电光源与直射阳光，其中，光的强度是用以控制风力涡轮机操作的期望的参数。

另外的干扰效应可由与电线（与传感器相关联）有关的发光引起。可通过使用例如光纤电缆来避免这些干扰效应。

图6以框图示出实现所提议的解决方案的示例性信号流程图。

框610表示通过使用根据所提议的解决方案的太阳位置传感器测量当前光强度的操作步骤。向处理步骤（由框620表示）提供所得的测量信号615，所述处理步骤应用算法以便过滤或去除干扰效应（比如，例如叶片阴影效应、黑夜和云效应）。

将所得的信号625（例如，表示所获取的真实太阳位置）转发到由框640指示的另一操作步骤。

另一框630表示基于以下各项确定估计的太阳位置的操作步骤：例如

- 风力涡轮机的地理信息，和/或

- 当地日期、当日的当地时间，和/或

- 当前偏航位置和/或当前偏航校准。

向操作步骤640提供估计的太阳位置635，所述操作步骤640表示计算所提供的真实太阳位置625与所提供的估计的太阳位置635之间的可能失准的操作步骤。由此，在太阳位置625、635两者之间存在计算出的失准的情况下，操作步骤640也表示基于计算出的失准进行的另一校准步骤或重新校准步骤。

尽管已经以优选实施例及对其所作的变型的形式公开了本发明，但将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，能够对其作出许多额外的改型和变型。

Claims

1.一种用于校准风力涡轮机的偏航系统的方法，包括以下步骤：

关于所述风力涡轮机的位置确定真实太阳位置（530），

基于以下各项校准所述偏航系统：

基于所述真实太阳位置（530），以及

基于涡轮机专用信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于

所述涡轮机专用信息包括以下各项中的至少一项：

表示所述风力涡轮机的地理位置的信息，

日历信息，

校准信息。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

基于所述偏航系统的当前配置关于所述风力涡轮机的位置确定估计的太阳位置，

用所述真实太阳位置验证所述估计的太阳位置，

基于验证的结果校准所述偏航系统。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，

在至少一个太阳位置传感器（200、400）的帮助下确定所述真实太阳位置。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，

所述至少一个太阳位置传感器（200、400）包括：

测量光的强度的至少一个光敏传感器（230、430），以及

至少一个阴影发出元件（220、225、420），

其中，所述真实太阳位置传感器（200、400）被布置成使得所述至少一个光敏传感器（230、430）测量光的强度，所述光的强度取决于太阳的实际位置并且取决于所述至少一个阴影发出元件（220、225、420）的单个设计和取向。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述至少一个太阳位置传感器（200）被布置在机舱顶部上或所述风力涡轮机的转子毂前方，

根据表示所述估计的太阳位置的偏航方向使所述机舱偏航，

在所述太阳位置传感器的帮助下用所述真实太阳位置验证所述偏航方向，

基于验证的结果校准所述偏航系统。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，

在所述机舱的解缆程序期间执行所述方法。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，

在确定所述真实太阳位置（530）期间，最小化或去除干扰效应。

9.一种风力涡轮机，包括：

- 偏航系统，

- 处理单元，其被布置成用于：

关于所述风力涡轮机的位置确定真实太阳位置（530），

基于以下各项校准所述偏航系统：

基于所述真实太阳位置（530），以及

基于涡轮机专用信息。

10.一种装置，其包括处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置，和/或与处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置相关联，所述处理器单元和/或硬连线电路和/或逻辑装置被布置成使得能够在其上执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法。

11.一种计算机程序产品，其能够直接加载于数字计算机的存储器中，且包括用于执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法的步骤的软件代码部分。

12.一种计算机可读介质，其具有计算机可执行指令，所述指令适合于引起计算机系统执行根据权利要求1至8中的任一项所述的方法的步骤。