CN107002636A - 用于估计风速，包括计算针对叶片扭转调节的桨距角的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，所述风力涡轮机包括承载一组风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片具有可变桨距角。基于获得的转子旋转速度ω和所获得的风力涡轮机叶片的桨距角θ，来推导代表风力涡轮机叶片中引入的转矩的叶片转矩贡献。计算所获得桨距角θ和所推导的叶片转矩贡献之和作为调节后的桨距角θ’，并基于获得的转子旋转速度ω和计算的调节后桨距角θ’，来估计风速v_est。由此获得了风速的准确可靠估计。可以根据估计的风速v_est来控制风力涡轮机。

Description

用于估计风速，包括计算针对叶片扭转调节的桨距角的方法

技术领域

本发明涉及一种用于估计风力涡轮机某位置处风速的方法。根据本发明的方法，即使在高风速下和/或对于具有柔性风力涡轮机叶片的风力涡轮机也可以准确而可靠地估计风速。

背景技术

在操作风力涡轮机时，有时希望能够估计当前风力涡轮机处的风速，更具体而言，估计风力涡轮机的风力涡轮机叶片经受的风速。在测量风速时，常常在风力涡轮机的转子后方的点处这样做。因此，测量的风速受到转子对风的影响的影响，因此，不会反映转子前方位置处的风速。此外，由于通常在单个点处测量风速，所以它将不会反映风速在转子界定的整个区域内的变化。因此，基于这样测量的风速控制风力涡轮机可能导致风力涡轮机的不准确控制。

因此，此前做出过很多努力以便提供对风力涡轮机处风速的估计。

US 5155375公开了一种控制器和一种方法，用于操作变速风力涡轮机，以更好地跟踪风速波动，在将风能转换成电能时实现更大的效率。转子转速是利用风观察器供应的风速控制的，风观察器预测在风力涡轮机向风呈现的截面上后续时间点的平均风速。风速被作为当前(先前预测的)风速和校正项的函数而被预测，校正项包括净转矩以及预测和实际转子转速之间的差异。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，其允许以精确和可靠的方式估计风速。

本发明实施例的另一目的是提供一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，其为高风速下的风速提供了可靠估计。

本发明实施例的又一目的是提供一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，其为具有柔性风力涡轮机叶片的风力涡轮机处的风速提供了可靠估计。

本发明提供了一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，所述风力涡轮机包括承载一组风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片具有可变桨距角，所述方法包括如下步骤：

-获得所述转子的旋转速度ω，

-获得所述风力涡轮机叶片的桨距角θ，

-基于所获得的旋转速度ω和所获得的桨距角θ推导叶片转矩贡献，

-计算所获得的桨距角θ和所推导的叶片转矩贡献之和作为调节后的桨距角θ’，以及

-基于所获得的旋转速度ω和所计算的调节后桨距角θ’来估计风速v_est。

本发明提供了一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，所述风力涡轮机包括承载一组风力涡轮机叶片的转子。风力涡轮机叶片招风，从而导致转子旋转，即，将风能转换成机械能。转子例如经由传动系连接到发电机。由此，转子旋转运动形式的机械能被转换成可以供应给电网的电能。

所估计的风速可以有利地是风力涡轮机转子前方的风速，即，转子承载的风力涡轮机叶片经受的风速。

每个风力涡轮机叶片都具有可变桨距角。于是，每个风力涡轮机叶片都可以绕纵轴旋转，以便调节风和风力涡轮机叶片之间的冲击角。因此，风力涡轮机是桨距受控型的。

根据本发明的方法，获得转子的旋转速度ω和风力涡轮机叶片的桨距角θ。这可以包括测量旋转速度和/或桨距角。作为替代，可以从控制风力涡轮机的控制单元、风力涡轮机的转子和/或桨距系统获得旋转速度和/或桨距角。

所获得的桨距角θ是设定桨距角，因为它是风力涡轮机叶片的桨距机构，即接近风力涡轮机叶片根部的区域中的角度设置。

接下来，基于所获得的旋转速度ω和所获得的桨距角θ来推导叶片转矩贡献。

在风力涡轮机叶片受到风作用时，转矩被引入风力涡轮机叶片中，其往往会沿着叶片长度，基本绕其纵轴使叶片扭转。假设风力涡轮机未降低额定值，风力涡轮机叶片中引入的转矩随着风速增大而增大。此外，该转矩取决于转子的旋转速度和风力涡轮机叶片的桨距角。叶片转矩基本线性地取决于转子的旋转速度。最后，风力涡轮机叶片中引入的转矩取决于风力涡轮机叶片的各项设计参数，例如风力涡轮机叶片的柔性和风力涡轮机叶片的长度。通常，由于风力涡轮机叶片相对柔性的增大，风力涡轮机叶片中引入的转矩往往随着风力涡轮机叶片长度增大而增大。因此，与具有更小转子直径的风力涡轮机相比，具有大转子直径的风力涡轮机中的转矩效应一般将更显著。

在风力涡轮机叶片中引入转矩时，如上所述，风力涡轮机叶片和风之间的冲击角会变化。因此，在这种情况下，风力涡轮机叶片的有效桨距角将与风力涡轮机叶片根部或接近根部处测量的设定桨距角θ不同。在当前语境中，将设定桨距角θ和有效桨距角，即风遇到风力涡轮机叶片而实际经受的桨距角，之间的差异称为叶片转矩贡献。

接下来，计算所获得的桨距角θ和所推导的叶片转矩贡献之和作为调节后的桨距角θ’。于是，调节后的桨距角θ’对应于有效桨距角，即，风遇到风力涡轮机叶片时实际经受的桨距角。

最后，基于所获得的旋转速度ω和所计算的调节后桨距角θ’来估计风速v_est。于是，基于遇到风力涡轮机叶片的风实际经受的桨距角，而不是基于设定的桨距角θ获得估计风速v_est。由此，可以通过更准确可靠的方式估计风速。对于具有大转子直径的风力涡轮机和/或对于风力涡轮机叶片具有高柔性的风力涡轮机，尤其是这种情况，其中转矩效应更显著，因此预期在基于设定桨距角θ估计风速时引入的误差很大。

此外，可以导出叶片转矩贡献，使其反映实际风力涡轮机的各项设计参数，包括风力涡轮机叶片的设计参数，由此可以通过准确可靠的方式估计风速，而与风力涡轮机的设计参数无关。

该方法还可以包括根据所估计的风速v_est来控制所述风力涡轮机的步骤。根据本实施例，本发明还提供了一种用于控制风力涡轮机的方法。

控制风力涡轮机的步骤例如可以包括控制风力涡轮机叶片的桨距角、转子的旋转速度和风力涡轮机的功率输出等。

替代地或此外，可以将所估计的风速v_est用于其他目的，例如风力涡轮机中的故障检测。

推导叶片转矩贡献的步骤可以包括使用叶片转矩查找表，所述叶片转矩查找表包括旋转速度ω、桨距角θ和叶片转矩贡献的相互关联值。根据本实施例，在开始操作风力涡轮机之前提供叶片转矩查找表，在操作期间，只要需要就查阅先前提供的叶片转矩查找表，以便推导叶片转矩贡献。使用查找表是一种简单方法，这限制了执行该方法所需的处理能力。

在旋转速度ω和桨距角θ已知时，叶片转矩查找表通过在叶片转矩查找表中简单查找而提供了对应的叶片转矩贡献。叶片转矩查找表例如可以被组织成若干查找表，每个查找表提供对应于一个桨距角和多个旋转速度的叶片转矩贡献。

叶片转矩查找表可以提供旋转速度ω、桨距角θ和叶片转矩贡献的离散相互关联值。在这种情况下，在基于旋转速度和桨距角推导叶片转矩贡献时可以进行两个离散值之间的内插。

该方法还可以包括利用基于模型的模拟来生成叶片转矩查找表的步骤。基于模型的模拟可以有利地考虑风力涡轮机的设计特征，尤其是风力涡轮机叶片的设计特征。这样的设计特征例如可以包括风力涡轮机叶片的长度和/或风力涡轮机叶片的抗扭刚度。此外，基于模型的模拟可以考虑风力涡轮机部位处的特定条件，例如当前气候条件、当前风速、当前风向、唤醒(wake)条件等。因此，通过这种方式生成的叶片转矩查找表以叶片转矩贡献的形式提供了输出，预计其会密切反映风力涡轮机叶片处发生的实际叶片转矩。由此，所计算的调节后桨距角θ’非常接近于遇到风力涡轮机叶片的风经受的实际桨距角，因此获得非常准确的风估计。

基于模型的模拟例如可以包括执行两组模拟。在第一组模拟中，风力涡轮机叶片被模拟成在转矩方向上完全刚性。在第二组模拟中，利用风力涡轮机叶片的实际抗扭刚度模拟风力涡轮机叶片。两组模拟之间，作为桨距角θ和旋转速度ω函数的桨距角差异被用作叶片转矩贡献。

作为提供叶片转矩查找表的替代方式，可以通过执行在线计算来推导叶片转矩贡献。

估计风速v_est的步骤可以包括使用c_p查找表，所述c_p查找表包括旋转速度ω、风速v、调节后的桨距角θ’和功率系数c_p的相互关联值。

根据本实施例，在估计风速v_est时，获得功率系数c_p作为中间步骤。这常常是利用c_p查找表进行的。正常地，c_p查找表提供了叶尖速比λ、桨距角θ和功率系数c_p的相互关联值。叶尖速比定义为：

其中，ω是转子的旋转速度，R是转子的半径，v是风速。于是，对于具有给定转子半径R的给定风力涡轮机，功率系数c_p实际可以从旋转速度ω、桨距角θ和风速v推导。因此，如果功率系数c_p、旋转速度ω和桨距角已θ知或已估计，就可以推导风速v。作为替代，可以基于所估计的风速v_est，例如，从先前的迭代，或从利用机杆执行风速测量，来推导估计功率系数c_p。

在将设定桨距角θ用作输入时，在利用c_p查找表推导功率系数c_p时，(现有技术方法中就是这样)，获得了不准确的c_p值。不过，根据本发明，使用调节后的桨距角θ’作为输入。由此，使用风实际经受的桨距角作为输入，因此获得了准确和可靠得多的功率系数c_p。

如上所述作为中间步骤推导的功率系数c_p可以用于除估计风速和/或控制风力涡轮机之外的其他目的。例如，可以将功率系数c_p用于监测的目的。

可以将所述估计风速v_est的步骤作为迭代过程来执行。例如，这可以包括基于实测旋转速度ω、调节后的桨距角θ’和在前一次迭代期间所估计的风速v_est来推导估计功率系数c_p。然后可以将通过这种方式估计的功率系数c_p用于估计新的风速v_est，该新的风速可以用作下一次迭代的输入等等。该迭代过程应当优选在有限次数的迭代之内，向着接近或等于风力涡轮机处实际风速的值收敛。

估计风速v_est的所述步骤可以包括估计所述风力涡轮机的功率输出p_est，以及将所估计的功率输出p_est与风力涡轮机的测量功率输出p_meas进行比较奥。如果所估计的功率输出p_est与测量功率输出p_meas不同，那么所估计的风速v_est可能也与实际风速不同。因此，如果确定所估计的功率输出p_est与测量功率输出p_meas不同，则调节估计风速v_est。这可以有利地是迭代过程的部分。

所估计的功率输出p_est可以例如考虑风力涡轮机中引入的估计功率损失，例如传动系中引入的功率损失。

提供了一种风力涡轮机以及用于实施该方法的一个或多个特征的计算机程序产品。

可以在任何组合中来组合本文所述的实施例和特征。

附图说明

现在将参考附图更详细地描述本发明，附图中

图1是示出了根据本发明实施例的方法的方框图，

图2是曲线图，示出了针对现有技术方法和根据本发明实施例的方法，作为顺风速(free wind speed)函数的估计风速，以及

图3是流程图，示出了根据本发明实施例的方法。

具体实施方式

图1是方框图，以闭环近似过程的形式示出了根据本发明实施例的方法。测量风力涡轮机转子的旋转速度ω和风力涡轮机的风力涡轮机叶片的桨距角θ并将其供应给估计块1。此外，还向估计块1供应先前估计的风速v_est。

在估计块1中，基于供应的参数ω、θ和v_est来计算估计功率输出p_est。这包括例如利用c_p查找表，基于估计的叶尖速比λ_est和桨距角θ来推导功率系数c_p。

不过，在推导功率系数c_p之前，计算测量桨距角θ和代表风力涡轮机叶片中引入的转矩的叶片转矩贡献之和作为调节后的桨距角θ’，所述转矩导致风力涡轮机叶片绕风力涡轮机叶片的纵轴扭转。叶片转矩贡献是基于测量旋转速度ω和测量桨距角θ，例如利用叶片转矩查找表推导的。例如，可以通过上述方式这样做。调节后的桨距角θ’被用作用于推导功率系数c_p的输入。由此，基于风遇到风力涡轮机叶片时经受的实际桨距角θ’，而不是基于设置的桨距角θ，来推导功率系数c_p，由于风力涡轮机叶片中引入的转矩，所述设置的桨距角不代表风力涡轮机叶片的角位置。因此，推导的功率系数c_p是准确且可靠的，由此估计的功率输出p_est也是准确和可靠的。

在比较器2处将所估计的功率输出p_est与测量功率输出p_meas进行比较。这样获得误差信号p_err。如果误差信号p_err为零，那么p_est＝p_meas，表示供应给估计器块1的估计风速v_est等于或接近风力涡轮机处的实际风速。

如果误差信号p_err为正，那么测量功率输出p_meas大于估计功率输出p_est，表示在估计风速v_est下的预期功率输出低于实际功率输出。这表示估计风速v_est低于风力涡轮机处的实际风速，因此应当增大估计风速v_est。

类似地，如果误差信号p_err为负，那么测量功率输出p_meas小于估计功率输出p_est，表示在估计风速v_est下的预期功率输出高于实际功率输出。这表示估计风速v_est高于风力涡轮机处的实际风速，因此应当减小估计风速v_est。

以如下方式进行上述对估计风速v_est的调节。在乘法器3处将误差信号p_err乘以增益系数k_est，将所得信号供应给积分器4。在积分器4处，对从乘法器3接收的信号进行积分，得到新的估计风速v_est，将其供应给估计块1进行下一次迭代。

图2是曲线图，示出了针对现有技术方法和根据本发明实施例的方法，作为顺风速函数的估计风速。顺风速是风力涡轮机转子紧前方的风速。例如，尝试以上文参考图1所述的方式估计这一风速。如果精确估计了风速，那么将获得对角线曲线图，即，估计风速等于所有风速下的顺风速。

在图2的曲线图中，实线代表利用现有技术方法估计的风速，点线代表利用根据本发明实施例的方法估计的风速。

在代表现有技术方法的实线曲线图中，将测量桨距角θ用作推导功率系数c_p的输入。可以看出，这样获得的曲线图与对角线偏离。具体而言，对于高风速，估计风速显著低于顺风速。因此，在这种情况下，尤其是在高风速下，获得了不准确的估计风速。

另一方面，在代表根据本发明实施例的方法的点线曲线图中，使用调节后的桨距角θ’作为输入，用于推导功率系数c_p。通过向测量桨距角增加叶片转矩贡献来调节桨距角。由此，用于推导功率系数c_p的输入反映风力涡轮机叶片处的实际条件，尤其是叶片的有效桨距角。

可以看出，使用调节后的桨距角θ’作为用于推导功率系数c_p的输入，获得基本遵循对角线的曲线图。于是，估计风速等于或非常接近顺风速。因此，在使用根据本发明实施例的方法时，由此获得了针对风速的非常准确且可靠的估计。

图3是流程图，示出了根据本发明实施例的方法。该过程开始于步骤5。在步骤6，提供用于估计风速v_est的初始猜测，以便发起迭代过程。

在步骤7，测量风力涡轮机转子的旋转速度ω和风力涡轮机的风力涡轮机叶片的桨距角θ。

在步骤8，基于获得的旋转速度ω和桨距角θ来推导叶片转矩贡献。叶片转矩贡献代表风力涡轮机叶片中引入并导致风力涡轮机叶片有效桨距角的转矩，有效桨距角不同于测量桨距角θ。例如，可以利用叶片转矩查找表推导叶片转矩贡献。

在步骤9，计算测量桨距角θ和推导的转矩贡献之和，作为调节后的桨距角θ’。于是，调节后的桨距角θ’代表有效桨距角，即，风遇到风力涡轮机叶片时实际经受的桨距角。

在步骤10，基于测量旋转速度ω、调节后的桨距角θ’和估计风速v_est，来推导功率系数c_p。由于使用调节后的桨距角θ’而不是测量桨距角θ作为推导功率系数c_p的输入，所以确保了推导的功率系数c_p更接近风力涡轮机的实际功率系数，因为它更密切地反映了当前实际条件。

在步骤11，基于推导的功率系数c_p来估计新的风速v_est。因此，新估计的风速v_est也非常准确。

在步骤12，根据估计的风速v_est操作风力涡轮机。同时，提供新的估计风速v_est以在步骤13进行下一次迭代。因此，该过程返回到步骤7，重复上述过程。不过，应用新的估计风速v_est，替代在步骤6提供的初始估计。于是，以迭代的方式执行图3中所示的方法，其中针对每次迭代改进估计风速v_est。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但应该理解，这样的实施例仅仅是通过举例描述的。在不偏离所附权利要求界定的本发明范围的情况下，本领域的技术人员将想到很多变化、改变和替换。因此，以下权利要求意在涵盖落在本发明精神和范围之内的所有此类变化或等价要件。

Claims (9)

1.一种用于估计风力涡轮机处风速的方法，所述风力涡轮机包括承载一组风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片具有可变桨距角，所述方法包括如下步骤：

-获得所述转子的旋转速度ω，

-获得所述风力涡轮机叶片的桨距角θ，

-基于所获得的旋转速度ω和所获得的桨距角θ来推导叶片转矩贡献，

-计算所获得的桨距角θ和所推导的叶片转矩贡献之和作为调节后的桨距角θ’，以及

-基于所获得的旋转速度ω和所计算的调节后的桨距角θ’来估计风速v_est。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括根据所估计的风速v_est来控制所述风力涡轮机的步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，推导叶片转矩贡献的所述步骤包括使用叶片转矩查找表，所述叶片转矩查找表包括旋转速度ω、桨距角θ和叶片转矩贡献的相互关联值。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括利用基于模型的模拟来生成所述叶片转矩查找表的所述步骤。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，估计风速v_est的所述步骤包括使用c_p查找表，所述c_p查找表包括旋转速度ω、风速v、调节后的桨距角θ’和功率系数c_p的相互关联值。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将估计风速v_est的所述步骤作为迭代过程来执行。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，估计风速v_est的所述步骤包括估计所述风力涡轮机的功率输出p_est，以及将所估计的功率输出p_est与风力涡轮机的测量功率输出p_meas进行比较。

8.一种风力涡轮机，包括承载一组风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片具有可变桨距角；以及被配置成实施根据方法权利要求1到7中的任一项的控制器。

9.一种计算机程序产品，包括用于实施根据方法权利要求1到7中的任一项的计算机可读可执行代码。