CN107656091B - 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统 - Google Patents

一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107656091B
CN107656091B CN201710795597.7A CN201710795597A CN107656091B CN 107656091 B CN107656091 B CN 107656091B CN 201710795597 A CN201710795597 A CN 201710795597A CN 107656091 B CN107656091 B CN 107656091B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind
speed
wind wheel
curve
blower
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710795597.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107656091A (zh
Inventor
文茂诗
韩花丽
杨妍妮
罗伟
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Shipbuilding Heavy Industry Offshore Wind Power Ltd By Share Ltd
Original Assignee
China Shipbuilding Heavy Industry Offshore Wind Power Ltd By Share Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Shipbuilding Heavy Industry Offshore Wind Power Ltd By Share Ltd filed Critical China Shipbuilding Heavy Industry Offshore Wind Power Ltd By Share Ltd
Priority to CN201710795597.7A priority Critical patent/CN107656091B/zh
Publication of CN107656091A publication Critical patent/CN107656091A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107656091B publication Critical patent/CN107656091B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明提供的一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统，信号采集单元采集发电机转速、叶片桨距角、发电机功率和空气密度；根据发电机功率、发电机转速以及风机整机的传动链模型计算得到风轮扭矩；根据空气密度、风轮参数和风轮扭矩计算得到Cm‑λ扭矩曲线；根据叶片桨距角和风机整机的风轮气动特性得到Cm‑λ气动曲线；根据Cm‑λ扭矩曲线和Cm‑λ气动曲线的交点值，计算得到叶尖速比；根据发电机转速、叶尖速比、传动链的传动比、风轮半径计算得到作用在整个风轮的平均自由流风速，称代表风速。在不增加额外设备的基础上，解决准确测风的问题，实现零成本准确测风，可批量适用于现有机组。

Description

一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统
技术领域
本发明涉及风速测量技术领域，具体涉及基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统。
背景技术
风力发电机组是将风能转化为电能的一种装置，通过风轮从风中获取能量，由传动链传递至发电机进行发电，通常大型风力发电机由发电机控制风轮扭矩、变桨系统控制叶片桨距角来维持风机在各种风况下稳定运行。
风速对风机的影响至关重要，无论是载荷还是发电量都与其息息相关。在认证测试中首要保证的就是准确的风速测量，准确的风速可以用于功率曲线的考核、风机主导工况的识别、甚至用于提前控制以达到降低载荷的目等。但准确的风速测量一直是风电领域的难点，目前国内外有的几种测风手段为：
一、通过机舱尾部的气象桅杆测量，因其受叶片尾流和机舱罩外形的影响，根本无法测得准确风速，因此该风速信号仅能用于风机的启停机等参考。
二、机舱式激光雷达测量，其成本高昂，无法满足大规模的装机，多用于研发测试用途，而且在复杂地形下的测量结果偏差较大，受大气环境的影响。无法批量应用于现有机组。
三、根据IEC61400-12-1标准用测风塔测量，该方法是被IEC标准唯一认可用于认证用途的测风方法，是风速测量的标杆，但其局限性太大，必须选择适合的测风点位，而且有严格的风向扇区的筛查，剩下可用的测风数据非常局限，同时成本高昂。因此按现有技术，无法批量应用于现有机组。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统，在不增加额外设备的基础上，解决准确测风的问题，实现零成本准确测风。
本发明提供的一种基于风机控制传感器的风速测量方法，包括以下步骤：
S1、采集机组的发电机功率和发电机转速，结合风机传动链模型，获取风轮扭矩；
S2、采集空气密度，并结合风轮参数和风轮扭矩，获取Cm-λ扭矩曲线；
S3、根据叶片桨距角和风轮气动特性，得到Cm-λ气动曲线；
S4、获取扭矩曲线和气动曲线的交点，得到实际叶尖速比；
S5、结合发电机转速、传动比、风轮半径和叶尖速比，得到自由流风速。
进一步的，S1中所述风机传动链模型为两质量块模型，所述两质量块用于分别表示传动链的低速轴与高速轴，所述低速轴和高速轴进行连接，所述风机传动链模型用低速轴和高速轴之间的运动方程进行表示。
进一步的，S1中所述传动链为刚性。
进一步的，S2中采集的风轮参数为风轮扫略面积。
一种基于风机控制传感器的风速测量系统，包括信号采集单元、风轮扭矩计算单元、Cm-λ扭矩曲线获取单元、Cm-λ气动曲线获取单元、风机整机、叶尖速比计算单元和风速计算单元；
信号采集单元用于采集发电机转速、叶片桨距角、发电机功率和空气密度；
风轮扭矩计算单元用于根据发电机功率、发电机转速以及风机整机的传动链模型计算得到风轮扭矩；
Cm-λ扭矩曲线获取单元用于根据空气密度和风轮扭矩计算得到Cm-λ扭矩曲线；
Cm-λ气动曲线获取单元用于根据叶片桨距角和风机整机的风轮气动特性得到Cm-λ气动曲线；
叶尖速比计算单元用于根据Cm-λ扭矩曲线和Cm-λ气动曲线的交点值，计算得到叶尖速比；
风速计算单元用于根据发电机转速、叶尖速比、传动链的传动比、风轮半径计算得到作用在整个风轮的平均自由流风速。
进一步的，平均自由流风速代表风速。
进一步的，还包括存储单元和显示单元，存储单元用于存储计算过程中的值，所述显示单元用于显示计算结果。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果：
本发明提供一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统，信号采集单元采集发电机转速、叶片桨距角、发电机功率和空气密度；根据发电机功率、发电机转速以及风机整机的传动链模型计算得到风轮扭矩；根据空气密度和风轮扭矩计算得到Cm-λ扭矩曲线；根据叶片桨距角和风机整机的风轮气动特性得到Cm-λ气动曲线；根据Cm-λ扭矩曲线和Cm-λ气动曲线的交点值，计算得到叶尖速比；根据发电机转速、叶尖速比、传动链的传动比、风轮半径计算计算得到作用在整个风轮的平均自由流风速，称代表风速。在不增加额外设备的基础上，解决准确测风的问题，实现零成本准确测风，可批量适用于现有机组。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明一种基于风机控制传感器的风速测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
请参阅图1，本实施例提供的一种基于风机控制传感器的风速测量系统，包括信号采集单元、风轮扭矩计算单元、Cm-λ扭矩曲线获取单元、Cm-λ气动曲线获取单元、风机整机、叶尖速比计算单元和风速计算单元；
信号采集单元采集发电机转速、叶片桨距角、发电机功率和空气密度；
风轮扭矩计算单元根据发电机功率、发电机转速以及风机整机的传动链模型计算得到风轮扭矩；
Cm-λ扭矩曲线获取单元根据空气密度和风轮扭矩计算得到Cm-λ扭矩曲线；
Cm-λ气动曲线获取单元根据叶片桨距角和风机整机的风轮气动特性得到Cm-λ气动曲线；
叶尖速比计算单元根据Cm-λ扭矩曲线和Cm-λ气动曲线的交点值，计算得到叶尖速比；
风速计算单元根据发电机转速、叶尖速比、传动链的传动比、风轮半径计算得到作用在整个风轮的平均自由流风速，称代表风速。
还包括存储单元和显示单元，存储单元用于存储计算过程中的值，显示单元用于显示计算结果。
一种基于风机控制传感器的风速测量的具体步骤为：
第一步、采集机组的发电机功率和发电机转速，结合风机传动链模型，获取风轮扭矩；
风机传动链模型简化为两质量块模型，两质量块用于分别表示传动链的低速轴与高速轴，低速轴和高速轴中间采用弹簧、阻尼进行连接，风机传动链模型用低速轴和高速轴之间的运动方程进行表示为：
其中，ωt,ωr分别为风轮转速和发电机转速；Pm,Pe分别为风轮气动功率和发电机功率；Ttg是模型中的内扭矩；Ht,Hg分别是低速轴、高速轴转动惯量；Dt,Dg分别是低速轴、高速轴的阻尼；Dtg,Ktg分别为柔性连接的阻尼和刚度。
由于实际的传动链刚度阻尼参数与理论相比有较大的差异，而多数情况传动链动态特性对结果的影响较小可忽略不计，则可假设传动链为刚性。风轮扭矩为：
其中：
Tb＝fbloss(Tou) (5)
其中，Pg为发电机输出功率,ωg发电机转速,ωr风轮转速,IHSS低速轴端转动惯量,ILSS高速轴端转动惯量,I为齿轮箱传动比,fgloss为发电机损耗函数,fbloss为齿轮箱损耗函数,Tg为发电机电磁扭矩,Tou为齿轮箱输出端扭矩,Tb为齿轮箱输入端扭矩,Tr为风轮扭矩。
第二步、采集空气密度，并结合风轮参数和风轮扭矩，获取Cm-λ扭矩曲线，采集的风轮参数为风轮扫略面积；
风轮的气动参数可以表示为Cm-λ-β的曲线，Cm为风轮的气动扭矩，β为桨距角，λ为叶尖速比，由下式表示
公式8中，ωr为风轮转速，R为风轮半径，V为自由流风速(未受风轮扰动的风速)。叶片的气动参数在叶片设计完成后就已经确定，根据已知的气动参数Cm，风轮的扭矩可表示为：
公式9中，A为风轮扫略面积，V为自由流风速，ρ为空气密度；
Cm-λ扭矩曲线为：
第三步、根据叶片桨距角和风轮气动特性，得到Cm-λ气动曲线；
风轮气动特性由CM(β,λ)表示如公式12，根据机组实际的叶片桨距角确定出用于风速求解的Cm-λ气动曲线。
CM＝f(β,λ) (12)
即，Cm-λ气动曲线为：
CM＝f(β,λ)＝Xλ2 (13)
其中，
第四步、获取扭矩曲线和气动曲线的交点，得到实际叶尖速比；
根据公式11和公式13可知：
即，
由于风轮气动函数f(β,λ)没有解析表示，因此通过数值方式求解公式16可求得叶尖速比λ；
第五步、结合发电机转速、传动比、风轮半径和叶尖速比，根据公式8得到自由流风速。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种基于风机控制传感器的风速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采集机组的发电机功率和发电机转速，结合风机传动链模型，获取风轮扭矩；
S2、采集空气密度，并结合风轮参数和风轮扭矩，获取Cm-λ扭矩曲线；
S3、根据叶片桨距角和风轮气动特性，得到Cm-λ气动曲线；
S4、获取扭矩曲线和气动曲线的交点，得到实际叶尖速比；
S5、结合发电机转速、传动比、风轮半径和叶尖速比，得到自由流风速。
2.根据权利要求1所述的一种基于风机控制传感器的风速测量方法，其特征在于：S1中所述风机传动链模型为两质量块模型，所述两质量块用于分别表示传动链的低速轴与高速轴，所述低速轴和高速轴进行连接，所述风机传动链模型用低速轴和高速轴之间的运动方程进行表示。
3.根据权利要求2所述的一种基于风机控制传感器的风速测量方法，其特征在于：S1中所述传动链为刚性。
4.根据权利要求3所述的一种基于风机控制传感器的风速测量方法，其特征在于：S2中采集的风轮参数为风轮扫略面积。
5.一种基于风机控制传感器的风速测量系统，其特征在于：包括信号采集单元、风轮扭矩计算单元、Cm-λ扭矩曲线获取单元、Cm-λ气动曲线获取单元、风机整机、叶尖速比计算单元和风速计算单元；
所述信号采集单元用于采集发电机转速、叶片桨距角、发电机功率和空气密度；
所述风轮扭矩计算单元用于根据发电机功率、发电机转速以及风机整机的传动链模型计算得到风轮扭矩；
所述Cm-λ扭矩曲线获取单元用于根据空气密度和风轮扭矩计算得到Cm-λ扭矩曲线；
所述Cm-λ气动曲线获取单元用于根据叶片桨距角和风机整机的风轮气动特性得到Cm-λ气动曲线；
所述叶尖速比计算单元用于根据Cm-λ扭矩曲线和Cm-λ气动曲线的交点值，计算得到叶尖速比；
所述风速计算单元用于根据发电机转速、叶尖速比、传动链的传动比、风轮半径计算得到作用在整个风轮的平均自由流风速。
6.根据权利要求5所述的一种基于风机控制传感器的风速测量系统，其特征在于：所述平均自由流风速代表风速。
7.根据权利要求6所述的一种基于风机控制传感器的风速测量系统，其特征在于：还包括存储单元和显示单元，所述存储单元用于存储计算过程中的值，所述显示单元用于显示计算结果。
CN201710795597.7A 2017-09-06 2017-09-06 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统 Active CN107656091B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710795597.7A CN107656091B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710795597.7A CN107656091B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107656091A CN107656091A (zh) 2018-02-02
CN107656091B true CN107656091B (zh) 2019-11-05

Family

ID=61129237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710795597.7A Active CN107656091B (zh) 2017-09-06 2017-09-06 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107656091B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109458307B (zh) * 2018-12-21 2023-08-08 沈阳航空航天大学 一种风力机气动效率和系统发电效率同步测量装置及方法
CN114151290B (zh) * 2021-11-09 2024-01-26 明阳智慧能源集团股份公司 一种风力发电机组传动链扭矩测试系统及其实施方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201497751U (zh) * 2009-08-11 2010-06-02 湘电风能有限公司 一种风电机组运行时的风速测量装置
CN103410659A (zh) * 2013-05-03 2013-11-27 浙江大学 基于High-Gain观测器的风力发电机组有效风速获取方法
CN105138845A (zh) * 2015-08-28 2015-12-09 东方电气风电有限公司 获得风力发电机风速值的方法
CN106894947A (zh) * 2017-03-06 2017-06-27 重庆大学 一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102562453B (zh) * 2012-03-01 2013-09-04 国电联合动力技术有限公司 变速恒频风力发电机在额定转速阶段的变桨控制方法
CN103226365B (zh) * 2013-03-06 2015-02-18 浙江运达风电股份有限公司 一种风轮模拟系统的控制方法、控制装置及风轮模拟系统
CN103244350B (zh) * 2013-05-02 2015-02-18 国电南瑞科技股份有限公司 一种风力发电机组最佳叶尖速比跟踪控制方法
CN104865401B (zh) * 2015-04-03 2017-09-29 内蒙古工业大学 用于风力发电机组的风速检测方法及装置
CN104963810A (zh) * 2015-07-02 2015-10-07 国电联合动力技术有限公司 一种风力发电机组低风速发电优化控制方法及系统
CN105370495B (zh) * 2015-12-04 2018-06-26 明阳智慧能源集团股份公司 一种采用动态查表控制算法提高风力发电机组出力的方法
CN105971821B (zh) * 2016-05-30 2018-11-09 明阳智慧能源集团股份公司 一种风力发电机组基于风轮推力预估的控制方法
CN107100795B (zh) * 2017-07-05 2019-04-09 东方电气自动控制工程有限公司 一种低风速下风力发电机组mppt自适应控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201497751U (zh) * 2009-08-11 2010-06-02 湘电风能有限公司 一种风电机组运行时的风速测量装置
CN103410659A (zh) * 2013-05-03 2013-11-27 浙江大学 基于High-Gain观测器的风力发电机组有效风速获取方法
CN105138845A (zh) * 2015-08-28 2015-12-09 东方电气风电有限公司 获得风力发电机风速值的方法
CN106894947A (zh) * 2017-03-06 2017-06-27 重庆大学 一种低风速变速变桨风力机叶片优化设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107656091A (zh) 2018-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mathew Wind energy: fundamentals, resource analysis and economics
CN101684774B (zh) 一种风力发电系统及风力发电机的测风方法
Sathyajith Wind energy: fundamentals, resource analysis and economics
CN102072965B (zh) 使用叶片信号的风传感器系统
CN106014877B (zh) 风力发电系统多故障诊断与容错控制
CN102879199B (zh) 一种全工况风力机模拟器
CN106815456A (zh) 一种风电机组功率特性评价方法
CN103061980A (zh) 基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统及其控制方法
ES2882299T3 (es) Procedimiento de determinación de un factor de inducción para un aerogenerador de un sensor de detección a distancia por láser
CN102797634A (zh) 风力涡轮机及监测风力涡轮机参数的方法
Corke et al. Wind energy design
CN107656091B (zh) 一种基于风机控制传感器的风速测量方法及其系统
CN105138845B (zh) 获得风力发电机风速值的方法
CN108105030B (zh) 一种基于风机传感器的偏航校准方法
CN109960823A (zh) 风力发电机组的等效风速确定方法和设备
CN113933016B (zh) 一种模拟漂浮式风电机组运动响应的风洞试验装置与方法
Song A new approach for wind speed prediction
CN114458516A (zh) 一种风能或潮流能发电机组俯仰与偏航力矩的在线间接测量系统及方法
CN203950135U (zh) 一种模拟风力机的实验装置
Nishizawa et al. Yaw behavior of horizontal-axis small wind turbines in an urban area
Pedersen et al. Wind turbine measurement technique—an open laboratory for educational purposes
Gallant Quantitative measurement techniques for wind turbine blade aerodynamic performance
ES2963166T3 (es) Método de determinación de la velocidad del viento en el plano del rotor de un aerogenerador
Chen Functionality investigation and expansion of 5kW wind turbine yaw and vibration sensors
Cortese Airborne Wind Energy: Development of a flying traction sensing system and integration of a wind monitoring system for extreme weather conditions.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant