CN109083815B - 用于风力涡轮操作的偏移切换方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于评估风力涡轮的性能的方法包括以第一操作模式操作风力涡轮。该方法还包括生成与第一操作模式有关的第一操作数据组。更确切地说，第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数。此外，在第一操作模式期间的不同时间段期间测量第一组的第一参数和第二参数。该方法进一步包括将第一操作模式改变为第二操作模式。此外，该方法包括生成与第二操作模式有关的第二操作数据组。第二操作数据组也至少包括第一参数和第二参数。因而，该方法包括基于第一操作数据组和第二操作数据组来确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征。

Description

用于风力涡轮操作的偏移切换方法
技术领域
本发明大体上涉及风力涡轮，且更具体地涉及用于评估涡轮在不同操作模式下的性能的用于风力涡轮操作的偏移切换方法。
背景技术
风力被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能源之一，且就此而言，风力涡轮得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、变速箱、机舱以及包括一个或多个转子叶片的转子。转子叶片使用已知的翼型原理从风中获得动能，且使动能通过旋转能传递，以转动轴，轴将转子叶片联接到变速箱上，或如果未使用变速箱，则直接联接到发电机上。发电机然后将机械能转化成可部署至公用电网的电能。此类配置还可包括功率转换器，其将产生的电功率的频率转换成基本上类似于公用电网频率的频率。
传统上，风力涡轮包括控制模块，其试图在面对变化的风力和电网状况时，使涡轮的功率输出最大化，同时满足约束条件，如子系统额定值和构件负载。基于确定的最大功率输出，控制模块控制多种涡轮构件(诸如发电机/功率转换器、桨距系统、制动器和偏航机构)的操作，以达到最大功率效率。
就年度能源生产(AEP)而言，风力涡轮的性能可通过针对风力涡轮可用的控制变化和/或多种产品、特征和/或升级得到改进。控制变化和/或升级的一个或多个益处典型地使用切换方法来确定。例如，对于升级益处的验证，涡轮在基准操作状态(即，无升级)下操作以及在升级的操作状态(即，有升级)下操作。对于控制参数变化，控制参数通过控制参数状态的重复序列切换。各个状态代表影响涡轮操作的一组控制系统参数或设定值。在切换测试期间，记录风速和功率生产测量值。在各个状态期间收集的风速和功率数据用于评估该状态期间的涡轮性能。典型地，使用涡轮机舱风速计测量风速，涡轮机舱风速计大体上安装在转子后方的机舱上，但可位于任何其它适合的塔架上的位置。然后可计算针对各个状态的性能值并对其进行比较。因此，比较可用于验证性能增益或选择提供较高性能的状态。
然而，机舱风速计的方法有时由于机舱风速计测量值不准确和这些测量值投入到AEP估算中而受阻碍。此外，由于涡轮的空气动力效应，故机舱风速计并未直接地测量所需的涡轮处的自由流风速。在涡轮操作期间，机舱风速计处的风速与自由流风速之间的关系称为机舱传递函数(“NTF”)。NTF由涡轮控制器确定和储存且由风力涡轮在内部使用，以校正由机舱风速计测得的风速，从而计算自由流风速。
然而，使用机舱风速计来测量风速的切换测试也可改变NTF。NTF变化产生了风速测量值的偏差，其对于不同的操作状态或模式是不同的。利用常规的切换测试和分析，此偏差继而以未知或不可预知的方式使确定或测得的涡轮性能有偏差。
因此，本公开涉及一种解决以上提及的问题的用于验证提供至风力涡轮的升级益处的改进的系统及方法。更确切地说，本公开涉及用于风力涡轮操作的偏移切换方法，其准确且高效地验证提供至风力涡轮的多种升级。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中被部分地阐述，或可根据描述而显而易见，或可通过实践本发明而被习知。
在一方面，本主题涉及一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法。该方法包括以第一操作模式操作风力涡轮。该方法还包括生成与第一操作模式有关的第一操作数据组。更确切地说，第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数。此外，在第一操作模式期间的不同时间段期间测量第一组的第一参数和第二参数。该方法进一步包括将第一操作模式改变为第二操作模式。此外，该方法包括生成与第二操作模式有关的第二操作数据组。第二操作数据组也至少包括第一参数和第二参数。因此，该方法包括基于第一操作数据组和第二操作数据组来确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征。
在一个实施例中，可在第一操作模式期间测量第二组的第一参数，而可在第二操作模式期间测量第二组的第二参数。更确切地说，在某些实施例中，可在第一操作模式的第一操作窗口期间测量第一组的第一参数，而可在第一操作模式的第二操作窗口期间测量第一组的第二参数。此外，可在第一操作模式的第二操作窗口期间测量第二组的第一参数，而可在第二操作模式的第一操作窗口期间测量第二组的第二参数。
在另一实施例中，针对第一操作模式和第二操作模式中的各个的第一参数与第二参数之间的时滞可为固定和/或恒定的。
在进一步的实施例中，第一参数和第二参数可包括与以下参数中的至少一个或以下参数的组合有关的信息：功率输出、发电机速度、转矩输出、电网状况、桨距角、末梢速度比、偏航角、内部控制设定点、负载状况、地理信息、温度、压力、天气状况、应变、环境噪音、阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风转向、尾流和/或类似参数，或它们的组合。例如，在一个实施例中，第一操作数据组和第二操作数据组的第一参数可包括风速，且第一操作数据组和第二操作数据组的第二参数可包括功率输出。
在另外的实施例中，基于第一操作数据组和第二操作数据组确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征的步骤可包括基于来自相应的第一操作数据组和第二操作数据组的风速和功率输出生成针对第一操作模式和第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线，以及比较针对第一操作模式和第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线来确定最佳操作模式。
在若干实施例中，该方法可进一步包括针对第一操作模式和第二操作模式经由机舱安装的风速计测量风速。
在具体实施例中，该方法还可包括筛选第一操作数据组和第二操作数据组。此外，该方法可包括在第一操作模式与第二操作模式之间切换，以及在各个模式期间生成多个第一数据组和第二数据组。
在又一实施例中，该方法可包括在以第二操作模式操作风力涡轮之前实施对风力涡轮的改变。此改变可例如包括改变风力涡轮的一个或多个控制参数和/或对风力涡轮提供至少一种升级。例如，在一个实施例中，控制参数可包括发电机速度、转矩设定点、桨距角、末梢速度比、偏航角、或另一其它适合的参数或它们的组合。此外，升级可包括下者中的任何一个或下者组合：修正的桨距角或偏航角、末梢速度比、软件升级、控制升级、硬件升级、或尾流控制或可快速且自动地投入使用或除去的任何其它类似的升级。
另一方面，本主题涉及一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的系统。系统包括可通信地联接到一个或多个传感器上的处理器。处理器配置成执行一个或多个操作，其包括但不限于：以基准操作模式操作风力涡轮；从基准操作模式转换至第一操作模式；生成至少包括第一参数和第二参数的第一操作数据组；在基准操作模式期间测量第一组的第一参数，并在第一操作模式期间测量第一组的第二参数；从第一操作模式转换回基准操作模式；从基准操作模式转换至第二操作模式；生成至少包括第一参数和第二参数的第二操作数据组；在基准操作模式期间测量第二组的第一参数，并在第二操作模式期间测量第二组的第二参数；以及基于第一操作数据组和第二操作数据组确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征。
在一个实施例中，一个或多个操作可进一步包括：在基准操作模式与第二操作模式之后的多个后续操作模式之间来回切换；针对各个后续操作模式生成至少包括第一参数和第二参数的一操作数据组；在基准操作模式期间测量各个数据组的第一参数，并在相应操作模式期间测量各个数据组的第二参数；基于第一操作数据组和第二操作数据组确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征。应理解，系统可进一步包括如本文所述的任何附加特征。
在又一方面，本主题涉及一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法。该方法包括以第一操作模式操作风力涡轮。此外，该方法包括生成与第一操作模式有关的至少包含第一参数和第二参数的第一操作数据组。此外，该方法包括将第一操作模式改变为第二操作模式。此外，该方法包括生成与第二操作模式有关的也至少包含第一参数和第二参数的第二操作数据组。更确切地说，在第一操作模式期间测量第二组的第一参数，而在第二操作模式期间测量第二组的第二参数。因此，该方法还包括基于第一操作数据组和第二操作数据组来确定第一操作模式和第二操作模式的性能特征。应当理解的是，该方法可进一步包括如本文所述的任何附加步骤和/或特征。
参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述一起用于阐释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法，所述方法包括：
以第一操作模式操作所述风力涡轮；
生成与所述第一操作模式有关的第一操作数据组，所述第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数；
将所述第一操作模式改变为第二操作模式；
生成与所述第二操作模式有关的第二操作数据组，所述第二操作数据组至少包括第一参数和第二参数，在所述第一操作模式期间测量第二组的所述第一参数，并在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式期间的不同时间段期间测量第一组的所述第一参数和所述第二参数。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式的第一操作窗口期间测量所述第一组的所述第一参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第一组的所述第二参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式的第一操作窗口期间测量所述第二组的所述第二参数。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，其特征在于，针对所述第一操作模式和所述第二操作模式中的各个的所述第一参数与所述第二参数之间的时滞是固定且恒定的。
技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述第一参数和所述第二参数包括关于以下参数中的至少一个或以下参数的组合的信息：功率输出、发电机速度、转矩输出、电网状况、桨距角、末梢速度比、偏航角、内部控制设定点、负载状况、地理信息、温度、压力、天气状况、应变、环境噪音、阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风转向或尾流。
技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其特征在于，所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第一参数包括风速，且所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的第二参数包括功率输出。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的所述性能特征进一步包括：
基于来自相应的第一操作数据组和第二操作数据组的所述风速和功率输出，生成针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线；以及
比较针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线来确定所述最佳操作模式。
技术方案8. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括经由机舱安装的风速计测量针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的风速。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括筛选所述第一操作数据组和所述第二操作数据组。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间切换，以及在各个所述模式期间生成多个第一数据组和第二数据组。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在以所述第二操作模式操作所述风力涡轮之前实施对所述风力涡轮的改变，其中所述改变包括改变所述风力涡轮的一个或多个控制参数或对所述风力涡轮提供至少一种升级中的至少一者。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述一个或多个控制参数包括发电机转速、转矩设定点、桨距角、末梢速度比或偏航角中的至少一者。
技术方案13. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述至少一种升级包括下者中的任何一个或下者的组合：修正的桨距角或偏航角、末梢速度比、软件升级、控制升级、硬件升级或尾流控制。
技术方案14. 一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的系统，所述系统包括：
通信地联接到一个或多个传感器上的处理器，所述处理器配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
以基准操作模式操作所述风力涡轮；
从所述基准操作模式转换至第一操作模式；
生成第一操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量第一组的所述第一参数，以及在所述第一操作模式期间测量所述第一组的所述第二参数；
从所述第一操作模式转换回所述基准操作模式；
从所述基准操作模式转换至第二操作模式；
生成第二操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
技术方案15. 根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
在所述基准操作模式与所述第二操作模式之后的多个后续操作模式之间来回切换；
针对所述后续操作模式中的各个生成一操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量各个数据组的所述第一参数，以及在所述相应的操作模式期间测量各个数据组的所述第二参数；以及
比较所述操作数据组来确定最佳操作模式。
技术方案16. 一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法，所述方法包括：
以第一操作模式操作所述风力涡轮；
生成与所述第一操作模式有关的第一操作数据组，所述第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数，在所述第一操作模式期间的不同时间段期间测量所述第一组的所述第一参数和所述第二参数；
将所述第一操作模式改变为第二操作模式；
生成与所述第二操作模式有关的第二操作数据组，所述第二操作数据组至少包括第一参数和第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
技术方案17. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数。
技术方案18. 根据技术方案17所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式的第一操作窗口期间测量所述第一组的所述第一参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第一组的所述第二参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式的第一操作窗口期间测量所述第二组的所述第二参数。
技术方案19. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第一参数包括风速，且所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第二参数包括功率输出。
技术方案20. 根据技术方案16所述的方法，其特征在于，所述一个或多个操作进一步包括在以所述第二操作模式操作所述风力涡轮之前实施对所述风力涡轮的改变，其中所述改变包括改变所述风力涡轮的一个或多个控制参数或对所述风力涡轮提供至少一种升级中的至少一者。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的完整且可实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1示出了根据本公开的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2示出用于与图1中所示的风力涡轮一起使用的控制器的一个实施例的示意图；
图3示出了根据本公开的用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法的一个实施例的流程图；
图4示出了用于通过在两个操作模式下操作来评估风力涡轮的性能的方法的一个实施例的示意图；
图5示出了用于通过在两个操作模式之间切换来评估风力涡轮的性能的方法的一个实施例的示意图；
图6示出了用于通过在两个操作模式下操作来评估风力涡轮的性能的方法的一个实施例的示意图，具体示出了来自第一操作窗口的各个数据点，其与具有相同时滞的来自第二操作窗口的数据点配对；
图7示出了用于通过在两个操作模式下操作来评估风力涡轮的性能的方法的一个实施例的示意图，具体示出了来自第一操作窗口的各个数据点，其与来自第二操作窗口的一个或多个数据点配对，且反之亦然，而不管时滞如何；以及
图8示出了用于通过在基准操作模式与多个不同操作模式之间切换来评估风力涡轮的性能的方法的一个实施例的示意图。
构件列表
10 风力涡轮
12 塔架
14 支承表面
16 机舱
18 转子
20 可旋转的毂
22 转子叶片
26 控制器
28 桨距轴线
30 风速计
58 (多个)处理器
60 (多个)存储器装置
62 通信模块
64 传感器接口
65 传感器
66 传感器
68 传感器
70 第一操作模式
72 第二操作模式
73 第一行
74 第二行
76 第一操作数据组
78 第二操作数据组
80 第一组的第一参数
82 第一组的第二参数
84 第二组的第一参数
86 第二组的第二参数
88 改变
90 第一操作模式的第一操作窗口
92 第一操作模式的第二操作窗口
94 (多个)时滞
95 数据点
96 第二操作模式的第一操作窗口
97 数据点
100 方法
102 方法步骤
104 方法步骤
106 方法步骤
108 方法步骤
110 方法步骤
150 基准操作模式
152 第一操作数据组
154 第二操作数据组
156 转换
158 第一参数
160 第二参数
162 转换
164 转换
166 第一参数
168 第二参数
170 数据组
172 第一参数
174 第二参数
176 附加的第一组
178 附加的第二组
180 第一参数
182 第二参数
184 第一参数
186 第二参数。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中被示出。各个实例通过阐释本发明的方式而被提供，而非本发明的限制。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在本发明中作出多种修改和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，被示出为或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生再一个实施例。因此，意在本发明涵盖归入所附权利要求和其等效方案的范围内的此类修改和变型。
大体上，本主题涉及一种评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的系统和方法。在一个实施例中，例如，本公开涉及一种使用具有时滞的风速和功率数据的偏移切换方法。如本文使用的，偏移数据组是风力涡轮的操作参数的集合，诸如，如，风速和功率测量值对。因此，针对各个操作模式收集偏移数据组。此外，创建具有以下性质的偏移数据组：(1)测量相同操作模式期间的风速用于所有数据组；(2)在测试中的操作状态期间测量功率用于各个数据组；以及(3)风速测量值与功率测量值之间的时滞是固定且恒定的。一旦收集到偏移数据组，处理器(在场级或涡轮级处)便处理数据组来确定针对各个模式的涡轮性能。例如，在某些实施例中，可筛选收集的数据，可除去直接在模式转换之后的数据点，且/或可计算功率曲线和年度能源生产(AEP)。
本文所述的系统和方法的多个实施例提供了现有技术中不存在的许多优点。例如，本公开使得能够使用机舱风速计来确定针对多个控制状态的涡轮性能，而不可能由于NTF随控制状态改变而改变导致偏差。此外，本公开的控制方法使得能够使用现有的切换测试数据来执行性能增益确定，这节省了验证时间。
现在参照附图，图1示出了根据本公开的配置成实施控制技术的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如所示的，风力涡轮10大体上包括从支承表面14延伸的塔架12、安装在塔架12上的机舱16以及联接到机舱16上的转子18。转子18包括可旋转的毂20和联接到毂20上且从毂20向外延伸的至少一个转子叶片22。例如，在示出的实施例中，转子18包括三个转子叶片22。然而，在备选实施例中，转子18可包括多于或少于三个的转子叶片22。各个转子叶片22可围绕毂20间隔开，以便于旋转转子18而使得动能能够从风力转变成可用的机械能，且随后转变成电能。例如，毂20可旋转地联接到定位在机舱16内的发电机(未示出)上，以允许产生电能。
风力涡轮10还可包括居中设置在机舱16内的风力涡轮控制器26。然而，在其它实施例中，控制器26可位于风力涡轮10的任何其它构件内或风力涡轮外的位置处。此外，控制器26可通信地联接到风力涡轮10的任何数目的构件上，以便控制这些构件的操作和/或实施控制动作。因此，控制器26可包括计算机或其它适合的处理单元。因此，在若干实施例中，控制器26可包括适合的计算机可读指令，在执行该指令时，将控制器26配置成执行多种不同的功能，诸如接收、传输和/或执行风力涡轮控制信号。因此，控制器26可大体上配置成控制风力涡轮10的多种操作模式(例如，启动或关闭顺序)、使风力涡轮10降速或升速和/或控制风力涡轮10的多个构件。例如，控制器26可配置成控制各个转子叶片22的叶片桨距或桨距角(即，确定转子叶片22的投影相对于风向的角度)，以通过调整至少一个转子叶片22相对于风的角位置来控制由风力涡轮10生成的功率输出。例如，通过将适合的控制信号传输至风力涡轮10的桨距驱动器或桨距调整机构(未示出)，控制器26可通过使转子叶片22围绕桨距轴线28单独地或同时地旋转来控制转子叶片22的桨距角。
现在参照图2，根据本公开的方面示出了可包括在控制器26内的适合的构件的一个实施例的框图。如所示的，控制器26可包括配置成执行多种计算机可执行功能(例如，执行本文公开的方法、步骤、计算等)的一个或多个处理器58和(多个)相关联的存储器装置60。如本文所使用的，用语“处理器”不但是指本领域中被认为包括在计算机中的集成电路，而且是指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、应用特有的集成电路、专用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或任何其它可编程电路。此外，(多个)存储器装置60大体上可包括存储器元件，其包括但不限于，计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM)、计算机可读非易失性介质(例如，闪速存储器)、一个或多个硬盘驱动器、软盘、只读光盘存储器(CD-ROM)、读/写光盘(CD-R/W)驱动器、磁光盘(MOD)、数字多功能盘(DVD)、闪速驱动器、光学驱动器、固态储存装置和/或其它适合的存储器元件。
此外，控制器26还可包括通信模块62，以便于在控制器26与风力涡轮10的多个构件之间的通信。例如，通信模块62可包括传感器接口64(例如，一个或多个模数转换器)，以允许由一个或多个传感器30、65、66、68传输的信号转换成可由控制器26理解和处理的信号。此外，应当认识到，传感器30、65、66、68可使用任何适合的器件通信地联接到通信模块62上。例如，如图2中所示，传感器30、65、66、68经由有线连接联接到传感器接口64上。然而，在备选实施例中，传感器30、65、66、68可经由无线连接(诸如通过使用本领域中已知的任何适合的无线通信协议)联接到传感器接口64上。例如，通信模块62可包括因特网、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、广域网(WAN)(诸如全球微波接入互操作性(WiMax)网络)、卫星网络、蜂窝网络、传感器网络、自组织网络和/或短程网络。因此，处理器58可配置成从传感器30、65、66、68直接地接收一个或多个信号。在另外的实施例中，处理器58还可接收来自包含其它传感器的风力涡轮10的子系统的一个或多个信号。
传感器30、65、66、68可为配置成测量风力涡轮10的任何操作数据和/或风场200的风参数的任何适合的传感器。例如，传感器30、65、66、68可包括：用于测量转子叶片22中的一个的桨距角或用于测量作用于转子叶片22中的一个上的负载的叶片传感器；用于监测发电机(例如，转矩、转速、加速度和/或功率输出)的发电机传感器；和/或用于测量多种风参数(例如，风速、风向等)的多种风传感器。此外，传感器30、65、66、68可位于风力涡轮10的地面附近、机舱16上、风力涡轮10的气象桅杆上或风场中的任何其它位置。
还应理解，可采用任何其它数目或类型的传感器且其可在任何位置处。例如，传感器可包括加速计、压力传感器、应变仪、冲角传感器、振动传感器、MIMU传感器、相机系统、光纤系统、风速计、风向标、声波检测和测距(SODAR)传感器、红外线激光器、光探测和测距(LIDAR)传感器、辐射计、皮托管、原子探针、其它光学传感器和/或任何其它适合的传感器。应认识到，如本文使用的，用语“监测”和其变型表示风力涡轮10的多个传感器可配置成提供受监测参数的直接测量或这些参数的间接测量。因此，传感器30、65、66、68可例如用于生成与受监测参数有关的信号，其然后可由控制器26使用来确定实际状况。
现在参照图3-6，提供了多个图示来阐释本公开的系统和方法。更确切地说，具体如图3中所示，示出了用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法100的一个实施例的流程图。更确切地说，如在102处所示，方法100包括以第一操作模式70操作风力涡轮10。例如，在一个实施例中，第一操作模式70可对应于基准操作模式。如在104处所示，方法100可包括生成与第一操作模式70有关的第一操作数据组76。在一个实施例中，可经由传感器中的一个或多个(例如，经由传感器30、65、66、68或任何其它适合的传感器)生成第一操作数据组76。备选地，可经由处理器58内的计算机模型来估算第一操作数据组76。更确切地说，在某些实施例中，第一操作数据组76可至少包括第一参数80和第二参数82。例如，在具体实施例中，第一参数80和第二参数82可包括关于功率输出、发电机速度、转矩输出、电网状况、桨距角、末梢速度比、偏航角、内部控制设定点、负载状况、地理信息、温度、压力、天气状况、应变、环境噪音、阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风转向、尾流、和/或类似参数或它们的组合的信息。更确切地说，在一个实施例中，第一参数80可包括风速，且第二参数82可包括功率输出。
此外，在第一操作模式70的不同时间段期间测量第一操作数据组76的第一参数80和第二参数82，即，与第一参数80和第二参数82有关的数据集合是偏移的。大体上，第一参数由第一行数据73代表，且第二参数由数据范围的第二行74代表。因此，第一参数80和第二参数82可在单个时间点时被收集，或可在一定时间段内被收集(如所示的)。更确切地说，如所示的，可在第一操作模式70的第一操作窗口90期间测量第一组76的第一参数80，而可在第一操作模式70的第二操作窗口92期间测量第一组76的第二参数82。因此，如图4中所示，第一操作数据组76包括第一参数80和第二参数82，其中在相对于监测第一参数80时的时间段不同或有偏移的时间段时收集第二参数82。
返回参照图3，如在106处所示，方法100进一步包括将第一操作模式70改变为第二操作模式72。例如，如图4中所示，第一操作模式由参考标号70代表且第二操作模式由参考标号72代表，而从第一操作模式70到第二操作模式72的变化由线88代表。
在某些实施例中，可在以第二操作模式操作风力涡轮10之前将变化提供至风力涡轮10。例如，此变化可包括改变风力涡轮10的一个或多个控制参数和/或对风力涡轮10提供至少一种升级。例如，在一个实施例中，(多个)控制参数可包括发电机速度、转矩设定点、桨距角、末梢速度比、偏航角、或另一其它适合的参数或它们的组合。此外，(多次)升级可包括下者中的任何一个或其组合：修正的桨距角或偏航角、末梢速度比、软件升级、控制升级、硬件升级或尾流控制或可快速且自动地投入使用或除去的任何其它类似的升级。
因此，如在图3的108处所示，方法100包括生成与第二操作模式72有关的第二操作数据组78。更确切地说，如图4中所示，第二操作数据组78也至少包括第一参数84和第二参数86。类似于第一操作数据组76，第二操作数据组78的第一参数84和第二参数86也可是偏移的(即，在不同时间点时收集)。在其它实施例中，如图5中所示，控制器26还可配置成在第一操作模式70与第二操作模式72之间切换。在这些实施例中，控制器26还可在各个模式70、76期间生成多个第一数据组76和第二数据组78来用于比较。例如，如图5中所示，生成两个第一数据组76、176和两个第二数据组78、178并可对其进行比较。
此外，可经由传感器中的一个或多个生成(例如，经由传感器30、65、66、68或任何其它适合的传感器)第二操作数据组78。备选地，可经由处理器58内的计算机模型来估算第二操作数据组78。更确切地说，在某些实施例中，第二操作数据组78可对应于与第一操作数据组76的相同参数。因此，第二组78的第一参数84和第二参数86可包括关于功率输出、发电机速度、转矩输出、电网状况、桨距角、末梢速度比、偏航角、内部控制设定点、负载状况、地理信息、温度、压力、天气状况、应变、环境噪音、阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风转向、尾流、和/或类似参数或它们的组合的信息。更确切地说，在一个实施例中，第一参数84可包括风速，且第二参数86可包括功率输出。因此，在若干实施例中，方法100可进一步包括在第一操作模式70和第二操作模式72期间经由机舱安装的风速计30来测量风速。在再一些备选实施例中，第一参数80、84可包括风湍流或风切变，而第二参数82、86可包括应变或环境噪音。
例如，如图4中所示，可在第一操作模式70期间测量第二组78的第一参数84，而可在第二操作模式72期间测量第二组78的第二参数86。更确切地说，如所示的，可在第一操作模式70的第二操作窗口92期间测量第二组78的第一参数84，而可在第二操作模式72的第一操作窗口96期间测量第二组78的第二参数86。
在另外的实施例中，控制器26还可配置成筛选第一操作数据组76和第二操作数据组78。更确切地说，在某些实施例中，在收集数据之后，其可被筛选以除去其中风力涡轮10未正常操作时(诸如在有意削减其时)的数据点。此外，可除去或丢弃某些数据点。例如，如图4中所示，可丢弃直接在模式转换(即，在各个操作窗口90、92和96之间)后的数据点。在再一些实施例中，数据样本可丢失或遗漏。在此情况下，在创建第一参数和第二参数的数据组时，可省略样本丢失或遗漏情况下的样本对。
在另一实施例中，针对第一操作模式70和第二操作模式72中的各个的第一参数80、84与第二参数82、86之间的时滞可为固定和/或恒定的。例如，如图4中所示，示出了不同数据收集时段之间的多个时滞94。更确切地说，如所示的，时滞94中的各个可为相同长度。因此，第一参数82与第二参数86(例如，风速测量值和功率测量值)之间的时滞引入了可表征为附加风速传递函数或增加的测量噪音的数据组的细微变化。在具体实施例中，时滞足够小，使得各个测量值对的风速足以预测功率测量的同一时间时的风速。此外，由于时滞是固定且恒定的，时滞的影响对于所有模式的所有数据组是相同的，且对性能评估过程没有负面影响。
在双模式实例中，如图4中所示，数据窗口关于从第一操作模式170到第二操作模式172的转换而定位。然而，在备选实施例中，控制器26还可从第二操作模式172转换至第一操作模式170。此外，可单独地和组合地完成针对此情况的性能分析。备选地，来自这两个情况的数据可组合，且可在较大的组合数据组上完成性能分析。
在某些实施例中，第一参数和第二参数中的各个可在数据组中最多使用一次。此外，这些参数可配对，使得各对均具有相同的时滞，即，从第一参数到第二参数的时间偏移量相同。然而，在其它实施例中，多次使用参数且使用在同一数据组中具有多个时滞的对是可行的。例如，如图6中所示，来自操作窗口90的各个数据点95均可与具有相同时滞的来自操作窗口92的数据点97配对。在备选实施例中，如图7中所示，来自操作窗口90的各个数据点95可与来自操作窗口92的一个或多个数据点97配对，且反之亦然，而不管时滞如何。在又一实施例中，假定时滞在一定范围内，则来自操作窗口90的各个数据点95可与来自操作窗口92的各个数据点97配对。
此外，如图5中所示，控制器26可在第一操作模式70与第二操作模式72之间切换。切换过程可重复多次，以确保第一操作模式70与第二操作模式72之间观察到的差异归因于控制设定值和/或升级中的变化，且不归因于环境状况(例如，风速、风向等)的变化。例如，如所示的，控制器26在第一操作模式70与第二操作模式72之间切换两次。在其它实施例中，控制器26可在第一操作模式70与第二操作模式72之间来回切换多次，例如，几百次或几千次。通过多次来回切换，可总结操作模式70、72中的平均性能(例如，生成的功率更高或更低)。例如，如所示的，第一操作数据组76和第二操作数据组78可与在后续时间段时收集到的针对第一操作模式70和第二操作模式72的附加的第一操作数据组176和第二操作数据组178组合。更确切地说，如所示的，附加的第一操作数据组176和第二操作数据组178也可分别包括第一参数180、184和第二参数182、186。因此，可选择最佳的操作模式，且可重复切换过程，直到可得出结论。
控制器26然后配置成确定第一操作模式70是否优于第二操作模式72。更确切地说，在一个实施例中，第一操作模式70的响应参数与第二操作模式70的响应参数相比较。例如，返回参照图3，如在110处所示，方法100包括基于第一操作数据组76和第二操作数据组78来确定第一操作模式70和第二操作模式72的性能特征，例如，诸如功率。此外，控制器26可确定根据从第一操作模式70到第二操作模式72的控制设定值或升级中的变化而预计的功率增加百分比。更确切地说，在某些实施例中，控制器26可配置成基于来自相应的第一操作数据组76和第二操作数据组78的风速和功率输出生成针对第一操作模式70和第二操作模式72的第一功率曲线和第二功率曲线，并且比较针对第一操作模式和第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线以确定最佳操作模式。一旦针对多个操作参数确定了最佳设定点，控制器26便配置成基于新的最佳设定点来操作风力涡轮100。
现在参照图8，示出了用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的另一实施例的示意图。如所示的，图8的实施例的偏移切换方法包括具有多于两个的操作模式，即，七个不同的操作模式(表示为模式1、2、3、4、5、6和7)。应理解，尽管图8中示出了七个操作模式，但可使用包括多于七个或少于七个操作模式的任何数目的模式。
此外，如所示的，选择表示为模式0的基准操作模式150。在某些实施例中，针对基准操作模式150的控制参数可选择成提供在风速计30处的可靠的风速测量值，或可为针对风力涡轮10的基准或标准参数。如在156处所示，控制器26配置成从基准操作模式150转换至第一操作模式(表示为模式1)。此外，控制器26配置成生成第一操作数据组152，其至少包括第一参数158和第二参数160。更确切地说，如所示的，在基准操作模式150期间测量第一组152的第一参数158，而在第一操作模式期间测量第一组152的第二参数160。
如在162处所示，控制器26然后从第一操作模式转换回基准操作模式150。此外，如在164处所示，控制器26然后从基准操作模式转换至第二操作模式(表示为模式2)。因此，控制器26配置成生成第二操作数据组154，其也至少包含第一参数166和第二参数168。更确切地说，如所示的，在基准操作模式150期间测量第二组154的第一参数166，而在第二操作模式期间测量第二组154的第二参数168。因此，控制器26然后可比较第一操作数据组152和第二操作数据组154，以确定最佳操作模式。
此外，控制器26可在基准操作模式150与第二操作模式之后的多个后续操作模式之间来回切换。例如，如图8中所示，控制器26可通过第二操作模式之后的附加模式(即，模式3、4、5、6和7)继续操作风力涡轮10。然而，如所示的，在各个模式之间，控制器26恢复回到基准操作模式150。通过模式的进展可为随机的，然而基准操作模式150仍插在所有模式之间。
因此，控制器26也可针对各个后续的操作模式生成附加的操作数据组170。这些数据组也可包括第一参数172和第二参数174。更确切地说，如所提及的，可在基准操作模式150期间测量各个数据组170的第一参数172，而可在相应的操作模式期间测量各个数据组170的第二参数174。此外，如所示的，针对各个模式的数据组170可关于从基准操作模式150到各个相应模式的转换而使用操作窗口来收集。在这些实施例中，控制器26可然后比较操作数据的多个数据组152、154、170来确定最佳操作模式。换言之，针对所有数据组执行涡轮性能以比较模式之间的性能。
应理解，虽然图8将附加的操作数据组170(具有第一参数172和第二参数174)引用为具有相同的参考标号，但仅为了简化目的提供了此符号。换言之，应理解，各个附加操作组170的第一参数172和第二参数174可为相同或不同的值。
应理解，虽然偏移切换方法已被描述为具有时滞，而使得风速在功率之前被测量，但本公开还涵盖相反的过程(即，在风速或任何其它参数的组合之前测量功率)。此外，虽然在固定操作模式(即，针对模式的控制参数值不变)方面描述了本公开，但本公开还可包括随时间的推移或在测试期间改变针对模式的控制参数。
任何适合的切换周期都可用于在不同模式之间的切换。如本文使用的，切换周期大体上是指在转换至不同模式之前在各个模式中花费的时间。因此，切换周期可为恒定的或不同的。切换周期也可为随机的。例如，在随机的切换周期的一个实施例中，切换周期可为每次有模式转换时随机选择的14或15个样本。此外，切换周期应选择成使得整个模式序列循环不与可影响模式中的性能的另一涡轮循环、天气状况循环或日循环一致。
在某些实施例中，为了避免与日循环一致，可将额外的模式添加到模式序列中。例如，对于20分钟的切换周期和九模式的序列(由0, 1, 0, 2, 0, 3, 0, 4, 0, 5, 0, 6,0, 7, 0, 8, 0, 9代表)，模式序列将花费六小时完成(例如，20分钟乘以18)。重复该模式序列将致使模式与日循环一致。因此，可添加至少一个附加状态来避免此一致。例如，通过添加单个基准模式，模式序列成为0, 1, 0, 2, 0, 3, 0, 4, 0, 5, 0, 6, 0, 7, 0, 8,0, 9, 0。因此，6小时加20分钟的序列不与日循环一致。
此外，迄今为止，按照固定样本间隔描述了本公开。例如，可每30秒收集第一参数和第二参数。然而，应理解，本公开还可包括不规则的数据样本间隔。在不规则的数据样本间隔的情况下，可基于匹配所需时滞的样本之间的时间差而不是固定数目的样本间隔创建对应参数的数据组。数据插值可用于确定样本点之间的数据值。
上文详细描述了风力涡轮、用于风力涡轮的控制器以及用于优化风力涡轮操作的方法的示例性实施例。方法、风力涡轮和控制器不限于本文所述的特定实施例，而相反，风力涡轮和/或控制器的构件和/或方法的步骤可独立地且与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用。例如，控制器和方法还可与其它功率系统和方法组合使用，且不限于仅使用如本文所述的风力涡轮系统来实践。相反，可结合许多其它风力涡轮或功率系统应用来实施和使用示例性实施例。
尽管本发明的多个实施例的特定特征可在一些附图中被示出，而在其它附图中未被示出，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合而被引用和/或声明。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利性范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例包括不异于权利要求的文字语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等同结构要素，则这些其它实例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法，所述方法包括：
以第一操作模式操作所述风力涡轮；
生成与所述第一操作模式有关的第一操作数据组，所述第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数；
将所述第一操作模式改变为第二操作模式；
生成与所述第二操作模式有关的第二操作数据组，所述第二操作数据组至少包括第一参数和第二参数，在所述第一操作模式期间测量第二组的所述第一参数，并在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式期间的不同时间段期间测量第一组的所述第一参数和所述第二参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式的第一操作窗口期间测量所述第一组的所述第一参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第一组的所述第二参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式的第一操作窗口期间测量所述第二组的所述第二参数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，针对所述第一操作模式和所述第二操作模式中的各个的所述第一参数与所述第二参数之间的时滞是固定且恒定的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一参数和所述第二参数包括关于以下参数中的至少一个或以下参数的组合的信息：功率输出、发电机速度、转矩输出、电网状况、桨距角、末梢速度比、偏航角、内部控制设定点、负载状况、地理信息、温度、压力、天气状况、应变、环境噪音、阵风、风速、风向、风加速度、风湍流、风切变、风转向或尾流。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第一参数包括风速，且所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的第二参数包括功率输出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的所述性能特征进一步包括：
基于来自相应的第一操作数据组和第二操作数据组的所述风速和功率输出，生成针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线；以及
比较针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的第一功率曲线和第二功率曲线来确定最佳操作模式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括经由机舱安装的风速计测量针对所述第一操作模式和所述第二操作模式的风速。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括筛选所述第一操作数据组和所述第二操作数据组。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述第一操作模式与所述第二操作模式之间切换，以及在各个所述模式期间生成多个第一数据组和第二数据组。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在以所述第二操作模式操作所述风力涡轮之前实施对所述风力涡轮的改变，其中所述改变包括改变所述风力涡轮的一个或多个控制参数或对所述风力涡轮提供至少一种升级中的至少一者。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述一个或多个控制参数包括发电机转速、转矩设定点、桨距角、末梢速度比或偏航角中的至少一者。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一种升级包括下者中的任何一个或下者的组合：修正的桨距角或偏航角、末梢速度比、软件升级、控制升级、硬件升级或尾流控制。
14.一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的系统，所述系统包括：
通信地联接到一个或多个传感器上的处理器，所述处理器配置成执行一个或多个操作，所述一个或多个操作包括：
以基准操作模式操作所述风力涡轮；
从所述基准操作模式转换至第一操作模式；
生成第一操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量第一组的所述第一参数，以及在所述第一操作模式期间测量所述第一组的所述第二参数；
从所述第一操作模式转换回所述基准操作模式；
从所述基准操作模式转换至第二操作模式；
生成第二操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
在所述基准操作模式与所述第二操作模式之后的多个后续操作模式之间来回切换；
针对所述后续操作模式中的各个生成一操作数据组，其至少包括第一参数和第二参数，在所述基准操作模式期间测量各个数据组的所述第一参数，以及在所述相应的操作模式期间测量各个数据组的所述第二参数；以及
比较所述操作数据组来确定最佳操作模式。
16.一种用于评估风力涡轮在不同操作模式下的性能的方法，所述方法包括：
以第一操作模式操作所述风力涡轮；
生成与所述第一操作模式有关的第一操作数据组，所述第一操作数据组至少包括第一参数和第二参数，在所述第一操作模式期间的不同时间段期间测量所述第一组的所述第一参数和所述第二参数；
将所述第一操作模式改变为第二操作模式；
生成与所述第二操作模式有关的第二操作数据组，所述第二操作数据组至少包括第一参数和第二参数；以及
基于所述第一操作数据组和所述第二操作数据组确定所述第一操作模式和所述第二操作模式的性能特征。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式期间测量所述第二组的所述第二参数。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式的第一操作窗口期间测量所述第一组的所述第一参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第一组的所述第二参数，在所述第一操作模式的第二操作窗口期间测量所述第二组的所述第一参数，以及在所述第二操作模式的第一操作窗口期间测量所述第二组的所述第二参数。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第一参数包括风速，且所述第一操作数据组和所述第二操作数据组的所述第二参数包括功率输出。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述一个或多个操作进一步包括在以所述第二操作模式操作所述风力涡轮之前实施对所述风力涡轮的改变，其中所述改变包括改变所述风力涡轮的一个或多个控制参数或对所述风力涡轮提供至少一种升级中的至少一者。
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