CN109937299B - 用于风力涡轮机的风数据检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于风力涡轮机的风数据检测系统和方法描述了一种用于风力涡轮机的风数据检测系统，所述风力涡轮机包括机舱和转子，所述转子包括在转子平面内以预定角度（α）分开的多个转子叶片（14a、14b、14c）。所述系统包括：（a）用于提供第一风数据的第一风传感器（S1），（b）用于提供第二风数据的第二风传感器（S2），（c）支撑结构，其适于安装在所述风力涡轮机的所述机舱上，并在相应的第一位置和第二位置处支撑所述第一风传感器和所述第二风传感器，以及（d）处理单元，其用于基于所述第一风数据和所述第二风数据来生成输出风数据，其中，所述处理单元适于通过分别对所述第一风数据和所述第二风数据应用自适应过滤算法来生成第一过滤风数据和第二过滤风数据，并且其中，所述处理单元适于通过组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据来生成所述输出风数据。此外，还描述了风力涡轮机、风电场、方法和计算机程序。

Description

用于风力涡轮机的风数据检测系统和方法

技术领域

本发明涉及风力涡轮机的领域，特别是本发明涉及一种用于风力涡轮机的风数据检测系统，该风力涡轮机包括机舱和转子，该转子包括在转子平面内以预定角度分开的多个转子叶片。本发明还涉及风力涡轮机、风电场、方法和计算机程序。

背景技术

例如风速和风向之类的风数据是用于操作风力涡轮机的重要参数。例如，风速被用于在操作期间设定风力涡轮机的负载和/或叶片角度（桨距，pitch），并且风向被用于调整风力涡轮机相对于风的方向（偏摆角）。

传统上，风数据借助于尽可能远离转子布置在机舱的顶部上（即，布置在机舱的后端处）的风传感器单元获得，以便最小化由旋转的转子叶片引起的测量干扰。为了进一步最小化测量干扰，可以如EP 2 515 122 A1中所述应用对测量数据的过滤。

然而，最近的研究表明，来自转子叶片、特别是来自转子叶片的根部区段的涡流随着与转子的下游距离的增加而变得越来越宽。因此，到达布置在机舱的后上部处的风传感器单元的风实际上是湍流的，并且无时无刻不受到转子叶片的干扰，使得即使上面提到的对测量数据的过滤也无法去除叶片干扰。

鉴于此，已形成了一种构思，其中，风传感器单元更靠近转子定位，并且其中，传感器信号的受到通过的叶片干扰的部分被滤除。Torben Nielsen在“Tracking of BladeDisturbance by Adaptive Filtering and Optimized Weighting of WindMeasurements”（可在http://dx.doi.org/10.18169/PAPDEOTT004946获得）中描述了这样的过滤算法。然而，利用该构思获得的经过滤的传感器数据包含间隙（对应于通过的叶片干扰测量的时间间隔），使得可能未检测到突然的风变化。

因此，可能需要一种获得精确并且特别是连续的可靠风数据流的方式。

发明内容

该需要可以通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明的有利实施例通过从属权利要求来描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于风力涡轮机的风数据检测系统，所述风力涡轮机包括机舱和转子，所述转子包括在转子平面内以预定角度分开的多个转子叶片。所述系统包括：（a）用于提供第一风数据的第一风传感器（S1），（b）用于提供第二风数据的第二风传感器（S2），（c）支撑结构，其适于安装在所述风力涡轮机的所述机舱上，并在相应的第一位置和第二位置处支撑所述第一风传感器和所述第二风传感器，以及（d）处理单元，其用于基于所述第一风数据和所述第二风数据来生成输出风数据，其中，所述处理单元适于通过分别对所述第一风数据和所述第二风数据应用自适应过滤算法来生成第一过滤风数据和第二过滤风数据，并且其中，所述处理单元适于通过组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据来生成所述输出风数据。

本发明的这个方面是基于如下想法，即：在相应的分立位置处布置两个（第一和第二）风传感器提供分立的两组风数据，这两组风数据（由于不同的传感器位置）受到通过的转子叶片的不同影响，特别是它们不会同时受到通过的叶片影响。因此，通过对每组风数据应用自适应过滤算法，所得到的各组过滤风数据不相同。因此，通过组合两组过滤风数据，所得到的输出风数据将比它们自己的两组过滤数据中的任何一组包含更多的信息。这是因为过滤影响两组风数据的不同部分，因为它们不（同时）以相同的方式受到转子叶片的影响。

根据本发明的一个实施例，所述自适应过滤算法适于识别和去除风数据的经受转子叶片干扰的部段。

所述自适应过滤算法特别地可以是Torben Nielsen在“Tracking of BladeDisturbance by Adaptive Filtering and Optimized Weighting of WindMeasurements”（可在http://dx.doi.org/10.18169/PAPDEOTT004946获得）中描述的算法。

作为所述过滤算法的结果，第一/第二过滤风数据基本上不同于第一/第二风数据（即，来自第一/第二传感器的原始风数据），原因在于第一/第二风数据的受到通过的叶片影响（并且因此不可靠）的部段或部分（对应于特定时间间隔）在第一/第二过滤风数据中被设为零，同时保持剩余（即，可靠）的数据。换句话说，第一和第二过滤风数据包含间隙（具有零值的时间间隔）。然而，由于第一和第二传感器的不同位置，在第一过滤风数据和第二风数据中不会同时出现间隙。因此，在任何给定的时间点，第一和第二过滤风数据中的至少一个将包含可靠的风数据（即，非零值）。

根据本发明的另一实施例，所述第一位置和所述第二位置位于基本上平行于所述转子平面的平面内。

换句话说，第一和第二风传感器被定位成使得从第一位置到转子平面的距离等于从第二位置到转子平面的距离。

根据本发明的另一实施例，所述第一位置和所述第二位置以一定传感器角度分开，所述传感器角度不同于所述预定角度（分开转子叶片）。

通过使第一和第二位置以与转子叶片之间（即，两个相邻的转子叶片之间）的预定角度不同的角度（传感器角度）分开，确保了无论何时第一和第二风传感器中的一个受到转子叶片的影响（特别是被其覆盖）时，第一和第二风传感器中的另一个不会同时受到转子叶片的影响（特别是被其覆盖）。

根据本发明的另一实施例，所述传感器角度为所述预定角度的大约一半。

传感器角度等于预定叶片角度的（大约）一半提供了对风传感器的有效分离，使得两个传感器无法同时受到相同转子叶片或两个不同转子叶片的影响。由此，确保了可以通过组合两个过滤风数据信号来获得可靠和有用的输出风数据。

例如，在三个转子叶片以120°分开的情况下，传感器角度将为大约60°，例如在50°和70°之间。

根据本发明的另一实施例，所述输出风数据随时间的推移提供连续的一系列风数据值。

换句话说，与第一过滤风数据和第二过滤风数据中的每一个都不同，所述输出风数据不包含任何间隙。

根据本发明的另一实施例，所述输出风数据包括表示风速和/或风向的风数据值。

根据本发明的另一实施例，组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据（以便生成输出风数据）包括在第一过滤数据和第二过滤数据之间切换。

换句话说，在任何时间点，所述输出风数据包括第一过滤风数据或第二过滤风数据。

当在当前形成输出风数据的过滤风数据中检测到间隙时，可以进行所述切换。换句话说，当例如第一过滤风数据传递输出风数据时，当在第一过滤风数据中检测到间隙时，将执行向第二过滤风数据的切换，并且反之亦然。

为了确保连续的输出风数据流，可以在间隙开始之前的预定数量的样本执行切换。

根据本发明的另一实施例，组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据包括计算所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据的加权和。

通过计算加权和，第一过滤风数据和第二过滤风数据二者都可以同时对输出风数据作出贡献，但是具有反映相应数据的可靠性的权重。

根据本发明的另一实施例，所述处理单元适于通过将第一可变权重（variableweight）应用于所述第一过滤风数据，并且将第二可变权重应用于所述第二过滤风数据，来计算加权和。

换句话说，应用于第一和第二过滤风数据的权重是可变的，即第一可变权重和第二可变权重在不同的时间点采用不同的值，以便反映过滤风数据的即时可靠性。在任何给定时间，第一可变权重和第二可变权重之和都应等于1。

根据本发明的另一实施例，所述处理单元适于相应地基于所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据，特别是基于所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据中的间隙的出现，来确定所述第一可变权重和所述第二可变权重。

例如，第一/第二可变权重可以根据第一/第二过滤风数据中与间隙的距离（在时间上）来确定，使得第一/第二可变量在间隙内被赋零值，刚好在间隙之前和之后赋予相对低的值（例如，在0和0.5之间），并且在间隙之间赋予较大的值（例如，在0.5和1之间）。

根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机。所述风力涡轮机包括：（a）机舱，（b）转子，其包括在转子平面内以预定角度分开的多个转子叶片，以及（c）根据第一方面或任何上述实施例所述的风数据检测系统，其中，所述风数据检测系统的支撑结构被安装在所述机舱上。

本发明的这个方面基本上基于与第一方面相同的构思。更具体而言，第二方面涉及一种风力涡轮机，其配备有高度可靠且精确的风数据检测系统，该系统能够提供在控制风力涡轮机方面有用的连续风数据。

根据本发明的第三方面，提供了一种风电场，其包括多个根据第二方面所述的风力涡轮机。

根据本发明的第四方面，提供了一种为风力涡轮机检测风数据的方法，所述风力涡轮机包括机舱和转子，所述转子包括在转子平面内以预定角度分开的多个转子叶片。所述方法包括：（a）从位于第一位置处的第一风传感器获得第一风数据，（b）从位于第二位置处的第二风传感器获得第二风数据，以及（c）通过以下方式基于所述第一风数据和所述第二风数据来生成输出风数据，即：（i）通过将自适应过滤算法应用于所述第一风数据来生成第一过滤风数据；（ii）通过将所述自适应过滤算法应用于所述第二风数据来生成第二过滤风数据；以及（iii）组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据。

根据本发明的第五方面，提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令当在计算机上运行时使所述计算机执行根据第四方面所述的方法。

要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考方法类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考装置类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述中获悉，除非另有指示，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征的任何组合、特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合也是本文档的公开的一部分。

本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。以下将参考实施例的示例来更详细地描述本发明。然而，要明确地指出，本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出了具有包括单个风传感器的风数据检测系统的风力涡轮机。

图2示出了具有根据本发明的一个实施例的风数据检测系统的风力涡轮机的前视图。

具体实施方式

附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记或者配有仅在第一位数字内不同的附图标记。

图1示出了具有包括单个风传感器S的风数据检测系统的风力涡轮机。该风力涡轮机是直接驱动式风力涡轮机，并且包括机舱10、发电机12和包括转子叶片14的转子。风传感器S借助于包括梁21和22的支撑结构来安装。梁21被安装到位于机舱10上和/或机舱10中的冷却单元的框架20的一部分。梁21沿基本上水平的方向朝向转子延伸。梁22被紧固到机舱10并且沿倾斜的方向朝向转子延伸。风传感器S位于梁21和22的相交处，并且由此，被保持在发电机12上方并靠近转子的位置。在适当的位置处，例如在机舱内，风数据检测系统还包括处理单元（未示出），其用于处理由风传感器S提供的数据（例如，风向和风速样本等）。特别地，该处理单元适于应用Torben Nielsen在“Tracking of Blade Disturbance byAdaptive Filtering and Optimized Weighting of Wind Measurements”（可在http://dx.doi.org/10.18169/PAPDEOTT004946获得）中描述的自适应过滤算法。所得到的输出数据包含被间隙（包含零值或空白）分开的可靠数据值，其中数据受到通过的转子叶片14的强烈影响。

图2示出了具有根据本发明的一个实施例的风数据检测系统的风力涡轮机的前视图。更具体而言，风力涡轮机本身可类似于图1中所示的风力涡轮机，但是机舱10、发电机12和框架20在图2中不可见。如图所示，风力涡轮机的转子包括三个转子叶片14a、14b、14c，它们以120°的角度α分开。在操作期间，转子叶片14a、14b、14c如箭头A所示在转子叶片14a、14b、14c张成的平面（转子平面）内旋转。所述风数据检测系统包括两个风传感器，即第一风传感器S1和第二风传感器S2。风传感器S1、S2通过紧固到机舱10的支撑结构（未详细示出）保持在紧靠转子后面的位置。该支撑结构可以包含多个梁（类似于图1中的梁21、22），并且被设计成将风传感器S1、S2保持在基本平行于转子平面的平面内的位置，并且使得风传感器S1、S2分开大约等于α/2的角度（传感器角度）β，即β = 60°。由此，如图2中所示，当第一风传感器S1受到转子叶片14a的干扰时，第二风传感器S2被定位成与转子叶片14a和转子叶片14b二者具有最大的距离，并且因此，不受转子叶片14、14b的干扰。一般而言，可以看到，在任何给定时间，风传感器S1、S2中的至少一个将能够提供不受任何转子叶片14a、14b、14c干扰的风数据。此外，甚至可能存在两个风传感器S1、S2都能够提供不受干扰的风数据的时间间隔。

处理单元（未示出）利用图2中所示的布置结构，该处理单元将自适应过滤算法分别地应用于由第一风传感器S1提供的第一风数据和由第二风传感器S2提供的第二风数据。由此，该处理单元获得第一过滤风数据和第二过滤风数据。然后，这些第一和第二过滤风数据被该处理单元组合，以便产生连续的输出风数据，即没有由滤除叶片干扰引起的间隙。换句话说，所利用的是，在任何给定时间，风传感器S1、S2中的至少一个不受旋转的转子叶片14a、14b、14c的干扰，使得相应的过滤风数据将包含可靠的值并且没有间隙。因此，通过组合过滤风数据，为任何时间点提供了可靠的风数据。

所述处理单元可适于以各种方式来组合第一和第二过滤风数据，例如通过简单地在第一和第二过滤风数据之间来回切换，或者通过计算第一和第二过滤风数据的加权和。在第一种情况下（来回切换），一旦在当前使用的一组过滤数据中检测到间隙，所述处理单元就切换到另一组过滤风数据。在另一种情况下（加权和），所述处理单元对第一和第二过滤风数据应用可变权重，这是根据每组过滤数据被认为的可靠程度，例如根据与第一和第二过滤风数据中的相应间隙的即时距离。通过计算具有可变权重的加权和，由于平均而可以获得可靠数据中的增加的精度和鲁棒性。

要注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”的使用并不排除多个。此外，联系不同实施例描述的元件可以被组合。还要注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (13)

1.一种用于风力涡轮机的风数据检测系统，所述风力涡轮机包括机舱和转子，所述转子包括在转子平面内以120°的预定角度（α）分开的多个转子叶片（14a、14b、14c），所述系统包括：

用于提供第一风数据的第一风传感器（S1），

用于提供第二风数据的第二风传感器（S2），

支撑结构，其适于安装在所述风力涡轮机的所述机舱上，并在相应的第一位置和第二位置处支撑所述第一风传感器和所述第二风传感器，以及

处理单元，其用于基于所述第一风数据和所述第二风数据来生成输出风数据，

其中，所述处理单元适于通过分别对所述第一风数据和所述第二风数据应用自适应过滤算法来生成第一过滤风数据和第二过滤风数据，并且其中，所述处理单元适于通过组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据来生成所述输出风数据，并且

其中，所述第一位置和所述第二位置以传感器角度（β）分开，所述传感器角度（β）在50°和70°之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自适应过滤算法适于识别和去除风数据的经受转子叶片干扰的部段。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，所述第一位置和所述第二位置位于基本上平行于所述转子平面的平面内。

4.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，所述传感器角度（β）是所述预定角度（α）的一半。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，所述输出风数据随时间的推移提供连续的一系列风数据值。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，所述输出风数据包括表示风速和/或风向的风数据值。

7.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据包括在第一过滤风数据和第二过滤风数据之间切换。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据包括计算所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据的加权和。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，所述处理单元适于通过将第一可变权重应用于所述第一过滤风数据，并且将第二可变权重应用于所述第二过滤风数据，来计算加权和。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理单元适于相应地基于所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据来确定所述第一可变权重和所述第二可变权重。

11.一种风力涡轮机，包括：

机舱，

转子，其包括在转子平面内以120°的预定角度分开的多个转子叶片，以及

根据权利要求1-10中任一项所述的风数据检测系统，

其中，所述风数据检测系统的支撑结构被安装在所述机舱上。

12.一种风电场，其包括多个根据权利要求11所述的风力涡轮机。

13.一种为风力涡轮机检测风数据的方法，所述风力涡轮机包括机舱和转子，所述转子包括在转子平面内以120°的预定角度分开的多个转子叶片，所述方法包括：

从位于第一位置处的第一风传感器获得第一风数据，

从位于第二位置处的第二风传感器获得第二风数据，以及

通过以下方式基于所述第一风数据和所述第二风数据来生成输出风数据，即：（i）通过将自适应过滤算法应用于所述第一风数据来生成第一过滤风数据；（ii）通过将所述自适应过滤算法应用于所述第二风数据来生成第二过滤风数据；以及（iii）组合所述第一过滤风数据和所述第二过滤风数据，

其中，所述第一位置和所述第二位置以传感器角度分开，所述传感器角度在50°和70°之间。

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