CN110023619B - 风力涡轮机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风向传感器、偏航系统和用于使风力涡轮机转子相对于风偏航的控制系统。该方法包括，获得作为相对风向的函数的风力参数的估计值，其中风力参数被确定为风力涡轮机的功率、扭矩、叶片负载或叶片桨距角中的一个。以时间间隔生成包括风力参数和由风向传感器测量的风向参数的数据集。然后随着时间针对多个预定的风向区间获得一组数据集，并且通过将该区间的平均风力参数与风力参数的估计值进行比较来确定每个区间的风向偏差。使用不同风向区间的风向偏差来调整风向参数，并且在风力涡轮机的控制中应用经调整的风向参数。本发明还涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，其用于执行上述控制方法。

Description

风力涡轮机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括风向传感器、偏航系统和用于使风力涡轮机转子相对于风偏航的控制系统，其目的是在不同的和变化的风向下最佳地控制风力涡轮机。本发明还涉及用于执行该控制方法的控制系统和包括这种控制系统的风力涡轮机。
背景技术
大多数现代风力涡轮机是被连续控制和调节的，目的是确保在当前风力和天气条件下从风中提取最大功率，同时确保风力涡轮机的不同部件上的负载随时保持在可接受的限度内。
为了优化发电量并减少涡轮机的负载，知道自由流动的风的正确相对风向是重要的。通常，风向由风向传感器测量，诸如放置在机舱顶部上的风向标，然后风力涡轮机转子连续地偏航以面向风。如果风向测量存在偏差，甚至仅偏差一度或几度，则由此产生的涡轮机转子的未对准可导致风力涡轮机叶片上的负载与预期相比增加和不同，从而导致叶片、叶片根部连接部、轴承等上的磨损和疲劳增加。此外，涡轮机转子的未对准导致发电量随时间不可忽略地减少。
然而，一个原因是由于自由流动的风在到达风力传感器之前受到转子干扰，因此来自风向传感器的测量值可能并不总是准确的。
补偿该问题的一种方法是通过一组基本的偏差参数来校准风向标测量值。通常，通过将来自涡轮机上的风力传感器的测量值与来自附近的测风桅杆(METmast)的测量值进行比较，在原型涡轮机上找到这些参数。由此，风向标被校准，使得当机舱转向直接迎风时，风向标检测到0度的相对风向。
然而，意外地发现，以这种方式校准的风力传感器仍然不总是准确的，即仍然可能不准确地测量不同于0度的风向。换句话说，当风力涡轮机没有朝向直接迎风时，风向传感器仍然可能在相对风向测量值中显示出误差。此外，已经看到风向测量值中的这个误差不是简单地偏差恒定值，而是偏差取决于转子运行(并未因此取决于风速)的值，并且偏差取决于风如何以及从哪里穿过转子的参数。
对于一些涡轮机而言，并且似乎是增加的转子尺寸所导致的，已经看到这种误差更加明显。在风向传感器测量过高值的相对风向的情况下，这种误差可能导致风力涡轮机在实际风向的任一侧上来回偏航。除了非最佳地控制风力涡轮机之外，这种偏转还导致转子在风中的非最佳定位以及偏航部件上的磨损大大增加。
为了校正这种效应，已经提出使用附近的参考测量，比如测风桅杆或激光雷达(LIDAR)，然后将参考给出的相对风向与来自转子后面的风向传感器的测量值进行比较。接下来，可以通过在由涡轮机上的风力传感器测量的风向与参考测量之间生成传递函数来校正测量风向。然而，已经发现这种传递函数很大程度上取决于涡轮机类型和转子尺寸。甚至可能在涡轮机之间以及地点之间存在变化。因此，生成这种传递函数既非常耗时又昂贵，因为它需要风力涡轮机的所有不同变型附近的测风桅杆或激光雷达。
发明内容
本发明的实施方式的目的是提供一种用于风力涡轮机的控制方法，其消除或减少已知控制方法中的一些上述问题。
因此，本发明的实施方式的目的是，通过提供一种改善风力涡轮机转子的偏航并降低风力涡轮机转子的未对准的风险的风力涡轮机控制方法，从而克服或至少减少已知风向测量的一些或所有上述缺点。
另一个目的是生成风向校正参数而无需来自任何附近的测风桅杆或激光雷达的测量值。
本发明的实施方式的另一个目的是提供一种对常规风向传感器获得的风向测量值进行改善的方法，以及提供一种可在现有设备上实施的、对来自风向传感器的测量值进行校准的方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于风力涡轮机的控制方法，其增加风力涡轮机的年发电量(AEP)，同时优选地减少由于转子在风中未对准或不必要的偏航而导致的涡轮机的疲劳负载或磨损。
因此，在第一方面中，本发明涉及一种控制风力涡轮机的方法，该风力涡轮机包括至少一个风向传感器，其用于测量指示相对于风力涡轮机的风向的风向参数；多个桨距可调节的转子叶片；偏航系统以及控制系统，控制系统用于使风力涡轮机转子相对于风偏航并且用于改变转子叶片的桨距和/或发电机扭矩，该方法包括：
-获得作为相对风向的函数的风力参数的估计值，其中风力参数被确定为风力涡轮机的功率、扭矩、叶片负载或桨距角中的一个；
-获得多个预定的风向区间；
-以时间间隔获得包括风力参数和由风向传感器测量的风向参数的数据集；
-随着时间针对每个风向区间获得一组数据集；
-确定每个风向区间和每组数据集的平均风力参数；
-通过比较平均风力参数与风力参数的估计值来确定每个风向区间和每组数据集的风向偏差；
-根据不同风向区间的风向偏差调整风向参数，以及
-在风力涡轮机的控制中应用经调整的风向参数。
由此获得了一种有效的控制方法，由于偏航基于更准确的风向信息，因此这种控制方法改善了风力涡轮机的偏航并且降低了转子相对于风没有对准的风险。这是通过使用风向偏差来调整测量风向而获得的。借此，当风不直接来自前面时，考虑到了风向传感器上的任何转子效应并且还获得了准确的风向测量值。
此外，所提出的用于确定偏差以便调整测量风向的方法可以是自适应的，使得风向偏差可以在运行期间在风力涡轮机上自动地确定和重新确定，而无需测风桅杆或类似物上的参考测量。
通过所提出的方法，由于偏航被调整以获得转子与转子实际经历的风的更好的对准，因此获得了一种简单且有效的用于提高诸如年发电量(AEP)的性能的控制方法。而且，由于转子与自由风的更精确的对准通常致使更好地控制风力涡轮机叶片上的负载并减少部件上的磨损，因此风力涡轮机被更好地保护。此外，尤其是改善与转子成一定角度的风向的风向测量的准确度降低了对使转子在每个偏航步骤中偏航太多的偏航动作进行过度补偿的风险。
已经发现，可以基于根据所提出的方法的偏差来有利地调整用于确定风力涡轮机的最佳定向的风向测量值。确定风向偏差是通过，随着时间观察涡轮机在不同相对风向下获得的风力参数，从而生成作为测量的相对风向的函数的所产生或实现的风力参数的直方图。然后，将该函数与作为相对风向的函数的预期风力函数进行比较。接下来，将风向偏差确定为测量的相对风向与基于实现的风力参数预期的相对风向之间的差。该算法对每个预定的风向区间进行这种比较，从而生成一组风向偏差，以便不一定用恒定值来调整测量风向，而是在测量的方向的范围上不同地调整测量风向。根据该方法确定的风向偏差已经被证明是一种良好且有效的测度，以用于风向传感器的由于转子对风流的影响所导致的通常非恒定的测量不准确性，并且考虑到和捕获了转子在不同的相对风向上不同地影响风流。换句话说，风向偏差有效地用于当涡轮机没有朝向直接迎风且对于自由风流来说已经被转子改变时根据相对风向补偿相对风向测量的误差或不准确性。
已经看到，所提出的其中调整测量风参数的控制方法产生更稳健和稳定的控制方法，其中已经显著减少或甚至消除了无意的偏航或在不同偏航位置之间突然切换的风险。通过这种方式，已经看到的是，避免了前面提到的在风向的任一侧上在过大的正和负偏航方向之间切换的问题，在某些转子类型上发生这种问题的原因是，转子在高于自由风的某种程度上影响将要在风力传感器位置处测量的风流。获得这种效果的原因是，对测量风向的调整考虑到了当转子不朝向直接迎风时转子如何影响风流以及因此如何影响传感器测量。
风力参数被确定为风力涡轮机功率或风力涡轮机的扭矩或叶片负载或桨距角，这些参数都反映了风力涡轮机从风中提取的能量。可以将风力涡轮机功率有利地确定为容易检测到的产生的功率或电网输出功率，或者确定为发电机功率。可以例如在主轴上确定扭矩，并且可以根据本领域已知的其它风力涡轮机参数来测量或确定扭矩。可以将叶片负载确定为叶片根部弯矩或叶片根部弯矩的平均值，或者从诸如放置在一个或多个叶片上的应变仪或光学传感器的传感器测量叶片负载。当风力参数处于满负载发电，其中风力涡轮机产生标称功率或更多功率时，桨距角是有利的。在本文中，叶片通常变桨以维持功率，同时减小风力涡轮机结构上的负载。因此，叶片桨距反映了风力涡轮机从风中提取的能量。
作为相对风向的函数的风力参数的估计值可以是表示如何针对给定风力涡轮机类型并且在给定类型的地点预期风力参数的函数。这种估计值可以例如是根据相同类型的其它风力涡轮机上的数据、根据数值模拟或根据同一风力涡轮机的之前的数据生成的。
作为示例，风力涡轮机功率可以被估计为进风角度的cosx函数，其中x可以取决于风力涡轮机类型。实际上，发明人已经发现cos3函数很好地描述了某些类型的风力涡轮机的功率。可以例如通过使用不受转子影响的外部风向测量装置来确定该函数并将该函数与测量的功率进行比较。这可以是激光雷达、测风桅杆或其它不受转子影响或限制影响的测量设备。
可以通过与功率类似的方法估计风力涡轮机扭矩。扭矩可以例如被描述为进风角度的cosx函数，其中x在2-4的范围内。可以通过相对风向γ的多项式函数来估计叶片负载，诸如aγ2+b，其中“a”和“b”是常数。
作为相对风向的函数的风力参数的估计值可以是表示如何针对给定风力涡轮机类型并且在给定类型的地点预期风力参数的函数。这种估计值可以例如是根据相同类型的其它风力涡轮机上的数据、根据数值模拟或根据同一风力涡轮机的之前的数据生成的。作为示例，风力涡轮机功率可以被估计为进风角度的cosx函数，其中x可以取决于风力涡轮机类型。实际上，发明人已经发现cos3函数很好地描述了某些类型的风力涡轮机的功率。可以例如通过使用不受转子影响的外部风向测量装置来确定该函数并将该函数与测量的功率进行比较。这可以是激光雷达、测风桅杆或其它不受转子影响或限制影响的测量设备。
可以使用更多估计值，例如针对不同季节、针对不同天气条件等的估计值，或者可以使用来自其它涡轮机的数据或通过其自己的数据、根据改善的数值模拟等来更新估计值。
获得多个预定的风向区间，并且确定每个风向区间的平均风向偏差。由此获得作为测量的相对风向的函数的多个风向偏差。然后根据风向偏差来调整风向参数。在一个实施方式中，根据包括调整时的风向参数的风向区间的偏差来简单地调整风向参数。以这种方式，考虑到了风流根据其撞击转子时的方向而被转子不同地改变。如上所述，根据该方法的调整已被证明是一种良好且有效的手段，以用于减少或补偿主要由于转子改变风的自由流动而导致的风向传感器测量的固有不准确性。
风向的预定区间优选地是连续的区间，但是在一个实施方式中，一些区间可以替代地部分重叠。例如，可以考虑风向未对准与相对风向的相关性来确定区间，使得在风向校正变化较多的情况中设置较小的区间。
在一个实施方式中，分别基于2、3、4、5、6、7或8个风向区间内的风向参数来制作2、3、4、5、6、7或8组不同的数据集。区间越多，风向调整越精细。风向区间可以例如包括从-15到+15度，步长例如为3度的区间。
以时间间隔获得数据集，该数据集包括风力参数和指示相对于风力涡轮机的风向的风向参数。数据集可以以固定长度的时间间隔获得，诸如每分钟、每秒或每分钟多次、每小时或每天。优选地，在每个样本处以诸如每秒几次的时间间隔获得数据集。短间隔有利于降低在偏航操作期间获得数据的风险，在偏航操作中数据可能在某些情况下是混乱的。
每个风向区间的风向偏差基于一组数据集，即来自每个风向区间内的不同相对风向的多个数据集。随着时间获得多组数据集，诸如在预定时间段内，诸如在数天、一周或一个月内。附加地或替代地，随着时间获得多组数据集，使得每组中有预定数量的数据集。以这种方式，基于更大量和一定量的数据来确定风向偏差，并且更准确地以及更肯定地确定风向偏差。
对于每个风向区间，基于针对该区间获得的数据的组来确定平均风力参数。平均风力参数可以被确定为该组数据的集合功率参数数据的简单算术平均值、加权平均值、中值、表示平均值的均值函数的模式或一些其它类型。
对于特定风向区间和相应组的数据，然后将平均风力参数与估计的风力参数进行比较。接下来，根据该比较确定该特定风向区间的风向偏差。在一个实施方式中，例如通过获取测量的相对风向与产生相同或相应的风力参数的预期的相对风向之间的差来获得风向偏差。
确定的风向偏差有利地用于调整对应于风向传感器的附加校准的风向参数。根据风向偏差，诸如通过简单减法、作为增益因子、通过线性函数或一些其它函数来调整风向参数。同样地，可以通过PI或PID控制来执行调整。
经调整的风向参数可以优选地应用于确定风力涡轮机的偏航参数，并且风力涡轮机的控制则包括根据该偏航参数使风力涡轮机偏航。借此，涡轮机的偏航参数基于更准确的风向数据，从而改善了风力涡轮机的控制。
经调整的风向参数可以替代地或附加地应用于确定在某种程度上取决于风向的其它控制参数，诸如一个或多个转子叶片的桨距参数，和/或转子的旋转速度。
在一个实施方式中，风向区间的风向偏差被确定为估计的风向参数与该风向区间的平均风向参数之间的差，估计的风向参数产生与风向区间的平均风力参数相对应的估计的风力参数。换句话说，将产生平均风力参数的测量的相对风向与产生估计的风力参数的估计的相对风向进行比较，并且将偏差确定为它们之间的差。图3详细给出了该实施方式的示例，在这种情况下，风力参数被确定为风力涡轮机功率。但是，该原理对于其它风力参数是相同的。由此补偿了当涡轮机没有朝向直接迎风并且自由风流已经被转子改变时相对风向测量的误差或不准确性。
已经看到，所提出的其中调整测量风参数的控制方法产生更稳健和稳定的控制方法，其中已经显著减少或甚至消除了在不同偏航位置之间无意增加的或者或多或少的突然切换的风险。
通过所提出的方法，利用当相对风向变化时预期风力参数如何改变的知识或估计来调整测量的风向参数。由此，可以在运行期间通过简单的手段有效且准确地调整一个或多个风向传感器的测量值。此外，可以根据需要并且优选地不时地确定和重新确定偏差，从而确保尽可能准确地调整风向测量值。
在一个实施方式中，该方法包括根据预定的校准参数来校准测量的风向参数，使得0度的经校准的测量风向参数对应于0度的相对风向。由此，可以更准确地确定风向偏差，并且相应地更准确地调整风向测量值。在一个实施方式中，可以根据风力参数的直方图达到峰值的角度来确定校准参数。例如，风力涡轮机功率应该理想地在0度的相对风向上达到最大值。
以这种方式，可以通过首先校准以在0度产生风力参数峰值，并且其次调整相同的数据以产生对应于期望值的风力参数的方法来校准和调整风向参数。
在本发明的一个实施方式中，根据包括调整时的风向参数的风向区间的风向偏差来调整风向参数。以这种方式，将一个区间的风向偏差简单地应用于调整落入该区间内的所有相对风向。
在本发明的一个实施方式中，通过不同风向区间的风向偏差之间的插值函数来调整风向参数。以这种方式，进一步改善了用于调整测量风向参数的风向偏差的准确度。
如前所述，在一个实施方式中，确定功率包括测量电网功率或者测量或估计发电机输出功率。因此，可以容易地获得作为电网功率的风力参数，电网功率通常是已经可获得的参数。
在一个实施方式中，确定叶片负载包括确定一个或多个风力涡轮机叶片的根部弯矩。叶片负载可以例如表示为平均叶片根部弯矩。可选地或附加地，可以通过应变仪或光纤传感器根据一个或多个涡轮机叶片上的测量来确定叶片负载。
在一个实施方式中，风力涡轮机功率和/或扭矩的估计值被表示为相对风向的cosx函数，其中x是常数。已经发现，这可以产生简单但相当准确的估计值或适合用于作为风的角度的函数的风力涡轮机功率。常数x可以在1-4的范围内，诸如等于3。常数x可以取决于风力涡轮机类型。
在一个实施方式中，该控制方法还包括获得多个预定的风速区间，并针对每个风速区间获得一组数据和风向偏差。然后可以根据包括调整时的风速的风速区间的风向偏差来调整风向参数。替代地，可以通过不同风速区间的风向偏差之间的插值函数来调整风向参数。此外，该方法可以包括获得风力参数的更多估计值，诸如针对每个风速区间获得一个估计值。估计值对于一些或所有风速区间可以是相同的，或者对于所有风速区间可以是不同的。
然后生成多个风力参数直方图，针对每个预定的风速区间或隔区(bin)生成一个风力参数直方图。然后针对每个直方图估计一组风向偏差(即，每个风速区间和所有风向区间二者的风向偏差)，然后根据该组风向偏差参数来调整风向参数。由此获得了对应于不同风速的一组风向偏差，从而更准确地捕获了风向传感器测量值通常如何在不同的风速下变化，转子速度和/或转子构型(例如桨距角)在不同的风速下相应地变化。通过确定和应用多个风向偏差，可以更准确地确定风向。
不同的风速区间或风速隔区的直方图可以例如在不同时间段单独地确定或并行地确定。根据风况，一个风速区间的一组风向偏差可以比其它风速区间更早地准备好并适用。
类似地，作为风速区间的替代或补充，可以针对风力参数的多个预定区间确定风向偏差。由此的优点与使用不同风速区间的优点相同。
类似于上面讨论的风向区间，风速和/或风力参数的预定区间优选地是连续的区间，但是在一个实施方式中，一些区间可替代地部分重叠。例如，可以考虑风向偏差与风速(和/或风力参数)的相关性来确定区间，以便在风向校正变化较多的情况中设定较小的区间。
在一个实施方式中，分别基于2、3或4个风速(和/或风力参数)区间内的数据集制作2、3或4组不同或附加的数据集。区间越多，风向调整越精细。风速区间例如可以包括相对低、中和高风速的区间，诸如0-6m/s，6-12m/s和12-25m/s。
以这种方式，可以确定不同风向区间和不同风速区间和/或风力参数中的任一者或两者的风向偏差。
通过确定多个风速和/或风力参数区间的风向偏差，获得了准确性更高的更精确的方法，该方法更好地捕获了风向在风力涡轮机的不同运行条件下并且在不同风速下被不同地调整。
可以例如基于风力涡轮机的功率来测量和/或估计风速。
在一个实施方式中，以时间间隔重复获得一组数据集并确定风向偏差的步骤。以这种方式，风向偏差可以不时地更新，诸如每3个月或类似的，和/或当已经对风力涡轮机做出了会影响风向传感器附近的风流的改变时。因此，可以考虑到季节性变化和/或例如由于在机舱上安装或替换设备所带来的潜在影响。附加地或替代地，获得一组数据集并确定风向偏差的步骤可以仅在限定的时间段内重复。
在一个实施方式中，获得一组数据集并确定风向偏差的步骤重复预定次数，诸如2-5次。由此，可以更可靠地确定风向偏差。
在一个实施方式中，调整风向参数包括减去或乘以风向偏差与小于1的增益因子的乘积，其中增益因子在0.1-0.95的区间内，诸如在0.4-0.6的区间内，诸如等于0.5。由此避免了偏航的突然变化并且可以获得改善的收敛。
在本发明的又一实施方式中，根据之前的风向偏差进一步调整风向参数，由此可以避免风向参数的突然变化，并且由此同样可以避免在值之间来回切换。例如，可以通过减去风向偏差，并且进一步减去从上一次调整到当前调整的风向偏差的变化并且乘以增益因子来调整风向参数。
在另一方面中，本发明涉及一种用于风力涡轮机的控制系统，该风力涡轮机包括至少一个风向传感器，其用于测量指示相对于风力涡轮机的风向的风向参数；多个桨距可调节的转子叶片；以及偏航系统，控制系统被构造成用于使风力涡轮机转子相对于风偏航并且用于改变转子叶片的桨距和/或发电机扭矩，并且其中控制系统被构造为执行以下步骤：
-接收作为相对风向的函数的风力参数的估计值，其中风力参数被确定为风力涡轮机的功率、扭矩、叶片负载或叶片桨距角中的一个；
-接收多个预定的风向区间；
-以时间间隔接收包括风力参数和由风向传感器测量的风向参数的数据集；
-随着时间针对每个风向区间获得一组数据集；
-确定每个风向区间和每组数据集的平均风力参数；
-通过比较平均风力参数与风力参数的估计值来确定每个风向区间和每组数据集的风向偏差；
-根据不同风向区间的风向偏差来调整风向参数，以及
-在风力涡轮机的控制中应用经调整的风向参数。
在另一方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，其包括风力传感器、偏航系统和根据以上内容的控制系统。
控制系统和包括这种控制系统的风力涡轮机的优点如上文关于控制方法所描述的，并且关于控制方法描述的特征适用于风力涡轮机和控制系统。
附图说明
在下文中，将参考附图描述本发明的不同实施方式，其中：
图1示出了当自由风流穿过风力涡轮机转子时风向的变化，
图2示出了根据本发明的实施方式的控制方法的功能，
图3示出了随时间生成的直方图与风力参数的估计值的比较的示例，
图4是示出本发明的实施方式的流程图，
图5示出了根据本发明的实施方式的不同风向的风向偏差的示例，以及
图6示出了来自不同传感器的风向信号的补偿和融合。
具体实施方式
图1示出了当自由风流100穿过风力涡轮机的转子101时风向的变化。如果转子101转向直接入风，如实黑线103所示，则定位在机舱105上位于转子101后面的风向传感器104在被校准时将测量0度的风向。然而，如果转子不是直接迎风的，则风流100受到转子101的影响，并且基于进风的方向受到不同的影响。因此，风力传感器104可能不准确地检测风向。图1说明了大约45度的进风110可以如何被测量为仅30度的风111，即使风力传感器已经被校准。类似地，大约-20度的进风120可以被测量为大约-10度的风121。
如上所述，通常通过例如多组预定的校准参数来校准风向传感器104，使得当转子直接迎风转动时，传感器产生0度的经校准的相对风向。风力涡轮机转子影响风流的方式取决于风力涡轮机转子的类型。
然而，已经观察到，当风力涡轮机没有朝向直接迎风时，经校准的风力传感器在其相对风向测量中显示出误差。在许多情况下，已经发现风力传感器产生小于实际相对风向的相对风向(诸如图1中所示)。在这种情况下，本文指出的风力传感器的不准确性可能不会被注意到，因为这可能导致风力涡轮机少于最佳地偏航并且风力涡轮机需要更多的偏航步骤来转入风。然而，它也可能导致在开始迎风偏航之前要求更大的偏航误差，甚至更糟的，可能导致不能检测到极端偏航误差事件。例如，如果风突然改变30度，则需要对叶片进行一些变桨以使负载最小化。但如果仅测量到20度，则不会在该事件中启动负载减少活动。
已经看到，在某些情况下并且对于一些转子类型而言，转子影响风流以使风力传感器产生大于实际相对风向的相对风向。然而，这对于风力涡轮机的控制可能是关键的并且导致尤其是偏航系统上的临界负载和磨损，这是因为控制系统可能倾向于使转子偏航太多并且导致转子来回偏航而不能获得转子朝向直接入风的所需偏航方向。
通过根据本发明的方法，通过使用根据图2和图4流程图中示出方法所确定的风向偏差来调整已经校准的相对风向，从而消除或至少减少风力传感器测量的这种不准确性。由此获得经校准和调整的相对风向，然后将其用于风力涡轮机的控制。还有利的是，所提出的调整传感器测量值的方法可以随着时间自适应且自动地执行。
控制方法的功能概述如图2所示。
基本思想是根据测量的相对风向制作产生的风力参数的直方图，并将该直方图与预期或估计的直方图的样子进行比较。这在图3中示出。风力参数可以是风力涡轮机功率、或扭矩或叶片负载。
作为示例，给定涡轮机的风力涡轮机功率P 300可以是已知的或被估计的以遵循给定函数，例如相对风向γ301的cos3函数，如图3中的实线302所示。然后生成作为在涡轮机上测量的相对风向的函数的功率P 300的直方图，其可能看起来像图3中的虚线303。从生成的直方图303可以看出，在-14°的测量风向γ1上，风力涡轮机功率减小4％(从300减小到288)。然而，根据预期或估计的直方图302，预期在-9°的相对风向γ2上已经有这种4％的功率损耗。这意味着-14°的测量的相对风向应该被调整5°的风向偏差Δγ304，以获得-9°的正确的相对风向γ2。或者，可以通过大约0.64的增益来调整风向参数。在不同的测量的相对风向上执行获得的风力参数与估计的风力参数之间的比较以确定风向偏差。
根据该方法使用风力涡轮机功率作为风力参数在部分负载发电的情况中，即在功率低于或不高于额定功率的情况下特别有效。在满负载发电的情况中，可以使用叶片桨距角或叶片负载来代替风力涡轮机功率。
参考图2，来自每个风力传感器x并且指示相对于风力涡轮机的风向的相对风向参数201被连续地测量和过滤，以减小在传感器前面经过的叶片的影响。
生成202风力参数(功率、桨距角和/或叶片负载)与测量的相对风向的直方图。当已经获得一定量的数据以产生清晰的直方图时，风力参数在测量的相对风向上的损失将与该功率损失下所估计或预期的相对风向进行比较202。然后将风向误差222确定为测量的相对风向与预期的相对风向之间的差，据此生成221风向偏差210，如图2所示。
风向偏差210对于不同的测量风向参数201(不同的风向区间)以及不同的风速205可以是不同的，并且可以附加地或替代地取决于产生的功率和/或涡轮机的发电状态230。这意味着可以在低风速或低功率下以一个偏差来调整给出的相对风向，而在高风速或高功率下以另一个偏差进行调整。作为另一个示例，可以存在一组用于部分负载发电的风向偏差和另一组用于满负载发电的风向偏差。作为示例，相对风向可以被划分为例如从-15到+15度步长为3度的区间，并且这些隔区中的每一个可以另外被划分为不同的风速区间，例如3-12m/s和12-25m/s。
存储每个组或隔区(即，每个风向区间和可选的风速或功率区间)中的数据集的数量。当给定风速/功率区间(RangeY)的一个或多个隔区中的数据集的数量达到预定阈值时，发送该区间的信号“WDx_Err_Valid(RangeY)”，并且然后可以在“生成偏差/增益”块221中基于“WDx_Err(wd，RangeY)”信号222确定该组数据的风向偏差210，风向偏差210是针对该区间中的所有风向，在给定风力参数损失下的测量的相对风向与预期的相对风向之间的差。
在“生成偏差/增益”块221中，控制器生成给定风向和风速区间的风向偏差“WDCx(wd，ws)”210。该风向偏差例如可以是(多个)给定区间的“WDx_Err(wd，ws)”乘以增益因子(例如在0.2-1.0的范围内)。当生成给定风向区间和/或风速区间的风向偏差时，清除该(多个)区间的“WDx_Err_Valid(wd，ws)”和“WDx_Err(wd，ws)”信号。还清除给定组的数据集的数量，并且可以重新开始该组的数据集的收集。
在图2中的“风向补偿”块240中，基于针对当前测量风速205和测量风向“WDSx”241的风向偏差“WDCx”210，来自一个或多个风向传感器的风向信号“WDSx”241被调整或补偿为“WDSx_Comp”242(这确定了不同风向和风速区间的风向偏差中的相关风向偏差)。这是针对每个风向传感器“x”完成的。可以基于不同风速区间的风向偏差之间的插值来执行补偿，以获得更平滑的调整。
基于对多个风向传感器的每个经调整的“WDSx_Comp”信号242的验证“WDS信号验证”250，在“WDS信号融合”块261中将经调整的信号融合成单个风向信号“WDS_Comp”260。
这也在生成给定风向传感器x的风向偏差的过程的流程图中示出，并且如图4所示在根据本发明的风力涡轮机的控制系统400中执行。
获得401每个风向传感器的数据集，其包括测量的相对风向和风力参数，风力参数可以是风力涡轮机的产生的功率、扭矩或叶片负载中的一个。此外，随着时间获得402多组数据，由此生成风力参数与相对风向的直方图。可以将直方图建立为多个预定风向区间的平均风力参数。存储每个风向区间的合计的样本(即数据集)数量。当获得403一定数量的风向传感器的数据时，将给定风向区间的测量的平均风力参数与预期或估计产生相同风力参数的风向进行比较404。根据该比较，确定405每个风向区间的风向偏差。然后使用风向偏差来调整风向测量值，风向偏差优选地乘以某个增益因子以使调整更加稳健。然后清除406给定风向区间的若干组数据集，并且可选地准备好重新确定风向偏差。
例如，可以根据不同的风速或风力涡轮机功率区间对数据集进一步分组或分隔区。然后针对每个风速或风力涡轮机功率区间确定一组风向偏差。
图5示出了根据本发明实施方式确定的、作为由风向传感器测量的相对风向201的函数的风向偏差210。在此已经针对多个不同的风向区间确定多个风向偏差然后对其进行插值。应注意，0度的测量风向的风向偏差为0度，这对应于风向传感器已经被校准以正确地检测0度的进风。然而，该图清楚地示出了风向传感器不能正确地测量其它角度的风，因为所确定的风向偏差相对显著。
通常，在风力涡轮机上使用多个风向传感器。在那种情况下，来自每个传感器800的风向测量值可以由不同组的风向偏差单独地校正，然后融合来自每个传感器的经调整的相对风向以产生将在风力涡轮机的控制系统中应用的共同的最终校正的相对风向。图6是示出对来自不同传感器的风向信号进行调整和融合的流程图。首先基于当前相对风向和可选的风速(或功率)根据相关风向区间和风速区间的风向偏差来补偿601传感器x的风向信号。然后将由此调整的来自每个不同风向传感器的风向信号融合602为单个相对风向信号603。这可以例如基于简单的求平均值和/或基于每个风向传感器的当前品级来执行。例如，可能已知一些传感器在非常低的温度下表现不佳，因此当温度较低时在融合中忽略该传感器。可以对每个传感器执行故障检测和故障诊断，并且传感器显示的故障或异常行为越多，则该传感器在传感器融合中的权重越低。在两个传感器都显示异常行为的事件中，融合也可以开始考虑先前的传感器结果。
虽然已经示出和描述了本发明的实施方式，但是应该理解，这些实施方式仅作为示例描述，并且应当理解，不同实施方式的特征可以以任何组合方式彼此组合。在不脱离由随附权利要求限定的本发明的范围的情况下，本领域技术人员将想到许多变型、变化和替换。因此，随附权利要求旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的所有这些变化或等同方案。

Claims (18)

1.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括至少一个风向传感器，所述至少一个风向传感器用于测量指示相对于所述风力涡轮机的风向的风向参数；多个桨距可调节的转子叶片；偏航系统；以及控制系统，所述控制系统用于使所述风力涡轮机的转子相对于风偏航并且用于改变所述转子叶片的桨距和/或发电机扭矩，所述方法包括：
-获得作为相对风向的函数的风力参数的估计值，其中所述风力参数被确定为所述风力涡轮机的功率、扭矩、叶片负载或叶片桨距角中的一个；
-获得多个预定的风向区间；
-以时间间隔获得包括风力参数和由所述风向传感器测量的风向参数的数据集；
-随着时间针对每个风向区间获得一组数据集；
-确定每个风向区间和每组数据集的平均风力参数；
-通过将所述平均风力参数与所述风力参数的估计值进行比较来确定每个风向区间和每组数据集的风向偏差；
-根据不同风向区间的所述风向偏差调整所述风向参数；
-在所述风力涡轮机的控制中应用经调整的风向参数。
2.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，风向区间的所述风向偏差被确定为所述风向区间的平均风向参数与估计的风向参数之间的差，所述估计的风向参数产生与所述风向区间的平均风力参数相对应的估计的风力参数。
3.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，所述控制风力涡轮机的方法包括根据预定的校准参数来校准测量风向参数，使得0度的经校准的测量风向参数对应于0度的相对风向。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，根据包括调整时的风向参数的风向区间的风向偏差来调整所述风向参数。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，通过不同风向区间的风向偏差之间的插值函数来调整所述风向参数。
6.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，通过测量电网功率或估计发电机输出功率来确定所述功率。
7.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，确定所述叶片负载包括确定所述风力涡轮机的一个或多个叶片的根部弯矩。
8.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，所述风力涡轮机的功率和/或扭矩的估计值被表示为所述相对风向的cosx函数，其中x是常数并且取决于风力涡轮机类型。
9.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，所述控制风力涡轮机的方法还包括获得多个预定的风速区间，并且针对每个风速区间获得一组数据和风向偏差。
10.根据权利要求9所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，根据包括调整时的风速的风速区间的风向偏差来调整所述风向参数。
11.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，在预定时间段内确定一组数据集。
12.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，确定一组数据集取决于所述一组数据集中的数据集的预定数量。
13.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，以时间间隔重复执行获得一组数据集和确定风向偏差的步骤。
14.根据权利要求1所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，调整所述风向参数包括减去所述风向偏差与小于1的增益因子的乘积，其中所述增益因子在0.1-0.95的区间内。
15.根据权利要求14所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，所述增益因子在0.4-0.6的区间内。
16.根据权利要求15所述的控制风力涡轮机的方法，其特征在于，所述增益因子等于0.5。
17.一种用于风力涡轮机的控制系统，所述风力涡轮机包括至少一个风向传感器，所述至少一个风向传感器用于测量指示相对于所述风力涡轮机的风向的风向参数；多个桨距可调节的转子叶片；以及偏航系统，所述控制系统被构造为用于使所述风力涡轮机的转子相对于风偏航并且用于改变所述转子叶片的桨距和/或发电机扭矩，并且其中所述控制系统被构造为执行以下步骤：
-接收作为相对风向的函数的风力参数的估计值，其中所述风力参数被确定为所述风力涡轮机的功率、扭矩、叶片负载或叶片桨距角中的一个；
-接收多个预定的风向区间；
-以时间间隔接收包括风力参数和由所述风向传感器测量的风向参数的数据集；
-随着时间针对每个风向区间获得一组数据集；
-确定每个风向区间和每组数据集的平均风力参数；
-通过比较所述平均风力参数与所述风力参数的估计值来确定每个风向区间和每组数据集的风向偏差；
-根据不同风向区间的所述风向偏差调整所述风向参数，以及
-在所述风力涡轮机的控制中应用经调整的风向参数。
18.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括风力传感器、偏航系统以及用于使所述风力涡轮机的转子相对于风偏航的根据权利要求17所述的控制系统。
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