CN110410281A - 一种风电机组真实来流风速的测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组真实来流风速的测量装置与方法，所述测量装置安装在风力发电机组机舱上，包括传感检测装置，数据处理与分析装置，显示装置。所述一种风电机组真实来流风速的测量方法中测量的真实来流风速为穿过两个旋转叶片正中央位置，且能够被测量装置检测到的风矢量的大小。当测量装置检测到风速风向信号后，计算出检测到的风信号经过叶片旋转面的实际时间值和理想时间值，对其进行比较分析，根据分析结果从采集到的风速信号中提取真实来流风速。本发明能够从风速信号中提取真实来流风速，更有利于风电机组的控制和运行。
Description
技术领域
本发明属于风电机组发电技术领域，涉及一种风电机组真实来流风速的测量装置与方法。
背景技术
风电是未来最有前途的可再生能源技术之一，具有资源丰富、环境污染少等优点。在各种可再生能源利用中，风能是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一。
在风电机组实际运行过程中，风电机组控制系统依据测风仪测量的风数据进行偏航和桨距角控制，以保证机组处于最佳运行状态。因此，风速测量准确性成为影响风电机组控制系统精准度、提高机组发电量以及保证风电机组稳定运行的重要因素。
一般风电机组测风仪安装在机舱尾部，位于风力机叶轮后方。风电机组叶片的旋转会对叶片后方流场产生影响，使得后方流体的流动在速度和方向上会发生变化，导致测风仪测得的风数据与真实来流风相比，存在一定的误差。误差的存在对控制系统以及机组发电量必将产生影响。如果将测风仪安装在风电机组正前方与轮毂高度相同的位置，虽然可以保证测量的风数据不受风机自身尾流影响，比较准确，但是成本太高，建设难度比较大。
因此本发明提出一种风电机组真实来流风速测量装置与方法，对风力风电的发展有积极的意义。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明设计了一种结构简单、操作方便、节省成本的风电机组真实来流风速的测量装置与方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种风电机组真实来流风速的测量装置，包括传感检测装置、数据处理与分析装置以及显示装置；所述传感检测装置采集检测信号并传输给所述数据处理与分析装置；所述数据处理与分析装置分析所述传感检测装置传输的检测信号数据后，将处理结果传输给显示装置；所述显示装置接收所述数据处理与分析装置所传输的信号，进行显示。
上述的测量装置安装在风力发电机组机舱上；上述的传感检测装置包括风速风向传感器2和测距传感器9，风速风向传感器2检测风力发电机组叶片后方的风速与风向信号。
测距传感器9检测前方障碍物距离，叶片通过轮毂与机舱连接，当叶片旋转经过测量装置正前方位置时，测距传感器9能够检测出叶片的距离，根据距离值判断出测量装置正前方位置是否有叶片旋转经过。
该测量装置还包括测量装置外壳支座3、反射面4、测量装置连接部分6和显示装置；所述测量装置外壳支座3的上侧为圆槽型，且测量装置外壳支座3的中心点设有疏水孔17，侧部设有与疏水孔17相连通的输水管5，测量装置外壳支座3的内部装有可加热电阻丝16；所述测量装置外壳支座3上设有四个风速风向传感器；反射面4靠四根连接支柱1与所述测量装置外壳支座3的顶部相连接；所述测量装置外壳支座3的下部设置有测量装置连接部分6，测量装置连接部分6上设置有温湿度传感器10、测距传感器9和数据处理与分析装置11，温湿度传感器10和测距传感器9均与数据处理与分析装置11连接；所述测量装置的底部设有显示装置，显示装置通过测量装置连接部分6与装置外壳支座3连接，显示装置包括显示装置外壳7、液晶显示屏8及按键，液晶显示屏8及按键均设置在显示装置外壳7的外侧，所述按键包括电源按键12、复位按键13、背光调节按键14和对比度调节按键15；测量装置连接部分6的侧部设有电源接口18和以太网接口19。
风速风向传感器2采用由超声波信号发生器以及超声波信号接收器组成的HCD6812型超声波风速风向传感器；测距传感器9采用TFmini型号的激光测距传感器；温湿度传感器10采用DHT22型温湿度传感器；数据处理与分析装置11选用STM32F429型号单片机作为整个装置的中央处理器；液晶显示屏5选用LCD12864液晶显示屏。
所述一种风电机组真实来流风速的测量装置具有自动加热除冰功能，由所述温湿度传感器10采集温湿度信号，将采集信号传递给所述数据处理与分析装置11，若温度低于一定值，启动可加热电阻丝16进行加热，对测量装置采取除冰或防冰冻措施。冰融化后的水或者雨水，汇聚在所述外壳支座上部的圆槽内，经过疏水孔17和输水管5从测试装置内排出，对测试装置不会产生影响。
(1)结构简单，成本低，本发明能够测量装置从采集到的风速信号中提取出真实来流风速。
(2)本发明能够将采集到的风速信号中受干扰的信号进行剔除，有效的消除叶片旋转等外在因素对风速测量的影响。
(3)本发明具有加热除冰、防冻和防水功能，能够有效地减小雨雪天气对测量效果的影响。
一种风电机组真实来流风速的测量方法，包括如下步骤：
(1)传感检测装置对信号的采集和传输；
传感检测装置所需采集的信号为风速风向信号以及叶片旋转动态信号，分别利用风速风向传感器和测距传感器实现测量，并将采集到的信号传输到数据处理与分析装置中。风速风向传感器和测距传感器采集到的信号均为数字型信号，直接传输给数据处理与分析装置。
(2)数据处理与分析装置对信号的分析和处理；
数据处理与分析装置对传感检测装置采集到的信号进行处理和分析。所述数据处理与分析装置接收到所述传感检测装置传输的检测信号，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值和理想时间值，对其进行比较分析并得到分析结果，根据分析结果，从风速信号中提取对应的真实来流风速。其中，真实来流风速计算过程如下：
a)对风速风向传感器采集到的信号进行数据处理，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值：
设风速风向传感器采集到的风速为v1,v2,v3…vi，对应采集时间经过为tv1,tv2,tv3…tvi，对应偏航角为γ1,γ2,γ3…γi，i＝1,2,…则风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值t′vi为：
式中L为风速风向传感器到z轴的垂直距离；t0为风速风向传感器的响应时间。
b)根据测距传感器检测到物体的距离，得出叶片旋转动态，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的理想时间值：
设测距传感器检测到物体的距离为L1,L2,L3…Ln，n＝1,2,…对应采集时间为tl1,tl2,tl3…tln，若Ln>>L，则剔除其对应时间tln，将剩下的时间值tln按时间先后的顺序排列，并设为tbj，j＝1,2,…即测距传感器检测到叶片的时间为tb1,tb2,tb3…tbj。
设Δtbj＝tbj+1-tbj，若f为测距传感器检测信号的输出频率，则Δtbj为测距传感器检测到两个叶片的间隔时间。取满足条件的所有tbj和tbj+1值，分别记为tck,tdk，k＝1,2,…按照时间先后顺序排列即tc1,td1,tc2,td2…tck-1,tdk-1,tck,tdk,tck+1,tdk+1…，则每个叶片中弧线旋转经过测量装置正前方位置的时间为：
假设风速风向传感器检测到的风为真实来流风，则其经过叶片旋转面的理想时间值ti为：
Δh为轮毂中心点与风速风向传感器安装位置的高度差；
c)对风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间和理想时间值进行比较分析，根据分析结果从风速风向传感器采集到的风速信号中提取真实来流风速：
取在时间段[tck,tdk]内的所有t′vi值，将其对应偏航角γi分别代入式(3)中，得到ti。设Δti＝|ti-t′vi|，选取Δti最小值，即|ti-t′vi|min，找到与ti最接近值或相等值t′vi，其对应vi即为真实来流风速。
(3)测量信号的显示与远程传输；
显示装置是利用液晶显示屏与数据处理与分析装置之间的数据传输，将数据处理与分析装置处理后得到的数字信号输出至液晶显示屏上，从而得到真实来流风速的测量值。当测量装置安装在风电场进行测量时，其数据则通过以太网传输至上位机。
与现有技术相比，本发明具有以下收益效果：
本发明结构简单，成本低，本发明采用了一种新型方法能够从采集到的风速信号中提取出真实来流风速。
此外，本发明能够将采集到的风速信号中受干扰的信号进行剔除，有效的消除叶片旋转等外在因素对风速测量的影响。
附图说明
图1是本发明的测量装置的结构示意图。
图2是本发明的测量方法整体示意图。
图3是本发明的测距传感器检测信号示意图。
图4是本发明的测量方法局部空间示意图。
图5是本发明的数据处理与分析装置结构图。
图6是本发明的可加热电阻丝的结构示意图。
图7是疏水孔的位置布置图。
图8是电源接口和以太网接口示意图。
图中：1—连接支柱 2—风速风向传感器 3—测量装置外壳支座 4—反射面 5—输水管 6—测量装置连接部分 7—显示装置外壳 8—液晶显示屏 9—测距传感器 10—温湿度传感器 11—数据处理与分析装置 12—电源按键 13—复位按键 14—背光调节按键15—对比度调节按键 16—可加热电阻丝 17—疏水孔 18—电源接口 19—以太网接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1～图5所示，本发明的一种风电机组真实来流风速的测量方法，操作步骤如下：
(1)传感检测装置对信号的采集和传输
如图6所示，传感检测装置所需采集的信号为风速风向信号以及叶片旋转动态信号，分别利用风速风向传感器2和测距传感器9实现测量，并将采集到的信号传输到数据处理与分析装置11。风速风向传感器2和测距传感器9采集到的信号均为数字型信号，可直接传输给数据处理与分析装置3。
(2)数据处理与分析装置对信号的分析和处理
数据处理与分析装置11对传感检测装置采集到的信号进行处理和分析。所述数据处理与分析装置11接收到所述传感检测装置传输的检测信号，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值和理想时间值，对其进行比较分析，根据分析结果，从风速信号中提取对应的真实来流风速。
其中，真实来流风速计算过程如下：
a)对风速风向传感器采集到的信号进行数据处理，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值：
如图2所示，以轮毂中心点为坐标原点O建立空间直角坐标系，垂直于地面向上的方向为z轴正方向，轮毂正后方为y轴正方向。每两个叶片与轮毂中心点O点所构成角的角平分线分别设为射线OM、ON和OP。
设风速风向传感器采集到的风速为v1,v2,v3…vi，对应采集时间经过为tv1,tv2,tv3…tvi，对应偏航角为γ1,γ2,γ3…γi，则风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间t′vi为：
式中L为风速风向传感器到z轴的垂直距离；t0为风速风向传感器的响应时间。
b)根据测距传感器检测到物体的距离，得出叶片旋转动态，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的理想时间值:
设测距传感器检测到物体的距离为L1,L2,L3…Ln，对应采集时间为tl1,tl2,tl3…tln，若Ln>>L，则剔除其对应时间tln，将剩下的时间值tln按时间先后的顺序排列，并设为tbj，即测距传感器检测到叶片的时间为tb1,tb2,tb3…tbj。
设Δtbj＝tbj+1-tbj，若f为测距传感器检测信号的输出频率，则Δtbj为测距测距传感器检测到两个叶片依次旋转经过z轴的间隔时间。如图3所示，取满足条件的所有tbj和tbj+1值，分别记为tck,tdk，按照时间先后顺序排列即tc1,td1,tc2,td2…tck,tdk，则每个叶片中弧线旋转经过z轴的时间为：
如图4所示，设风速风向传感器为点A，由点A向z轴引垂线交z轴于点B，即AB＝L，设OB＝Δh。假定风速风向传感器能够检测到偏航角为γi的风为真实来流风，即风矢量与射线OM、ON和OP中某一射线必定相交，且能够通过点A，设此时风矢量与射线OM、ON或OP交点为Q，相交射线与z轴夹角为αi。
在RtΔABQ中，
BQ＝Ltan|γi| (3)
在RtΔBOQ中，
即当存在射线OM、ON和OP中某一射线与z轴夹角为时，Δh为轮毂中心点与风速风向传感器安装位置的高度差，偏航角为γi的风矢量与该射线有交点，且风矢量能经过风速风向传感器，则测量装置检测到的风为真实来流风。
假设风速风向传感器检测到的风为真实来流风，则其经过叶片旋转面的理想时间ti为：
即：
c)对风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间和理想时间值进行比较分析，根据分析结果从风速风向传感器采集到的风速信号中提取真实来流风速:
取在时间段[tck,tdk]内的所有t′vi值，将其对应偏航角γi分别代入式(6)中，得到ti。设Δti＝|ti-t′vi|，选取Δti最小值，即|ti-t′vi|min，找到与ti最接近值或相等值t′vi，其对应vi即为真实来流风速。
(4)测量信号的显示与远程传输
显示装置是利用液晶显示屏与数据处理与分析装置之间的数据传输，将数据处理与分析装置处理后得到的数字信号输出至液晶显示屏上，从而得到真实来流风速的测量值。当测量装置安装在风电场进行测量时，其数据则通过以太网传输至上位机。数据处理与分析装置与上位机之间采用以太网协议进行通信，中间设有以太网交换机以满足通讯距离要求，以TCP/IP协议实现数据的远程监测。
Claims (8)
1.一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：包括传感检测装置、数据处理与分析装置以及显示装置；所述传感检测装置采集检测信号并传输给所述数据处理与分析装置；所述数据处理与分析装置分析所述传感检测装置传输的检测信号数据后，将处理结果传输给显示装置；所述显示装置接收所述数据处理与分析装置所传输的信号，进行显示；
测量装置安装在风力发电机组机舱上；传感检测装置包括风速风向传感器(2)和测距传感器(9)，风速风向传感器(2)检测风力发电机组叶片后方的风速与风向信号；
测距传感器(9)检测前方障碍物距离，叶片通过轮毂与机舱连接，当叶片旋转经过测量装置正前方位置时，测距传感器(9)能够检测出叶片的距离，根据距离值判断出测量装置正前方位置是否有叶片旋转经过；
该测量装置还包括测量装置外壳支座(3)、反射面(4)、测量装置连接部分(6)和显示装置；所述测量装置外壳支座(3)的上侧为圆槽型，且测量装置外壳支座(3)的中心点设有疏水孔(17)，侧部设有与疏水孔(17)相连通的输水管(5)，测量装置外壳支座(3)的内部装有可加热电阻丝(16)；所述测量装置外壳支座(3)上设有四个风速风向传感器；反射面(4)靠四根连接支柱(1)与所述测量装置外壳支座(3)的顶部相连接；所述测量装置外壳支座(3)的下部设置有测量装置连接部分(6)，测量装置连接部分(6)上设置有温湿度传感器(10)、测距传感器(9)和数据处理与分析装置(11)，温湿度传感器(10)和测距传感器(9)均与数据处理与分析装置(11)连接；
所述测量装置的底部设有显示装置，显示装置通过测量装置连接部分(6)与测量装置外壳支座(3)连接；显示装置包括显示装置外壳(7)、液晶显示屏(8)及按键，液晶显示屏(8)及按键均设置在显示装置外壳(7)的外侧，所述按键包括电源按键(12)、复位按键(13)、背光调节按键(14)和对比度调节按键(15)；测量装置连接部分(6)的侧部设有电源接口(18)和以太网接口(19)。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：风速风向传感器(2)采用由超声波信号发生器以及超声波信号接收器组成的HCD6812型超声波风速风向传感器。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：测距传感器(9)采用TFmini型号的激光测距传感器。
4.根据权利要求1所述的一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：温湿度传感器(10)采用DHT22型温湿度传感器。
5.根据权利要求1所述的一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：数据处理与分析装置(11)选用STM32F429型号单片机作为整个装置的中央处理器。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组真实来流风速的测量装置，其特征在于：液晶显示屏(5)选用LCD12864液晶显示屏。
7.利用权利要求1所述测试装置进行的一种风电机组真实来流风速的测量方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1)传感检测装置对信号的采集和传输；
传感检测装置所需采集的信号为风速风向信号以及叶片旋转动态信号，分别利用风速风向传感器和测距传感器实现测量，并将采集到的信号传输到数据处理与分析装置中；风速风向传感器和测距传感器采集到的信号均为数字型信号，直接传输给数据处理与分析装置；
(2)数据处理与分析装置对信号的分析和处理；
数据处理与分析装置对传感检测装置采集到的信号进行处理和分析；所述数据处理与分析装置接收到所述传感检测装置传输的检测信号，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值和理想时间值，对实际时间值和理想时间值进行比较分析并得到分析结果，根据分析结果，从风速信号中提取对应的真实来流风速；
(3)测量信号的显示与远程传输；
显示装置是利用液晶显示屏与数据处理与分析装置之间的数据传输，将数据处理与分析装置处理后得到的数字信号输出至液晶显示屏上，从而得到真实来流风速的测量值；当测量装置安装在风电场进行测量时，数据通过以太网传输至上位机。
8.根据权利要求7所述的一种风电机组真实来流风速的测量方法，其特征在于：真实来流风速计算过程如下：
a)对风速风向传感器采集到的信号进行数据处理，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值：
设风速风向传感器采集到的风速为v1,v2,v3...vi，对应采集时间经过为tv1,tv2,tv3...tvi，对应偏航角为γ1,γ2,γ3...γi，i＝1,2,…则风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间值t′vi为：
式中L为风速风向传感器到z轴的垂直距离；t0为风速风向传感器的响应时间；
b)根据测距传感器检测到物体的距离，得出叶片旋转动态，计算出风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的理想时间值：
设测距传感器检测到物体的距离为L1,L2,L3...Ln，n＝1,2,…对应采集时间为tl1,tl2,tl3...tln，若Ln>>L，则剔除其对应时间tln，将剩下的时间值tln按时间先后的顺序排列，并设为tbj，j＝1,2,…即测距传感器检测到叶片的时间为tb1,tb2,tb3...tbj；
设Δtbj＝tbj+1-tbj，若f为测距传感器检测信号的输出频率，则Δtbj为测距传感器检测到两个叶片的间隔时间；取满足条件的所有tbj和tbj+1值，分别记为tck,tdk，k＝1,2,…按照时间先后顺序排列即tc1,td1,tc2,td2…tck-1,tdk-1,tck,tdk,tck+1,tdk+1…，则每个叶片中弧线旋转经过测量装置正前方位置的时间为：
假设风速风向传感器检测到的风为真实来流风，则其经过叶片旋转面的理想时间值ti为：
Δh为轮毂中心点与风速风向传感器安装位置的高度差；
c)对风速风向传感器检测到的风经过叶片旋转面的实际时间和理想时间值进行比较分析，根据分析结果从风速风向传感器采集到的风速信号中提取真实来流风速：
取在时间段[tck,tdk]内的所有t′vi值，将其对应偏航角γi分别代入式(3)中，得到ti；设Δti＝|ti-t′vi|，选取Δti最小值，即|ti-t′vi|min，找到与ti最接近值或相等值t′vi，其对应vi即为真实来流风速。
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