CN111757982B - 估算风力涡轮机处的自由流入流 - Google Patents

Abstract

描述了一种估算风电场（100、200）的下游风力涡轮机（101b、B02）处的自由流入流的方法，所述方法包括：基于当前确定的风向，从先前专门针对所述下游风力涡轮机限定的复数个候选风力涡轮机（101a、101c、101d）中选择上游风力涡轮机（101a）；使用所选的上游风力涡轮机（101a）的确定设备（111a）来确定所述自由流入流（105）。

Description

估算风力涡轮机处的自由流入流

技术领域

本发明涉及用于估算风电场的下游风力涡轮机处的自由流入流的方法和装置，涉及控制下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机的方法，并且还涉及风电场，该风电场包括用于估算自由流入流的装置。

背景技术

EP 1 534 951 B1公开了例如风电场的能量流收集器的组件，以及操作的方法。由于风力涡轮机从风中提取动能，因此在风力涡轮机之后风速将下降。这种效应通常被称为阴影效应或尾流效应，并且发生的损耗被称为阴影损耗或尾流损耗。阴影效应的问题导致生产中的重大缺陷。通过正确地调整流，组件中的能量提取装置的位置处的流体速度将增加。此外，经调整的流还可起到引离能量提取装置的尾流的作用，这可导致产量的进一步增加。结果，当风力涡轮机与风成一定角度时，风从其原始方向偏转。尾流也可被向上或向下引导，以在较小的程度上影响下游风力涡轮机。

为了减少由风电场中的风力涡轮机尾流引起的生产损失，可应用风力涡轮机上的优化控制设置（例如，桨距（pitch）、转子速度和/或偏摆）。这些优化设置最常见地可能基于模型，这些模型假定了解进入到风电场中的风况（也称为自由流入流）。

因此，该自由流入流表示如下风况（特别是通过风向、风速和/或风湍流来表征），即：该风况不受风电场的任何风力涡轮机干扰，且在风电场的外围影响风电场，并且该风况还被限定在风电场的被风力涡轮机覆盖的区域内，如果将不存在风力涡轮机，则将会存在该风况。

用于确定优化控制设置的相关风况包括自由流风向、速度和湍流强度。基于这些相关风况，可调整风电场的各个风力涡轮机的优化控制设置，以便优化电力生产，这涉及调整尾流，例如，涉及通过对上游风力涡轮机施加偏摆偏置，而将尾流区域从下游风力涡轮机引离至特定程度。自由流意味着所测量的风况将不受上游涡轮机的尾流影响。

照常规，难以确定任何所考虑的风力涡轮机处的自由流入流，以便控制该考虑的风力涡轮机，并且偶尔还控制其他上游风力涡轮机。因此，可能需要估算风电场的下游风力涡轮机处的自由流入流的方法和装置，其中，该方法能够以快速且可靠的方式执行。

发明内容

该需要可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。

根据本发明的实施例，提供了一种估算风电场的下游风力涡轮机处的自由流入流的方法，该方法包括：基于当前确定的风向，从先前专门针对该下游风力涡轮机限定的复数个候选风力涡轮机中选择上游风力涡轮机；以及使用所选的上游风力涡轮机（或处于所选的上游风力涡轮机处或靠近所选的上游风力涡轮机）的确定设备来确定该自由流入流。

该自由流入流可包括该下游风力涡轮机的位置处的不受任何风力涡轮机影响的风况的特征或限定（例如，涉及风速、风向和/或风湍流的限定）。该自由流入流可表征该下游风力涡轮机的位置处的如下风况，即：如果不存在其他风力涡轮机，特别是如果不存在上游风力涡轮机，则将存在该风况。基于该自由流入流，可使用物理数学模型，例如尾流模型，来适当地得到（特别是运算、计算）实际风况（考虑到由其他涡轮机、特别是上游涡轮机引起的风况变化）以及利用优化控制设置的可能的改善风况。

例如，Gebraad等人在2014年的风能杂志（Wind Energy）的出版物“Wind plantpower optimization through yaw control using a parametric model for wakeeffects - a CFD simulation study”中描述了一种尾流模型。其中，提出了一种迭代过程来找到流中的前部涡轮机，以便从该涡轮机进行自由流流测量。然而，所提出的方法对于测量误差不是鲁棒的，并且可能需要风力涡轮机之间的大量通信，这在具有许多风力涡轮机的大型风电场中可能是有问题的。

根据本发明的实施例，该下游风力涡轮机可以是风电场中的任何内部（例如，非外围的，未布置在风电场的边缘处）风力涡轮机，并且该方法可相继应用于所有内部风力涡轮机，以便确定所有内部风力涡轮机的自由流入流。对于外围风力涡轮机，可直接使用所考虑的外围风力涡轮机的确定设备来得到该自由流入流。

对于每个内部风力涡轮机（即，特定的下游风力涡轮机），尤其是针对所考虑的下游风力涡轮机先前可已限定复数个候选风力涡轮机。该复数个候选风力涡轮机可全部是外围风力涡轮机，即处于风电场的外边缘上的风力涡轮机，例如围绕或环绕风电场的所有其他风力涡轮机的风力涡轮机。取决于当前确定的风向，选择来自该复数个候选风力涡轮机中的一个风力涡轮机，并且使用所选的上游风力涡轮机（或与之相关联或靠近）的确定设备来得到该自由流入流。所选的上游风力涡轮机是该复数个候选风力涡轮机中的一个，该上游风力涡轮机可基本上（沿当前确定的风向）处于所考虑的下游风力涡轮机前方，特别是处于特定角度范围中，使得该下游风力涡轮机位于所选的上游风力涡轮机下游的具有特定张角的锥体内。

该确定设备可包括风测量系统，特别是风速计和/或计算设备，其用于根据风力涡轮机的操作参数来估算风相关的特性，例如风速、风向和/或风湍流。该操作参数例如可包括风力涡轮机的输出功率、风力涡轮机叶片的桨距角和/或风力涡轮机的转子的旋转速度，可根据这些参数使用一个或多个参考曲线来估算或计算风速。根据该输出功率、桨距角和旋转速度，可得到有效风速，其中，该有效风速则与进入到风力涡轮机的流的风速相关。外围风力涡轮机的有效风速被认为基本上对应于进入到风电场中的自由流入流的风速。

该风向例如可通过声波传感器和/或通过风速计来测量。该风湍流例如可基于所确定的风速的方差来计算。所选的风力涡轮机可（例如，关于测量传感器）构造成提供诸如空气密度、压力、温度、湿度之类的外部状况的另外的表征。这些外部状况的所有确定的参数可被用于控制该下游风力涡轮机和/或上游涡轮机以及在上游风力涡轮机下游直到下游风力涡轮机的一排中的所有其他风力涡轮机。

该当前确定的风向可按照不同的方式获得。例如，其可首先通过所考虑的下游风力涡轮机测量，并且随后，可通过当前选择的候选风力涡轮机来测量。根据本发明的实施例，选择并校正来自风电场中的不同风力涡轮机的风测量结果，以产生自由流测量结果。然后，这些测量结果可用于安排风电场中的每个涡轮机上的最佳控制设置，以减轻尾流损失。

专门（单独）针对所考虑的下游风力涡轮机预限定复数个候选风力涡轮机可加速上游风力涡轮机的选择，然后，根据该选择，风特性确定被用于下游风力涡轮机和/或风电场的其他风力涡轮机的控制目的。用于该下游风力涡轮机的复数个候选风力涡轮机的数量可小于风电场中的所有风力涡轮机的数量。因此，可能不需要对适当的上游风力涡轮机的广泛且费时的搜索。

风电场中的每个下游风力涡轮机与各组候选风力涡轮机相关联的关联可被存储在电子存储器中，例如可通过服务器或风电场控制器访问。该服务器或风电场控制器可通信地连接到风电场的所有风力涡轮机，并且可将控制信号提供给所有风力涡轮机的各个风力涡轮机控制器。在该服务器或风电场控制器中，还可执行尾流模型算法，该算法可使得能够基于如上面解释地选择的相应上游风力涡轮机所确定的自由流入流，来预测每个风力涡轮机处的风况。基于该自由流入流，可例如关于偏摆角来控制风电场的一个或多个风力涡轮机，以特别地使尾流区域远离下游风力涡轮机偏转和/或将风流集中于下游风力涡轮机，以便实现电力生产的最大化。还可基于自由流状况和尾流模型来调整其他控制设置，例如下游风力涡轮机的桨距或转子速度，以例如通过使叶片急转（pitch out）并增加在其尾流中的风速来减小风力涡轮机的阴影效应，并且由此，增加下游涡轮机的产量。

根据本发明的实施例，该上游风力涡轮机被选择成使得根据当前确定的风向，其不在任何其他风力涡轮机的尾流区域中，其中，特别地，当前确定的风向首先通过该下游风力涡轮机确定，并且在选择候选风力涡轮机之后，通过所选的候选风力涡轮机确定。

该方法可利用风电场的设计知识，即所有风力涡轮机相对于彼此的定位的知识。如果风电场具有基本上凸形形状的风力涡轮机的位置分布，则通常外围风力涡轮机（围绕所有其他风力涡轮机）中的至少一个（对其来说风从外部冲击风电场）将不会处于任何其他风力涡轮机的尾流中。如果风电场布局不具有凸形形状，则几何学上的考虑允许确定对于给定的当前确定的风向而言不处于风电场的任何其他风力涡轮机的尾流区域中的上游风力涡轮机。如果所选的上游风力涡轮机不处于任何其他风力涡轮机的尾流区域中，则通过所选的上游风力涡轮机确定的风特性可以是对影响风电场的实际自由流入流的风特性的可靠估算。

当该方法开始时，当前确定的风向可以是通过所考虑的下游风力涡轮机确定的风向。之后，将选择候选风力涡轮机（分别与所考虑的下游风力涡轮机相关联）中的一个，并且当前确定的风向可以是通过所选的候选风力涡轮机确定的风向。由此，当通过所选的候选风力涡轮机确定时，当前确定的风向可能更可靠，这是因为该风力涡轮机不处于任何其他风力涡轮机的尾流区域中，从而更准确地反映了真实的自由流入流风向。

根据本发明的实施例，风向角度范围与每个候选风力涡轮机相关联，使得该下游涡轮机被布置在该候选风力涡轮机的下游的对应于该风向角度范围的锥体内，其中，选择满足至少第一标准的候选者，该第一标准包括：当前确定的风向处于与所选的候选风力涡轮机相关联的风向角度范围内。

例如，该风向角度范围可在10°和45°之间。该锥体的顶部可被认为处于该上游风力涡轮机的位置处，并且该锥体可具有等于与所考虑的候选风力涡轮机相关联的所考虑的风向角度范围的张角。如果当前确定的风向处于与所选的候选风力涡轮机相关联的风向角度范围内，则所考虑的下游风力涡轮机很可能受到在该上游涡轮机处测得的风的影响和/或受到该上游风力涡轮机所引起的尾流效应的影响。此外，如在所选的上游风力涡轮机的地点处确定的风特性可准确地反映将在所考虑的下游风力涡轮机处存在的风况，这是因为该下游风力涡轮机基本上在流动方向上处于所选的上游风力涡轮机下游。由此，可提高施加于该下游风力涡轮机的自由流入流的精度。

根据本发明的实施例，如果进一步满足至少第二标准，则选择该候选风力涡轮机，该第二标准包括：与满足第一标准的所有其他候选风力涡轮机相比，所选的候选风力涡轮机更靠近该下游风力涡轮机。

如果所选的候选风力涡轮机相对靠近该下游风力涡轮机，则风特性，特别是自由流入流，据信在所选的上游位置处与在该下游风力涡轮机的位置处非常相似。如果所选的候选风力涡轮机距离太远，则风况可能已发生相当大的变化。

可通过以时间延迟校正测得的自由流风况，来改善上游涡轮机和下游涡轮机处的风况之间的相关性。该时间延迟可根据风速以及上游涡轮机和下游涡轮机之间的距离来计算。

根据本发明的实施例，所有风向角度范围的并集覆盖360°，其中，至少两个风向角度范围重叠，特别是具有5°至20°的重叠。如果风向角度范围在一起覆盖360°，则对于每个当前确定的风向，候选风力涡轮机可被选择成使得该方法适用于所有可能的风向。在其他实施例中，没有两个风向角度范围彼此重叠。如果至少两个风向角度范围重叠，或者如果特别是每两个相邻的风向角度范围彼此重叠，则提供特定的滞后性，该滞后性可减少在所选的上游风力涡轮机之间的快速切换。

通过将特定的风向角度范围与每个候选风力涡轮机相关联，该方法可按照非常有效的方式实现，从而允许快速选择适当的上游风力涡轮机。

根据本发明的实施例，该方法还包括通过所选的候选风力涡轮机来确定风向；检查现在应用于该风向的该第一标准，该风向被所选的风力涡轮机确定为当前确定的风向。如通过所选的候选风力涡轮机确定的风向可不同于最初通过所考虑的下游风力涡轮机确定的风向。因此，可能需要检查是否仍然满足该第一标准，其中，该第一标准现在被应用于被所选的风力涡轮机确定为当前确定的风向的风向。

根据本发明的实施例，该方法还包括如果对于所选的候选风力涡轮机而言该第一标准不满足，则：从该复数个候选风力涡轮机中选择满足该第一标准并且特别是还满足该第二标准的另一上游风力涡轮机。

特别地，该方法可连续地执行检查当前选择的候选风力涡轮机是否满足第一标准，以及特别是是否还满足第二标准，并且如果不满足第一标准和/或第二标准，则选择另一上游风力涡轮机。特别地，如前面已提到的，该方法可针对风电场的所有下游风力涡轮机，基本上针对风电场的所有内部定位的风力涡轮机相继地执行。

根据本发明的实施例，该候选风力涡轮机是风电场的外围风力涡轮机，其中，所选的候选风力涡轮机特别是沿风向位于下游风力涡轮机前方的角度范围中。这些外围风力涡轮机可基本上围绕风电场的所有其他风力涡轮机，并且可位于风电场的边缘处，从而提供最可靠的自由流入流测量或估算。

根据本发明的实施例，在（当前确定的）风向改变时，从候选风力涡轮机中选择另一风力涡轮机，使得满足至少第一标准。每当当前确定的（或实际的）风向发生变化时，可从针对所考虑的下游风力涡轮机的候选风力涡轮机中选择另一风力涡轮机，使得满足至少第一标准并且进一步还满足第二标准。由此，该方法可支持快速改变风况，特别是风向。

根据本发明的实施例，如果改变的风向处于两个风向角度范围的重叠部分内，则先前选择的候选风力涡轮机维持作为所选的候选风力涡轮机。由此，可避免在所选的风力涡轮机之间以快速的方式切换，从而使得该方法更加鲁棒，并且特别是避免了振荡。

根据本发明的实施例，对于候选风力涡轮机中的至少一个，在临时选择的候选风力涡轮机未提供可靠的自由流入流确定（例如，由于失去通信连接、风传感器故障和/或低质量的检测测量结果等）的情况下，选择（例如先前限定的）主备用风力涡轮机，该主备用风力涡轮机与待选择的候选者相比特别是满足不那么严格的标准，其中，特别地，风向角度范围和备用风向角度范围与至少一个候选风力涡轮机相关联。

因此，对于每个候选风力涡轮机，可限定备用或替代的风力涡轮机，并且特别地，对于主备用风力涡轮机，还可预先限定次备用风力涡轮机。因此，在候选风力涡轮机未正常运作以提供自由流入流的情况下，其可被切换到主备用风力涡轮机或次备用风力涡轮机，或者再切换到另一备用风力涡轮机，直到找到可提供可靠的自由流入流的备用风力涡轮机。

例如，候选风力涡轮机中的一个或多个可与两个或更多个角度范围相关联，即风向角度范围和备用风向角度范围或者另外的次备用风向角度范围或其他备用风向角度范围。

根据本发明的实施例，提供了一种控制下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机的方法，该方法包括：执行根据前述实施例中的一个的方法；以及基于该自由流入流，控制下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机，特别是关于使下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机偏摆，调整下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机的叶片桨距和/或转子速度。

特别地，可关于偏摆控制上游风力涡轮机，以便使尾流区域从下游风力涡轮机偏离。此外，还可关于偏摆来控制下游风力涡轮机，特别是设置偏摆偏置（其是预测的风向与下游风力涡轮机的转子的旋转轴线的方向之间的差）。特别地，所考虑的下游风力涡轮机可代表用于另一下游定位的风力涡轮机的上游风力涡轮机。因此，也可关于偏摆控制下游风力涡轮机，以便例如使尾流区域从另一下游定位的风力涡轮机偏离。此外，还可通过调整桨距和/或转子速度，并且由此，调整其通过其尾流对下游涡轮机的影响，来控制上游风力涡轮机以减小其推力。该控制（例如关于偏摆）可应用于风向周围的一排（或）锥体中的所有风力涡轮机（特别是除了最下游的风力涡轮机）。

根据本发明的实施例，控制下游风力涡轮机包括：基于该下游风力涡轮机前方的所有其他风力涡轮机的自由流流动和操作状况，特别是使用尾流模型，来预测该下游风力涡轮机处的风况；以及基于该下游风力涡轮机处的预测风况来控制该下游风力涡轮机。

该尾流模型可考虑到该上游风力涡轮机以及该上游风力涡轮机与该下游风力涡轮机之间的其他风力涡轮机，它们全都可能有助于改变所考虑的下游风力涡轮机处的风况。该尾流模型可考虑到风电场的布局，例如所有风力涡轮机的定位的限定，可考虑到如在不同风力涡轮机处设置的各个偏摆角或偏摆偏置，并且可考虑到每个风力涡轮机根据其控制设置（例如，偏摆、桨距和/或转子速度）对流施加的推力，和/或可考虑到每个风力涡轮机的每个位置的自由流入流。例如，该下游风力涡轮机可关于其偏摆偏置、其俯仰角、其旋转速度、关于功率输出等来控制。

应当理解的是，单独地或以任何组合在估算下游风力涡轮机处的自由流入流的方法的背景下公开的特征也可单独地或以任何组合应用于根据本发明的实施例的用于估算下游风力涡轮机处的自由流入流的装置，并且反之亦然。

根据本发明的实施例，提供了一种用于估算风电场的下游风力涡轮机处的自由流入流的装置，该装置包括：选择模块，其适于基于当前确定的风向而从先前专门针对该下游风力涡轮机限定的复数个候选风力涡轮机中选择上游风力涡轮机；以及所选的上游风力涡轮机的确定设备，该确定设备适于确定该自由流入流。

该装置可以是风电场控制器的一部分和/或可部分地以硬件和/或软件来实现，例如涉及服务器，该服务器处于连接到所有风力涡轮机的通信网络内。所有风力涡轮机可将其操作状况和/或可将测量信号传送到该风电场控制器或风电场服务器。该风电场服务器可具有风电场的布局的知识，并且可保持风电场的每个风力涡轮机与相对应的候选风力涡轮机之间的关联，包括每个候选风力涡轮机与特定的风向角度范围（特定针对所考虑的下游风力涡轮机）的关联。

根据本发明的实施例，提供了一种风电场，其包括：复数个风力涡轮机；以及根据前一实施例的装置，该装置与风力涡轮机通信连接，特别是适于针对风电场的作为下游风力涡轮机的每个非外围风力涡轮机，来执行根据前述实施例中的一个的方法。

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。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。

附图说明

现在参考附图来描述本发明的实施例。所述装置不限于所图示或描述的实施例。

图1示意性地图示了根据本发明的一个实施例的风电场；

图2示意性地图示了根据本发明的一个实施例的风电场；

图3、图4和图5示意性地图示了如根据本发明的实施例限定的候选风力涡轮机以及主备用候选风力涡轮机和次备用候选风力涡轮机；以及

图6图示了风力涡轮机周围的示例性风况。

具体实施方式

附图中的图示采用示意性的形式。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内与相对应的附图标记不同的附图标记。

图1中示意性图示的根据本发明的实施例的风电场100包括复数个风力涡轮机101a、101b、101c、101d、101e和101f，以及根据本发明的实施例的用于估算下游风力涡轮机处的自由流入流的装置103。每个风力涡轮机101a、101b、101c、101d、101e和101f具有在风的影响下在盘平面中旋转的各自相应的转子叶片，例如102a、102b。装置103通信地连接到能够（双向）定向通信的所有风力涡轮机，特别是从所有风力涡轮机接收操作和测量信号105并且向这些风力涡轮机提供控制信号107。

由此，装置103被构造成用于执行根据本发明的实施例的估算风电场的下游风力涡轮机处的自由流入流的方法。因此，对于每个下游风力涡轮机101b，装置103具有先前限定的复数个候选风力涡轮机（图1中未全部图示），示出为101a、101c、101d。

基于当前确定的风向109，从候选风力涡轮机中为下游风力涡轮机101b选择上游风力涡轮机101a，以便使用所选的上游风力涡轮机101a的确定设备111a来确定在所考虑的下游风力涡轮机101b前方沿风向109没有其他风力涡轮机的情况下，所考虑的下游风力涡轮机101b将经受的自由流入流。

由此，风力涡轮机101a、101c和101d表示先前已针对所考虑的下游风力涡轮机101b限定的候选风力涡轮机。如从图1可理解的，根据当前确定的风向109，所选的候选风力涡轮机101a不在风电场100的任何其他风力涡轮机的尾流区域中。当前确定的风向109可已通过所考虑的下游风力涡轮机101b的确定设备111b确定。相对应的风向角度范围113a、113c和113d与所选的风力涡轮机101a以及先前针对所考虑的下游风力涡轮机101b限定的所有其他候选风力涡轮机101a、101c和101d相关联，上述风向角度范围可具有例如10°至45°的延展。该延展用Δχ表示。该延展Δχ实际上是沿水平方向（在如图2至图5中的平面图中），其仅出于说明性的原因而在图1中示出为好像处于竖直方向上。对于不同的风力涡轮机，该延展Δχ可等同或不同，例如在较高密度的涡轮机处较小。每个风力涡轮机都包括转子叶片，这些转子叶片围绕未图示的旋转轴线旋转并且被安装在该旋转轴线的轮毂处。

候选风力涡轮机101a、101c、101d是形成风电场100的边界并且基本上围绕风电场100的所有其他风力涡轮机的所有外围风力涡轮机（特别是这些外围风力涡轮机的子集）。所考虑的下游风力涡轮机101b位于所选的候选风力涡轮机101a下游的锥体115a内，该锥体115a的顶部位于所选的候选风力涡轮机101a的轮毂处，并且该锥体115a被定向成具有中心轴线117，该中心轴线117将与风向角度范围113a的中心轴线共线。

如从图1可看到的，当前确定的风向109处于所选的候选风力涡轮机101a的风向角度范围113a内，但不在其他候选风力涡轮机101c、101d的风向角度范围113c、113d内。此外，所选的风力涡轮机101a相对靠近所考虑的下游风力涡轮机101b，使得没有其他候选（或外围）风力涡轮机处于所考虑的下游风力涡轮机101b前方并且更靠近所考虑的下游风力涡轮机101b。

如果当前确定的风向109将不同于如图1中所示的方向，则可选择候选风力涡轮机中除风力涡轮机101a之外的另一候选风力涡轮机，以便提供关于下游风力涡轮机101b的自由流入流信息。

因此，操作和测量信号105可包括如通过所选的候选风力涡轮机101a的确定设备111a确定的关于自由流入流的信息。基于装置103所接收到的自由流入流信息，装置103计算控制信号107，以控制上游风力涡轮机101a和/或下游风力涡轮机101b，特别是关于使风力涡轮机偏摆，这涉及使风力涡轮机（特别是机舱）分别围绕竖直轴线119a、119b旋转，和/或改变桨距角和/或改变功率输出和/或改变或控制旋转速度等。为了选择，装置103包括选择模块104。

根据本发明的实施例的功能的目的可在于确保在每个涡轮机处用于确定针对尾流的最佳控制设置的风况测量结果在风电场中的涡轮机处进行测量，这可包括以下标准中的一项或多项：

1. 它在测量时不处于另一风力涡轮机的尾流中，即它是对自由流流动的测量；

2. 它在横流中并且沿流动方向相对靠近偏摆偏置控制的涡轮机（即，下游涡轮机101b），使得所测量的自由流流动代表偏摆控制的涡轮机（风力涡轮机101b）在其不受尾流影响的情况下将具有的作为入流的自由流流动。

为此目的，基于风电场的布局，对于风电场中的每个偏摆偏置控制的风力涡轮机，可限定一组可能的候选涡轮机，以从中接收自由流风况的测量结果。该“参考组”（也称为候选者）中的每个涡轮机都可具有一定的风向范围，例如范围113a、c、d、...（或扇区（sector）），在该范围中其风向和速度测量结果可被用作可满足上述要求的有效的自由流流测量结果。

图2示意性地图示了参考组（也称为候选者）及其扇区（风向角度范围）的限定的示例。在图2中，风力涡轮机的参考组（或候选风力涡轮机）包括风力涡轮机A03、A02、A01、B01、C01、F02、F07和B07，如所示，这些风力涡轮机是所考虑的下游风力涡轮机B02的候选风力涡轮机。图2中所示的风电场200的所考虑的下游风力涡轮机B02将利用来自候选风力涡轮机的自由流风向、速度和湍流的测量结果，该候选风力涡轮机基于当前确定的风向来选择。由此，所述扇区或风向角度范围用附图标记113来表示。每当确定的风向处于特定候选风力涡轮机的风向角度范围内时，就选择该候选风力涡轮机，并且从该所选的风力涡轮机得到的风测量结果或风确定结果被用于得到所考虑的下游风力涡轮机B02的自由流入流。如已经提到的，每个候选风力涡轮机都具有所示的一定的风向范围（扇区）113，在该风向范围113中，其风向和速度测量结果可被偏摆控制的涡轮机B02用作自由流流测量结果。当参考涡轮机（即，所选的候选涡轮机）需要改变（例如，风向从参考涡轮机的扇区离开）时，通过检查哪个扇区对应于风向，自由流流测量可被切换为在新的参考涡轮机处进行。

为了防止自由流流测量信号中的跳跃，可施加对测量信号的变化率（rate-off-change）限制。

每个风向角度范围（即，每个扇区）113可被选择成使得可避免尾流干扰。在扇区边界和与另一涡轮机的对准角之间可存在余量（在这种情况下为至少30°）。这些扇区的组合可覆盖风向的全部360°范围，如以涡轮机B02的包围圈121图示的。

通过利用这些扇区的小的重叠，当在参考涡轮机之间切换时可利用一些滞后性，其中只要涡轮机处于该参考涡轮机的扇区内，该涡轮机就将不改变参考涡轮机。这可防止在参考涡轮机之间的快速来回切换。

为了对某些涡轮机上的测量停机时间具有一定的鲁棒性，参考组的顺序可按如下方式来限定，即：使得存在一个或多个“备用”涡轮机，该“备用”涡轮机在涡轮机停机或由于某种其他原因未提供有效测量结果的情况下使用。下面的图3、图4和图5中图示了示例，这些附图相应地各自示出了相应的风电场300、400和500。

图3图示了图2的状况，其示出了所考虑的下游风力涡轮机B02的候选风力涡轮机A03、A02、A01、B01、F02、F07和B07。在图4中，图示了在风力涡轮机A03无法提供可靠的风确定结果的情况下，风力涡轮机A02可用作风力涡轮机A03的备用风力涡轮机。在该备用情况下，如果当前确定的风向处于备用风向角度范围114内，该备用风向角度范围114先前被关联为风力涡轮机A03的风向角度范围113，则风力涡轮机A02也提供风确定数据。因此，先前选择的涡轮机的相邻涡轮机可被用作备用涡轮机，从而使用与原涡轮机相同的扇区。当包括备用涡轮机和第二备用涡轮机（例如图5中所示）（在备用涡轮机的测量结果也不可获得的情况下使用）时，该方法可在鲁棒性上进一步改进。在图5中，风力涡轮机A03可用作风力涡轮机A02的次备用风力涡轮机，并且风力涡轮机A01可用作风力涡轮机B01的次备用风力涡轮机，两者都具有相关联的次风向范围116。

图6图示了具有转子盘120的风力涡轮机周围的风况，该转子盘120带有转子叶片。自由流风109撞击在转子盘120上，从而在转子盘120下游产生尾流区域122。该盘在风流上施加力130。风速124在转子盘120上游处于自由流水平126处，在下游的区域中减小到最小，并且进一步在下游增加以几乎达到自由流水平126。在空间128内，发生湍流空气与自由流风之间的混合。

本发明的实施例可提供若干优点：

- 建立参考涡轮机所需的涡轮机之间的通信和信号处理非常少；

- 对测量停机时间的鲁棒性；

- 测量信号的平滑性。

这些优点中的每一个都可有助于测量信号的平滑和可用性。对于风电场中的鲁棒尾流缓减控制，可能需要平滑且可靠的测量。

根据本发明的实施例，限定局部预限定的激活扇区（即，风向角度范围），而不是应用迭代方法，从而提供例如：

- 通过使用备用参考涡轮机的对测量停机时间的鲁棒性；

- 对信号的变化率限制，并且防止参考涡轮机之间的不必要的来回切换。

所得到的风电场中的鲁棒尾流缓减控制可改善能量生产和/或减少风力涡轮机上的机械或电力负荷。

应当注意的是，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”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，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 (17)

1.一种估算风电场(100、200)的下游风力涡轮机(101b、B02)处的自由流入流的方法，所述方法包括：

基于当前确定的风向，从先前专门针对所述下游风力涡轮机限定的复数个候选风力涡轮机(101a、101c、101d)中选择上游风力涡轮机(101a)；

使用所选的上游风力涡轮机(101a)的确定设备(111a)来确定所述自由流入流(105)，利用所述上游风力涡轮机处的自由流入流，并且利用根据风速、风向以及所述上游风力涡轮机与所述下游风力涡轮机之间的距离计算出的时间延迟来校正它。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述上游风力涡轮机(101a)被选择成使得根据当前确定的风向，其不在任何其他风力涡轮机的尾流区域中，

其中，所述当前确定的风向最初由所述下游风力涡轮机(101b)确定，并且在选择所述候选风力涡轮机之后，由所选的候选风力涡轮机(101a)确定。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，风向角度范围(113a、113c、113d)与所述候选风力涡轮机(101a、101c、101d)中的每一个相关联，使得下游涡轮机(101b)被布置在所述候选风力涡轮机的下游的对应于所述风向角度范围(113a)的锥体(115a)内，其中，选择满足至少第一标准的候选者，所述第一标准包括：

所述当前确定的风向(109)处于与所选的候选风力涡轮机(101a)相关联的风向角度范围(113a)内。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，如果进一步满足至少第二标准，则选择所述候选风力涡轮机，所述第二标准包括：

与满足所述第一标准的所有其他候选风力涡轮机相比，所选的候选风力涡轮机(101a)更靠近所述下游风力涡轮机(101b)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所有风向角度范围(113)的并集覆盖360°，其中，至少两个风向角度范围重叠。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述至少两个风向角度范围具有5°至20°的重叠。

7.根据权利要求4所述的方法，还包括：

通过所选的候选风力涡轮机(101a)来确定风向；

检查现在应用于所述风向的所述第一标准，所述风向被所选的风力涡轮机确定为所述当前确定的风向。

8.根据权利要求7所述的方法，包括如果对于所选的候选风力涡轮机不满足所述第一标准，则：

从所述复数个候选风力涡轮机中选择满足所述第一标准并且还满足所述第二标准的另一上游风力涡轮机(101c、101d)。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述候选风力涡轮机(101a、101c、101d)是所述风电场的外围风力涡轮机，

其中，所选的候选风力涡轮机沿所述风向(109)位于所述下游风力涡轮机(101b)前方的角度范围中。

10.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述当前确定的风向改变时，从所述候选风力涡轮机中选择另一风力涡轮机，使得至少所述第一标准满足。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，如果改变的风向处于两个风向角度范围的重叠部分内，则先前选择的候选风力涡轮机维持作为所选的候选风力涡轮机。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述候选风力涡轮机(A01)中的至少一个，在临时选择的候选风力涡轮机未提供可靠的自由流入流确定的情况下，选择主备用风力涡轮机(A02)，所述主备用风力涡轮机与待选择的候选者相比满足不那么严格的标准，其中，所述风向角度范围和备用风向角度范围与至少一个候选风力涡轮机相关联。

13.一种控制下游风力涡轮机和/或上游风力涡轮机的方法，所述方法包括：

执行根据前述权利要求中任一项所述的方法；以及

基于自由流入流，控制所述下游风力涡轮机和/或所述上游风力涡轮机，关于使所述下游风力涡轮机和/或所述上游风力涡轮机偏摆，改变所述下游风力涡轮机和/或所述上游风力涡轮机的转子速度和/或叶片桨距。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，控制所述下游风力涡轮机和/或所述上游风力涡轮机包括：

基于所述下游风力涡轮机前方的所有其他风力涡轮机的自由流流动和操作状况，来预测所述下游风力涡轮机处的风况；以及

基于所述下游风力涡轮机处的预测风况来控制所述下游风力涡轮机和/或所述上游风力涡轮机。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用尾流模型来预测所述下游风力涡轮机处的风况。

16.一种用于估算风电场(100)的下游风力涡轮机(101b)处的自由流入流的装置(103)，所述装置包括：

选择模块(104)，其适于基于当前确定的风向(109)，从先前专门针对所述下游风力涡轮机(101b)限定的复数个候选风力涡轮机(101a、101c、101d)中选择上游风力涡轮机(101a)；以及

所选的上游风力涡轮机(101a)的确定设备(111a)，所述确定设备(111a)适于确定所述自由流入流，

其中，所述装置适于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。

17.一种风电场(100)，包括：

复数个风力涡轮机(101)；以及

根据权利要求16所述的装置(103)，其与所述风力涡轮机通信连接，适于针对所述风电场的作为下游风力涡轮机的每个非外围风力涡轮机，来执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。

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