CN112392658A - 使用直接和间接风速测量检测不规则涡轮操作的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用直接和间接风速测量检测不规则涡轮操作的方法。用于操作风力涡轮的方法，风力涡轮包括用于测量风特性的风特性传感器和用于测量风力涡轮的状态的至少一个风力涡轮状态传感器，该方法包括：确定或调整102一个或多个风特性关系；以及执行104操作阶段，操作阶段包括：利用风特性传感器测量风特性，从而获得测量风特性；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量风力涡轮的状态，并根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数确定估计风特性；将估计风特性与根据测量风特性确定的期望风特性进行比较，其中期望风特性基于一个或多个风特性关系来确定；以及至少部分地基于比较结果来操作或关闭风力涡轮。

Description

使用直接和间接风速测量检测不规则涡轮操作的方法
技术领域
本文中所描述的主题涉及用于操作风力涡轮的方法，并且涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于操作包括风特性传感器和至少一个风力涡轮状态传感器的风力涡轮的方法，风特性传感器用于测量风特性，风力涡轮状态传感器用于测量风力涡轮的状态，从风力涡轮的状态获得风特性的估计。
背景技术
风力涡轮典型地包括塔架和安装在塔架上的机舱。转子能够旋转地安装到机舱，并通过轴联接到发电机。多个叶片从转子延伸。叶片取向成使得在叶片上经过的风转动转子并使轴旋转，从而驱动发电机以产生电力。
风力涡轮将风能转换成机械能，例如转换成旋转动能，并且机械能典型地通过风力涡轮发电机进一步转换成电能。为了控制作用在叶片上的力和/或扭矩，可调整叶片桨距角，即风力涡轮的转子的叶片相对于风流的方向的攻角。因此，可通过调整风力涡轮的叶片的桨距角来控制风力涡轮的转子的旋转速度和由风力涡轮发电机产生的电功率，风力涡轮发电机由转子通过风力涡轮的轴驱动。
对于风力涡轮的一个或多个叶片，可单独地或共同地针对各个叶片而调整叶片桨距角。当风速改变时，风力涡轮的一个或多个叶片的叶片桨距角被调整，以将转子速度和扭矩保持在操作极限内，以用于使风力涡轮发电机产生电能的效率最大化，同时使由于例如突然的阵风而损坏风力涡轮的风险最小化。
风力涡轮可达到失速状况，即使得如果一个或多个叶片的攻角增加则风力涡轮产生的最大功率开始减小的状况。对于实际的风况，攻角的进一步增加导致功率减小的一个或多个叶片的攻角是产生失速状况的攻角。产生失速状况的最小攻角被称为针对实际风况的临界攻角。
风力涡轮可在失速状况下操作，但是当一个或多个叶片的攻角进一步增加时，可造成显著失速状况或深失速状况。在显著失速状况或深失速状况下操作风力涡轮是不合乎期望的。
典型的临界攻角在15度到20度的范围内。大体上，如果攻角超过临界角，则风力涡轮被称为处于失速状况，即正在失速。为了避免叶片的部分上的任何失速，在风力涡轮的操作期间，攻角典型地需要比临界攻角低3度到5度左右。因此，显著失速状况或深失速状况可为其中当攻角超过临界攻角时风力涡轮正在失速的任何状况。
在显著失速状况下，风流的湍流可造成在风力涡轮处流动的风的混乱或不规则动力学。在显著失速状况下的操作可为风力涡轮操作的部分，但是显著失速状况通常是不期望的，这是由于普遍存在负面影响，如例如混乱或不规则的风流和/或功率减小。此外，过高的风速或阵风可损坏风力涡轮，并且在存在强风的情况下在显著失速状况下的操作可对叶片和/或其它风力涡轮构件造成显著的损坏风险。
风力涡轮的故障或扰动状况可由不同的原因引起，如例如风力涡轮的叶片的结冰、风力涡轮的叶片上沉积的灰尘、风力涡轮构件的老化或影响风力涡轮的功能的其它外部或内部因素。
因此，可靠地检测和/或防止风力涡轮的显著失速状况或风力涡轮的故障或扰动状况将是有益的。
发明内容
根据一个方面，提供了一种用于操作风力涡轮的方法，风力涡轮包括用于测量风特性的风特性传感器和用于测量风力涡轮的状态的至少一个风力涡轮状态传感器，该方法包括：确定或调整一个或多个风特性关系；以及执行操作阶段，操作阶段包括：利用风特性传感器测量风特性，从而获得测量风特性；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量风力涡轮的状态，并根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数确定估计风特性；将估计风特性与根据测量风特性确定的期望风特性进行比较，其中期望风特性基于一个或多个风特性关系来确定；以及至少部分地基于比较结果来操作或关闭风力涡轮。
因此，本公开旨在精确地测量风力涡轮处存在的风的风特性，诸如风速和/或风向和/或风切变、风流中湍流的存在等。为了这样做，利用风特性传感器测量风特性。另外，利用至少一个风力涡轮状态传感器执行风力涡轮的状态的测量，该状态可例如包括风力涡轮的转子的速度和/或转子的扭矩和/或风力涡轮的产生的功率。
根据另外的方面，提供了一种风力涡轮，该风力涡轮包括：至少一个风测量传感器；以及风力涡轮状态传感器，其用以测量风力涡轮的状态，以用于估计在风力涡轮位置处的风特性；控制系统，其配置成至少部分地基于由风测量传感器测量的测量风特性和由风力涡轮状态传感器测量的测量风力涡轮状态所形成的输入来控制风力涡轮。
技术方案1.用于操作风力涡轮的方法，所述风力涡轮包括用于测量风特性的风特性传感器和用于测量所述风力涡轮的状态的至少一个风力涡轮状态传感器，所述方法包括：
确定或调整一个或多个风特性关系；以及
执行操作阶段，所述操作阶段包括：
利用所述风特性传感器测量所述风特性，从而获得测量风特性；
利用所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述风力涡轮的所述状态，并根据所述风力涡轮的测量状态和所述风力涡轮的参数确定估计风特性；
将所述估计风特性与根据所述测量风特性确定的期望风特性进行比较，其中，所述期望风特性基于所述一个或多个风特性关系来确定；以及
至少部分地基于比较结果来操作或关闭所述风力涡轮。
技术方案2.根据技术方案1所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系在所述风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时执行，并且包括：
利用所述风力涡轮的所述风特性传感器测量所述风力涡轮的所述风特性，从而获得所述风力涡轮的测量风特性；
利用所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述风力涡轮的所述状态，并根据所述风力涡轮的所述测量状态和所述风力涡轮的参数确定所述风力涡轮的估计风特性，
确定或调整所述风力涡轮的所述测量风特性和所述风力涡轮的所述估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述风力涡轮的所述测量风特性和所述风力涡轮的所述估计风特性之间的所述关系。
技术方案3.根据技术方案1或2所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系包括：
当与所述风力涡轮相同类型的风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时，操作所述相同类型的风力涡轮，所述相同类型的风力涡轮包括风特性传感器和至少一个风力涡轮状态传感器；并且，在所述相同类型的风力涡轮的所述操作期间，所述方法进一步包括：
利用所述相同类型的风力涡轮的所述风特性传感器测量所述相同类型的风力涡轮的风特性，从而获得所述相同类型的风力涡轮的测量风特性；以及
利用所述相同类型的风力涡轮的所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述相同类型的风力涡轮的所述状态，并根据所述相同类型的风力涡轮的测量状态和所述相同类型的风力涡轮的参数确定所述相同类型的风力涡轮的估计风特性；
确定或调整所述相同类型的风力涡轮的所述测量风特性和所述相同类型的风力涡轮的所述估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述相同类型的风力涡轮的所述测量风特性和所述相同类型的风力涡轮的所述估计风特性之间的所述关系。
技术方案4.根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系包括：
在没有所述风力涡轮的显著失速状况和扰动状况的情况下，针对所述风力涡轮而模拟风和风力涡轮操作，所述模拟至少部分地基于所述风力涡轮的模型；
获得所述风力涡轮的模拟风特性、模拟状态和模拟参数，根据所述风力涡轮的所述模拟状态和所述风力涡轮的所述模拟参数确定模拟估计风特性；
确定或调整所述模拟风特性和所述模拟估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述模拟风特性和所述模拟估计风特性之间的所述关系。
技术方案5.根据技术方案1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或多个风特性关系进一步组合成单个组合关系，并且其中，所述期望风特性基于所述单个组合关系。
技术方案6.根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于，当所述比较示出所述估计风特性显著不同于根据所述测量风特性确定的所述期望风特性时，所述风力涡轮根据从所述测量风特性确定的所述期望风特性来操作或者关闭。
技术方案7.根据前述技术方案中的任一项所述的方法，其特征在于，所述比较包括获得所述估计风特性和所述期望风特性之间的差值，并且操作所述风力涡轮至少部分地基于所述差值的大小。
技术方案8.根据技术方案7所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小低于第一阈值时，所述风力涡轮基于所述估计风特性操作。
技术方案9.根据技术方案7或8所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小高于所述第一阈值时，所述风力涡轮基于所述期望风特性操作。
技术方案10.根据技术方案7至9中的任一项所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小高于第二阈值时，所述涡轮切换到安全操作模式或者关闭。
技术方案11.根据技术方案7至10中的任一项所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小高于所述第一阈值和/或所述第二阈值时，向操作者传输消息。
技术方案12.根据技术方案7至11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述差值的所述大小在形成序列的不同时间点处被记忆，并且其中，基于所述序列来确定正常状况或显著失速或扰动状况，并且其中，在显著失速或扰动状况的情况下，根据所述序列确定故障的类型，并且所述风力涡轮根据所述故障的确定的所述类型操作。
技术方案13.根据技术方案1至12中的任一项所述的方法，其特征在于，操作或关闭所述风力涡轮包括调整桨距角以避免所述风力涡轮的显著失速状况。
技术方案14.根据技术方案1至13中的任一项所述的方法，其特征在于，所述风特性是风速，并且所述风特性传感器测量所述风速的大小。
技术方案15.一种风力涡轮，包括：
至少一个风测量传感器；以及
风力涡轮状态传感器，其用以测量所述风力涡轮的状态，以用于估计在所述风力涡轮位置处的风特性；
控制系统，其配置成至少部分地基于由所述风测量传感器测量的测量风特性和由所述风力涡轮状态传感器测量的测量风力涡轮状态所形成的输入来控制所述风力涡轮，
其中，所述控制系统配置成根据技术方案1至14中的任一项所述的方法来操作所述风力涡轮。
根据以下描述、附图和从属权利要求，另外的方面、细节和优点是明显的。
附图说明
将根据以下示例性附图来解释本公开。
图1示出了根据本公开的实施例的具有机舱、转子和转子叶片的风力涡轮。
图1A示出了风力涡轮的细节，特别地示出了根据本公开的实施例的风力涡轮发电机和风力涡轮的轴。
图1B图示了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法。
图2图示了根据本公开的方法确定或调整一个或多个风特性关系。
图3图示了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法的操作阶段。
图4图示了与根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法相关的细节。
具体实施方式
现在将详细参考多种实施例，这些实施例的一个或多个示例在附图中示例性地图示。
图1示出了风力涡轮10，风力涡轮包括放置在支承系统14上的塔架12、带有转子18的机舱16，机舱16连接到可旋转毂20。一个或多个转子叶片22配置成将风的动能转换成转子18的旋转动能。各个叶片具有叶片根部部分24、载荷传递区域26，在载荷传递区域26处，旋转被传输到可旋转毂20。当风分量在方向28上流动时，转子和可旋转毂围绕旋转轴线30旋转。沿着转子叶片22，变桨轴线34在图1中示出。
可位于风力涡轮处(如在图1中那样)或其它地方的控制系统36配置成控制与相对于风向的攻角相关的转子叶片的桨距角，以便控制例如风力涡轮的转子叶片的速度或扭矩，其中速度或扭矩由风施加到转子。风力涡轮进一步具有偏航轴线38，其用于使转子叶片相对于不同风向围绕塔架12取向。处理器40可为控制系统36的部分。
如图1A中所示出的，风力涡轮的机舱16进一步包括风力涡轮发电机42，其用于由转子的旋转动能产生电能，该旋转动能作为转子叶片的桨距角的函数由风的动能产生。
在本公开中，意图的是，风特性可包括一个或多个风速、一个或多个风切变、风速的一个或多个时间或空间导数、一个或多个风向。例如，风特性可为与在风力涡轮位置处的风速(例如在图1中所示出的方向28上的风速)的幅度相关的标量。风特性例如也可为与在风力涡轮位置处的风速相关的矢量，或者是与在风力涡轮位置处或附近的一个或多个风速相关的成组的标量或成组的矢量，其中风速可为在空间中给定位置处的风速或者在风力涡轮位置处或附近的平均空间或时间风速。例如，风特性可根据与在风力涡轮位置处或附近的风速相关的实数的有序元组来描述。
在一些实施例中，风特性可为风速的大小，特别是标量风速或描述风速的矢量的大小。例如，风特性可以以m/s为单位来测量。
在图1A中，图示了风力涡轮10的另外的细节，并且特别是风力涡轮10的机舱16的细节。特别地，转子轴44将动能传输到风力涡轮发电机，以用于由风的动能产生电能。转子轴呈现纵向轴线45，该轴线形成转子轴的旋转轴线。可使用齿轮箱46，以便控制驱动风力涡轮发电机的高速轴48的旋转速度和扭矩。风力涡轮发电机42通过齿轮箱46由转子轴44所驱动的高速轴48的旋转动能驱动，以用于产生电能。因此，转子轴44通过齿轮箱46将旋转移动传输到高速轴48，并且转子轴44的旋转速度典型地低于高速轴48的旋转速度。转子轴44联接到风力涡轮的转子18的叶片，并且当风将旋转移动施加到转子时，转子轴相应地旋转。
图1A进一步示出了高速轴48和风力涡轮发电机42之间的联接件50、支承件52和54、偏航驱动机构56，偏航驱动机构56用于使机舱围绕偏航轴线38旋转，以用于使转子相对于风速方向28取向。风特性传感器58可测量在风力涡轮位置处的风特性，例如在方向28上流动的风速。风力涡轮的风特性传感器58可为例如风速计。大体上，并且不限于关于图1A描述的任何其它特征，风力涡轮的风速计可位于机舱的顶部上。
如图1A中所示出的，轴承60、62可支承风力涡轮的轴或其它构件。风力涡轮可进一步包括变桨组件66，变桨组件66可包括用于控制一个或多个叶片的桨距角的变桨驱动组件68。该组件可包括用于一个或多个转子叶片的传感器70、变桨轴承72、变桨驱动马达74、变桨驱动齿轮箱76、变桨驱动小齿轮78。
可存在超速控制系统80。在图1A中进一步指示了用于从风力涡轮的控制系统传输信号或向风力涡轮的控制系统传输信号的线缆82。最后，致动器84可提供风力涡轮叶片的实际桨距角，连接到空腔86的叶片呈现内表面88和外表面90。
如本文中所使用的，用语“叶片”旨在表示当相对于周围流体(如在风力涡轮位置处形成风的空气)运动时提供反作用力的任何装置。如本文中所使用的，用语“风力涡轮”旨在表示由风能产生旋转能并且更具体地将风的动能转换成机械能的任何装置。“风力涡轮发电机”典型地通过风力涡轮发电机进一步将机械能转换成电能。
尽管每个商用风力涡轮典型地在机舱上配备有风速计，但是这些风速计大体上不用作用于涡轮控制的输入，因为它们的读数太不可靠。相反，一些现代风力涡轮使用基于模型的估计技术来基于涡轮本身的性能计算风速。然而，这些估计器依赖于将存储在控制器中的精确模型信息，或者依赖于关于风力涡轮操作或影响风力涡轮的状况的假设。因此，估计器不可用于检测诸如结冰或失速的异常涡轮操作，因为在这些情况/情形下，模型参数不再正确，并且估计器不再报告正确的风速。此外，如果这样的异常操作一直未被检测到，则控制器将错误地控制涡轮，例如将涡轮驱动成深失速，这可引起功率产生的额外损失，或者甚至损坏风力涡轮或其一些构件。
图1B图示了根据本公开的实施例的用于操作风力涡轮的方法100。用于操作风力涡轮的方法100包括确定或调整102一个或多个风特性关系以及执行104操作阶段。
如本文中所使用的，用于测量风特性的传感器特别地可为风力涡轮风速计。本公开的方法特别地允许校准风力涡轮风速计或用于测量风特性的传感器，并且风力涡轮风速计或用于测量风特性的传感器的测量风速变成用于风力涡轮系统的控制和监测的更加可靠且可用的量。如果风力涡轮在正常的无扰动状况下操作，则模型风是可靠的。如果风力涡轮确实离线操作或处于失速或扰动状况，则基于模型获得的风速可能是错误的，并且因此涡轮可能未在其最佳操作参数下操作，或者甚至可能受到损坏。
本公开提供了高度精确的冗余风速测量，其将用于检测例如叶片结冰、叶片失效和可通过风速偏差检测的其它涡轮异常或扰动状况。在一些实施例中，显著失速或深失速状况也是可检测的。在风力涡轮的非操作时间期间和/或在风力涡轮的失速或扰动状况期间，由风特性传感器(例如风速计)进行的风速测量典型地精确得多。因此，由风特性传感器或风速计测量的风速可在失速或扰动状况期间使用来代替通过使用模型获得/估计的风速，以用于精确控制或者以便防止损坏，只要例如影响由风特性传感器(例如风速计)获得的风速测量值的系统误差被适当地处理。此外，这允许有可能的功率计算、改进的精度和在例如平静或风暴状况等之后恢复操作的性能。本公开的方法还使得基于例如机舱风速测量的功率曲线测量能够成为可能。
例如，当相对于气象杆校准风速计时，存在严重的缺点。例如，由于气象杆和涡轮之间的距离，在两个位置处的风特性之间的相关性不好或并不总是好的。此外，这种类型的校准仅可适用于具体的风力涡轮。对于没有气象杆的涡轮，例如从另一个涡轮获得的这样的校准可能不可适用，和/或作为如例如本地地形配置那样的因素的函数的显著可变性可影响校准的质量或可靠性。当使用测量转子前方风特性的风速测量设备(诸如例如激光雷达)时，校准可能不太必要。然而，如激光雷达那样的装置往往是昂贵的。
如本文中所使用的，意图的是，风力涡轮的状态可例如包括转子速度和/或由风力涡轮发电机产生的电功率和/或转子和/或转子轴的扭矩。意图的是，用于风力涡轮操作的参数可例如包括风力涡轮的叶片的桨距角或者例如风力涡轮的发电机的扭矩和/或风力涡轮的齿轮箱的配置。假设参数是已知的量。
风特性可包括在风力涡轮位置处或附近的一个或多个位置处的一个或多个风速、一个或多个风向、一个或多个风加速度，和/或风湍流。意图的是，风特性和风力涡轮状态及参数两者都可为描述一个或多个量的一个或多个标量和/或一个或多个矢量。
可使用不同类型的传感器来测量在风力涡轮位置处的风特性。也许有可能使用定位成距风力涡轮一定距离(例如在风力涡轮的上游)的风测量杆。然而，在测量杆处测量的风特性的值可能不同于在风力涡轮位置处的值，例如，周围的地形和/或物体可产生在杆处测量的风特性的值相对于在风力涡轮位置处的风特性的显著差异。
当利用诸如放置在风力涡轮处的风速计的本地风特性传感器来测量在风力涡轮位置处的风特性时，由于风力涡轮和风力涡轮叶片本身的存在，测量值典型地受到误差(例如系统误差)的影响。因此，由于风力涡轮和风力涡轮叶片本身的存在的影响，由在风力涡轮位置处的本地传感器(例如，由位于风力涡轮处的风速计)测量的风特性的值不可直接用于确定在风力涡轮位置处的真实风特性。
在标称情况下，将风力涡轮本身用作用于确定在风力涡轮位置处的风特性的测量仪器是有益的。已知风力涡轮的实际相关操作参数(诸如叶片的桨距角)，在标称情况下，风力涡轮的状态(例如转子速度和/或功率输出)与在风力涡轮位置处的风特性(例如与本地风速)相关。因此，给定风力涡轮的参数的实际已知值，有可能根据风力涡轮的状态估计风特性。因此，在标称情况下，风力涡轮本身可代替用于测量在风力涡轮位置处的风特性的传感器。但是，如果出现失速状况(例如显著失速或深失速状况)或扰动状况(例如在叶片上存在冰或污垢的情况下)，则风力涡轮可能不再用于估计风特性，因为对于诸如桨距角的参数的实际值，真实的实际风特性和风力涡轮的状态之间的相关性变得不规则或混乱或不可靠或受到显著误差的影响。
因此，有益的是，在不依赖于根据风力涡轮的状态估计的风特性的情况下检测失速或扰动状况，而且还避免仅直接使用风特性传感器(如例如风速计)的情况，因为风特性传感器典型地受到显著的系统或统计误差的影响。
检测失速或扰动状况有益于操作风力涡轮，例如以用于避免对风力涡轮的损坏和/或用于改进输出功率的输送。
一些类型的传感器(如激光雷达)可能够测量风力涡轮附近的风特性，该风特性可用于以足够的精确度和准确度可靠地确定在风力涡轮位置处的风特性，然而激光雷达可能是昂贵的或者至少在一些情况下是不切实际的。
因此，有益的是，在风力涡轮位置处校准风特性传感器(例如，本地风速计)，以便克服典型地影响所述风特性传感器的由风力涡轮的存在引入的系统误差。
此外，有益的是，在考虑操作参数的情况下，将根据风力涡轮的测量状态估计的风特性与由校准的风特性传感器获得的风特性进行比较。在正常情况下，根据风力涡轮的测量状态估计的风特性更可靠且精确，但是利用校准的风特性传感器获得的风特性的值接近于估计风特性的值。也就是说，两个值是可比较的，而在没有校准的情况下，风特性传感器受到显著误差的影响，但是在正常情况下，估计的风特性值典型地将更准确且精确。
在显著失速状况或扰动状况下，根据风力涡轮的测量状态估计的风特性可能是错误的，并且可能与利用校准的风特性传感器获得的风特性的值显著不同。因此，由校准的风特性传感器获得的值可用于根据风力涡轮的测量状态估计的风特性的似真性检查。
将根据风力涡轮的测量状态获得的风特性与利用校准的风特性传感器获得的风特性进行比较是有益的，特别地，以便检测风力涡轮的失速和扰动状况。特别地，比较可基于在基于风力涡轮的测量状态的估计风特性与利用用于测量风特性的校准的传感器(例如校准的风速计)获得的风特性之间的差异。在没有校准的情况下，显著误差可影响风特性传感器，例如风速计，并且因此测量值可能是错误的。
在图2中，图示了根据本公开的一些实施例的用于操作风力涡轮的方法的校准阶段。特别地，图2图示了如何确定或调整一个或多个风特性关系的关系。如本文中所使用的，用语“校准阶段”因此可指一个或多个风特性关系的确定或调整，即一个或多个风特性关系的确定或调整200在校准阶段中执行。风特性关系可通过能够将关于风特性的信息与关于风特性的其它信息相关联的任何数据结构来实施。例如，风特性关系可为传递函数，该传递函数将另一个矢量(例如描述估计的期望风特性的矢量)与矢量(例如描述测量风特性的矢量)相关联。风特性关系也可被实施为成组的有序的矢量对，其中对于各个有序对，第一分量是与例如测量风特性相关的矢量，并且第二分量是与例如期望的估计风特性相关的矢量。期望的估计风特性可形成通过使用风力涡轮的物理模型例如至少部分地基于风力涡轮的测量状态来估计的风特性的期望值。
用于确定或调整一个或多个风特性关系的校准阶段可包括：利用风力涡轮的风特性传感器(例如利用图1A的风特性传感器58)测量202风特性，从而获得风特性数据；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量204风力涡轮的状态并且根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数来确定风力涡轮的估计风特性。风力涡轮状态传感器可例如特别地测量风力涡轮的转子轴44的旋转速度。
可考虑另外的参数，如例如一个或多个转子叶片的桨距角，以用于确定估计风特性。意图的是，估计风特性特别地基于风力涡轮的物理模型。如图2中所示出的，校准阶段可进一步包括确定或调整206风力涡轮的测量风特性和风力涡轮的估计风特性之间的关系。该关系可特别地基于测量风特性和/或估计风特性以及存储在方便的数据结构中的所述特性的历史序列，例如存储在例如控制系统36和/或处理器40的存储器中的有序对的列表中。意图的是，可利用例如传递函数来标识框206中的关系。
由风力涡轮的风特性传感器58(例如由本地风速计)测量的风特性利用符号w测量指示。分别利用符号s涡轮指示风力涡轮的状态，并且利用符号p涡轮指示风力涡轮的操作参数。
意图的是，w测量、s涡轮、p涡轮可为标量或矢量。在一些备选实施例中，这些量可备选地指相同类型的风力涡轮或者与风力涡轮的模拟相关的量。
风力涡轮的状态s涡轮可包括例如转子速度、转子扭矩和/或例如风力涡轮的转子轴44的旋转速度和/或转子轴44的扭矩和/或风力涡轮发电机42的功率输出。意图的是，可能地在考虑假设已知的风力涡轮的操作参数的情况下，当测量风力涡轮的状态时，在风力涡轮位置处的风速特性的估计是可能的。
操作参数p涡轮可包括例如转子叶片的桨距角、风力涡轮发电机的扭矩参数、齿轮箱的实际配置等。
已知风力涡轮的状态s涡轮和风力涡轮的操作参数p涡轮，有可能估计在风力涡轮位置处的风特性。作为风力涡轮的状态和参数的函数的估计风特性利用下式指示：
w估计＝w估计(s涡轮,p涡轮)
意图的是，w测量和w估计可为标量或矢量，并且它们可通过使用例如合适的度量(诸如标量或矢量之间的欧几里德距离)来彼此比较。w估计＝w估计(s涡轮,p涡轮)的计算可特别地基于基于模型的估计技术，并且特别地基于使用例如风力涡轮和/或风力涡轮构件的物理模型。
在s涡轮、p涡轮涉及相同类型的风力涡轮的一些备选实施例中，w估计也涉及相同类型的风力涡轮。在s涡轮、p涡轮涉及风力涡轮的模拟的一些备选实施例中，w估计也涉及风力涡轮的模拟。
假设风力涡轮的操作参数p涡轮是已知的，为了简洁起见，陈述在风力涡轮位置处的风特性的估计从风力涡轮的状态s涡轮获得，并且等价地可写为w估计＝w估计(s涡轮)，其隐含地假设对p涡轮的依赖性，其中p涡轮是已知的。
当不存在显著失速或扰动状况时，w估计可为在风力涡轮位置处的实际风特性的良好估计，而在显著失速或扰动状况下，w估计可显著偏离在风力涡轮位置处的风特性的真实值。
另一方面，w测量可受到显著误差的影响，并且特别地受到由于风力涡轮或风力涡轮叶片的存在而引起的系统误差的影响。
如果确定风力涡轮正在常规状况下操作，即不处于显著失速状况且不处于扰动状况，则用于测量w测量的传感器可使用从w估计获得的信息来校准，以便考虑影响w测量的系统误差。
为了消除或至少减轻影响w测量的系统误差，在校准阶段中，w测量的值和s涡轮的值可在不同的时间点t1,t2,…,tn处重复测量。在这种情况下，假设p涡轮的值在时间点t1,t2,…,tn处也是已知的。那么，在一些实施例中，有序对的序列S被确定为
Figure BDA0002633345790000151
其中，w测量(ti)指示在时间点ti处w测量的值，s涡轮(ti)指示在时间点ti处s涡轮的值，并且p涡轮(ti)指示在时间点ti处p涡轮的值，i＝1,…,n。
假设p涡轮是已知的，该式简写为
Figure BDA0002633345790000161
并且为了甚至更简化，该式写为
Figure BDA0002633345790000162
其中w估计(ti)＝w估计(s涡轮(ti))＝w估计(s涡轮(ti),p涡轮(ti))，i＝1,…,n。
在一些实施例中，时间点ti可标识固定或可变长度的时间间隔，并且w测量(ti)可为在由ti标识的时间间隔内的平均测量风速。例如，w测量(ti)可为在与ti相关的间隔期间(例如，在间隔[ti-Δt,ti]期间，其中Δt为预确定的时间延迟)的风速的平均测量风速。例如，w测量(ti)可为瞬时风速在时间点ti处的移动平均数，如简单移动平均数或指数移动平均数。意图的是，在这些实施例中，w估计(ti)也可为在由ti标识的时间间隔内(例如，在间隔[ti-Δt,ti]内)的平均估计风速，和/或w估计(ti)也可为移动平均数，如例如简单移动平均数或指数移动平均数，特别是具有与由w测量(ti)标识的移动平均数相同或类似的采样窗口的移动平均数。
在一些实施例中，可使用有序对的序列S，以便确定在风力涡轮位置处的测量风特性和估计风特性之间的关系。该关系可为例如传递函数，并且可存储在例如风力涡轮的本地控制器或处理器的存储器中或其它地方。
在一些实施例中，测量风特性和估计风特性之间的关系可基于w测量的测量值和w估计的计算值(至少部分地基于风力涡轮的状态s涡轮)通过其它手段(例如至少部分地使用插值和/或回归分析和/或蒙特卡罗方法)获得。在一些实施例中，插值和/或回归分析和/或蒙特卡罗方法可基于S。
在一些备选实施例中，测量风特性和估计风特性之间的关系可以以类似的方式并且特别地基于如所描述的那样获得的有序对的序列
Figure BDA0002633345790000171
来获得，但是其中测量风特性w测量(ti)和风力涡轮的测量状态s涡轮(ti)和参数p涡轮(ti)与风力涡轮中的相同类型的风力涡轮相关。因此，在一些实施例中，w测量(ti)和w估计(ti)与所考虑的风力涡轮中的相同类型的风力涡轮相关，并且关系S基于相同类型的风力涡轮。因此，在本公开的一些实施例中，基于S的关系基于相同类型的风力涡轮。
在又一些备选实施例中，有序对的序列S可通过风力涡轮的模拟获得，并且因此可通过模拟获得基于S的测量风特性和估计风特性之间的关系。
意图的是，S中的值不基于风力涡轮的显著失速状况或扰动状况，即对于所有时间点或时间间隔t1,t2,…,tn，风力涡轮都不处于显著失速状况或扰动状况。在考虑风力涡轮中的相同类型的风力涡轮来获得S的实施例中，意图的是，对于所有时间点或时间间隔t1,t2,…,tn，相同类型的风力涡轮都不处于显著失速状况或扰动状况。在通过模拟获得S的实施例中，不模拟风力涡轮的显著失速状况或扰动状况，并且对于所有模拟的时间点或时间间隔t1,t2,…,tn，都不模拟风力涡轮的显著失速状况或扰动状况。
随着在多种风特性下的校准阶段中时间点t1,t2,…,tn的数量n的增加，序列S中有序对的数量增加，并且对于用于测量在风力涡轮位置处的风特性的传感器的各个可能的输出ω，例如对于风速计的各个可能的输出ω，典型地，序列S中的一些对具有作为第一分量的ω，或者具有接近于ω的第一分量。在一些实施例中，插值或回归可备选地用于获得缺失数据。
令
Figure BDA0002633345790000181
为w测量等于或接近于ω的时间点的集合，其中ω是用于测量风特性的传感器(例如，本地风速计)的可能输出。集合T[ω]是有序集合，并且其可写为T[ω]＝{tω,1,tω,2,…}。
符号
Figure BDA0002633345790000182
指示相等或近似相等，其中如果两个标量或矢量的根据合适的度量的距离低于固定界限，则认为它们相等或近似相等。该固定界限可基于用于测量风特性的传感器的特性来确定，例如，基于影响所述传感器的输出的方差和/或基于包括在风力涡轮中的构件或零件的公差来确定。
令S[ω]为S的子序列，该子序列正好包含第一分量等于ω或接近于ω的S中的那些对。对于足够大的n，子序列S[ω]期望为非空的，并且将以有序方式包含具有作为第一分量的等于或接近于ω的值的序列S中的所有有序对，即
S[ω]＝((w测量(tω,1),w估计(tω,1)),(w测量(tω,2),w估计(tω,2)),…)
其中
Figure BDA0002633345790000183
然后，将期望值E估计(ω)与S[ω]相关联，作为从S[ω]获得的序列S估计[ω]：＝(w估计(tω,1),w估计(tω,2),…)的期望值，通过其第二分量代替S[ω]中的有序对。期望值E估计(ω)可例如为序列(w估计(tω,1),w估计(tω,2),…)的算术平均数或几何平均数或中位数。在一些备选实施例中，E估计(ω)可通过插值或回归从S获得。
因此，当测量在风力涡轮位置处的风特性的风特性传感器的输出值等于或接近于ω时，例如当风速计输出ω或接近于ω的值时，期望值E估计(ω)形成w估计的期望值。期望值E估计(ω)是根据测量风特性确定的估计风特性的期望风特性值，并且基于序列S来确定。符号E估计表明估计风特性的期望值被指示。因此，E指示期望。在使用相同类型的风力涡轮的备选实施例中，E估计(ω)与相同类型的风力涡轮相关，即，ω是指相同类型的风力涡轮的例如风速计或风特性传感器的可能输出。在风力涡轮被模拟的备选实施例中，E估计(ω)与模拟的风力涡轮相关，即，ω是指模拟的风力涡轮的例如模拟风速计或模拟风特性传感器的可能输出。
S和/或S[ω]和/或S估计[ω]和/或E估计(ω)可通过使用任何合适的数据结构和在任何合适的装置和/或介质上和/或通过使用任何合适的系统来存储为ω的函数。特别地，可使用包含对的矢量或包含标量对或矢量对的矢量或包含对的列表或包含标量对或矢量对的列表或哈希表或所述数据结构的任何嵌套组合，其中所述数据结构可远程地或在风力涡轮位置处本地地存储在任何合适的存储器或计算机或介质上，并由其操纵。相关数据可在例如网络或传输线、一根或多根线缆和/或一根或多根波导上传输，或者通过使用无线通信系统来传输。数据结构可永久存储或者仅存储所需的时间间隔，例如，一旦例如在考虑风力涡轮或相同类型的风力涡轮或模拟风力涡轮的校准阶段中获得E估计(ω)的实例，就可删除实施S和/或S[ω]和/或S估计[ω]的实例的数据结构。
意图的是，E估计可形成从使用风特性传感器(例如安装在风力涡轮上的风速计)测量的风速到根据涡轮行为估计的期望风速的传递函数。在使用相同类型的风力涡轮的备选实施例中，假设相同类型的风力涡轮的E估计等于或接近于将获得的在实际的物理风力涡轮上的E估计的结果。在风力涡轮被模拟的备选实施例中，假设模拟的风力涡轮的E估计等于或接近于将获得的在实际的物理风力涡轮上的E估计的结果。
考虑到风力涡轮已知在最佳状态下或接近最佳状态下操作的情况(例如在风力涡轮验证期间)以及不存在显著失速状况和扰动状况的情况，传递函数E估计可特别地从S产生。
在本公开的一些实施例中，在校准阶段中，可获得一个或多个传递函数E估计,1,E估计,2,…,E估计,ν，其中ν≥1，一个或多个传递函数形成传递函数的有限序列
E估计,SEQ＝(E估计,1,E估计,2,…,E估计,ν)。
序列E估计,SEQ中的一些传递函数可基于与风力涡轮相关的测量值，E估计,SEQ中的一些其它传递函数可基于与风力涡轮中的相同类型的风力涡轮相关的测量值来获得。E估计,SEQ中的又一些传递函数可基于风力涡轮的模拟获得，即，通过基于例如风力涡轮的物理模型的模拟来代替测量值。并且，当例如校准阶段重复时，序列E估计,SEQ中的不同关系可与不同的时间段相关。不同的传递函数(例如利用测量和/或模拟获得的传递函数，例如与风力涡轮或相同类型的风力涡轮相关)可组合以便形成序列E估计,SEQ中的单个传递函数。该组合可例如基于求平均、加权平均、插值等。此外，在获得序列E估计,SEQ的实施例中，对于序列中的传递函数的域中的任何值ω，例如通过求平均
E估计(ω)＝AVERAGE((E估计,1(ω),E估计,2(ω),…,E估计,v(ω)))
可从序列E估计,SEQ获得总体传递函数E估计，并且其中AVERAGE可指示任何平均数，例如加权平均数，其中例如更近获得的传递函数在求平均操作中获得更大的权重。AVERAGE也可指示例如算术平均数或几何平均数或中位数。在一些实施例中，对于一些ω，缺失数据可例如通过插值或回归来获得。
在一些实施例中，E估计(ω)标识传递函数，即，在测量风特性和期望的估计风特性之间的关系。当且仅当w估计＝E估计(w测量)成立时，估计风特性的值w估计与考虑E估计的风特性的测量值w测量相关。意图的是，关系E估计形成传递函数。因此，意图的是，传递函数E估计标识测量风特性w测量和估计风特性w估计之间的关系。
在一些实施例中，标识测量风特性w测量和估计风特性w估计之间的关系的传递函数E估计可通过其它手段(例如至少部分地使用插值和/或回归分析和/或蒙特卡罗方法)基于w测量的测量值和w估计的计算结果(至少部分地基于风力涡轮的状态s涡轮)来获得。
在一些备选实施例中，E估计备选地在考虑相同类型的风力涡轮或模拟风力涡轮的情况下获得。
当已知不存在风力涡轮的显著失速状况或扰动状况时，用于确定或调整200一个或多个风特性关系(即，E估计和/或E估计,SEQ)的校准阶段进行，因此在校准期间，w估计接近于在风力涡轮处的风特性的实际值。当根据框206确定或调整关系时，该关系可为E估计或序列E估计,SEQ中的关系。
在一些实施例中，在校准阶段中，具有作为其控制器软件的部分的风速估计器的风力涡轮可在已知估计器如期望那样执行(即，w估计接近于在风力涡轮位置处的实际风况)的环境中运行。例如，确保叶片清洁，并且例如形成风力涡轮的风特性传感器的风速计正常工作。在所述校准阶段期间，来自例如涡轮风速计的数据(即w测量)和来自风速估计器的数据(即w估计)被收集，并且计算w测量的值和w估计的值之间的传递函数E估计，例如如上文针对本公开的一些实施例而描述的。传递函数E估计允许基于由例如风速计测量的风速计算来自估计器的期望输出，即，期望E估计(w测量)接近于w估计。
图3示出了根据本公开的一些实施例的用于操作风力涡轮的方法的操作阶段300，操作阶段包括：利用风特性传感器(例如，利用风特性传感器58)测量302风特性，从而获得风特性数据；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量304风力涡轮的状态，并根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数来确定估计风特性。
操作阶段300进一步包括将估计风特性与根据测量风特性确定的期望风特性进行比较306，其中期望风特性基于一个或多个风特性关系(即，E估计和/或E估计,SEQ)来确定，例如基于在一个或多个校准阶段中确定或调整200的风特性之间的一个或多个关系(如例如由框206指示的)来确定。操作阶段300进一步包括至少部分地基于比较来操作或关闭308风力涡轮。如图2中所描述的确定或调整206的关系可形成E估计或序列E估计,SEQ中的元素/分量，根据其确定作为根据框302测量的测量风特性w测量的函数的期望风特性。
在操作阶段期间，即特别地当不执行校准阶段时，当用于测量风特性的风特性传感器输出值w测量时，例如基于关系E估计或在一个或多个校准阶段中获得的序列E估计,SEQ确定的期望值E估计(w测量)给出w估计的期望值。
因此，w测量的期望值E估计(w测量)函数减轻直接影响w测量的误差，并且至少如果不存在风力涡轮的显著失速状况和扰动状况，则期望值E估计(w测量)逼近如所描述那样接近于在风力涡轮处的真实风特性的w估计，而w测量典型地直接受到显著误差的影响并且显著不同于w估计且因此不同于真实风特性。
在校准之后，在操作阶段期间，测量风特性w测量用于获得根据测量风特性w测量确定的期望风特性值，期望值为例如基于E估计的E估计(w测量)。每当例如E估计(w测量)显著不同于w估计时，不期望的事情就可能发生，并且特别地风力涡轮的显著失速状况或扰动状况可能发生，其使这两个值显著不同。
因此，在操作阶段期间基于例如E估计(w测量)与w估计的比较来操作风力涡轮是有益的。特别地，操作阶段可接着一个或多个校准阶段。当例如E估计(w测量)接近于w估计时，风力涡轮的显著失速状况或扰动状况可能不存在，并且风力涡轮根据w估计(即根据w估计＝w估计(s涡轮)＝w估计(s涡轮,p涡轮))操作，因为根据风力涡轮的状态s涡轮和/或根据风力涡轮的状态s涡轮与风力涡轮的参数p涡轮一起估计的风特性比由风特性传感器测量的风特性w测量更精确，并且也比期望风特性(例如E估计(w测量))更精确。
在一些实施例中，如果期望风特性(例如E估计(w测量))显著不同于w估计，例如当例如E估计(w测量)和w估计之间的差值的大小的值高于预确定的阈值(例如在0.5m/s和2m/s之间的阈值)时，则风力涡轮可能处于显著失速状况或处于扰动状况，并且因此风力涡轮可例如根据E估计(w测量)操作，因为值w估计在这种情况下典型地不可靠且不精确，而基于w测量的E估计(w测量)可能更精确。备选地和/或取决于差值的大小，风力涡轮可完全关闭，以便防止对风力涡轮的可能损坏。如果E估计(w测量)显著不同于w估计，则风力涡轮可因此关闭或停止或以非常保守的方式操作，以防止损坏(例如，当E估计(w测量)与w估计之间的差值的大小的值高于预确定的阈值(例如，在0.5m/s和2m/s之间的阈值)时)。在一些实施例中，所述阈值可为大于例如0.5m/s的任何值。
在一些实施例中，在校准阶段已完成之后的风力涡轮的操作期间，涡轮以规则的间隔不断地计算期望风速E估计(w测量)(例如实时地或近实时地，或者例如每小时一次、每天一次或每周一次)。根据本公开的实施例，如果期望的估计风速E估计(w测量)和基于模型的估计风速w估计相差超过某个阈值(例如在0.5m/s和2m/s之间的阈值)，则可采取若干行动。在一个实施例中，风力涡轮的涡轮控制器切换到使用例如从本地风速计根据w测量获得的期望的估计风速E估计(w测量)，而不是基于模型的估计值w估计作为主控制器的输入。在一些实施例中，将产生指示涡轮需要被检查的消息。在一些实施例中，涡轮将切换到更安全的操作模式，该模式保护涡轮免受由于某些状况(诸如增加的桨距角)导致的潜在损坏以避免失速。在一些实施例中，将期望值E估计(w测量)和实际值w估计之间的不匹配的模式与存储在与风力涡轮或风力涡轮控制器相关的软件或存储器中的预先计算或预先确定的故障模式进行比较，并且在一些实施例中，基于特定的故障模式采取行动。
更一般地，本公开的实施例涉及一种用于操作风力涡轮的方法，风力涡轮包括用于测量风特性w测量的风特性传感器和用于测量风力涡轮的状态s涡轮的至少一个风力涡轮状态传感器，该方法包括：确定或调整一个或多个风特性关系，即关系E估计或关系的序列E估计,SEQ；以及，执行操作阶段，操作阶段包括：利用风特性传感器测量风特性，从而获得测量风特性w测量；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量风力涡轮的状态s涡轮，并根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数确定估计风特性w估计(w估计＝w估计(s涡轮)＝w估计(s涡轮,p涡轮),)；将估计风特性w估计与根据测量风特性w测量确定的期望风特性E估计(w测量)进行比较，其中期望风特性E估计(w测量)基于一个或多个风特性关系(即基于E估计或基于E估计,SEQ)来确定；以及，至少部分地基于比较结果来操作或关闭风力涡轮。
例如，如果期望风特性E估计(w测量)基于例如考虑风力涡轮和/或相同类型的风力涡轮和/或模拟的情况下获得的关系的序列E估计,SEQ＝(E估计,1,E估计,2,…,E估计,v)，则期望风特性E估计(w测量)可通过求平均获得：
E估计(w测量)
＝AVERAGE((E估计,1(w测量),E估计,2(w测量),…,E估计,v(w测量)))
在一些实施例中，可使用插值或回归。
在一些实施例中，确定或调整一个或多个风特性关系(即确定或调整E估计或序列E估计,SEQ中的一个或多个关系E估计,i并因此确定或调整序列E估计,SEQ)在风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时执行，并且包括：利用风力涡轮的风特性传感器测量风力涡轮的风特性w测量，从而获得风力涡轮的测量风特性；利用至少一个风力涡轮状态传感器测量风力涡轮的状态s涡轮，并根据风力涡轮的测量状态和风力涡轮的参数确定风力涡轮的估计风特性(w估计＝w估计(s涡轮,p涡轮),)，确定或调整风力涡轮的测量风特性和风力涡轮的估计风特性之间的关系E估计或E估计,i，其中i指示当前确定或调整的第i个关系；以及调整一个或多个风特性关系，即E估计或E估计,SEQ，以包括风力涡轮的测量风特性和风力涡轮的估计风特性之间的关系E估计或E估计,i。
在一些实施例中，确定或调整一个或多个风特性关系(即E估计或E估计,SEQ)包括：当与该风力涡轮相同类型的风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时，操作该相同类型的风力涡轮，相同类型的风力涡轮包括风特性传感器和至少一个风力涡轮状态传感器；在相同类型的风力涡轮的操作期间，利用相同类型的风力涡轮的风特性传感器测量相同类型的风力涡轮的风特性，从而获得相同类型的风力涡轮的测量风特性；以及利用相同类型的风力涡轮的至少一个风力涡轮状态传感器测量相同类型的风力涡轮的状态，并根据相同类型的风力涡轮的测量状态和相同类型的风力涡轮的参数确定相同类型的风力涡轮的估计风特性；确定或调整相同类型的风力涡轮的测量风特性和相同类型的风力涡轮的估计风特性之间的关系；以及调整一个或多个风特性关系(即E估计或E估计,SEQ)以包括相同类型的风力涡轮的测量风特性和相同类型的风力涡轮的估计风特性之间的关系。
在一些实施例中，确定或调整一个或多个风特性关系(即E估计或E估计,SEQ)包括：在没有风力涡轮的显著失速状况和扰动状况的情况下，针对风力涡轮而模拟风和风力涡轮操作，该模拟至少部分地基于风力涡轮的模型；获得模拟风特性、风力涡轮的模拟状态和模拟参数，根据风力涡轮的模拟状态和风力涡轮的模拟参数确定模拟估计风特性；确定或调整模拟风特性和模拟估计风特性之间的关系；以及调整一个或多个风特性关系(即E估计或E估计,SEQ)以包括模拟风特性和模拟估计风特性之间的关系。
在一些实施例中，一个或多个风特性关系(即E估计或E估计,SEQ)进一步组合成单个组合关系，并且期望风特性基于该单个组合关系。例如，对于例如在考虑风力涡轮和/或相同类型的风力涡轮和/或模拟的情况下获得的关系E估计,SEQ＝(E估计,1,E估计,2,…,E估计,v)的序列E估计,SEQ，单个组合关系可将平均值与该序列中的关系的域中的各个值ω相关联(E估计(ω)＝AVERAGE((E估计,1(ω),E估计,2(ω),…,E估计,v(ω))))。在一些实施例中，针对一些ω的缺失数据可例如利用插值或回归获得。
在一些实施例中，在正常涡轮操作期间，即在操作阶段期间，使用例如在统计意义上的确定的传递函数来连续评估和比较源自风特性传感器(例如风速计)的数据以及估计风速。如果期望的估计风特性E估计(w测量)和估计风特性w估计之间的匹配不可以以预确定的要求获得，则假设风力涡轮没有如预期那样操作(例如由于结冰、叶片积垢或失速)，并且产生到远程控制中心的消息，使得可采取适当的步骤以补救问题。
图4总结了与根据本公开的一些实施例的用于操作风力涡轮的方法相关的细节。图4示出，可为例如风特性传感器58的风特性传感器402提供如由406指示的测量风特性w测量，并且测量风力涡轮的状态的至少一个传感器404提供如由408指示的风力涡轮的状态s涡轮的测量，其中该状态可例如包括风力涡轮的转子和/或轴(例如转子轴44)的旋转速度或扭矩和/或包括例如发电机的功率输出。假设风力涡轮的参数410是已知的，例如，假设风力涡轮的叶片的桨距角和/或齿轮箱的配置是已知的。参数410利用如由412指示的p涡轮指示。通过使用物理模型416，估计风特性w估计(如由420示出的)通过物理模型416作为风力涡轮的状态408和风力涡轮的参数412的函数而获得。根据由406指示的测量风特性w测量，基于如由414示意性地指示的一个或多个关系(即E估计或E估计,SEQ)来获得估计风特性的期望值，例如E估计(w测量)。期望值E估计(w测量)由418指示。在由418指示的期望的估计风特性E估计(w测量)和由420指示的估计风特性w估计之间执行比较422。如由424指示的，至少部分地基于比较422，风力涡轮最终操作或执行关闭。风力涡轮操作或关闭424可基于E估计(w测量)和w估计之间的比较422，并且特别地风力涡轮操作可进一步取决于E估计(w测量)和/或w估计的值和/或取决于例如E估计(w测量)、w估计的值中的一个的选择，该选择基于比较422的结果。
本公开的方法涉及在正常操作时间期间在考虑物理模型的情况下校准风特性传感器，即风测量装置，w估计从该物理模型获得。风特性传感器(即在风力涡轮位置处的风测量装置)用于检测风力涡轮的性能不足和/或风力涡轮的不当行为(例如由于风力涡轮的显著失速状况或扰动状况，特别是当估计值w估计变得不精确时，即当基于物理模型的风速估计算法不再恰当工作时)。
本公开的方法特别有益于冰检测、失速检测、执行季节性校准阶段的可能性。由于E估计(w测量)的准确度和精确度，此外，有可能利用例如形成风力涡轮的风特性传感器的机舱风速计来获得可靠的功率曲线测量。
在本公开的一些实施例中，描述了一种用于操作风力涡轮的方法，其中，当例如E估计(w测量)和w估计之间的比较示出估计风特性w估计显著不同于根据测量风特性w测量确定的期望风特性值(例如E估计(w测量))时，风力涡轮根据从测量风特性w测量确定的期望风特性E估计(w测量)来操作或者关闭。
在一些实施例中，比较306、422可包括基于一个或多个关系(即E估计或E估计,SEQ)来获得估计风特性w估计和期望风特性E估计(w测量)之间的差值Δ。意图的是，Δ可为Δ＝w估计-E估计(w测量)，其中E估计可为关系E估计或者基于序列E估计,SEQ。在一些实施例中，基于序列E估计,SEQ(其中E估计,SEQ＝(E估计,1,E估计,2,…,E估计,v))，差值Δ可为Δ＝w估计-AVERAGE((E估计,1(w测量),E估计,2(w测量),…,E估计,v(w测量)))，其中AVERAGE可指示任何方便的平均值。序列E估计,SEQ中的关系E估计,i可在考虑风力涡轮或相同类型的风力涡轮的情况下或者通过模拟获得。为了符号的一致性，仍然写为：E估计(w测量)＝AVERAGE((E估计,1(w测量),E估计,2(w测量),…,E估计,v(w测量)))。在一些实施例中，风力涡轮至少部分地基于差值Δ的大小来操作。
在一些实施例中，比较422可对应于比较306，并且包括获得估计风特性w估计和期望风特性(例如E估计(w测量))之间的差值Δ，例如差值w估计-E估计(w测量)，并且操作风力涡轮至少部分地基于差值Δ的大小。
差值Δ可为标量或矢量，并且差值的大小(例如差值w估计-E估计(w测量)的大小)可通过任何合适的度量或范数来测量，特别是通过例如欧几里德范数、最大范数等。特别地，差值Δ(例如w估计-E估计(w测量))的大小旨在为非负实数，并且当且仅当标量或矢量操作数(例如w估计和E估计(w测量))相等时，所述差值Δ的大小为零。
在本公开的一些实施例中，当差值Δ的大小(例如差值w估计-E估计(w测量)的大小)低于第一阈值(例如低于2m/s或低于1m/s)时，风力涡轮基于估计风特性w估计来操作。
例如，在一些实施例中，当w估计接近于E估计(w测量)时，差值w估计-E估计(w测量)的大小变得接近于零，并且因此当w估计接近于E估计(w测量)时差值w估计-E估计(w测量)的大小低于第一阈值。在这样的状况下，风力涡轮的显著失速状况或扰动状况是不期望的，并且因此风力涡轮根据w估计操作(特别是当w估计可能比E估计(w测量)和/或w测量更精确时)。
在一些实施例中，当差值Δ的大小(例如差值w估计-E估计(w测量)的大小)高于第一阈值时，风力涡轮基于期望风特性E估计(w测量)来操作。例如，当w估计显著不同于E估计(w测量)时，w估计-E估计(w测量)的大小增加至高于第一阈值，并且风力涡轮可能处于失速或扰动状况，并且因此w估计的值可能变得不可靠且不精确。因此，根据期望的风特性值(例如根据E估计(w测量))操作风力涡轮对于风力涡轮操作和/或对于风力涡轮的安全操作以便防止损坏和/或对于风力涡轮的关闭来说是有益的。
在一些实施例中，当差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小高于第二阈值(例如高于3m/s)时，涡轮切换到安全操作模式。
安全模式可与风力涡轮的一个或多个叶片的一个或多个桨距角的控制相关，以便防止显著失速状况，或者安全模式可包括完全关闭风力涡轮。
在一些实施例中，当差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小高于第一和/或第二阈值时，向操作者传输消息。
传输可为完全自动的，并且操作者可为配置成控制风力涡轮的一个或多个人类操作者和/或一个或多个计算机或全自动或部分自动的系统。配置成控制风力涡轮的操作者或一个或多个计算机或全自动或部分自动的系统可位于风场中或远程位置，或者甚至位于风力涡轮位置处或风力涡轮本身中。消息可通过任何合适的手段(诸如网络上的数字包，或者作为调制的无线电波信号，或者在电缆或光波导上)传输。消息可包含有益于风力涡轮的控制和/或获得关于风力涡轮状态或状况的信息的任何额外的信息。
在一些实施例中，差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小在形成序列的不同时间点处被记忆，并且基于所述序列确定正常状况或显著失速或扰动状况，其中在显著失速或扰动状况的情况下，根据序列确定故障的类型，并且风力涡轮根据所确定的故障的类型来操作。
在不同时间点处记忆差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))(例如对所述差值进行周期性地采样和存储)产生形成差值历史的值序列。基于所述历史，例如有可能记录当发生例如显著失速状况或扰动状况时差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小如何增加。根据差值Δ的历史，可获得关于故障类型的信息，其中故障类型可例如指定是否正在发生显著失速状况，或者在不同的可能情况下正在发生什么故障，例如说明叶片是否结冰或者灰尘或老化是否可能正在影响风力涡轮的操作。
其它信息源也可用于确定故障类型，例如从放置在例如风力涡轮位置处或其周围的温度计和/或其它传感器获得的信息。信息源也可包括在不同位置(包括风力涡轮位置)处的天气预报或观测以及风预报或测量。
在一些实施例中，基于估计风特性w估计与根据测量风特性w测量确定的期望风特性值(例如E估计(w测量))的比较，风力涡轮被关闭或操作，以便控制桨距角以避免风力涡轮的失速。
在一些实施例中，操作或关闭风力涡轮包括调整桨距角以避免风力涡轮的显著失速状况。
校准阶段可包括w测量和s涡轮的重复测量，使得获得足够数量的有序对，以便针对风特性传感器的各个可能的输出值ω而获得例如E估计(ω)的足够准确且精确的值。当例如与从如先前所描述的S[ω]获得的序列S估计[ω]的平均值相关的足够窄的置信区间可被确定时，可存在足够准确且精确的值(例如在考虑序列S估计[ω]中的值作为蒙特卡洛实验的样本的情况下，对于该实验来说，需要期望的置信区间宽度来达到期望的置信水平)。
当已知不存在显著失速状况或扰动状况时，可执行用于确定或调整一个或多个风特性关系的校准阶段。所述确定可为全自动的，例如自动检查在风力涡轮位置处的温度和风以及其它条件，如灰尘的存在，或者所述确定可为部分自动的或者是人工监控的结果。校准阶段可包括测量仪器的使用，可在校准阶段完成之后移除该测量仪器。人工监控可在校准阶段期间存在，并且在之后不存在，或者校准可为全自动的。
校准阶段和操作阶段可交替，例如周期性地交替，以便重新校准，即调整例如E估计或E估计,SEQ，以便考虑例如风力涡轮的老化或风力涡轮的其它时变性质和/或考虑风力涡轮位置的空气动力学性质的修改。
在一些实施例中，重复校准阶段，直到期望风特性值以足够的精确度和准确度逼近估计风特性。
在一些实施例中，在校准阶段期间，测量风特性进一步包括来自定位在距风力涡轮一定距离的位置处的一个或多个风测量杆的测量数据。
因此，在一些实施例中，w测量可为包括从至少一个本地风速计和/或至少一个测量杆获得的值的矢量，该测量杆用于测量在距风力涡轮一定距离的位置处的风况。
在一些实施例中，描述了一种风力涡轮，风力涡轮包括：至少一个风测量传感器；风力涡轮状态传感器，其用以测量风力涡轮的状态，以用于估计在风力涡轮位置处的风特性；控制系统，其配置成至少部分地基于由风测量传感器测量的测量风特性和由风力涡轮状态传感器测量的测量风力涡轮状态所形成的输入来控制风力涡轮，其中控制系统配置成根据本公开中所描述的方法来操作风力涡轮。假设风力涡轮参数是控制系统已知的。
在一些实施例中，风特性可为风速或风速的大小，并且风特性传感器测量风速的大小或风速。在一些实施例中，风特性传感器可测量风速的大小和方向。在一些实施例中，风特性传感器可测量描述风速的矢量。在一些实施例中，风速的大小可以以m/s为单位来测量。
在一些实施例中，风力涡轮进一步包括信息处理系统和至少一个通信信道，该通信信道配置成在操作阶段期间传输关于估计风特性与期望风特性的比较的信息。
例如通过通信信道传输的传输信息可用于控制或监测风力涡轮的操作。
根据本文中所描述或如图4中所图示的方法来操作风力涡轮特别有益于检测显著失速状况或扰动状况，并且允许风力涡轮的操作使对风力涡轮的损坏风险最小化和/或使风力涡轮的性能最大化(特别是在显著失速状况或扰动状况期间)，诸如差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小增加可例如与沉积在风力涡轮的叶片上的灰尘或结冰相关，或者与任何其它扰动状况和/或显著失速状况相关。本公开的方法可允许根据例如在序列中的不同时间点处记忆的差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小的历史来检测扰动状况和显著失速状况。差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小增加也可与例如显著失速状况相关，该失速状况也可例如根据在不同时间点处记忆的差值Δ(例如差值w估计-E估计(w测量))的大小的值的序列来检测。在这种情况下，即，如果检测到显著失速状况，则有益的是，调整风力涡轮的一个或多个叶片的桨距角或者关闭风力涡轮以便防止例如对风力涡轮的损坏。

Claims (10)

1.用于操作风力涡轮的方法，所述风力涡轮包括用于测量风特性的风特性传感器和用于测量所述风力涡轮的状态的至少一个风力涡轮状态传感器，所述方法包括：
确定或调整一个或多个风特性关系；以及
执行操作阶段，所述操作阶段包括：
利用所述风特性传感器测量所述风特性，从而获得测量风特性；
利用所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述风力涡轮的所述状态，并根据所述风力涡轮的测量状态和所述风力涡轮的参数确定估计风特性；
将所述估计风特性与根据所述测量风特性确定的期望风特性进行比较，其中，所述期望风特性基于所述一个或多个风特性关系来确定；以及
至少部分地基于比较结果来操作或关闭所述风力涡轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系在所述风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时执行，并且包括：
利用所述风力涡轮的所述风特性传感器测量所述风力涡轮的所述风特性，从而获得所述风力涡轮的测量风特性；
利用所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述风力涡轮的所述状态，并根据所述风力涡轮的所述测量状态和所述风力涡轮的参数确定所述风力涡轮的估计风特性，
确定或调整所述风力涡轮的所述测量风特性和所述风力涡轮的所述估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述风力涡轮的所述测量风特性和所述风力涡轮的所述估计风特性之间的所述关系。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系包括：
当与所述风力涡轮相同类型的风力涡轮不处于显著失速状况且不处于扰动状况时，操作所述相同类型的风力涡轮，所述相同类型的风力涡轮包括风特性传感器和至少一个风力涡轮状态传感器；并且，在所述相同类型的风力涡轮的所述操作期间，所述方法进一步包括：
利用所述相同类型的风力涡轮的所述风特性传感器测量所述相同类型的风力涡轮的风特性，从而获得所述相同类型的风力涡轮的测量风特性；以及
利用所述相同类型的风力涡轮的所述至少一个风力涡轮状态传感器测量所述相同类型的风力涡轮的所述状态，并根据所述相同类型的风力涡轮的测量状态和所述相同类型的风力涡轮的参数确定所述相同类型的风力涡轮的估计风特性；
确定或调整所述相同类型的风力涡轮的所述测量风特性和所述相同类型的风力涡轮的所述估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述相同类型的风力涡轮的所述测量风特性和所述相同类型的风力涡轮的所述估计风特性之间的所述关系。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，确定或调整一个或多个风特性关系包括：
在没有所述风力涡轮的显著失速状况和扰动状况的情况下，针对所述风力涡轮而模拟风和风力涡轮操作，所述模拟至少部分地基于所述风力涡轮的模型；
获得所述风力涡轮的模拟风特性、模拟状态和模拟参数，根据所述风力涡轮的所述模拟状态和所述风力涡轮的所述模拟参数确定模拟估计风特性；
确定或调整所述模拟风特性和所述模拟估计风特性之间的关系；以及
调整所述一个或多个风特性关系，以包括所述模拟风特性和所述模拟估计风特性之间的所述关系。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或多个风特性关系进一步组合成单个组合关系，并且其中，所述期望风特性基于所述单个组合关系。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，当所述比较示出所述估计风特性显著不同于根据所述测量风特性确定的所述期望风特性时，所述风力涡轮根据从所述测量风特性确定的所述期望风特性来操作或者关闭。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，所述比较包括获得所述估计风特性和所述期望风特性之间的差值，并且操作所述风力涡轮至少部分地基于所述差值的大小。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小低于第一阈值时，所述风力涡轮基于所述估计风特性操作。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小高于所述第一阈值时，所述风力涡轮基于所述期望风特性操作。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法，其特征在于，当所述差值的所述大小高于第二阈值时，所述涡轮切换到安全操作模式或者关闭。
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