CN112523973B - 风力发电机组的风向标的监测方法、监测系统及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种风力发电机组的风向标的监测方法、监测系统及风力发电机组。该监测方法包括：分别获取安装于风力发电机组的第一风向标的第一风向测量值和第二风向标的第二风向测量值；获取风速测量值及风力发电机组塔筒的扭矩测量值；基于风速测量值及扭矩测量值计算出等效风向值；及基于第一风向测量值、第二风向测量值及等效风向值来监测第一风向标和第二风向标的有效性。从而可以避免因误判风向标故障而导致风力发电机组的安全隐患，也可以避免直接停机而导致风力发电机组的发电量损失。

Description

风力发电机组的风向标的监测方法、监测系统及风力发电 机组

技术领域

本发明实施例涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的风向标的监测方法、监测系统及风力发电机组。

背景技术

随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。对于缺水、缺燃料和交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带，因地制宜地利用风力发电，非常适合，大有可为。风力发电是指利用风力发电机组把风的动能转换为电能。

风向标是风力发电机组的重要组成部分，其主要功能为测量实时风向，作为偏航的依据，降低风力发电机组载荷并实现风力发电机组的最大风能捕获。目前随着风力发电机组容量越来越大，叶片也越来越长，偏航误差导致的载荷及功率损失影响愈发显著，风向标的有效性也越来越重要。

目前，风力发电机组的风速风向测量有机械式、超声波式的传统测量方法，也有激光测风仪等前馈性测量工具。从经济性和功能性角度考虑，一般风力发电机组目前都使用机械式加超声波式两个风向标进行风向测量，两者互为冗余。

当前风向标的有效性测量主要依托两个风向标之间的互相比较，当两者数据不一致时，以数值高者为准或者取平均值继续运行；也有厂商会在数据不一致时直接报故障停机。然而，这种机械式加超声波式的风向标组合，当有一个或者两个风向标都失效情况下，反馈的数据不一致，是无法通过数据准确判断具体哪一个风向标失效的，单以数据大小判别是不合理的，无法准确体现风向标的有效性。而如果两者数据不一致就直接停机，则也会导致风机发电量的损失。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种风力发电机组的风向标的监测方法、监测系统及风力发电机组，能够提高风向标的监测准确度。

本发明实施例的一个方面提供一种风力发电机组的风向标的监测方法。所述监测方法包括：分别获取安装于风力发电机组的第一风向标的第一风向测量值和第二风向标的第二风向测量值；获取风速测量值及风力发电机组塔筒的扭矩测量值；基于所述风速测量值及所述扭矩测量值计算出等效风向值；及基于所述第一风向测量值、所述第二风向测量值及所述等效风向值来监测所述第一风向标和所述第二风向标的有效性。

本发明实施例的另一个方面还提供一种风力发电机组的风向标的监测系统。所述监测系统包括安装于风力发电机组的第一风向标、第二风向标、风速计及扭矩传感器、以及控制器。所述控制器包括数据采集模块，所述第一风向标、所述第二风向标、所述风速计及所述扭矩传感器分别连接到所述数据采集模块，所述控制器通过所述数据采集模块分别获取所述第一风向标的第一风向测量值、所述第二风向标的第二风向测量值、所述风速计的风速测量值及所述扭矩传感器的扭矩测量值。其中，所述控制器用于基于所述风速测量值及所述扭矩测量值计算出等效风向值，并基于所述第一风向测量值、所述第二风向测量值及所述等效风向值来监测所述第一风向标和所述第二风向标的有效性。

本发明实施例的又一个方面还提供一种风力发电机组，包括塔筒、安装于所述塔筒顶端的机舱、安装于所述机舱一端的轮毂以及安装于所述轮毂上的多个叶片。所述风力发电机组还包括如上所述的风力发电机组的风向标的监测系统。

本发明实施例的风力发电机组的风向标的监测方法及其监测系统充分考虑了风力发电机组的发电需求，通过加装扭矩传感器，并将信号接入到控制器中，利用得到的实时风速测量值及扭矩测量值反推等效风向值，来校核监控风向标数据测量的有效性，从而可以避免因误判风向标故障而导致风力发电机组的安全隐患，同时也可以避免直接停机而导致风力发电机组的发电量损失。

本发明实施例的具有该监测系统的风力发电机组能够在运行过程中实时监测风向标的有效性，并且，可以提高风向标的监测准确度，避免因误判风向标故障而导致的安全隐患，同时也可以避免因直接停机而导致的发电量损失。

附图说明

图1为本发明一个实施例的风力发电机组的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的风力发电机组的风向标的监测系统的示意性框图；

图3为图1所示的风力发电机组在存在风向偏差时的塔筒扭矩示意图；

图4为本发明一个实施例的控制器的部分示意性框图；

图5为基于图4所得到的第一风向测量值与等效风向值的对比结果来进行第一风向标的测量有效性判断示意图；

图6为基于图4所得到的第二风向测量值与等效风向值的对比结果来进行第二风向标的测量有效性判断示意图；

图7为本发明一个实施例的风力发电机组的运行判断示意图；

图8为本发明一个实施例的风力发电机组的风向标的监测方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本发明相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

在本发明实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。除非另作定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

图1揭示了本发明一个实施例的风力发电机组100的侧面示意图。如图1所示，风力发电机组100包括塔筒101、安装在塔筒101顶端的机舱102、安装在机舱102一端的轮毂103以及安装于轮毂103上的多个叶片104。本发明实施例的风力发电机组100还包括风力发电机组100的风向标的监测系统200(如图2所示)，用于对风力发电机组100的风向标的有效性进行监测。

图2揭示了本发明一个实施例的风力发电机组100的风向标的监测系统200的示意性框图。如图2并配合参照图1所示，本发明实施例的风力发电机组100的风向标的监测系统200包括安装于风力发电机组100的第一风向标201、第二风向标202、风速计203及扭矩传感器204、以及控制器210。第一风向标201例如可以包括机械式风向标，第二风向标202可以包括超声波式风向标。第一风向标201、第二风向标202和风速计203安装于风力发电机组100的机舱上。扭矩传感器204安装于风力发电机组100的塔筒101顶部。如图1中的虚线圆圈部分的放大图所示，扭矩传感器204在不对风时将会发生形变。图3揭示了图1所示的风力发电机组100在存在风向偏差时的塔筒101扭矩示意图。参照图3所示，在存在风向偏差时，塔筒101将会产生一定的扭矩M，通过设置于塔筒101顶部的扭矩传感器204可以测得塔筒101的扭矩信息。

继续参照图1和图2所示，控制器210例如可以设置于塔筒101的底部。控制器210可以包括数据采集模块211，其中，第一风向标201、第二风向标202、风速计203及扭矩传感器204分别连接到数据采集模块211。在风力发电机组100的运行过程中，数据采集模块211可以分别采集来自第一风向标201、第二风向标202、风速计203及扭矩传感器204的信号。控制器210可以通过数据采集模块211分别获取第一风向标201的第一风向测量值WD1、第二风向标202的第二风向测量值WD2、风速计203的风速测量值W及扭矩传感器204的扭矩测量值T。数据采集模块211可以对采集到的第一风向标201、第二风向标202、风速计203及扭矩传感器204的信号进行数据处理，例如进行模数转换等，从而可以分别得到第一风向测量值WD1、第二风向测量值WD2、风速测量值W及扭矩测量值T。

风力发电机组模型在例如Bladed载荷仿真软件中仿真时，可以统计在不同风况下的偏航扭矩值，偏航扭矩值与叶片翼型、风轮塔筒中心距、风速值、风向偏差值等相关。由于偏航扭矩传递到塔筒与塔筒壁扭矩测量值基本一致，而其他关联参数都是风力发电机组模型的固定值，因此，塔筒壁扭矩与风速风向关联。故，控制器210可以基于风速测量值W及扭矩测量值T计算出等效风向值WD0。在一些实施例中，可以事先通过仿真数据拟合出风速风向与扭矩的关系式并保存于控制器210中，控制器210可以基于实际的风速测量值W及扭矩测量值T并根据事先拟合得到的风速风向与扭矩的关系式推算出等效风向值WD0。在另一些实施例中，也可以事先通过统计数据，得到风速风向与扭矩的二维表并保存于控制器210中，其中，横向为风速，纵向为风向，二维表的表格内填写扭矩值，控制器可以通过查表法，得到实际的风速测量值W及扭矩测量值T所对应的等效风向值WD0。在计算出等效风向值WD0之后，控制器210可以进一步基于第一风向测量值WD1、第二风向测量值WD2及等效风向值WD0来监测第一风向标201和第二风向标202的有效性。

本发明实施例的风力发电机组100的风向标的监测系统200充分考虑了风力发电机组100的发电需求，通过加装扭矩传感器204，并将信号接入到控制器210中，利用得到的实时风速测量值W及扭矩测量值T反推等效风向值WD0，来校核监控风向标数据测量的有效性，从而可以避免因误判风向标故障而导致风力发电机组100的安全隐患，也避免直接停机而导致风力发电机组100的发电量损失。

本发明实施例的具有该监测系统200的风力发电机组100能够在运行过程中实时监测风向标的有效性，并且，可以提高风向标的监测准确度，避免因误判风向标故障而导致的安全隐患，同时也可以避免因直接停机而导致的发电量损失。

图4揭示了本发明一个实施例的控制器210的示意性框图。如图4所示，在一些实施例中，控制器210还可以包括逻辑运算器212、第一对比器213和第二对比器214。在风力发电机组100正常运行时，控制器210可以根据不同风况采用对应的第一风向标201的第一风向测量值WD1和/或第二风向标202的第二风向测量值WD2来作为控制依据。当控制器210通过数据采集模块211采集到的第一风向标201的第一风向测量值WD1和第二风向标202的第二风向测量值WD2出现偏差，例如当第一风向测量值WD1和第二风向测量值WD2差异较大或者出现异常时，控制器210可以通过数据采集模块211得到实时的风速测量值W和扭矩测量值T，控制器210的逻辑运算器212可以根据得到的实时风速测量值W和扭矩测量值T实时计算出等效风向值WD0。控制器210的第一对比器213可以将第一风向测量值WD1与等效风向值WD0进行对比，例如，第一对比器213可以计算(WD1-WD0)/WD0，得到对比结果R1。控制器210的第二对比器214可以将第二风向测量值WD2与等效风向值WD0进行对比，例如，第二对比器214可以计算(WD2-WD0)/WD0，得到对比结果R2。

控制器210可以基于第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1来监测第一风向标201的有效性。图5揭示了基于图4所得到的第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1来进行第一风向标201的测量有效性判断示意图。如图5所示，控制器210根据第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1，来判断其是否超过预定限值ERRValue？若第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1超过预定限值ERRValue时，则判断第一风向标201异常，即第一风向标201失效；若第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1未超过预定限值ERRValue时，则判断第一风向标201正常，即第一风向标201有效。

同样地，控制器210可以基于第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2来监测第二风向标202的有效性。图6揭示了基于图4所得到的第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2来进行第二风向标202的测量有效性判断示意图。如图6所示，控制器210根据第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2，来判断其是否超过预定限值ERRValue？若第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2超过预定限值ERRValue时，则判断第二风向标202异常，即第二风向标202失效；若第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2未超过预定限值ERRValue时，则判断第二风向标202正常，即第二风向标202有效。

图7揭示了本发明一个实施例的风力发电机组100的运行判断示意图。如图7所示，在一些实施例中，控制器210还可以包括逻辑或(OR)门电路215，逻辑或门电路215可以根据第一风向标201及第二风向标202的正常与否来进行逻辑或判断。逻辑或门电路215接收第一风向标201和第二风向标202的正常与否的逻辑输入，并产生逻辑输出。当第一风向标201正常时，逻辑输入为1；反之，则逻辑输入为0。同样地，当第二风向标202正常时，逻辑输入也为1；反之，则逻辑输入为0。因此，在第一风向标201和第二风向标202中的至少一个正常时，则逻辑输出均为1。在第一风向标201和第二风向标202均失效时，则逻辑输出为0。控制器210可以进一步根据逻辑或门电路215的逻辑输出来判断结果是否为真。在逻辑输出为1时，则判断结果为真；在逻辑输出为0时，则判断结果为假。在判断结果为真时，即在判断第一风向标201和第二风向标202中的至少一个未失效时，则控制器210可以基于未失效的风向标来控制风力发电机组100继续正常运行。在判断结果为假时，即在判断第一风向标201和第二风向标202均失效时，则控制器210可以控制风力发电机组100停机。

本发明实施例的风力发电机组100的风向标的监测系统200能够在风力发电机组100的运行过程中，实时监测风向标是否失效，并能够以未失效的风向标作为控制依据，从而可以在保障风力发电机组100安全的情况下，确保发电量。

本发明实施例还提供了一种风力发电机组100的风向标的监测方法。图8揭示了本发明一个实施例的风力发电机组100的风向标的监测方法的流程图。如图8所示，本发明一个实施例的风力发电机组100的风向标的监测方法可以包括步骤S11至步骤S14。

在步骤S11中，分别获取安装于风力发电机组100的第一风向标201的第一风向测量值WD1和第二风向标202的第二风向测量值WD2。第一风向标201例如可以包括机械式风向标，第二风向标202可以包括超声波式风向标。

在步骤S12中，获取风速测量值W及风力发电机组塔筒的扭矩测量值T。

可选地，可以在根据步骤S11获取到的第一风向测量值WD1和第二风向测量值WD2出现偏差时，再进入到步骤S12的获取风速测量值W及扭矩测量值T的步骤。

在步骤S13中，基于步骤S12获取到的风速测量值W及扭矩测量值T计算出等效风向值WD0。

在步骤S14中，基于第一风向测量值WD1、第二风向测量值WD2及步骤S13计算得出的等效风向值WD0来监测第一风向标201和第二风向标202的有效性。

在一些实施例中，步骤S14的基于第一风向测量值WD1、第二风向测量值WD2及等效风向值WD0来监测第一风向标201和第二风向标202的有效性可以包括：基于第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1来监测第一风向标201的有效性；及基于第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2来监测第二风向标202的有效性。

在第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1超出预定限值ERRValue时，则判断第一风向标201失效；在第一风向测量值WD1与等效风向值WD0的对比结果R1未超出预定限值ERRValue时，则判断第一风向标201有效。

在第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2超出预定限值ERRValue时，则判断第二风向标202失效；在第二风向测量值WD2与等效风向值WD0的对比结果R2未超出预定限值ERRValue时，则判断第二风向标202有效。

在一些实施例中，本发明实施例的风力发电机组100的风向标的监测方法还可以包括：在判断第一风向标201和第二风向标202中的至少一个未失效时，则基于未失效的风向标来控制风力发电机组100继续运行；在判断第一风向标201和第二风向标202均失效时，则控制风力发电机组100停机。

本发明实施例的风力发电机组100的风向标的监测方法具有与上面所述的风力发电机组100的风向标的监测系统相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。

以上对本发明实施例所提供的风力发电机组、风力发电机组的风向标的监测系统及监测方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明实施例的风力发电机组、风力发电机组的风向标的监测系统及监测方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，并不用以限制本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本发明所附权利要求书的保护范围内。

Claims (17)

1.一种风力发电机组的风向标的监测方法，其特征在于：其包括：

分别获取安装于风力发电机组的第一风向标的第一风向测量值和第二风向标的第二风向测量值；

获取风速测量值及风力发电机组塔筒的扭矩测量值；

基于所述风速测量值及所述扭矩测量值并根据事先通过仿真数据拟合得到的风速风向与扭矩的关系式或者事先通过统计数据得到的风速风向与扭矩的二维表计算出等效风向值；以及

基于所述第一风向测量值、所述第二风向测量值及所述等效风向值来监测所述第一风向标和所述第二风向标的有效性。

2.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述基于所述第一风向测量值、所述第二风向测量值及所述等效风向值来监测所述第一风向标和所述第二风向标的有效性包括：

基于所述第一风向测量值与所述等效风向值的对比结果来监测所述第一风向标的有效性；及

基于所述第二风向测量值与所述等效风向值的对比结果来监测所述第二风向标的有效性。

3.如权利要求2所述的监测方法，其特征在于：在所述第一风向测量值与所述等效风向值的对比结果超出预定限值时，则判断所述第一风向标失效；在所述第二风向测量值与所述等效风向值的对比结果超出所述预定限值时，则判断所述第二风向标失效。

4.如权利要求3所述的监测方法，其特征在于：还包括：

在判断所述第一风向标和所述第二风向标中的至少一个未失效时，则基于未失效的风向标来控制所述风力发电机组继续运行。

5.如权利要求3所述的监测方法，其特征在于：还包括：

在判断所述第一风向标和所述第二风向标均失效时，则控制所述风力发电机组停机。

6.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：所述第一风向标包括机械式风向标，所述第二风向标包括超声波式风向标。

7.如权利要求1所述的监测方法，其特征在于：在获取到的所述第一风向测量值和所述第二风向测量值出现偏差时，获取所述风速测量值及所述扭矩测量值。

8.一种风力发电机组的风向标的监测系统，其特征在于：其包括：

安装于风力发电机组的第一风向标、第二风向标、风速计及扭矩传感器；以及

控制器，其包括数据采集模块，所述第一风向标、所述第二风向标、所述风速计及所述扭矩传感器分别连接到所述数据采集模块，所述控制器通过所述数据采集模块分别获取所述第一风向标的第一风向测量值、所述第二风向标的第二风向测量值、所述风速计的风速测量值及所述扭矩传感器的扭矩测量值，

其中，所述控制器用于基于所述风速测量值及所述扭矩测量值并根据事先通过仿真数据拟合得到的风速风向与扭矩的关系式或者事先通过统计数据得到的风速风向与扭矩的二维表计算出等效风向值，并基于所述第一风向测量值、所述第二风向测量值及所述等效风向值来监测所述第一风向标和所述第二风向标的有效性。

9.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述控制器用于基于所述第一风向测量值与所述等效风向值的对比结果来监测所述第一风向标的有效性，并基于所述第二风向测量值与所述等效风向值的对比结果来监测所述第二风向标的有效性。

10.如权利要求9所述的监测系统，其特征在于：所述控制器用于在所述第一风向测量值与所述等效风向值的对比结果超出预定限值时，则判断所述第一风向标失效；在所述第二风向测量值与所述等效风向值的对比结果超出预定限值时，则判断所述第二风向标失效。

11.如权利要求10所述的监测系统，其特征在于：所述控制器还用于在判断所述第一风向标和所述第二风向标中的至少一个未失效时，则基于未失效的风向标来控制所述风力发电机组继续运行。

12.如权利要求10所述的监测系统，其特征在于：所述控制器还用于在判断所述第一风向标和所述第二风向标均失效时，则控制所述风力发电机组停机。

13.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述控制器用于在获取到的所述第一风向测量值和所述第二风向测量值出现偏差时，通过所述数据采集模块获取所述风速测量值及所述扭矩测量值。

14.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述第一风向标包括机械式风向标，所述第二风向标包括超声波式风向标。

15.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述扭矩传感器安装于所述风力发电机组的塔筒顶部。

16.如权利要求8所述的监测系统，其特征在于：所述第一风向标、所述第二风向标和所述风速计安装于所述风力发电机组的机舱上。

17.一种风力发电机组，其包括塔筒、安装于所述塔筒顶端的机舱、安装于所述机舱一端的轮毂以及安装于所述轮毂上的多个叶片，其特征在于：其还包括：如权利要求8至16中任一项所述的风力发电机组的风向标的监测系统。

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