CN113495169B - 风力机风轮前风速超声测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力机风轮前风速超声测量系统，包括安装于轮毂罩内的至少一个数据采集模块，以及安装于机舱内的数据采集处理机；数据采集模块由空速传感器及陀螺仪构成，陀螺仪集成于空速传感器底座之上；数据采集处理机集成有温湿度传感器、气压传感器、数据采集卡、数据处理和分析模块；数据采集卡通过数据线与空速传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气压传感器连接，用于将采集的数据传输至数据处理和分析模块进行数据处理及分析；数据处理和分析模块包括工况声速标定模块、参数校正模块、状态监测模块、在线测量模块。本发明能够准确的测量风力机风轮前来流风速和风向的值，提升风力机的发电效率，降低风轮后风速测量带来的测量不确定性问题。

Description

风力机风轮前风速超声测量系统

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种风力机风轮前风速超声测量系统。

背景技术

随着风力发电技术的快速发展，如何通过风力机实现最大效率地将风能转化电能已成为风力发电技术研究的重要内容。由于来流风速的随机性，以及风力机扫风面积巨大，目前行业内通常采用风轮前轮毂中心处的来流风速作为控制系统的参考风速。此外，风力机风轮前轮毂中心处风速值和来流角度是绘制功率曲线，评价风力机载荷水平的重要指标。因此，来流速度检测的准确度是影响风力发电机控制系统效果和风力机发电效率的重要因素。

现有风力机风轮前轮毂中心处风速测量技术中最常用的测量方法是在风力机机舱顶部加装机械式风速风向仪，然后通过在一定条件下标定的传递函数来推算出所测来流的速度值和方向。但因为机械式测风装置的安装位置随来流速度和角度的变化，来流经过叶轮和机舱产生的湍流都将对上述装置的测量结果产生影响。于是主机厂家在某型号风力机上市前通常会采用标定传递函数的方式建立机舱顶部加装的测风设备与风轮前轮毂中心处风速、风向的函数关系。根据国家标准GB/T 18451.2-2012《风电机组功率特性测试》给出的测试方法，这种标定方法由于需要在风电机组上风向距离风电机组2.5倍风轮直径处安装与风电机组轮毂中心高度同高的测风塔，并在测风塔顶部安装杯式风速计，运用该杯式风速计测量得到的风速来等效表征轮毂中心高度的风速。而实际工况无法做到同标定环境完全相同，弱化了传递函数的参考价值和测量结果的精度，而高精度的激光测风设备(LiDAR)其租赁和购买成本较高，批量应用会使业主的运营成本骤增，无法在风电场范围内大规模应用。

发明专利CN 105587474 A发明了一种风电机组风轮前风速的测试方法和装置，但是因为实际运营风电场地形和地表粗糙度种类多样，与该专利中方法实施的环境不尽相同，因此通过此方法标定得到的轮毂中心高度的风速具有一定的局限性。此外，实用新型专利CN 201497751 U发明了一种风电机组运行时的风速测量装置，同发明专利CN 105587474A一样，这两项发明关注的是风轮前风轮扫风范围内风速的估计，其输出结果不能直接用于功率曲线的比较。

实用新型专利CN 206573605 U给出了一种测量风轮前风速的测量方案，通过超声波风速测量仪测量风速，并利用无线装置发送测量结果给机舱顶部接受装置进行数据分析，该方案具有风轮前风速测量结果准确、精确度高的优点，有效解决了旋转基座下无法测量叶片前风速的问题。但该方案需安装于风电机组叶片处，改变了叶片的翼型结构，导致主控系统参数与叶片翼型参数不匹配，降低了风电机组的运行效率，并且叶片位置也不易于安装与维护。

专利US7347668 B2/CN101389967 B公开了一种测量风力机风速和风向的测量方法。该专利介绍了如何利用安装在轮毂罩上的压力计等设备测量风轮前风速。但该方法要求设备安装精度高，需要能够准确测量安装传感器的各安装角度β等参数，并需确保多传感器β等参数完全一致，且传感器指向轮毂罩定点等多个苛刻条件需要得到满足。当上述安装条件无法满足时则需修正安装位置重新安装，并且也很难保证再次安装精度的一致性。此外，在应用于风电场时，由于不同风机的安装精度及安装位置存在差异，不同风机需要逐台设置不同的校正参数，这为风力机风轮前风速的测量带来较大不确定性。其次，由于该方案在设计中未考虑在风力机20年寿命周期内，专利方案应具备的设备自校正或者设备健康度自检功能，这也必将导致随着设备的运行，专利方法测量结果可信度降低。

因此，风力发电行业亟需一种能够在低成本条件下准确、可靠地检测风轮前来流速度测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力机风轮前风速超声测量系统，解决现有技术安装精度要求高，缺少设备容错及自校正功能，导致若安装不准确需拆除重装破坏轮毂罩刚性，以及测风结果受风轮及机舱等大部件影响，测量结果不准等问题，以及现有技术导致设备间存在安装差异，导致需要对每台设备分别进行参数校正工作的问题。

本发明提供了一种风力机风轮前风速超声测量系统，包括安装于轮毂罩内的至少一个数据采集模块，以及安装于机舱内的数据采集处理机；

所述数据采集模块由空速传感器及陀螺仪构成，所述陀螺仪集成于所述空速传感器底座之上；所述空速传感器用于以设定频率测量所在位置处y方向的空速测量值；所述陀螺仪用于测量轮毂当前旋转位置同初始安装位置的偏差角度；

所述数据采集处理机集成有温湿度传感器、气压传感器、数据采集卡、数据处理和分析模块；所述数据采集卡通过数据线与所述空速传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气压传感器连接，用于将采集的数据传输至数据处理和分析模块进行数据处理及分析；

所述数据处理和分析模块包括：

工况声速标定模块，用于基于声速与气压关系函数得到的运行工况下的声速计算公式，对系统实际运行工况下空气中的声速进行在线标定；

参数校正模块，用于根据数据采集模块安装位置处数据采集模块同轮毂罩的位置关系计算得到安装偏差矫正后的真实值，供数据采集模块的安装矫正及运行工况累积误差的在线矫正；

状态监测模块，用于系统级状态监测及设备级状态监测，所述系统级状态监测用于监测数据采集模块安装方向和安装偏差的值是否超过给定阈值，以防止数据采集模块偏离工作点太大造成测量结果不可信的结果；所述设备级状态监测用于利用测量结果连续性的特点，对检测点处不同数据采集模块的测量结果进行比较，以防止测量结果漂移；

在线测量模块，用于基于采集的数据和设备安装的位置关系数据解算影响风机运行效果的相关参数；所述相关参数包括水平来流风速、偏航误差和入流角。

进一步地，所述运行工况下的声速计算公式为：

式中，c为运行工况下的声速；T为空气的绝对温度；ξ为空气的定压比热与定容比热之比；ψ为空气密度同空气相对湿度；P_s为饱和水蒸气分压力；P为气压传感器测量的气压值。

进一步地，所述安装偏差矫正后的真实值的计算公式为：

式中，

为安装偏差矫正后的真实值；

是数据采集模块i在

方向的测量值，

定义为数据采集模块i(i∈{1,…,n})坐标系的x,y轴；ω为风轮转动的恒定角速度；R为数据采集模块安装点与轮毂罩对称轴的距离。

进一步地，所述系统级监测用于数据采集模块间相互检验；所述设备级状态监测包括一小时内风速变换值、测量结果连续无变化时间、有效数据完整率和测量风速范围。

进一步地，所述偏航误差计算公式为：

式中，γ为风力机的偏航误差；α是来流同x_s轴夹角，参见图9；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角，参见图4；δ为主轴安装倾角。

进一步地，所述入流角的计算公式为：

式中，β为风力机的入流角；α是来流同x_s轴夹角，参见图9；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角，参见图4；δ为主轴安装倾角。

进一步地，所述水平来流风速的计算公式为：

式中，

为来流在水平方向分量风速值；

为安装偏差矫正后的测量值；n为安装测风设备总数；k为可调参数；α是来流同x_s轴夹角，参见图9；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角，参见图4；δ为主轴安装倾角。

借由上述方案，通过风力机风轮前风速超声测量系统，能够准确的测量风力机风轮前来流风速和风向的值，提升风力机的发电效率，降低现有方案中风轮后风速测量带来的测量不确定性等问题。

与现有传递函数标定的技术相比，本发明因测量结果不受尾流影响，测量值具有更高的可信度，并且偏航误差小，能够大幅提高风力机的发电效率。同时，面向风力机20年的寿命周期，为了确保设备测量结果的准确行，本发明可以利用无风时间段进行参数校正，确保风力机寿命周期内测量结果不随电子器件的漂移等因素影响技术方案的测量结果。此外，针对海上风电及环境变化频繁的工况，本发明提供的在线风速订正功能使得本系统的适用范围大大加强。

相对于现有控制系统利用风轮后风向标测量风向进行偏航控制的技术方案，本发明直接测量的来流风向其测量结果更为准确，是更为合适的控制系统参考输入信号，并且本发明测量结果不受风机自身结构导致的湍流等问题的影响，风向测量结果相对集中，可以有效降低偏航次数，降低偏航轴承的疲劳载荷，提升风力机的寿命。

附图说明

图1是本发明风力机风轮前风速超声测量系统的结构框图；

图2是本发明风力机风轮前风速超声测量系统测量流程图；

图3是本发明空速传感器安装位置图；

图4是本发明一实施例中主轴坐标系与设备旋转位置关系及设备坐标系；

图5是本发明校正过程流程图；

图6是本发明状态监测流程图；

图7是风力机与来流俯视图；

图8是风力机与来流侧视图；

图9是来流与主轴坐标系关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提供了一种风力机风轮前风速超声测量系统，该系统具有工况声速标定、参数校正(安装矫正、运行状态校正)、轮毂中心风速在线测量及状态监测功能。

参图1所示，风力机风轮前风速超声测量系统包括安装于轮毂罩内的空速传感器及陀螺仪，以及安装于机舱内的数据采集处理机，数据采集处理机集成有温湿度传感器、气压传感器、数据采集卡、数据处理和分析模块；数据采集卡通过数据线与空速传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气压传感器连接，用于将采集的数据传输至数据处理和分析模块进行数据处理及分析，得出测量结果。测量流程参见图2所示。

参图3所示，以四空速传感器的情形为例，空速传感器对称安装于轮毂罩上。通常情况下，其与轮毂罩边缘距离应大于0.5米，可根据流通仿真结果具体确定。陀螺仪集成于空速传感器底座之上。温度传感器、气压传感器集成在数据处理主机上，部署在机舱内。本实施例空速传感器可采用2d声波型风速传感器，但不限于上述的选型，通常只需能获得安装位置附近风速的风速测量装置即可。

空速传感器和陀螺仪构成数据采集模块(测量设备)，其中空速传感器用于以一定频率测量所在位置处y方向的空速测量值，陀螺仪用于测量轮毂当前旋转位置同初始安装位置的偏差角度φ。

数据处理机可采用单片机、PLC、工控机等具有数据采集和处理功能的设备实现，其通过RJ45等数据线，获取传感器的测量结果，利用传感器采集的数据和测量设备间的位置关系解算来流风速的水平分量、偏航误差和入流角等影响风机运行效果的重要参数。

本实施例采用安装一个或多个在轮毂罩上安装风速测量设备实现了风速的在线测量。对安装、和运行过程中可能出现的安装不精确问题实现了在线校正的功能。对设备本身的测量漂移和安装不精确等问题导致的测量不准确有很好的鲁棒性。

下面对该系统的功能作详细说明。

1、工况声速标定

尽管某日内风力机的工况下声速变化不大，但对海上风电和严酷环境下工作的风力机，声速在一定时间段内可能会发生较大的变化。对工况声速的标定是实现来流风速测量的基础，因此有必要在传感器处实现工况声速的在线标定。

对于远离液态工作点的理想气体，如本发明应用场景中的空气，其中的声速c与气体类型和空气温度存在如下函数关系，

其中，ξ为空气的定压比热与定容比热之比，

R为气体常数，

T为空气的绝对温度，

M_o为空气分子摩尔质量。

由于M_o与气体绝对温度和大气压力存在如下函数关系，

其中ρ为空气密度，P为气压传感器测量的气压值。

那么，空气中声速与大气压力和气体密度间关系为：

因为空气密度同空气相对湿度ψ和大气压力、绝对温度具有如下函数关系，

ρ＝0.0034843(P-0.3779ψP_s)/T

其中，P_s是饱和水蒸气分压力，可通过查表求得。因此，将上式带入声速与气压关系函数，可知运行工况下的声速可表示为，

通过上式我们可以看到，P,T,φ参数可以通过设备中的传感器在线测量，γ与P_s为可查得常数，因此可以对设备实际运行工况下空气中的声速进行在线测量。

此外，多组设备安装时，多传感器的测量参数可利用软件算法在线校正，使设备具有容错能力，并提高设备精度。

2、安装矫正

风力机的轮毂罩几何外形通常可视为由一条光滑非线性母线绕对称轴旋转得到的刚体。为了避免设备安装过程中可能出现的设备y轴与轮毂罩母线不共面的情况带来的测量误差，设备需进行安装矫正。下面以二维空速传感器为例介绍安装校正工作。

首先，对实施过程中可能安装的n个设备分别定义坐标系。

定义为设备i(i∈{1,…,n})坐标系的x,y轴。理想安装情况下

应与母线共面，但安装过程中不可避免存在一定的安装偏差，假设该设备因安装导致的误差角度为ψ。在零风速条件下，以恒定角速度ω转动风轮，因存在安装偏差，故

不会与安装点处轮毂的大圆相切。设安装点与轮毂罩对称轴的距离为R，利用设备安装位置处设备同轮毂罩的位置关系，可知安装位置处

方向矫正后的真实值

应为：

式中

是数据采集模块i在

方向的测量值。数据处理和分析模块利用上式得到的

进行进一步的计算。

图4给出了一种可能的实施情况。其中A1、A2、A3、A4表示设备按文中给出的一种可能的安装方式进行安装的情况；

和

表示设备坐标系的x和y轴；y_s,z_s表示风轮旋转前的主轴坐标系位置；y′_s,z′_s,表示风轮旋转φ角度后主轴坐标系的位置；φ为风轮的旋转的航向角，可由陀螺仪测量得出。涉及参数校正的系统流程参图5所示。

由于本系统采用的在线软件校正方式，使得每台测量设备安装环节的个体差异得到消除。因此。对于大规模风电场项目，可实现一次便能实现全部设备校正的效果。尽管本例只给出了一种四设备安装的例子，但本专利在单设备或多设备安装情况下亦具有效性。但多设备安装形式使系统具有较强的鲁棒性和准确性，并且可以通过交叉验证检测各安装设备的可用性。

3、状态监测

状态监测分为系统级和设备级两个层面。系统层面：主要关注安装方向和安装偏差的值是否超过给定阈值，防止设备偏离工作点太大造成测量结果不可信的结果；设备层面，利用测量结果连续性的特点以及客观物理规律，对检测点处不同设备的测量结果进行比较，防止设备测量结果漂移，及时报警。

系统层面主要用于设备间相互检验。

1)设备互检。不失一般性，假设n个顺时针等间距排布的设备，根据相关测风数据处理标准GB/T18710-2002和NB T31147-2018可知任意设备i，j(n>＝j>i>＝1)的10分钟平均风速差值，在相同航向角下的测量结果差不应大于2m/s。

其中，

是设备i、j,在同一航向角处测得10分钟平均风速值。

多设备交叉检验的情况下，当某两个设备相互间出现违反标准的情形时，剩余设备对上述两设备进行交叉检验以确定出现故障设备的设备号。

2)测量结果连续无变化时间。

水平来流风速连续无变化时间小于6小时

上式

为来流风速向量；

为在水平方向上分量的模。

风机偏航误差连续无变化时间小于6小时

风力机入流角连续无变化时间小于6小时

设备级状态监测主要包括一小时内风速变换值、测量结果连续无变化时间、有效数据完整率和测量风速范围四个方面。

1)任意设备i,在航向角φ测得的风速数据，一小时内的变化量不应超过6m/s。

其中，

是设备i,在给定航向角φ处，1小时内测风数据的最大值和最小值。

2)任意设备i,其测量结果连续无变化时间不应超过6小时。即

Δv_i(t)＝v_i(t)-v_i(t-1)＝0

持续时间应小于6小时。

3)任意设备i，在给定测量时间段内，有效数据完整率应大于90％

有效数据完整率

＝(实测数据条数-无效数据数目)/(测量时间段

*采样频率)>0.9

其中无效数据数目由GB/T18710-2002和NB T31147-2018作为判定依据。

4)根据设备安装地气象站数据，利用下式给出当地多年空气声速的取值范围。当任意超声风速计测量声速该范围时给出风速仪故障警报。

当设备出现违反上述要求的情况时，状态监测模块立即再显示设备上给出违反的类型和违反情况的警报信息。

涉及状态监测的系统测量流程图参图6所示。

4、在线测量

下面以四空速传感器对称安装情况为例说明在线测量步骤。

参图7、图8、图9所示，图7中，x_n,y_n,z_n,表示风力机的机舱坐标系；γ表示来流相对于风力机的偏航误差；

表示风力机的来流风的速度向量；图8中x_s,y_s,z_s,表示风力机的主轴坐标系；x_n,y_n,z_n,表示风力机的机舱坐标系；β表示来流相对于风力机的入流角；

表示风力机的来流风的速度向量。图9中x_s,y_s，表示风力机的主轴坐标系；α表示来流风向量在x_soy_s平面投影同主轴坐标系x_s轴的夹角；

表示风力机的来流风的速度向量。

在任意测量时刻，空速传感器利用超声振荡技术，获得图3所示的安装位置处的声速测量值

其中U为来流风速，k为校正系数，包括安装位置不准确带来的偏差部分，k所代表的偏差在工作点附近可视为常数。

利用陀螺仪测得的风轮当前旋转位置角度φ，可以求得来流相对于风力机的偏航误差(图7中γ)为：

式中，γ为风力机的偏航误差；α是来流同x_s轴夹角，参见图9；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角，参见图4；δ为主轴安装倾角。

风力机的入流角(图8中β)为：

以及，水平来流风速(图7和图8中来流风速向量

在水平方向分量的模)的值为：

其中参数k可通过实际安装后的参数标定结果设定。

本实施例提供的设备与方法能够有效的解决现有技术中无法在不影响翼型效率情况下在线测量风轮前风速及安装精度要求高等一系列问题。其次，现有技术无法实现安装不精确或对多年运行工况累积误差的在线矫正，缺乏在线校正和容错能力。本发明专利通过系统的容错和校正组件，实现了降低安装精度的要求以及降低寿命期内发生故障的可能。此外，相较已有技术，本系统对工况下声速的在线标定功能使得本系统对于海上风电等多种应用场景具有更广阔的应用空间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种风力机风轮前风速超声测量系统，其特征在于，包括安装于轮毂罩内的数据采集模块，以及安装于机舱内的数据采集处理机；

所述数据采集模块由空速传感器及陀螺仪构成，所述陀螺仪集成于所述空速传感器底座之上；安装四个空速传感器，所述空速传感器对称安装于轮毂罩上；所述空速传感器用于以设定频率测量所在位置处y方向的空速测量值；所述陀螺仪用于测量轮毂当前旋转位置同初始安装位置的偏差角度；

所述数据采集处理机集成有温湿度传感器、气压传感器、数据采集卡、数据处理和分析模块；所述数据采集卡通过数据线与所述空速传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气压传感器连接，用于将采集的数据传输至数据处理和分析模块进行数据处理及分析；

所述数据处理和分析模块包括：

工况声速标定模块，用于基于声速与气压关系函数得到的运行工况下的声速计算公式，对系统实际运行工况下空气中的声速进行在线标定；

参数校正模块，用于根据数据采集模块安装位置处数据采集模块同轮毂罩的位置关系计算得到安装偏差矫正后的真实值，供数据采集模块的安装矫正及运行工况累积误差的在线矫正；

状态监测模块，用于系统级状态监测及设备级状态监测，所述系统级状态监测用于监测数据采集模块安装方向和安装偏差的值是否超过给定阈值，以防止数据采集模块偏离工作点太大造成测量结果不可信的结果；所述设备级状态监测用于利用测量结果连续性的特点，对检测点处不同数据采集模块的测量结果进行比较，以防止测量结果漂移；

在线测量模块，用于基于采集的数据和设备安装的位置关系数据解算影响风机运行效果的相关参数；所述相关参数包括水平来流风速、偏航误差和入流角；

所述运行工况下的声速计算公式为：

式中，c为运行工况下的声速；T为空气的绝对温度；ξ为空气的定压比热与定容比热之比；ψ为空气密度同空气相对湿度；P_s为饱和水蒸气分压力；P为气压传感器测量的气压值；

所述安装偏差矫正后的真实值的计算公式为：

式中，

为安装偏差矫正后的真实值；

是数据采集模块i在

方向的测量值，

定义为数据采集模块i(i∈{1,…,n})坐标系的x,y轴；ω为风轮转动的恒定角速度；R为数据采集模块安装点与轮毂罩对称轴的距离；

所述系统级监测用于数据采集模块间相互检验；所述设备级状态监测包括一小时内风速变换值、测量结果连续无变化时间、有效数据完整率和测量风速范围；

所述偏航误差计算公式为：

式中，γ为风力机的偏航误差；α是来流同x_s轴夹角；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角；δ为主轴安装倾角；

所述入流角的计算公式为：

式中，β为风力机的入流角；α是来流同x_s轴夹角；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角；δ为主轴安装倾角；

所述水平来流风速的计算公式为：

式中，

为来流在水平方向分量风速值；

为安装偏差矫正后的测量值；n为安装测风设备总数；k为可调参数；α是来流同x_s轴夹角；φ为风轮航向角；θ为来流在z_soy_s平面投影同z′_s轴夹角；δ为主轴安装倾角；

其中，四个空速传感器安装位置处的声速测量值

的公式如下：

式中，U为来流风速。

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