CN114207278B - 叶片传感器配置 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定风力涡轮机上的风力传感器的相对位置的方法，该方法包括：从至少两个风力传感器中的各风力传感器获得风力数据，所述至少两个风力传感器是在气流受风力涡轮机的转子影响的位置处安装在所述风力涡轮机上的，所述获得的步骤是在所述转子正在旋转的同时发生的；识别来自所述风力传感器中的各风力传感器的风力数据中的振荡；确定所述振荡之间的相位差或振幅差；以及基于所述相位差或振幅差来确定所述风力传感器的相对位置。

Description

叶片传感器配置
技术领域
本发明涉及用于配置安装在风力涡轮机上的风力传感器的方法以及包括用于执行这种方法的控制系统的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机可以具有安装在其上以便确定该涡轮机的位置处的风的特性如风速和风向的多个风力传感器。涡轮机上还可安装多个传感器，以便提供冗余或错误检查。然而，当这些传感器被安装在涡轮机上时，它们可能被误配置，使得不能确定哪些测量是由哪些传感器进行的或者哪些测量可能归因于错误的传感器。这可导致获得错误的测量结果，并且在传感器故障的情况下，替换错误的传感器。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于确定风力涡轮机上的风力传感器的相对位置的方法，该方法包括：从至少两个风力传感器中的各风力传感器获得风力数据，所述至少两个风力传感器是在气流受风力涡轮机的转子影响的位置处安装在所述风力涡轮机上的，所述获得的步骤是在所述转子正在旋转的同时发生的；识别来自所述风力传感器中的各风力传感器的风力数据中的振荡；确定所述振荡之间的相位差或振幅差；以及基于所述相位差或振幅差来确定所述风力传感器的相对位置。
所述方法建立在发明人的这样的认识的基础上，由风力传感器收集的数据可能受风力涡轮机叶片在传感器附近的运动的影响并且风力涡轮机叶片对传感器的影响可能与风力涡轮机叶片与风力传感器之间的相对位置有关。因此，本发明提供了一种用于确定风力涡轮机上的风力传感器的配置是否正确并且用于确定多个风力涡轮机传感器的真实世界相对位置的手段。
各风力数据可以包括与风力涡轮机转子方位角相关联的风力特性值。
所述振荡可以是关于所关联的风力涡轮机转子方位角的风力特性值中的振荡。
所述获得的步骤可以包括针对多次风力涡轮机转子旋转来获得风力数据，并且将所述数据分区到转子方位角的区间中。
所述方法还可以包括：获得各区间的平均风力特性值，并且确定相位差或振幅差的步骤可以是确定所述区间的平均风力特性值的振荡之间的相位差或振幅差。
所述方法还可以包括：获得一区间内的风力特性值的标准偏差，并且确定相对位置的步骤可以发生在标准偏差已经减小到预定阈值以下之后。
所述区间可以在仅360度/N的范围内延伸，其中，N是风力涡轮机的转子上的叶片的数量。
所述方法还可以包括：将来自所述传感器中的各传感器的风力数据拟合至相应的正弦波。
所述至少两个传感器可以安装在相应的已知传感器位置中，并且确定相对位置的步骤可以包括确定哪个风力传感器安装在哪个传感器位置中。
所述传感器可以在垂直于风力涡轮机叶片转子的旋转轴线的方向上间隔开。
所述风力传感器可以被布置成测量风向，并且所述风力数据可以包括风向值。
所述风力传感器可以被布置成测量风速，并且所述风力数据可以包括风速值。
所述方法还可以包括：处理所述风力数据以确定所述风力数据的导数，并且确定的步骤可以是至少部分地基于所述导数的。
所述导数可以是关于时间或关于转子方位角来确定的。
根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：至少两个风力传感器；转子；以及被布置成执行根据第一方面的方法的控制系统。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了风力涡轮机；
图2示出了风力涡轮机的顶部部分的放大视图；
图3a示出了第一风力涡轮机的平面图；
图3b示出了第二风力涡轮机的平面图；
图4a示出了从第一风力涡轮机获得的数据；
图4b示出了从第二风力涡轮机获得的数据；
图5a示出了用于风力涡轮机的控制系统；以及
图5b示出了不同地布置的用于风力涡轮机的控制系统。
具体实施方式
本说明书中定义的风力数据是包括风力的特性(诸如风速或风向)的任何信息。
风力传感器是用于对风力进行测量的传感器，诸如用于对风速或风向进行测量的传感器。风速计或风向标可以被认为是风力传感器，如同超声波风力传感器。
所使用的风力传感器可以是对风速和风向两者进行测量的超声波传感器。传感器可每0.1秒或以10赫兹的速率对风速进行采样。
如本说明书中所定义的分区是将数据收集成数据组(称为区间)。例如，通过收集具有相似风力涡轮机方位角的数据点，数据可以按风力涡轮机转子方位角来进行分区。作为更具体的示例，具有0°与5°之间的风力涡轮机方位角的所有数据点可以被收集到单个区间中并且可以使它们的值被平均，从而给出针对风力特性值和/或针对风力涡轮机转子方位角的区间的平均值。
图1示出了水平轴线风力涡轮机，风力传感器可以安装在该水平轴线风力涡轮机上。风力涡轮机10具有塔架12以及处在塔架12的顶部处的机舱14。风力涡轮机转子16连接至机舱14并且被布置成相对于机舱14绕水平轴线旋转。风力涡轮机转子16包括风力涡轮机轮毂18以及从轮毂18延伸的多个风力涡轮机叶片20。尽管示出了具有三个风力涡轮机叶片20的风力涡轮机转子16，但是可以使用不同数量的叶片，诸如两个或四个。
两个或更多个风力传感器可以被安装在风力涡轮机10的机舱14上，如图2所示。图2还示出了涡流V如何从风力涡轮机叶片20流出以及如何向下游传播，由此影响第一风力传感器22和第二风力传感器24周围的空气。随着机舱14绕竖直轴线旋转而使得风力涡轮机转子16面向盛行风，涡流V可随盛行风从风力涡轮机转子16行进经过第一风力传感器22和第二风力传感器24。
随着风力涡轮机转子16旋转，各风力涡轮机叶片20将在第一风力传感器22和第二风力传感器24的前方通过，并且从各风力涡轮机叶片20流出的各涡流V可能会撞击在第一风力传感器22和第二风力传感器24上，从而改变这些传感器的读数。
风力涡轮机转子16的旋转方向可以是操作者已知的，并且风力涡轮机转子16可以在从前方观察时的顺时针方向上旋转。
第一风力传感器22和第二风力传感器24各自可以通过检测它们周围的空气的移动速度或移动方向来获得风力数据。然后可以将该数据传输至控制系统。
同时，转子位置传感器可以感测风力涡轮机转子16的位置并且获得转子位置数据(例如转子方位角)并且可以将这个转子位置数据传输至中央控制系统。来自各传感器的风力数据可以由此与对应的转子位置数据相关联。
通过对时间或转子方位角绘制风力数据，或通过以其他方式比较风力数据，可看到风力数据中的振荡，并且此类振荡可具有正弦质量。可以确定该数据的振荡中的相位差或振幅差，并且根据这个差可以确定从其获得风力数据的风力传感器相对于风力涡轮机转子的相对位置的差。
当将正弦波拟合至风力数据时，正弦波就转子方位角而言的周期可以是已知的，这是因为叶片的数量是已知的，并且因此仅必须确定波的振幅和相位。可替代地，如果转子的旋转速度是已知的，则就时间而言的周期可以是已知的。
为了节省计算和时间，可仅在数据的标准偏差已减小到预定阈值以下之后执行正弦波的拟合。可替代地，可以拟合测试正弦波并且可以评估该测试正弦波与所测量的信号之间的拟合紧密度以便确定这些测量的稳定性。
图3a和图3b示出了第一风力传感器22和第二风力传感器24在机舱14上的两种可能的布置，并且图4a和图4b示出了说明可能由对应的传感器布置获得的数据的相应风力数据曲线图。
首先看图3a中的布置和图4a中所示的相应数据，第一风力传感器22和第二风力传感器24可以在垂直于风力涡轮机转子16绕其旋转的轴线A的方向上间隔开。在风力涡轮机转子16在顺时针方向上旋转的示例中，风力涡轮机叶片20将首先在第一风力传感器22的前方并且然后在第二风力传感器24的前方经过。因此，各涡流V将首先经过第一风力传感器22然后再经过第二风力传感器24。
第一风力传感器22可以获得第一风力数据并且第二风力传感器24可以获得第二风力数据。
图4a示出了从相应传感器获得的第一风力数据和第二风力数据可以如何随着图3a中所示的布置的转子位置而变化。Y轴示出了归一化的风力特性，如归一化的风速、归一化的风向、或风速或风向的归一化导数，并且X轴示出了以度为单位的转子方位角。用虚线102绘制第一风力数据，并且用实线104绘制第二风力数据。
尽管示出了精确的正弦波，但从传感器获得的数据可偏离精确的正弦波。在一些方法中，可能存在针对每个风力特性值绘制的点，并且正弦波可以是通过这些点的最佳拟合线。可替代地，对于各数据集可每5°仅绘制一个点，这是因为数据可被分区并被平均到5°的区间中。
在这两种情况下，可以制定测试正弦波并且可以针对拟合至数据的紧密度来评估该测试正弦波。如果拟合是足够接近的，则可以继续确定风力传感器的配置的方法，否则可以收集更多数据并且可以制定新的测试正弦波。可以使用最小二乘法来确定拟合紧密度。
当数据被分区并被平均时，可确定各区间中的数据的标准偏差或方差，并且当标准偏差或方差低于所需阈值时，可绘制正弦波。
对于三叶片风力涡轮机而言，正弦波可被固定为具有120°的周期，从而减少制定正弦波所需要的计算量。数据还可以被归一化，从而使得存在平均风力特性值0，这意味着针对正弦波的唯一变量可以是相位和振幅。
由于各风力涡轮机叶片20在它们经过第二风力传感器24的前方之前经过第一风力传感器22的前方，所以第一风力数据102的风力特性中由于涡流V引起的振荡可能会与第二风力数据104的振荡展现出相位差。将看到，第一风力数据可领先于第二风力数据，或者可注意到第二风力数据可滞后于第一风力数据。通过确定从两个传感器获得的数据中的振荡之间的相位差，可以确定风力涡轮机叶片20必须在它们经过第二风力传感器24的前方之前经过第一风力传感器22的前方，并且因此可以确定这两个传感器的相对位置。在一些示例中，可以把相位差的幅值与第一风力传感器22和第二风力传感器24之间的距离的幅值联系起来。
根据相位差以及风力涡轮机转子16在顺时针方向上旋转的事实，可以确定第一风力传感器22相对于第二风力传感器24而言被定位在逆时针方向上。
转到图3b中所示的布置，这示出了在沿风力涡轮机转子16的旋转轴线A的方向上间隔开的第一风力传感器22和第二风力传感器24。可以在不同的阶段检测影响第一风力传感器22和第二风力传感器24的涡流V，因为涡流V可由盛行风承载并且因此可以在它们影响第二风力传感器24之前影响第一风力传感器22，这是因为第一风力传感器22可以被定位成比第二风力传感器24更靠近风力涡轮机转子16。这些涡流V还可以随着它们向下游传播而消散并且因此由第一风力传感器22测量的风力特性的振荡的振幅可大于由第二风力传感器24测量的风力特性的振荡。
因此，从第一风力传感器22和第二风力传感器24获得的风力数据可以如图4b中所示出的。在图4b中，从第一风力传感器22获得的第一风力数据由虚线112示出，并且比从第二风力传感器24获得的第二风力数据(由实线114示出)具有更大的振荡振幅。来自第一风力数据和第二风力数据的振荡之间的相位差还示出了第一风力数据中的振荡领先于第二风力数据中的振荡。
因为第一风力数据比第二风力数据具有更大振幅的振荡，所以可以确定第一风力传感器22被定位成比第二风力传感器24更靠近风力涡轮机转子16。这也可以根据振荡之间的相位差来确定。
如从图4a和图4b可见，因为风力涡轮机转子16具有三个风力涡轮机叶片20，所以对于风力涡轮机转子16的每次旋转，振荡重复三次。这种效应可以通过获得包括风力特性和与所测量的风力特性相关联的转子方位角的风力数据来利用。转子方位角可以除以3或者以其他方式处理，使得其在跨越120°的方位角范围内。由此，可以将来自由于各风力涡轮机叶片20而引起的涡流V的数据组合，因此使数据的密度增加三倍并且允许在较短时间内以良好水平的稳定性(即，低标准偏差)获得风力数据。还将理解的是，可以对具有不同数量的叶片的风力涡轮机转子执行类似的方法。
为了进一步提高数据的稳定性，风力数据可以被分区到转子位置区间中，例如，覆盖5度转子位置的区间。然后可以将这些区间取平均值，使得有待绘制的所得数据对于每5度的转子位置仅包含一个数据点，该数据点是相关区间的平均值。
虽然上述风力数据可以是风速数据或风向数据，但也可以使用风速的导数和风向的导数。导数可以通过计算测量结果与时间上相邻的测量结果之间的差来确定。通过使用像这样的瞬时导数，这些数据可以更好地反映由于风力涡轮机叶片的存在而引起的风力特性的变化，这与检测盛行风中的波动相反。
在该方法中，可以仅使用所获得的风力数据的一部分来确定这些风力传感器的相对位置。例如，第一风力传感器22和第二风力传感器24可以测量风速和风向，并且这两个特性可以被存储并被用于分析，但可以是仅风向数据或其导数被用于确定第一风力传感器22和第二风力传感器24的相对位置。
上述方法可以由控制系统实施，例如图5a和图5b中示出的那些控制系统。
图5a示出了包括控制系统202的风力涡轮机系统200，该控制系统202具有第一端口204和第二端口206，这些端口各被布置成从风力传感器接收数据。在图5a中，第一风力传感器22连接到第一端口204并且第二风力传感器24连接到第二端口206。控制系统202还可以被配置成从风力涡轮机位置传感器208接收数据。控制系统202可以将从对应的第一风力传感器22和第二风力传感器24接收的风力数据与从风力涡轮机转子位置传感器208接收的同期风力涡轮机转子方位角相关联。然后，控制系统202可以执行上述方法中的任一种，以便确定第一风力传感器22和第二风力传感器24的相对位置。
图5b示出了不正确安装的风力涡轮机系统200。第一风力传感器22连接至第二端口206并且第二风力传感器24连接至第一端口204。
在没有以上描述的方法的情况下，图5a和图5b之间的布置上的差异对于从风力传感器接收数据的操作者而言不一定是可感知的，并且因此在故障的情况下可能会替换错误的风力传感器或者可能会将错误的校正函数应用于错误的风力传感器。例如，校正函数可将给定传感器在给定传感器位置处测得的风力参数转换成转子前方的自由流风。
尽管上文已参考一个或更多个优选实施方式描述了本发明，但应了解，在不脱离如所附权利要求书界定的本发明的范围的情况下，可作出不同改变或修改。

Claims (14)

1.一种用于确定风力涡轮机上的风力传感器的相对位置的方法，该方法包括：
从至少两个风力传感器中的各风力传感器获得风力数据，所述至少两个风力传感器是在气流受风力涡轮机的转子影响的位置处安装在所述风力涡轮机上的，所述获得的步骤是在所述转子正在旋转的同时发生的，
识别来自所述风力传感器中的各风力传感器的风力数据中的振荡，
确定所述振荡之间的相位差或振幅差，以及
基于所述相位差或振幅差来确定所述风力传感器的相对位置，
其中，所述至少两个传感器被安装在相应的已知传感器位置中，并且其中，确定相对位置的步骤包括确定哪个风力传感器安装在所述已知传感器位置中的哪个传感器位置中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，各风力数据包括与风力涡轮机转子方位角相关联的风力特性值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述振荡是关于所关联的风力涡轮机转子方位角的所述风力特性值中的振荡。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述获得的步骤包括：针对多次风力涡轮机转子旋转来获得风力数据，并且将所述数据分区到转子方位角的区间中。
5.根据权利要求4所述的方法，该方法还包括：获得各区间的平均风力特性值，并且其中，确定所述相位差或振幅差的步骤是确定所述区间的所述平均风力特性值的振荡之间的相位差。
6.根据权利要求4或5所述的方法，该方法还包括：获得一区间内的风力特性值的标准偏差，并且其中，确定所述相对位置的步骤发生在所述标准偏差已经减小到预定阈值以下之后。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述区间在仅360°/N的范围内延伸，其中，N是所述风力涡轮机的转子上的叶片的数量。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，该方法还包括：将来自所述传感器中的各传感器的所述风力数据拟合至相应的正弦波。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述传感器在垂直于风力涡轮机叶片转子的旋转轴线的方向上间隔开。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述风力传感器被布置成测量风向，并且其中，所述风力数据包括风向值。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述风力传感器被布置成测量风速，并且其中，所述风力数据包括风速值。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，该方法还包括：处理所述风力数据以确定所述风力数据的导数，并且其中，确定的步骤是至少部分地基于所述导数的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导数是关于时间来确定的。
14.一种风力涡轮机，该风力涡轮机包括：
至少两个风力传感器，
转子；以及
控制系统，该控制系统被布置成执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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