CN115199470A - 用于确定风力涡轮的偏航航向的方法和系统 - Google Patents

用于确定风力涡轮的偏航航向的方法和系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的方法和相关联的系统，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括在塔架的顶部处的机头和转子。该方法包括在相对于机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器。确定风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置，以及漫游器接收器相对于机舱中心线轴线的角偏移(β 漫游器)。基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 479813DEST_PATH_IMAGE001
)。根据角度(
Figure 166010DEST_PATH_IMAGE001
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)。

Description

用于确定风力涡轮的偏航航向的方法和系统
技术领域
本主题大体上涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于准确地确定风力涡轮毂的偏航航向(yaw heading)的方法和系统。
背景技术
风电被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能量源之一，并且风力涡轮在这方面已得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理从风捕获动能，并且通过旋转能来传递动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被部署到公用电网。
偏航航向是针对风力涡轮的关键操作参数，并且是对于参考盛行风向、解决在纵向或横向方向上的加载条件以及对于电缆的卷绕跟踪(wind-up tracking)所必需的。
全球导航卫星系统(GNSS)感测方法是已知的并且被实践用于使用带有方位跟踪天线的两个GNSS漫游器传感器提供偏航航向。通过每个传感器的独立跟踪能力，每个传感器之间的航向矢量能够被确定并与偏航航向相关联。
用于偏航跟踪的其它传统方法包括使用偏航驱动马达上的编码器和磁强计传感器。
传统的偏航确定方法要么缺乏准确性和精度(编码器和磁强计传感器)，要么要求使用增加系统成本和复杂性的额外传感器(两个GNSS漫游器传感器)。
此外，由于毂尺寸和高度随着风力涡轮的尺寸和容量而持续增加，支撑毂的钢塔架成为越来越重要的部件。诸如塔架基部的沉降(settling)、凸缘部件的松弛、塔架部段的移位或结构负载、操作加载、环境加载和其它变量的条件都会影响塔架的完整性和寿命。随着时间的推移，监测和跟踪塔架上的反作用负载对于管理/控制操作参数和维护实践以确保塔架的完整性和寿命是重要的。此外，监测和跟踪塔架的偏转对于机械负载和功率捕获的操作控制是有用的工具。
在无负载或空载状态期间塔架的顶部起到中立枢轴点的作用，所述枢轴点是机舱(包括机头和转子)围绕其旋转的塔架顶部的无偏转方位。随着时间的推移，上面提到的影响塔架的负载和其它条件可能导致该枢轴点以前后、左右或扭转的方式偏转。枢轴点中的长时间变化(其可能是永久偏转)是塔架结构和/或基础随时间变化的指示。枢轴点中的短时间变化是来自转子和/或传动系负载的塔架的振荡运动的指示。
将期望的是，准确地建立针对塔架顶部枢轴点的已知的地理参考方位并跟踪该方位随时间的变化。该信息对于监测钢结构和塔架基础的完整性以及控制和管理可能生成摇摆并降低塔架和其它风力涡轮部件的寿命的结构和操作负载将是有用的。建模方法可利用塔架顶部枢轴点的偏转而被应用于确定塔架顶部的前/后和左右偏转以及相关联的反作用负载。
本发明解决了常规系统的某些缺点，并提供了一种用于通过确定塔架顶部的虚拟中心(塔架顶部枢轴点)和通过利用单个GNSS传感器来确定偏航航向的高度准确的方法和系统，该方法和系统比传统的双传感器GNSS系统更不复杂。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
根据本发明的方面，提供了一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的方法，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括位于塔架的顶部处的机头和转子。该方法包括在相对于机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器，以便与机舱一起移动/旋转(“偏航”)。确定风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)以及漫游器接收器相对于机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)。基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 759242DEST_PATH_IMAGE001
)。该方法根据角矢量(
Figure 489300DEST_PATH_IMAGE001
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)。
术语“地理位置”在本文中用来包括固定地理网格上的坐标，诸如全球网格的纬度和经度坐标。
在特定实施例中，通过进行机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在偏航扫描期间由漫游器接收器接收的地理位置信号来确定TPP的GNSS地理位置。经由控制器，地理位置信号被转换成圆廓图(circular plot)并确定圆廓图的半径(r)，该半径(r)是漫游器接收器和TPP之间的距离。基于漫游器接收器的GNSS地理位置和半径(r)，控制器确定TPP的GNSS地理位置。
漫游器接收器可位于机舱上或附接到机舱的构件上的任何期望方位处。例如，漫游器可位于机舱的顶部和后端处的臂上，该臂在距机舱的中心线轴线的预定固定距离(x)处延伸。基于TPP沿着中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)计算TPP沿着中心线轴线的GNSS地理位置。然后，可基于β 漫游器= sin−1 (x⁄r)的关系来确定漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)，并且基于以下关系来确定偏航航向(θ 航向)：θ 航向 = (角矢量(
Figure 689337DEST_PATH_IMAGE001
)) - (β 漫游器)。
在实施例中，漫游器接收器与向漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，基于直接供应到漫游器的固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定漫游器相对于基站的GNSS地理位置。
偏航扫描可包括多次360度偏航扫描，该多次360度偏航扫描具有在正方向上的至少一次偏航扫描和在相反的负方向上的至少一次偏航扫描。这些偏航扫描可在低风速期间进行，以便使在偏航扫描期间可导致塔架的偏转的瞬时风负载最小化。
各种环境和结构加载因素可诱发塔架的暂时或永久变形，并且该方法在确定偏航扫描的半径(和因此TPP的地理位置)时可能需要考虑这些变形。例如，可应用塔架变形校正因子来校正由转子和机舱相对于塔架的竖直轴线的重量悬伸引起的塔架变形。可应用另一个塔架变形校正因子来校正由塔架的曝光侧和背阴侧之间的温差引起的热塔架变形。还可应用又一个塔架变形校正因子来校正由施加在塔架或机舱上的瞬时负载(诸如风负载)导致的塔架变形。可应用考虑重量悬伸变形、热变形和负载变形的总塔架变形校正因子。
该方法还可包括在固定时间段内多次确定TPP的地理位置以及确定在该时间段内TPP的总轨迹或位移矢量。总轨迹或位移矢量可用于以下一者或多者：塔架完整性的确定、塔架寿命预测、负载管理、塔架维护或为了减少塔架变形而在操作和维护程序方面的改变。
本发明还涵盖一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的系统，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括在塔架的顶部处的机头和转子。该系统包括在相对于机舱的固定方位处(例如在机舱上或附接到机舱的构件上)以便与机舱一起移动/旋转(“偏航”)的全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器。控制器与漫游器接收器通信，并配置成执行以下操作：确定塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；确定漫游器接收器相对于机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置；确定TPP和漫游器接收器之间相对于北的角矢量(
Figure 246483DEST_PATH_IMAGE001
)；以及根据角矢量(
Figure 797550DEST_PATH_IMAGE001
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)。
在该系统的各种实施例中，控制器配置成执行上面关于本发明的方法实施例所讨论的功能的任何一个或组合。
在特定实施例中，漫游器接收器位于机舱的顶部和后端处距机舱的中心线轴线预定固定距离(x)，其中，TPP沿着中心线轴线的GNSS地理位置通过控制器基于TPP沿着中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来确定。
在该系统的一个实施例中，漫游器接收器与向漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，控制器配置成基于直接供应到漫游器的固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定漫游器相对于基站的GNSS地理位置。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明将被进一步支持和描述。并入并构成本说明书的一部分的附图图示本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
技术方案1. 一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的方法，所述风力涡轮具有塔架和机舱，所述机舱包括在所述塔架的顶部处的机头和转子，所述方法包括：
在相对于所述机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；
确定所述风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；
确定所述漫游器接收器相对于所述机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；
基于所述TPP的GNSS地理位置和所述漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于所述TPP和所述漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 800141DEST_PATH_IMAGE002
)；和
根据所述角矢量(
Figure 854685DEST_PATH_IMAGE002
)和所述漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算所述偏航航向(θ 航向)。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述TPP的GNSS地理位置通过以下确定：
进行所述机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在所述偏航扫描期间由所述漫游器接收器接收的地理位置信号；
经由控制器，将所述地理位置信号转换成圆廓图并确定所述圆廓图的半径(r)，所述半径(r)是所述漫游器接收器和所述TPP之间的距离；和
基于所述漫游器接收器的GNSS地理位置和所述半径(r)，经由所述控制器确定所述TPP的GNSS地理位置。
技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述漫游器接收器位于所述机舱的顶部和后端处距所述机舱的所述中心线轴线预定固定距离(x)，其中，所述TPP沿着所述中心线轴线的GNSS地理位置基于所述TPP沿着所述中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来计算。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，其中，所述漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)基于β 漫游器= sin−1 (x⁄r)的关系确定，并且所述偏航航向(θ 航向)基于以下关系确定：
θ 航向 = (角矢量(
Figure 550108DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)。
技术方案5. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述漫游器接收器与向所述漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，基于直接供应到所述漫游器的所述固定基站的绝对全球纬度和经度方位确定所述漫游器相对于所述基站的GNSS地理位置。
技术方案6. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述偏航扫描包括多次360度偏航扫描，所述多次360度偏航扫描具有在正方向上的至少一次偏航扫描和在相反的负方向上的至少一次偏航扫描。
技术方案7. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述机舱的多次360度偏航扫描在低风速期间进行，以便使在所述偏航扫描期间可导致所述塔架的偏转的瞬时风负载最小化。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，在确定所述TPP的所述地理位置之前，将塔架变形校正因子应用于来自所述偏航扫描的半径。
技术方案9. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述塔架变形校正因子校正由以下任一项或组合引起的塔架变形：所述机舱相对于所述塔架的竖直轴线的重量悬伸；由所述塔架的侧面之间的温差引起的热塔架变形；或由施加在所述塔架或所述机舱上的瞬时负载导致的塔架变形。
技术方案10. 根据技术方案1所述的方法，还包括在固定时间段内多次确定所述TPP的地理位置以及确定所述TPP的总轨迹或位移矢量。
技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，还包括为了以下中一个或多个的目的而评估所述总轨迹或位移矢量：塔架完整性的确定、塔架寿命预测、负载管理、塔架维护或为了减少塔架变形而在操作和维护程序中的改变。
技术方案12. 一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的系统，所述风力涡轮具有塔架和机舱，所述机舱包括在所述塔架的顶部处的机头和转子，所述系统包括：
在相对于所述机舱的固定方位处的全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；
控制器，其与所述漫游器接收器通信，所述控制器配置成执行以下操作：
确定塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；
确定所述漫游器接收器相对于所述机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；
基于所述TPP的GNSS地理位置和所述漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于所述TPP和所述漫游器接收器之间以北的角矢量(
Figure 57313DEST_PATH_IMAGE002
)；和
根据所述角矢量(
Figure 863595DEST_PATH_IMAGE002
)和所述漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算所述偏航航向(θ 航向)。
技术方案13. 根据技术方案12所述的系统，其中，通过进行所述机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在所述偏航扫描期间由所述漫游器接收器接收的地理位置信号来确定所述TPP的GNSS地理位置，所述控制器配置成将所述地理位置信号转换成圆廓图并确定所述圆廓图的半径(r)，所述半径(r)是所述漫游器接收器和所述TPP之间的距离；以及基于所述漫游器接收器的GNSS地理位置和所述半径(r)，确定所述TPP的GNSS地理位置。
技术方案14. 根据技术方案13所述的系统，其中，所述漫游器接收器位于所述机舱的顶部和后端距所述机舱的中心线轴线预定固定距离(x)，其中，所述TPP沿着所述中心线轴线的GNSS地理位置由所述控制器基于所述TPP沿着所述中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来确定。
技术方案15. 根据技术方案14所述的系统，其中，所述控制器配置成基于β 漫游器=sin−1 (x⁄r)的关系确定所述漫游器接收器的所述角偏移(β 漫游器)，并且基于以下关系确定所述偏航航向(θ 航向)：θ 航向 = (角矢量(
Figure 257798DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)。
技术方案16. 根据技术方案14所述的系统，其中，所述漫游器接收器与向所述漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，所述控制器配置成基于直接供应到所述漫游器的所述固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定所述漫游器相对于所述基站的GNSS地理位置。
技术方案17. 根据技术方案13所述的系统，其中，所述控制器还配置成在确定所述TPP的所述地理位置之前基于以下中的一个或多个将塔架变形校正因子应用于所述半径：所述机舱相对于所述塔架的竖直轴线的重量悬伸；由所述塔架的侧面之间的温差引起的热塔架变形；以及由施加在所述塔架或机舱上的瞬时负载导致的塔架变形。
技术方案18. 根据技术方案13所述的系统，其中，所述控制器还配置成评估所述TPP随时间的总轨迹或位移矢量并且基于所述评估实施针对所述风力涡轮的一个或多个校正动作。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且能够实现的公开内容，包括其最佳模式，在附图中：
图1图示配置有根据本发明的系统和方法的风力涡轮的一个实施例的透视图；
图2是配置有单个传感器以执行本发明的方法实施例的机舱的图解视图；
图3是描绘根据本发明的实施例的方法步骤的图解视图；
图4是描绘根据本发明的实施例的另外的方法步骤的图解视图；
图5是描绘根据本发明的实施例的又一些方法步骤的图解视图；
图6是描绘根据本发明的实施例的更多方法步骤的图解视图；和
图7是描绘根据本发明的实施例的又其他的方法步骤的图解视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被图示。每个示例通过解释本发明、而非限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的部分被图示或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生又一另外的实施例。因此，旨在本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这种修改和变型及其等同物。
一般地，本主题涉及一种用于使用单个GNSS传感器结合跟踪风力涡轮塔架的顶部的枢轴点的地理位置来确定风力涡轮毂的偏航航向的方法和相关联的系统，其中，枢轴点基本上是机舱(包括机头和转子)围绕其旋转的塔架顶部的中性无偏转方位。如本文中所述，塔架顶部枢轴点(TPP)的位置和偏转还提供有价值的信息，用于分析和校正塔架的永久和瞬态变形。
现在参考附图，图1图示了配置有根据本公开的用于实践各种方法的系统58的风力涡轮10的一个实施例的透视图。如图所示，风力涡轮10大体上包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14以及联接到机舱14的转子16。转子16包括可旋转的毂18和至少一个转子叶片20，转子叶片20联接到毂18并从毂18向外延伸。例如，在图示实施例中，转子16包括三个转子叶片20。然而，在备选实施例中，转子16可包括多于或少于三个转子叶片20。每个转子叶片20可围绕毂18间隔开，以有利于旋转转子16，从而使动能能够从风能转换成可用的机械能，并随后转换成电能。例如，毂18可旋转地联接到定位在机舱14内的发电机，以允许产生电能。
出于本公开的目的，术语“机舱”在本文中用来包括位于机舱壳体内的机头部件(例如，传动系部件、发电机等)和毂18部件。
参考图1和图2，全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器24安装在机舱14上的固定的预定方位处。漫游器接收器24与控制器66直接或间接通信。在所描绘的实施例中，漫游器接收器24还与固定基站40通信，如下文更详细地描述的。控制器66可为与单个风力涡轮10相关联的本地控制器、与风电场内的多个风力涡轮10相关联的场级控制器、或者位于例如远程控制/监测设施中的远程控制器。控制器66配置成执行如下面更详细地描述的各种过程，用于确定风力涡轮塔架12的TPP 22的地理位置和毂18的偏航航向。
GNSS系统可利用任何可用的基于卫星的定位系统，诸如GPS、GLONASS、伽利略、NavIC和北斗。在某些实施例中，GNSS系统还可采用实时运动学(RTK)技术来增强从GNSS系统导出的方位数据的精度。RTK技术是本领域技术人员已知的。一般地，卫星导航接收器(漫游器接收器24)与卫星之间的距离可从信号从卫星传播到接收器所需的时间来计算。所得到的距离测量结果的准确性取决于接收器准确地处理来自卫星的信号的能力以及额外的误差源，诸如未减轻的电离层和对流层延迟误差、多径误差、卫星时钟误差和星历误差等。
RTK技术使用卫星信号的载波作为其信号。RTK使用固定基站40和漫游器24向漫游器接收器24发送校正数据并减小漫游器的方位误差。基站40重新广播其观察到的载波的相位，并且漫游器24将其自身的相位测量结果与从基站接收到的相位进行比较。这允许漫游器接收器24以高准确度(典型地在几毫米内)计算其相对于基站40的相对方位。因此，漫游器接收器24的地理位置的准确性与基站40的计算方位基本上相同。实质上，基站40位于已知的勘测位置(基准方位)处，并且漫游器接收器24相对于基站40采取固定。
如所提及的，备选地，漫游器的地理位置可基于从(多个)GNSS卫星直接提供给漫游器的绝对全球纬度和经度方位。
参考图2和图4，漫游器接收器24可位于机舱上、附接到机舱的构件上或者相对于机舱固定以便与机舱一起移动/旋转(“偏航”)的任何其它结构上的任何期望位置处，例如在构件(例如，和臂)上的机舱14的顶部和后端处。漫游器接收器在距机舱的中心线轴线38的预定的固定距离32(“x”)处延伸。漫游器接收器24可安装成从机舱14的侧面向外延伸，如图中所描绘。为了基于漫游器接收器24的GNSS地理位置来确定TPP 22的地理位置，合理地假设TPP 22位于机舱14的中心线38上(或在可接受的裕度内)。
参考图2至图4，各种方法实施例包括进行机舱14的一次或多次部分或完整360度偏航扫描28并记录在偏航扫描28期间由漫游器接收器24接收的地理位置信号。如图3中所描绘，偏航扫描可包括多次360度偏航扫描28，其具有在正方向上的一次或多次偏航扫描28和在相反的负方向上的一次或多次偏航扫描28。备选地，所有偏航扫描可在相同方向上进行。偏航扫描应当在低风速条件下进行。
控制器66将漫游器接收器24的地理位置信号转换成圆廓图30并确定圆廓图的半径“r”36(图3)。该半径36对应于从漫游器接收器24到风力涡轮塔架12的TPP 22的距离。然后，控制器66使用半径36的长度和漫游器接收器24的地理位置来计算TPP 22的地理位置。例如，参考图4，已知漫游器接收器24与机舱14的中心线轴线38的距离“x”32，并且假设TPP位于距“x”32的线距离“y”34处的中心线轴线38上，则使用直角三角形的以下关系来容易地求解“y”34的长度：r2= x2 + y2。在确定“x”和“y”的值的情况下，然后容易地确定TPP 22相对于漫游器接收器24的地理位置的精确地理位置。相对于漫游器接收器24的已知地理位置的纬度和经度变化(x和y)将给出TPP的地理位置。
图6描绘了根据本发明的各方面的毂18的偏航航向(θ 航向)的确定。在确定如上文所讨论的TPP的同时，基于以下关系确定漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)：β 漫游器= sin−1 (x⁄r)。基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器24的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 124123DEST_PATH_IMAGE001
)。该方法根据角矢量(
Figure 649782DEST_PATH_IMAGE001
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)：θ 航向 = (角矢量(
Figure 292379DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)。
在图6中描绘了偏航航向(θ 航向)确定的示例。在左侧的描绘中，相对于北的角矢量(
Figure 587094DEST_PATH_IMAGE001
)被确定为030°，并且角偏移(β 漫游器)被确定为30°。因此，从θ 航向 = (角矢量(
Figure 155478DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)计算出的偏航航向(θ 航向)为：(θ 航向) = 030° - 30° = 000° (北)。
在右侧的描绘中，相对于北的角矢量(
Figure 388008DEST_PATH_IMAGE001
)被确定为060°，并且角偏移(β 漫游器)被确定为30°。因此，从θ 航向 = (角矢量(
Figure 67251DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)计算出的偏航航向(θ 航向)为：(θ 航向) = 060°- 30° = 030°。
参考图7，作用在塔架12上的某些因素可在塔架12中产生永久或瞬时的变形，其可影响偏航扫描28的半径36的初始确定的准确性。例如，机舱14(包括机头部件和毂18)的质心典型地不与机舱14的中心线45对齐，而是朝向毂18悬伸，因而在塔架12上形成永久的力矩臂。当进行偏航扫描28时，塔架可持续地朝向毂18“倾斜”(由图6中的虚线箭头指示)。如果不考虑这个“倾斜”，则偏航扫描29的半径36将减小“倾斜”的量。“倾斜”的程度可根据经验或通过机舱14和塔架12的建模来确定。可计算悬伸塔架变形校正因子44(td(悬伸))并将其应用于偏航扫描28的半径36，以给出校正的半径36。
仍然参考图7，在塔架12的两个侧面之间的温差可导致塔架12的热变形。与塔架的背阴侧相比，由塔架的一侧的日照加热产生的温差可导致受热侧的膨胀和塔架朝向背阴侧的倾斜。热变形的程度可根据经验或通过建模来确定，并被用来计算热塔架变形校正因子46(td(热))，该校正因子应用于偏航扫描28的半径36以给出校正的半径36。
仍然参考图7，由风引起的机舱14上的瞬时负载也可导致塔架12的变形，从而引起塔架远离风的方向倾斜。风负载变形的程度可根据经验或通过建模来确定，并用来计算风塔架变形校正因子50(td(风))，该校正因子应用于偏航扫描28的半径36以给出校正的半径36。
所有变形校正因子44、46和50可组合成总变形因子42，该总变形因子42应用于偏航扫描28的半径36以给出校正的半径36。
参考图5，本方法的实施例还可包括在固定时间段内多次如上所述地确定TPP的地理位置，以及确定在该时间段内TPP的总位移轨迹，其可由矢量表示。多个TPP形成总位移轨迹，该总位移轨迹可组合成被监测时间段内的总位移矢量60，总位移矢量60具有左右分量64和前后分量62。如上文所提及，TPP随时间的位移可指示影响塔架变形的各种因素以及对塔架偏转测量结果的参考。由塔架变形导致的TPP变化可能是基础沉降、地震移动、塔架壳/凸缘松弛、结构早期破坏及其他的结果。根据TPP的移动，可准确地测量和报告由从转子、机头施加到塔架的负载和环境影响导致的塔架的位移。TPP的总位移矢量60或位移轨迹可用于评估/确定各种塔架特性，包括塔架完整性的确定、塔架寿命预测(长寿)、负载管理、塔架维护或为了减少塔架变形而在操作和维护程序中的改变。基于这些特性中的任何一个或多个，该方法包括实施控制动作或程序以抵消对塔架或风力涡轮的整体操作的任何负面影响。
本发明的另外的方面由以下条款的主题提供：
条款1：一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的方法，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括在塔架的顶部处的机头和转子，该方法包括：在相对于机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；确定风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；确定漫游器接收器相对于机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 717937DEST_PATH_IMAGE002
)；和根据角矢量(
Figure 926065DEST_PATH_IMAGE002
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)。
条款2：根据前述条款所述的方法，其中，TPP的GNSS地理位置通过以下确定：进行机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在偏航扫描期间由漫游器接收器接收的地理位置信号；经由控制器，将地理位置信号转换成圆廓图并确定圆廓图的半径(r)，该半径(r)是漫游器接收器和TPP之间的距离；以及基于漫游器接收器的GNSS地理位置和半径(r)，经由控制器确定TPP的GNSS地理位置。
条款3：根据任何前述条款所述的方法，其中，漫游器接收器位于机舱的顶部和后端处距机舱的中心线轴线预定固定距离(x)，其中，TPP沿着中心线轴线的GNSS地理位置基于TPP沿着中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来计算。
条款4：根据任何前述条款所述的方法，其中，基于β 漫游器= sin−1 (x⁄r)的关系确定漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)，并且基于以下关系确定偏航航向(θ 航向)：θ 航向 = (角矢量(
Figure 629578DEST_PATH_IMAGE002
))- (β 漫游器)。
条款5：根据任何前述条款所述的方法，其中，漫游器接收器与向漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，基于直接供应到漫游器的固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定漫游器相对于基站的GNSS地理位置。
条款6：根据任何前述条款所述的方法，其中，偏航扫描包括多次360度偏航扫描，该多次360度偏航扫描具有在正方向上的至少一次偏航扫描和在相反的负方向上的至少一次偏航扫描。
条款7：根据任何前述条款所述的方法，其中，机舱的多次360度偏航扫描在低风速期间进行，以便使在偏航扫描期间可导致塔架的偏转的瞬时风负载最小化。
条款8：根据任何前述条款所述的方法，其中，在确定TPP的地理位置之前，将塔架变形校正因子应用于来自偏航扫描的半径。
条款9：根据任何前述条款所述的方法，其中，塔架变形校正因子校正由以下任一项或组合引起的塔架变形：机舱相对于塔架的竖直轴线的重量悬伸；由塔架的侧面之间的温差引起的热塔架变形；或由施加在塔架或机舱上的瞬时负载导致的塔架变形。
条款10：根据任何前述条款所述的方法，还包括在固定时间段内多次确定TPP的地理位置以及确定在该时间段内TPP的总轨迹或位移矢量。
条款11：根据任何前述条款所述的方法，还包括为了以下中的一个或多个的目的而评估总轨迹或位移矢量：塔架完整性的确定、塔架寿命预测、负载管理、塔架维护或为了减少塔架变形而在操作和维护程序中的改变。
条款12：一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的系统，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括在塔架的顶部处的机头和转子，该系统包括：在相对于机舱的固定方位处的全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；控制器，其与漫游器接收器通信，该控制器配置成执行以下操作：确定塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；确定漫游器接收器相对于机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间以北的角矢量(
Figure 581354DEST_PATH_IMAGE002
)；和根据角矢量(
Figure 585082DEST_PATH_IMAGE002
)和漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算偏航航向(θ 航向)。
条款13：根据任何前述条款所述的系统，其中，通过进行机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在偏航扫描期间由漫游器接收器接收的地理位置信号来确定TPP的GNSS地理位置，控制器配置成将地理位置信号转换成圆廓图并确定圆廓图的半径(r)，该半径(r)是漫游器接收器和TPP之间的距离；以及基于漫游器接收器的GNSS地理位置和半径(r)，确定TPP的GNSS地理位置。
条款14：根据任何前述条款所述的系统，其中，漫游器接收器位于机舱的顶部和后端处距机舱的中心线轴线预定固定距离(x)，其中，TPP沿着中心线轴线的GNSS地理位置由控制器基于TPP沿着中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来确定。
条款15：根据任何前述条款所述的系统，其中，控制器配置成基于β 漫游器= sin−1 (x⁄r)的关系确定漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)，并且基于以下关系确定偏航航向(θ 航向)：θ 航向 = (角矢量(
Figure 760848DEST_PATH_IMAGE002
)) - (β 漫游器)。
条款16：根据任何前述条款所述的系统，其中，漫游器接收器与向漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，控制器配置成基于直接供应到漫游器的固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定漫游器相对于基站的GNSS地理位置。
条款17：根据任何前述条款所述的系统，其中，控制器还配置成在确定TPP的地理位置之前基于以下中的一个或多个将塔架变形校正因子应用于半径：机舱相对于塔架的竖直轴线的重量悬伸；由塔架的侧面之间的温差引起的热塔架变形；以及由施加在塔架或机舱上的瞬时负载导致的塔架变形。
条款18：根据任何前述条款所述的系统，其中，控制器还配置成评估TPP随时间的总轨迹或位移矢量并且基于该评估实施针对风力涡轮的一个或多个校正动作。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其它示例旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ 航向)的方法，所述风力涡轮具有塔架和机舱，所述机舱包括在所述塔架的顶部处的机头和转子，所述方法包括：
在相对于所述机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；
确定所述风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；
确定所述漫游器接收器相对于所述机舱的中心线轴线的角偏移(β 漫游器)；
基于所述TPP的GNSS地理位置和所述漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于所述TPP和所述漫游器接收器之间的线以北的角矢量(
Figure 630657DEST_PATH_IMAGE001
)；和
根据所述角矢量(
Figure 976188DEST_PATH_IMAGE001
)和所述漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)之间的差值计算所述偏航航向(θ 航向)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TPP的GNSS地理位置通过以下确定：
进行所述机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在所述偏航扫描期间由所述漫游器接收器接收的地理位置信号；
经由控制器，将所述地理位置信号转换成圆廓图并确定所述圆廓图的半径(r)，所述半径(r)是所述漫游器接收器和所述TPP之间的距离；和
基于所述漫游器接收器的GNSS地理位置和所述半径(r)，经由所述控制器确定所述TPP的GNSS地理位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述漫游器接收器位于所述机舱的顶部和后端处距所述机舱的所述中心线轴线预定固定距离(x)，其中，所述TPP沿着所述中心线轴线的GNSS地理位置基于所述TPP沿着所述中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来计算。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述漫游器接收器的角偏移(β 漫游器)基于β 漫游器=sin−1 (x⁄r)的关系确定，并且所述偏航航向(θ 航向)基于以下关系确定：
θ 航向 = (角矢量(
Figure 64230DEST_PATH_IMAGE001
)) - (β 漫游器)。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述漫游器接收器与向所述漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，基于直接供应到所述漫游器的所述固定基站的绝对全球纬度和经度方位确定所述漫游器相对于所述基站的GNSS地理位置。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，所述偏航扫描包括多次360度偏航扫描，所述多次360度偏航扫描具有在正方向上的至少一次偏航扫描和在相反的负方向上的至少一次偏航扫描。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述机舱的多次360度偏航扫描在低风速期间进行，以便使在所述偏航扫描期间可导致所述塔架的偏转的瞬时风负载最小化。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定所述TPP的所述地理位置之前，将塔架变形校正因子应用于来自所述偏航扫描的半径。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述塔架变形校正因子校正由以下任一项或组合引起的塔架变形：所述机舱相对于所述塔架的竖直轴线的重量悬伸；由所述塔架的侧面之间的温差引起的热塔架变形；或由施加在所述塔架或所述机舱上的瞬时负载导致的塔架变形。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在固定时间段内多次确定所述TPP的地理位置以及确定所述TPP的总轨迹或位移矢量。
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