專利名稱：使用葉片信號的風傳感器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于風力渦輪機中的風速場測量系統，更具體來說，涉及一種用 于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場測量系統。本發明還涉及測 量具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場的方法以及相關的風力渦 輪機和渦輪機控制系統。
背景技術：
現代的風力渦輪機大多數都專門使用這樣的葉片，S卩，所述葉片是可圍繞它們的 縱軸線變槳的以調節葉片的迎角，因此調節葉片的提升力和阻力。連接到轉子的所有葉片 之間的共同的變槳運動用來調節從風得到的空氣動力，而單獨的變槳控制主要用來減輕或 減少葉片在非穩定風狀況中的正常操作期間所遭受的載荷。為了使得單獨的變槳控制是有效的，轉子掃過面積上的風速場的基本上的即時信 息是必須的。尤其重要的風速場特征是風速、風向、水平風切力和垂直風切力。當它們在轉 子掃過面積上空間地均分時，這些特征最適于控制，但是現在商業上所銷售的基本上所有 的渦輪機都使用由定位在艙上并且在轉子葉片的下游的一個風速計和一個風向標提供的 單個(空間的)點測量。它們的輸出不提供關于風切力的信息，并且提供風速和風向的空 間不完全描述。結果是，由于風速場中的湍流漩渦在風速計和風向標之上通過，速度和方向 的這些測量值通常是基本上與在轉子掃過面積上的優選的空間均分的值不同的。而且，由 于被定位在轉子的下游，風速計和風向標都遭受葉片的湍流尾流的周期性的通過。為了去 除掉尾流對測量的不期望的影響，必須在長時間周期上均分風速計和風向標的信號，但是 這么做也從信號中去除掉了必須的時間分辨率。專利申請EP2048507A2和US2007/0086893A1都介紹了定位在轂的前面并且基本 上與轂同心的風速計系統。風速計能同時測量兩個或更多個速度分量，但仍然存在單空間 點測量的問題。其所說的主要好處是測量由各葉片形成的湍流尾流前面的風狀況的能力。 盡管來自各葉片的尾流事實上以對流向下游傳遞，但是葉片的空氣動力影響也以強方式向 轉子平面的上游延伸，由于轉子引起的速度這是明顯的，如同本領域眾所周知的那樣。因 此，不能直接測量真實的風速，并且也需要基于從葉片得到的即時動力的校正。測量或量化 這種校正是困難的，如同上面所提及的那樣。在US7317260中，描述了基于塔變形(tower deformation)識別風速和風向的組 合的方法。在EP1361445A1中也能發現不完整的描述。所主張的方法使用支撐風力渦輪機 的塔的變形，與轉子速度、葉片槳距角和發生器轉矩一起，以推導出風速和風向的組合。然 而，在沒有額外的測量或假設的情況下不能單獨地評估風速和風向。水平和垂直風切力是 不可檢測的。因此，所主張的方法不提供所期望的風速場參量，如同上面所描述的那樣。在EP1361445A1中所主張的，并且在許多控制理論中可發現的操作方法中的進一 步的復雜因素是，在用來將感應量轉變成所期望的值的數學程序之內，要使用一個或多個 “控制”方程，舉例來說，描述風力渦輪機的或者它的部件的動力學。盡管能明確地寫出風力渦輪機或它的部件的運動的氣動彈性方程，但是通常不能呈現這些方程之內的力。例子 包括由于軸承中的摩擦的“非線性”力，以及取決于轉子葉片的即時空氣動力狀態的空氣動 力。由于葉片表面附近和遠離葉片表面的湍流的影響，以及葉片表面本身的粗糙情況，這些 狀態不是已知的或者是不易測量的。在US7，445，431B2中，描述了用于測量局部葉片流動的方法。該方法使用裝置測 量各轉子葉片表面處，或者緊鄰各轉子葉片表面處的流動特性。依據流動特性，通過減去轉 子速度并且評估轉子引起的速度而推導出風場。如同上面所提及的那樣，評估引起的速度 要依靠轉子葉片的即時空氣動力狀態的信息，其是難以測量的。此外，葉片上的表面風速幾 乎等于轉子的速度。因此，從表面速度減去轉子速度使得最終量是對噪聲敏感的并且傾向 于過大的誤差。最后，傳感器的外側位置使得難以維持、替換或維修傳感器，并且傾向于快 速地沖擊、污垢堆積以及其它大氣影響。基于風感應系統的聲達(SODAR)或雷達通常被用在風能行業中以提供多點風測 量，典型地是在評估某地點處的風潛力期間使用。其測量通常沿著直線進行，因此不覆蓋轉 子掃過的面積。更重要地，SODAR和LIDAR系統對于用在商業風力渦輪機(即已超出樣機 階段)中來說是太貴的。因此，期望具有沒有前面所提及的限制的、用于測量風力渦輪機轉子的掃過面積 上的風速場的系統。本發明的目的是能提供如下內容的風測量系統1.風速、風向、X-切力、y-切力、以及其它風場狀態，2.整個轉子掃過面積上的風狀態的取樣，3.近即時取樣率，4.避免對物理量的假設和不完建模，5.良好的實用性和簡單的維護性，6.低成本。
發明內容
根據本發明的一個實施方式，提供了一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子 的風力渦輪機中的風速場測量系統，其包括通過測量至少一個葉片上的物理量而獲得的 至少一個傳感器信號，該物理量指示至少一個風速場特征；通過將表征上述至少一個傳感 器信號的值與上述至少一個風速場特征的值相關聯而為多種風狀況建立的表；和用于根據 表征上述至少一個傳感器信號的值從上述表中為當前風狀況確定上述至少一個風速場特 征的值的搜索裝置。根據本發明的另一個實施方式，提供了一種測量具有帶有兩個或更多個葉片的轉 子的風力渦輪機中的風速場的方法，其包括以下步驟通過測量至少一個葉片上的物理量 而獲得至少一個傳感器信號，該物理量指示至少一個風速場特征；通過將表征上述至少一 個傳感器信號的值與上述至少一個風速場特征的值相關聯而為多種風狀況建立表；通過根 據表征上述至少一個傳感器信號的值從上述表中為當前風狀況確定上述至少一個風速場 特征的值。根據本發明的另一個實施方式，提供了一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場測量系統，包括用于基于在至少一個葉片上測量的物理量而 為當前風狀況確定至少一個風速場特征的值的裝置，其中該物理量包括葉片應變和葉片偏 轉中的至少一個，并且其中在上述至少一個葉片上的預定位置處測量該物理量。本發明還提供了一種具有轉子和兩個或更多個葉片的風力渦輪機，其包括上述的 風速場測量系統。本發明還提供了一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的 風力渦輪機控制系統，其包括上述的風速場測量系統和用于基于通過風速場測量系統而為 當前風狀況測量的至少一個風速場特征的值控制風力渦輪機的特征的裝置。
圖1示出了風力渦輪機的示意圖，圖2示出了風力渦輪機的部分視圖，圖3示出了根據本發明的簡單實施例將傳感器信號轉換成傳感器值的方式，圖4示出了根據本發明的簡單實施例將運行時間傳感器值與風速場特征值相關 聯的方式，圖5示出了根據本發明的優選實施例將傳感器信號組轉換成去混疊固定信號組 的方式，圖6示出了根據本發明的優選實施例將去混疊固定信號組的運行時間值與風速 場特征值相關聯的方式，圖7示出了根據本發明的另一優選實施例將傳感器信號組轉換成去混疊固定信 號組的方式，圖8示出了根據本發明的該另一優選實施例將去混疊固定信號組的運行時間值 與風速場特征值相關聯的方式。
具體實施例方式本發明能被應用到具有兩個或更多個葉片的轉子，包括具有通過變槳軸承連接到 轉子的三個葉片的轉子。風速場特征用在本發明中的風速場特征是空間地均分在轉子掃過面積上的風速值。因為均分 僅僅在空間中，所以不影響數據的時間變化。在下面的描述中，使用坐標系統，其中坐標ξ、η、ζ是非轉動的，因此與艙固定 在一起。參見圖1，ζ坐標沿著轉子的轉動軸向指向，由單位矢量n表示。(粗體字母表示 矢量，這是本領域的慣例)。坐標η垂直向上地指向，并且軸ξ通過在水平方向上指向而 完成直角坐標系。第一風速場特征是平均風速
權利要求
1.一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場測量系統，包括通過測量至少一個葉片上的物理量而獲得的至少一個傳感器信號，所述物理量指示至 少一個風速場特征；通過將表征所述至少一個傳感器信號的值與所述至少一個風速場特征的值相關聯而 為多種風狀況建立的表(140，142，144)；和用于根據表征所述至少一個傳感器信號的值從所述表中為當前風狀況確定所述至少 一個風速場特征的值的搜索裝置(150，152，154)。
2.如權利要求1中所述的測量系統，用于具有帶有三個或更多個葉片的轉子的風力渦 輪機中，包括至少一個傳感器信號組，各至少一個傳感器信號組包括通過測量各葉片上的相同物理 量而獲得的每個葉片的一個傳感器信號，該物理量指示至少一個風速場特征； 用于將所述至少一個傳感器信號組轉換成固定信號組的多葉片坐標轉換； 其中通過將表征所述至少一個固定信號組的值與所述至少一個風速場特征的值相關 聯而為多種風狀況建立表(140，142，144)，和；其中搜索裝置(150，152，154)適于根據表征所述至少一個固定信號組的值從所述表 中為當前風狀況確定所述至少一個風速場特征的值。
3.如權利要求2所述的測量系統，包括包括通過測量各葉片上的相同第一物理量而獲得的每個葉片的一個傳感器信號的第 一傳感器信號組，第一物理量指示至少一個風速場特征；包括通過測量各葉片上的相同第二物理量而獲得的每個葉片的一個傳感器信號的第 二傳感器信號組，第二物理量指示至少一個風速場特征，第二傳感器信號組基本上不與第 一傳感器信號組成正比；用于將第一傳感器信號組轉換成第一固定信號組的第一多葉片坐標轉換； 用于將第二傳感器信號組轉換成第二固定信號組的第二多葉片坐標轉換； 其中通過將表征所述第一固定信號組的值和表征所述第二固定信號組的值與所述至 少一個風速場特征的值相關聯而為多種風狀況建立表(140，142，144)，和；其中搜索裝置(150，152，154)適于根據表征所述第一固定信號組的值和表征所述第 二固定信號組的值從所述表中為當前風狀況確定所述至少一個風速場特征的值。
4.如權利要求2或3所述的測量系統，進一步包括用于去除掉存在于固定信號組中的 混疊誤差的濾波器。
5.如權利要求4所述的測量系統，其中濾波器是濾波器角頻率低于轉子的轉動頻率的 三倍的低通濾波器(116)。
6.如前述權利要求中任一項所述的測量系統，進一步包括用于通過為傳感器信號提供 可變增益和/或偏移而校準傳感器信號的校準裝置(110)。
7.如前述權利要求中任一項所述的測量系統，其中物理量包括葉片應變和葉片偏轉中 的至少一個，并且其中在所述至少一個葉片上的預定位置處測量所述物理量。
8.如前述權利要求中任一項所述的測量系統，其中風速場特征包括風速、風向、風水平 切力和風垂直切力中的至少一個。
9.如前述權利要求中任一項所述的測量系統，進一步包括至少一個傳感器信號組，各至少一個傳感器信號組包括通過測量各葉片上的相同物理 量而獲得的每個葉片的一個傳感器信號，該物理量指示至少一個風速場特征；用于將所述至少一個傳感器信號組轉換成固定信號組的轉換系統，該固定信號組包括 表征各傳感器信號的恒定值和循環變化的值；其中通過將表征所述至少一個固定信號組的值與所述至少一個風速場特征的值相關 聯而為多種風狀況建立表(140，142，144)，和；其中搜索裝置(150，152，154)適于根據表征所述至少一個固定信號組的值從所述表 中為當前風狀況確定所述至少一個風速場特征的值。
10.一種測量具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場的方法，包 括以下步驟通過測量至少一個葉片上的物理量而獲得至少一個傳感器信號，該物理量指示至少一 個風速場特征；通過將表征所述至少一個傳感器信號的值與所述至少一個風速場特征的值相關聯而 為多種風狀況建立表(140，142，144)；通過根據表征所述至少一個傳感器信號的值從所述表中為當前風狀況確定所述至少 一個風速場特征的值。
11.一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場測量系統， 包括用于基于在至少一個葉片上測量的物理量而為當前風狀況確定至少一個風速場特征 的值的裝置，其中該物理量包括葉片應變和葉片偏轉中的至少一個，并且其中在所述至少 一個葉片上的預定位置處測量該物理量。
12.—種具有轉子和兩個或更多個葉片的風力渦輪機，包括如權利要求1、9或11所述 的風速場測量系統。
13.一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風力渦輪機控制系 統，包括如權利要求1、9或11所述的風速場測量系統；用于基于通過風速場測量系統而為當前風狀況測量的至少一個風速場特征的值控制 風力渦輪機的特征的裝置。
全文摘要
本發明提供了一種用于具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場測量系統，包括通過測量至少一個葉片上的物理量而獲得的至少一個傳感器信號，該物理量指示至少一個風速場特征；通過將表征至少一個傳感器信號的值與至少一個風速場特征的值相關聯而為多種風狀況建立的表(140，142，144)；和用于根據表征至少一個傳感器信號的值從表中為當前風狀況確定至少一個風速場特征的值的搜索裝置(150，152，154)。本發明還提供了一種測量具有帶有兩個或更多個葉片的轉子的風力渦輪機中的風速場的方法以及相關的風力渦輪機和渦輪機控制系統。
文檔編號G01P5/02GK102072965SQ201010527720
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者法比奧·伯托洛蒂, 詹斯·范謝爾夫 申請人:Ssb風系統兩合公司