本發(fā)明涉及一種用于估計風力渦輪機某位置處風速的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，即使在高風速下和/或對于具有柔性風力渦輪機葉片的風力渦輪機也可以準確而可靠地估計風速。

背景技術：

在操作風力渦輪機時，有時希望能夠估計當前風力渦輪機處的風速，更具體而言，估計風力渦輪機的風力渦輪機葉片經(jīng)受的風速。在測量風速時，常常在風力渦輪機的轉子后方的點處這樣做。因此，測量的風速受到轉子對風的影響的影響，因此，不會反映轉子前方位置處的風速。此外，由于通常在單個點處測量風速，所以它將不會反映風速在轉子界定的整個區(qū)域內的變化。因此，基于這樣測量的風速控制風力渦輪機可能導致風力渦輪機的不準確控制。

因此，此前做出過很多努力以便提供對風力渦輪機處風速的估計。

us5155375公開了一種控制器和一種方法，用于操作變速風力渦輪機，以更好地跟蹤風速波動，在將風能轉換成電能時實現(xiàn)更大的效率。轉子轉速是利用風觀察器供應的風速控制的，風觀察器預測在風力渦輪機向風呈現(xiàn)的截面上后續(xù)時間點的平均風速。風速被作為當前(先前預測的)風速和校正項的函數(shù)而被預測，校正項包括凈轉矩以及預測和實際轉子轉速之間的差異。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例的目的是提供一種用于估計風力渦輪機處風速的方法，其允許以精確和可靠的方式估計風速。

本發(fā)明實施例的另一目的是提供一種用于估計風力渦輪機處風速的方法，其為高風速下的風速提供了可靠估計。

本發(fā)明實施例的又一目的是提供一種用于估計風力渦輪機處風速的方法，其為具有柔性風力渦輪機葉片的風力渦輪機處的風速提供了可靠估計。

本發(fā)明提供了一種用于估計風力渦輪機處風速的方法，所述風力渦輪機包括承載一組風力渦輪機葉片的轉子，每個風力渦輪機葉片具有可變槳距角，所述方法包括如下步驟：

-獲得所述轉子的旋轉速度ω，

-獲得所述風力渦輪機葉片的槳距角θ，

-基于所獲得的旋轉速度ω和所獲得的槳距角θ推導葉片轉矩貢獻，

-計算所獲得的槳距角θ和所推導的葉片轉矩貢獻之和作為調節(jié)后的槳距角θ’，以及

-基于所獲得的旋轉速度ω和所計算的調節(jié)后槳距角θ’來估計風速vest。

本發(fā)明提供了一種用于估計風力渦輪機處風速的方法，所述風力渦輪機包括承載一組風力渦輪機葉片的轉子。風力渦輪機葉片招風，從而導致轉子旋轉，即，將風能轉換成機械能。轉子例如經(jīng)由傳動系連接到發(fā)電機。由此，轉子旋轉運動形式的機械能被轉換成可以供應給電網(wǎng)的電能。

所估計的風速可以有利地是風力渦輪機轉子前方的風速，即，轉子承載的風力渦輪機葉片經(jīng)受的風速。

每個風力渦輪機葉片都具有可變槳距角。于是，每個風力渦輪機葉片都可以繞縱軸旋轉，以便調節(jié)風和風力渦輪機葉片之間的沖擊角。因此，風力渦輪機是槳距受控型的。

根據(jù)本發(fā)明的方法，獲得轉子的旋轉速度ω和風力渦輪機葉片的槳距角θ。這可以包括測量旋轉速度和/或槳距角。作為替代，可以從控制風力渦輪機的控制單元、風力渦輪機的轉子和/或槳距系統(tǒng)獲得旋轉速度和/或槳距角。

所獲得的槳距角θ是設定槳距角，因為它是風力渦輪機葉片的槳距機構，即接近風力渦輪機葉片根部的區(qū)域中的角度設置。

接下來，基于所獲得的旋轉速度ω和所獲得的槳距角θ來推導葉片轉矩貢獻。

在風力渦輪機葉片受到風作用時，轉矩被引入風力渦輪機葉片中，其往往會沿著葉片長度，基本繞其縱軸使葉片扭轉。假設風力渦輪機未降低額定值，風力渦輪機葉片中引入的轉矩隨著風速增大而增大。此外，該轉矩取決于轉子的旋轉速度和風力渦輪機葉片的槳距角。葉片轉矩基本線性地取決于轉子的旋轉速度。最后，風力渦輪機葉片中引入的轉矩取決于風力渦輪機葉片的各項設計參數(shù)，例如風力渦輪機葉片的柔性和風力渦輪機葉片的長度。通常，由于風力渦輪機葉片相對柔性的增大，風力渦輪機葉片中引入的轉矩往往隨著風力渦輪機葉片長度增大而增大。因此，與具有更小轉子直徑的風力渦輪機相比，具有大轉子直徑的風力渦輪機中的轉矩效應一般將更顯著。

在風力渦輪機葉片中引入轉矩時，如上所述，風力渦輪機葉片和風之間的沖擊角會變化。因此，在這種情況下，風力渦輪機葉片的有效槳距角將與風力渦輪機葉片根部或接近根部處測量的設定槳距角θ不同。在當前語境中，將設定槳距角θ和有效槳距角，即風遇到風力渦輪機葉片而實際經(jīng)受的槳距角，之間的差異稱為葉片轉矩貢獻。

接下來，計算所獲得的槳距角θ和所推導的葉片轉矩貢獻之和作為調節(jié)后的槳距角θ’。于是，調節(jié)后的槳距角θ’對應于有效槳距角，即，風遇到風力渦輪機葉片時實際經(jīng)受的槳距角。

最后，基于所獲得的旋轉速度ω和所計算的調節(jié)后槳距角θ’來估計風速vest。于是，基于遇到風力渦輪機葉片的風實際經(jīng)受的槳距角，而不是基于設定的槳距角θ獲得估計風速vest。由此，可以通過更準確可靠的方式估計風速。對于具有大轉子直徑的風力渦輪機和/或對于風力渦輪機葉片具有高柔性的風力渦輪機，尤其是這種情況，其中轉矩效應更顯著，因此預期在基于設定槳距角θ估計風速時引入的誤差很大。

此外，可以導出葉片轉矩貢獻，使其反映實際風力渦輪機的各項設計參數(shù)，包括風力渦輪機葉片的設計參數(shù)，由此可以通過準確可靠的方式估計風速，而與風力渦輪機的設計參數(shù)無關。

該方法還可以包括根據(jù)所估計的風速vest來控制所述風力渦輪機的步驟。根據(jù)本實施例，本發(fā)明還提供了一種用于控制風力渦輪機的方法。

控制風力渦輪機的步驟例如可以包括控制風力渦輪機葉片的槳距角、轉子的旋轉速度和風力渦輪機的功率輸出等。

替代地或此外，可以將所估計的風速vest用于其他目的，例如風力渦輪機中的故障檢測。

推導葉片轉矩貢獻的步驟可以包括使用葉片轉矩查找表，所述葉片轉矩查找表包括旋轉速度ω、槳距角θ和葉片轉矩貢獻的相互關聯(lián)值。根據(jù)本實施例，在開始操作風力渦輪機之前提供葉片轉矩查找表，在操作期間，只要需要就查閱先前提供的葉片轉矩查找表，以便推導葉片轉矩貢獻。使用查找表是一種簡單方法，這限制了執(zhí)行該方法所需的處理能力。

在旋轉速度ω和槳距角θ已知時，葉片轉矩查找表通過在葉片轉矩查找表中簡單查找而提供了對應的葉片轉矩貢獻。葉片轉矩查找表例如可以被組織成若干查找表，每個查找表提供對應于一個槳距角和多個旋轉速度的葉片轉矩貢獻。

葉片轉矩查找表可以提供旋轉速度ω、槳距角θ和葉片轉矩貢獻的離散相互關聯(lián)值。在這種情況下，在基于旋轉速度和槳距角推導葉片轉矩貢獻時可以進行兩個離散值之間的內插。

該方法還可以包括利用基于模型的模擬來生成葉片轉矩查找表的步驟?；谀Ｐ偷哪M可以有利地考慮風力渦輪機的設計特征，尤其是風力渦輪機葉片的設計特征。這樣的設計特征例如可以包括風力渦輪機葉片的長度和/或風力渦輪機葉片的抗扭剛度。此外，基于模型的模擬可以考慮風力渦輪機部位處的特定條件，例如當前氣候條件、當前風速、當前風向、喚醒(wake)條件等。因此，通過這種方式生成的葉片轉矩查找表以葉片轉矩貢獻的形式提供了輸出，預計其會密切反映風力渦輪機葉片處發(fā)生的實際葉片轉矩。由此，所計算的調節(jié)后槳距角θ’非常接近于遇到風力渦輪機葉片的風經(jīng)受的實際槳距角，因此獲得非常準確的風估計。

基于模型的模擬例如可以包括執(zhí)行兩組模擬。在第一組模擬中，風力渦輪機葉片被模擬成在轉矩方向上完全剛性。在第二組模擬中，利用風力渦輪機葉片的實際抗扭剛度模擬風力渦輪機葉片。兩組模擬之間，作為槳距角θ和旋轉速度ω函數(shù)的槳距角差異被用作葉片轉矩貢獻。

作為提供葉片轉矩查找表的替代方式，可以通過執(zhí)行在線計算來推導葉片轉矩貢獻。

估計風速vest的步驟可以包括使用cp查找表，所述cp查找表包括旋轉速度ω、風速v、調節(jié)后的槳距角θ’和功率系數(shù)cp的相互關聯(lián)值。

根據(jù)本實施例，在估計風速vest時，獲得功率系數(shù)cp作為中間步驟。這常常是利用cp查找表進行的。正常地，cp查找表提供了葉尖速比λ、槳距角θ和功率系數(shù)cp的相互關聯(lián)值。葉尖速比定義為：

其中，ω是轉子的旋轉速度，r是轉子的半徑，v是風速。于是，對于具有給定轉子半徑r的給定風力渦輪機，功率系數(shù)cp實際可以從旋轉速度ω、槳距角θ和風速v推導。因此，如果功率系數(shù)cp、旋轉速度ω和槳距角已θ知或已估計，就可以推導風速v。作為替代，可以基于所估計的風速vest，例如，從先前的迭代，或從利用機桿執(zhí)行風速測量，來推導估計功率系數(shù)cp。

在將設定槳距角θ用作輸入時，在利用cp查找表推導功率系數(shù)cp時，(現(xiàn)有技術方法中就是這樣)，獲得了不準確的cp值。不過，根據(jù)本發(fā)明，使用調節(jié)后的槳距角θ’作為輸入。由此，使用風實際經(jīng)受的槳距角作為輸入，因此獲得了準確和可靠得多的功率系數(shù)cp。

如上所述作為中間步驟推導的功率系數(shù)cp可以用于除估計風速和/或控制風力渦輪機之外的其他目的。例如，可以將功率系數(shù)cp用于監(jiān)測的目的。

可以將所述估計風速vest的步驟作為迭代過程來執(zhí)行。例如，這可以包括基于實測旋轉速度ω、調節(jié)后的槳距角θ’和在前一次迭代期間所估計的風速vest來推導估計功率系數(shù)cp。然后可以將通過這種方式估計的功率系數(shù)cp用于估計新的風速vest，該新的風速可以用作下一次迭代的輸入等等。該迭代過程應當優(yōu)選在有限次數(shù)的迭代之內，向著接近或等于風力渦輪機處實際風速的值收斂。

估計風速vest的所述步驟可以包括估計所述風力渦輪機的功率輸出pest，以及將所估計的功率輸出pest與風力渦輪機的測量功率輸出pmeas進行比較奧。如果所估計的功率輸出pest與測量功率輸出pmeas不同，那么所估計的風速vest可能也與實際風速不同。因此，如果確定所估計的功率輸出pest與測量功率輸出pmeas不同，則調節(jié)估計風速vest。這可以有利地是迭代過程的部分。

所估計的功率輸出pest可以例如考慮風力渦輪機中引入的估計功率損失，例如傳動系中引入的功率損失。

提供了一種風力渦輪機以及用于實施該方法的一個或多個特征的計算機程序產(chǎn)品。

可以在任何組合中來組合本文所述的實施例和特征。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖更詳細地描述本發(fā)明，附圖中

圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的方框圖，

圖2是曲線圖，示出了針對現(xiàn)有技術方法和根據(jù)本發(fā)明實施例的方法，作為順風速(freewindspeed)函數(shù)的估計風速，以及

圖3是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法。

具體實施方式

圖1是方框圖，以閉環(huán)近似過程的形式示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法。測量風力渦輪機轉子的旋轉速度ω和風力渦輪機的風力渦輪機葉片的槳距角θ并將其供應給估計塊1。此外，還向估計塊1供應先前估計的風速vest。

在估計塊1中，基于供應的參數(shù)ω、θ和vest來計算估計功率輸出pest。這包括例如利用cp查找表，基于估計的葉尖速比λest和槳距角θ來推導功率系數(shù)cp。

不過，在推導功率系數(shù)cp之前，計算測量槳距角θ和代表風力渦輪機葉片中引入的轉矩的葉片轉矩貢獻之和作為調節(jié)后的槳距角θ’，所述轉矩導致風力渦輪機葉片繞風力渦輪機葉片的縱軸扭轉。葉片轉矩貢獻是基于測量旋轉速度ω和測量槳距角θ，例如利用葉片轉矩查找表推導的。例如，可以通過上述方式這樣做。調節(jié)后的槳距角θ’被用作用于推導功率系數(shù)cp的輸入。由此，基于風遇到風力渦輪機葉片時經(jīng)受的實際槳距角θ’，而不是基于設置的槳距角θ，來推導功率系數(shù)cp，由于風力渦輪機葉片中引入的轉矩，所述設置的槳距角不代表風力渦輪機葉片的角位置。因此，推導的功率系數(shù)cp是準確且可靠的，由此估計的功率輸出pest也是準確和可靠的。

在比較器2處將所估計的功率輸出pest與測量功率輸出pmeas進行比較。這樣獲得誤差信號perr。如果誤差信號perr為零，那么pest＝pmeas，表示供應給估計器塊1的估計風速vest等于或接近風力渦輪機處的實際風速。

如果誤差信號perr為正，那么測量功率輸出pmeas大于估計功率輸出pest，表示在估計風速vest下的預期功率輸出低于實際功率輸出。這表示估計風速vest低于風力渦輪機處的實際風速，因此應當增大估計風速vest。

類似地，如果誤差信號perr為負，那么測量功率輸出pmeas小于估計功率輸出pest，表示在估計風速vest下的預期功率輸出高于實際功率輸出。這表示估計風速vest高于風力渦輪機處的實際風速，因此應當減小估計風速vest。

以如下方式進行上述對估計風速vest的調節(jié)。在乘法器3處將誤差信號perr乘以增益系數(shù)kest，將所得信號供應給積分器4。在積分器4處，對從乘法器3接收的信號進行積分，得到新的估計風速vest，將其供應給估計塊1進行下一次迭代。

圖2是曲線圖，示出了針對現(xiàn)有技術方法和根據(jù)本發(fā)明實施例的方法，作為順風速函數(shù)的估計風速。順風速是風力渦輪機轉子緊前方的風速。例如，嘗試以上文參考圖1所述的方式估計這一風速。如果精確估計了風速，那么將獲得對角線曲線圖，即，估計風速等于所有風速下的順風速。

在圖2的曲線圖中，實線代表利用現(xiàn)有技術方法估計的風速，點線代表利用根據(jù)本發(fā)明實施例的方法估計的風速。

在代表現(xiàn)有技術方法的實線曲線圖中，將測量槳距角θ用作推導功率系數(shù)cp的輸入?？梢钥闯?，這樣獲得的曲線圖與對角線偏離。具體而言，對于高風速，估計風速顯著低于順風速。因此，在這種情況下，尤其是在高風速下，獲得了不準確的估計風速。

另一方面，在代表根據(jù)本發(fā)明實施例的方法的點線曲線圖中，使用調節(jié)后的槳距角θ’作為輸入，用于推導功率系數(shù)cp。通過向測量槳距角增加葉片轉矩貢獻來調節(jié)槳距角。由此，用于推導功率系數(shù)cp的輸入反映風力渦輪機葉片處的實際條件，尤其是葉片的有效槳距角。

可以看出，使用調節(jié)后的槳距角θ’作為用于推導功率系數(shù)cp的輸入，獲得基本遵循對角線的曲線圖。于是，估計風速等于或非常接近順風速。因此，在使用根據(jù)本發(fā)明實施例的方法時，由此獲得了針對風速的非常準確且可靠的估計。

圖3是流程圖，示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的方法。該過程開始于步驟5。在步驟6，提供用于估計風速vest的初始猜測，以便發(fā)起迭代過程。

在步驟7，測量風力渦輪機轉子的旋轉速度ω和風力渦輪機的風力渦輪機葉片的槳距角θ。

在步驟8，基于獲得的旋轉速度ω和槳距角θ來推導葉片轉矩貢獻。葉片轉矩貢獻代表風力渦輪機葉片中引入并導致風力渦輪機葉片有效槳距角的轉矩，有效槳距角不同于測量槳距角θ。例如，可以利用葉片轉矩查找表推導葉片轉矩貢獻。

在步驟9，計算測量槳距角θ和推導的轉矩貢獻之和，作為調節(jié)后的槳距角θ’。于是，調節(jié)后的槳距角θ’代表有效槳距角，即，風遇到風力渦輪機葉片時實際經(jīng)受的槳距角。

在步驟10，基于測量旋轉速度ω、調節(jié)后的槳距角θ’和估計風速vest，來推導功率系數(shù)cp。由于使用調節(jié)后的槳距角θ’而不是測量槳距角θ作為推導功率系數(shù)cp的輸入，所以確保了推導的功率系數(shù)cp更接近風力渦輪機的實際功率系數(shù)，因為它更密切地反映了當前實際條件。

在步驟11，基于推導的功率系數(shù)cp來估計新的風速vest。因此，新估計的風速vest也非常準確。

在步驟12，根據(jù)估計的風速vest操作風力渦輪機。同時，提供新的估計風速vest以在步驟13進行下一次迭代。因此，該過程返回到步驟7，重復上述過程。不過，應用新的估計風速vest，替代在步驟6提供的初始估計。于是，以迭代的方式執(zhí)行圖3中所示的方法，其中針對每次迭代改進估計風速vest。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，但應該理解，這樣的實施例僅僅是通過舉例描述的。在不偏離所附權利要求界定的本發(fā)明范圍的情況下，本領域的技術人員將想到很多變化、改變和替換。因此，以下權利要求意在涵蓋落在本發(fā)明精神和范圍之內的所有此類變化或等價要件。