[发明专利]使用叶片信号的风传感器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机中的风速场测量系统，更具体来说，涉及一种用于具有带有两个或更多个叶片的转子的风力涡轮机中的风速场测量系统。本发明还涉及测量具有带有两个或更多个叶片的转子的风力涡轮机中的风速场的方法以及相关的风力涡轮机和涡轮机控制系统。

背景技术

现代的风力涡轮机大多数都专门使用这样的叶片，即，所述叶片是可围绕它们的纵轴线变桨的以调节叶片的迎角，因此调节叶片的提升力和阻力。连接到转子的所有叶片之间的共同的变桨运动用来调节从风得到的空气动力，而单独的变桨控制主要用来减轻或减少叶片在非稳定风状况中的正常操作期间所遭受的载荷。

为了使得单独的变桨控制是有效的，转子扫过面积上的风速场的基本上的即时信息是必须的。尤其重要的风速场特征是风速、风向、水平风切力和垂直风切力。当它们在转子扫过面积上空间地均分时，这些特征最适于控制，但是现在商业上所销售的基本上所有的涡轮机都使用由定位在舱上并且在转子叶片的下游的一个风速计和一个风向标提供的单个(空间的)点测量。它们的输出不提供关于风切力的信息，并且提供风速和风向的空间不完全描述。结果是，由于风速场中的湍流漩涡在风速计和风向标之上通过，速度和方向的这些测量值通常是基本上与在转子扫过面积上的优选的空间均分的值不同的。而且，由于被定位在转子的下游，风速计和风向标都遭受叶片的湍流尾流的周期性的通过。为了去除掉尾流对测量的不期望的影响，必须在长时间周期上均分风速计和风向标的信号，但是这么做也从信号中去除掉了必须的时间分辨率。

专利申请EP2048507A2和US2007/0086893A1都介绍了定位在毂的前面并且基本上与毂同心的风速计系统。风速计能同时测量两个或更多个速度分量，但仍然存在单空间点测量的问题。其所说的主要好处是测量由各叶片形成的湍流尾流前面的风状况的能力。尽管来自各叶片的尾流事实上以对流向下游传递，但是叶片的空气动力影响也以强方式向转子平面的上游延伸，由于转子引起的速度这是明显的，如同本领域众所周知的那样。因此，不能直接测量真实的风速，并且也需要基于从叶片得到的即时动力的校正。测量或量化这种校正是困难的，如同上面所提及的那样。

在US7317260中，描述了基于塔变形(tower deformation)识别风速和风向的组合的方法。在EP1361445A1中也能发现不完整的描述。所主张的方法使用支撑风力涡轮机的塔的变形，与转子速度、叶片桨距角和发生器转矩一起，以推导出风速和风向的组合。然而，在没有额外的测量或假设的情况下不能单独地评估风速和风向。水平和垂直风切力是不可检测的。因此，所主张的方法不提供所期望的风速场参量，如同上面所描述的那样。

在EP1361445A1中所主张的，并且在许多控制理论中可发现的操作方法中的进一步的复杂因素是，在用来将感应量转变成所期望的值的数学程序之内，要使用一个或多个“控制”方程，举例来说，描述风力涡轮机的或者它的部件的动力学。尽管能明确地写出风力涡轮机或它的部件的运动的气动弹性方程，但是通常不能呈现这些方程之内的力。例子包括由于轴承中的摩擦的“非线性”力，以及取决于转子叶片的即时空气动力状态的空气动力。由于叶片表面附近和远离叶片表面的湍流的影响，以及叶片表面本身的粗糙情况，这些状态不是已知的或者是不易测量的。

在US7,445,431B2中，描述了用于测量局部叶片流动的方法。该方法使用装置测量各转子叶片表面处，或者紧邻各转子叶片表面处的流动特性。依据流动特性，通过减去转子速度并且评估转子引起的速度而推导出风场。如同上面所提及的那样，评估引起的速度要依靠转子叶片的即时空气动力状态的信息，其是难以测量的。此外，叶片上的表面风速几乎等于转子的速度。因此，从表面速度减去转子速度使得最终量是对噪声敏感的并且倾向于过大的误差。最后，传感器的外侧位置使得难以维持、替换或维修传感器，并且倾向于快速地冲击、污垢堆积以及其它大气影响。

基于风感应系统的声达(SODAR)或雷达通常被用在风能行业中以提供多点风测量，典型地是在评估某地点处的风潜力期间使用。其测量通常沿着直线进行，因此不覆盖转子扫过的面积。更重要地，SODAR和LIDAR系统对于用在商业风力涡轮机(即已超出样机阶段)中来说是太贵的。

因此，期望具有没有前面所提及的限制的、用于测量风力涡轮机转子的扫过面积上的风速场的系统。

本发明的目的是能提供如下内容的风测量系统：

1.风速、风向、x-切力、y-切力、以及其它风场状态，

2.整个转子扫过面积上的风状态的取样，