[发明专利]使用基于LIDAR传感器的风速估计的风力涡轮机控制和监视方法

说明书

本发明的目标涉及一种用于控制和/或监视装备有LIDAR传感器2的风力涡轮机1的方法。控制和/或监视将使用估计器和LIDAR传感器2获得的转子处的风速的估计纳入考虑。转子处的风速的估计器是从风的表示、LIDAR传感器的模型以及风传播模型来构造的。

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，尤其涉及为涡轮机控制目的(取向、扭矩和速度调节)而对风力涡轮机的资源(即风力)的测量。

风力涡轮机允许将来自风的动能转换为电能或机械能。为了将来自风的能量转换为电能，风力涡轮机由以下元件构成：

-塔，其允许将转子定位在足够的高度以使其能够运动(对于水平轴风力涡轮机是必要的)，或者允许将该转子定位在能够使其由比地面更强且更规则的风驱动的高度。该塔通常容纳电气和电子组件(调制器、控制、乘法器、生成器等)的部件。

-安装在该塔的顶部的机舱(nacelle)，其容纳操作该机器所必需的机械、气动、以及一些电气和电子组件。该机舱能够旋转以便将该机器调整到正确的方向，

-紧固到该机舱的转子，包括若干叶片(一般是三个)以及该风力涡轮机的鼻部。该转子由风力驱动且由机械轴直接或间接(经由齿轮箱和机械轴系统)连接至将该能量恢复为电能的电机(发电机)。转子潜在装备有控制系统，诸如可变角叶片或空气动力制动器，

-由通过传输(齿轮箱)连接的两个轴(转子的机械轴和电机的机械轴)构成的传输。

背景技术

自从二十世纪九十年代初开始，对风力重新产生了兴趣，尤其是在欧盟内，在那里年增长率约为20％。这种增长归因于无碳排放电力产生的固有可能性。为了保持这种增长，必须改善风力涡轮机的能量产出。风能生产增长的前景需要开发有效的生产工具和高级控制工具，以改善机器的性能。风力涡轮机被设计成以最低可能成本生产电力。因此，风力涡轮机一般被建造为使其在约15m/s的风速处达到最大性能。设计在不常见的更高风速下最大化其产出的风力涡轮机不是必要的。在风速高于15m/s的情形下，损失风中包含的更多能量的一部分以避免对风力涡轮机的损坏是必要的。所有风力涡轮机因此被设计成具有功率调节系统。

对于此功率调节，已经设计了用于可变速风力涡轮机的控制器。这些控制器的目的是最大化所恢复的电力、最小化转子速度波动、以及最小化结构(叶片、塔和平台)的疲劳和极端时刻。

为了优化控制，知道风力涡轮机的转子处的风速是重要的。已经开发出用于此目的的各种技术。

根据第一种技术，使用风速计允许估计一个点处的风速，但是这种不精确的技术不能够测量整个风场或者知道风速的三维分量。

根据第二种技术，可使用LIDAR(光探测和测距)传感器。LIDAR是一种基于对朝向发射器返回的光束的属性的分析的远程感测或光学测量技术。此方法尤其用于利用脉冲激光来确定到一物体的距离。与基于类似原理的雷达不同，LIDAR传感器使用可见光或红外光而不是无线电波。到物体或表面的距离是通过测量脉冲和对反射信号的检测之间的延迟来给出的。

在风力涡轮机领域，LIDAR传感器被宣称为对于大型风力涡轮机的正常运转是必要的，特别是如今它们的大小和功率在增加(现今是5MW，很快到10MW)。此传感器允许远程风力测量，首先允许校准风力涡轮机，以使得风力涡轮机能递送最大功率(功率曲线优化)。对于此校准阶段，该传感器可被置于地上并且被竖直定向(端面仪)，这允许测量风速和方向，以及取决于高度的风梯度。这种应用尤其关键，因为其允许知道能量生成资源。这对于风力涡轮机项目是重要的，因为它考虑了项目的财务可行性。

第二种应用包括将此传感器设置在风力涡轮机的机舱上，以测量涡轮机前方的风场，同时是近乎水平定向的。先验地，测量涡轮机前方的风场允许提前知道风力涡轮机即将遭遇的湍流。然而，当前风力涡轮机控制和监视技术不允许通过精确估计转子处的风速来将LIDAR传感器所执行的测量纳入考虑。