专利名称：使用叶片信号的风传感器系统的制作方法
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，S卩，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，3.近即时取样率，4.避免对物理量的假设和不完建模，5.良好的实用性和简单的维护性，6.低成本。

发明内容
根据本发明的一个实施方式，提供了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，其包括通过测量至少一个叶片上的物理量而获得的 至少一个传感器信号，该物理量指示至少一个风速场特征；通过将表征上述至少一个传感 器信号的值与上述至少一个风速场特征的值相关联而为多种风状况建立的表；和用于根据 表征上述至少一个传感器信号的值从上述表中为当前风状况确定上述至少一个风速场特 征的值的搜索装置。根据本发明的另一个实施方式，提供了一种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，其包括以下步骤通过测量至少一个叶片上的物理量 而获得至少一个传感器信号，该物理量指示至少一个风速场特征；通过将表征上述至少一 个传感器信号的值与上述至少一个风速场特征的值相关联而为多种风状况建立表；通过根 据表征上述至少一个传感器信号的值从上述表中为当前风状况确定上述至少一个风速场 特征的值。根据本发明的另一个实施方式，提供了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，包括用于基于在至少一个叶片上测量的物理量而 为当前风状况确定至少一个风速场特征的值的装置，其中该物理量包括叶片应变和叶片偏 转中的至少一个，并且其中在上述至少一个叶片上的预定位置处测量该物理量。本发明还提供了一种具有转子和两个或更多个叶片的风力涡轮机，其包括上述的 风速场测量系统。本发明还提供了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 风力涡轮机控制系统，其包括上述的风速场测量系统和用于基于通过风速场测量系统而为 当前风状况测量的至少一个风速场特征的值控制风力涡轮机的特征的装置。


图1示出了风力涡轮机的示意图，图2示出了风力涡轮机的部分视图，图3示出了根据本发明的简单实施例将传感器信号转换成传感器值的方式，图4示出了根据本发明的简单实施例将运行时间传感器值与风速场特征值相关 联的方式，图5示出了根据本发明的优选实施例将传感器信号组转换成去混叠固定信号组 的方式，图6示出了根据本发明的优选实施例将去混叠固定信号组的运行时间值与风速 场特征值相关联的方式，图7示出了根据本发明的另一优选实施例将传感器信号组转换成去混叠固定信 号组的方式，图8示出了根据本发明的该另一优选实施例将去混叠固定信号组的运行时间值 与风速场特征值相关联的方式。
具体实施例方式本发明能被应用到具有两个或更多个叶片的转子，包括具有通过变桨轴承连接到 转子的三个叶片的转子。风速场特征用在本发明中的风速场特征是空间地均分在转子扫过面积上的风速值。因为均分 仅仅在空间中，所以不影响数据的时间变化。在下面的描述中，使用坐标系统，其中坐标ξ、η、ζ是非转动的，因此与舱固定 在一起。参见图1，ζ坐标沿着转子的转动轴向指向，由单位矢量n表示。(粗体字母表示 矢量，这是本领域的惯例)。坐标η垂直向上地指向，并且轴ξ通过在水平方向上指向而 完成直角坐标系。第一风速场特征是平均风速
权利要求
1.一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，包括通过测量至少一个叶片上的物理量而获得的至少一个传感器信号，所述物理量指示至 少一个风速场特征；通过将表征所述至少一个传感器信号的值与所述至少一个风速场特征的值相关联而 为多种风状况建立的表(140，142，144)；和用于根据表征所述至少一个传感器信号的值从所述表中为当前风状况确定所述至少 一个风速场特征的值的搜索装置(150，152，154)。
2.如权利要求1中所述的测量系统，用于具有带有三个或更多个叶片的转子的风力涡 轮机中，包括至少一个传感器信号组，各至少一个传感器信号组包括通过测量各叶片上的相同物理 量而获得的每个叶片的一个传感器信号，该物理量指示至少一个风速场特征； 用于将所述至少一个传感器信号组转换成固定信号组的多叶片坐标转换； 其中通过将表征所述至少一个固定信号组的值与所述至少一个风速场特征的值相关 联而为多种风状况建立表(140，142，144)，和；其中搜索装置(150，152，154)适于根据表征所述至少一个固定信号组的值从所述表 中为当前风状况确定所述至少一个风速场特征的值。
3.如权利要求2所述的测量系统，包括包括通过测量各叶片上的相同第一物理量而获得的每个叶片的一个传感器信号的第 一传感器信号组，第一物理量指示至少一个风速场特征；包括通过测量各叶片上的相同第二物理量而获得的每个叶片的一个传感器信号的第 二传感器信号组，第二物理量指示至少一个风速场特征，第二传感器信号组基本上不与第 一传感器信号组成正比；用于将第一传感器信号组转换成第一固定信号组的第一多叶片坐标转换； 用于将第二传感器信号组转换成第二固定信号组的第二多叶片坐标转换； 其中通过将表征所述第一固定信号组的值和表征所述第二固定信号组的值与所述至 少一个风速场特征的值相关联而为多种风状况建立表(140，142，144)，和；其中搜索装置(150，152，154)适于根据表征所述第一固定信号组的值和表征所述第 二固定信号组的值从所述表中为当前风状况确定所述至少一个风速场特征的值。
4.如权利要求2或3所述的测量系统，进一步包括用于去除掉存在于固定信号组中的 混叠误差的滤波器。
5.如权利要求4所述的测量系统，其中滤波器是滤波器角频率低于转子的转动频率的 三倍的低通滤波器(116)。
6.如前述权利要求中任一项所述的测量系统，进一步包括用于通过为传感器信号提供 可变增益和/或偏移而校准传感器信号的校准装置(110)。
7.如前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中物理量包括叶片应变和叶片偏转中 的至少一个，并且其中在所述至少一个叶片上的预定位置处测量所述物理量。
8.如前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中风速场特征包括风速、风向、风水平 切力和风垂直切力中的至少一个。
9.如前述权利要求中任一项所述的测量系统，进一步包括至少一个传感器信号组，各至少一个传感器信号组包括通过测量各叶片上的相同物理 量而获得的每个叶片的一个传感器信号，该物理量指示至少一个风速场特征；用于将所述至少一个传感器信号组转换成固定信号组的转换系统，该固定信号组包括 表征各传感器信号的恒定值和循环变化的值；其中通过将表征所述至少一个固定信号组的值与所述至少一个风速场特征的值相关 联而为多种风状况建立表(140，142，144)，和；其中搜索装置(150，152，154)适于根据表征所述至少一个固定信号组的值从所述表 中为当前风状况确定所述至少一个风速场特征的值。
10.一种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，包 括以下步骤通过测量至少一个叶片上的物理量而获得至少一个传感器信号，该物理量指示至少一 个风速场特征；通过将表征所述至少一个传感器信号的值与所述至少一个风速场特征的值相关联而 为多种风状况建立表(140，142，144)；通过根据表征所述至少一个传感器信号的值从所述表中为当前风状况确定所述至少 一个风速场特征的值。
11.一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， 包括用于基于在至少一个叶片上测量的物理量而为当前风状况确定至少一个风速场特征 的值的装置，其中该物理量包括叶片应变和叶片偏转中的至少一个，并且其中在所述至少 一个叶片上的预定位置处测量该物理量。
12.—种具有转子和两个或更多个叶片的风力涡轮机，包括如权利要求1、9或11所述 的风速场测量系统。
13.一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力涡轮机控制系 统，包括如权利要求1、9或11所述的风速场测量系统；用于基于通过风速场测量系统而为当前风状况测量的至少一个风速场特征的值控制 风力涡轮机的特征的装置。
全文摘要
本发明提供了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，包括通过测量至少一个叶片上的物理量而获得的至少一个传感器信号，该物理量指示至少一个风速场特征；通过将表征至少一个传感器信号的值与至少一个风速场特征的值相关联而为多种风状况建立的表(140，142，144)；和用于根据表征至少一个传感器信号的值从表中为当前风状况确定至少一个风速场特征的值的搜索装置(150，152，154)。本发明还提供了一种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。
文档编号G01P5/02GK102072965SQ201010527720
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者法比奥·伯托洛蒂, 詹斯·范谢尔夫 申请人:Ssb风系统两合公司