CN102460489A - 可用功率估算器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定驱动风力涡轮机（900）的风的估算的风速（νe）的方法。该方法包括：测量由风力涡轮机（900）生成的当前功率（Pa），测量风力涡轮机（900）的转子的当前转子速度（ωa），以及测量转子的转子叶片的当前叶片螺距角（θa）。此外，该方法包括：基于当前功率（Pa）、当前转子速度（ωa）和当前叶片螺距角（θa），确定所估算的风速（νe）。

Description

可用功率估算器

技术领域

本发明涉及一种确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的方法以及一种用于确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的估算设备。另外，本发明涉及一种风力涡轮机和一种风电场布置。再者，本发明涉及一种用于处理风力涡轮机的估算设备的计算机程序。

背景技术

风能愈来愈被认为是用于补充和甚至替代诸如例如化石燃料的其它类型的能源的一种可行的选择。在风能的早期开发中，大部分风力涡轮机被构造用于以恒定速度工作。然而最近，趋势是朝向使用变速风力涡轮机从而更好地捕获可用的风力。在大多数情形中，风力涡轮机叶片螺距角可以被调整以控制变速风力涡轮机的工作。

当馈送到电网中的电力大于从电网提取的电力时，整个电网的频率将增大。这是基于这样的事实，连接到电网的风力涡轮机无法将所有它们所生成的功率传递到该电网。结果，所生成的电力的所产生的交变电流（AC）的频率将增大。典型地，不仅一个风力涡轮机将表现出这种行为，而且风力涡轮机园区的多个风力涡轮机也将表现出这种行为。因此，其中产生的功率大于使用的功率的功率不平衡可以导致电网的频率的整体增大。

为了避免这种频率变化，已知的是使风力涡轮机利用降低的功率设定点工作，使得馈送到电网中的电力将减小并且传递到电网的功率和从电网移除的功率之间的功率平衡可以至少近似地实现。甚至可以由法律法规要求这种功率设定点的降低从而保证稳定电网。

风力涡轮机利用降低的功率设定点来工作的原因典型地不在风力涡轮机的运营商的影响范围内。因此，风力涡轮机的运营商将典型地接收收入，该收入与可用功率产生有关且与实际功率产生无关。因此，风力涡轮机的运营商高度期望总是具有关于其（多个）风力涡轮机的可用功率产生的准确和可靠的知识。当然，可用功率产生将强烈地依赖于实际风力状况。

已知通过下述内容来估算风力涡轮机的可用功率产生：通过比如在风力涡轮机机舱的顶部测量风速，以及基于所测量的风速来计算可用功率产生。可以从风力涡轮机的功率曲线表取得可用功率产生，其中功率曲线中的曲线图指示在不同风速将具有多大的电力产生。功率曲线表是由例如风力涡轮机制造者执行现场测量而生成，并且针对每一种特殊类型的风力涡轮机而标准化。估算可用功率产生的这种已知过程具有的缺点在于，由于风速表对风速的不准确测量的原因，结果典型地不是非常准确。

发明内容

本发明的一个目的是提高估算下调的风力涡轮机的可用功率产生的准确性。

这个目的可以通过根据各独立权利要求的下述内容来解决：确定驱动涡轮机的风的估算的风速的方法、用于确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的估算设备、风力涡轮机、风电场布置以及用于处理风力涡轮机，特别是确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的计算机程序。

根据本发明第一方面，提供了一种确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的方法。所提供的方法包括：测量由（下调的）风力涡轮机生成的当前功率，测量风力涡轮机的转子的当前转子速度，以及测量转子的转子叶片的当前叶片螺距角。再者，该方法包括：基于当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角，确定所估算的风速。

再者，根据本发明第一方面的另一示例性实施例，提供了一种用于确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的估算设备。估算单元包括估算单元和处理单元。估算单元适配用于接收：表示由（下调的）风力涡轮机生成的当前功率的第一值、表示风力涡轮机的转子的当前转子速度的第二值以及表示转子的转子叶片的当前叶片螺距角的第三值。该处理单元适配用于基于当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角，确定所估算的风速。

术语“当前功率”可以表示在预定时间点、特别是当涡轮机被节流和下调时由风力涡轮机生成的功率。当前（实际）功率（受限功率）会不同于在最佳叶片螺距条件下风力涡轮机可以实现的可用最大功率。当风力涡轮机分别被节流或下调时，风力涡轮机会产生当前功率。比如可以通过改变叶片螺距角实现风力涡轮机的下调和节流。

术语“叶片螺距角”可以限定为，为了使转子叶片围绕它们的纵轴周转而使叶片倾斜（pitch），叶片围绕它们的纵轴旋转的角度。可以将转子叶片避风或者迎风地转动，从而调整作用在转子叶片上的风力。通过将转子叶片转动为略微避风，作用在转子叶片上的风力减小，并且风力涡轮机的功率生成因此也减小。螺距角可以限定为围绕叶片轴回转的螺距致动器的角度。朝向涡轮机的转轴旋转会得到正角并且离开该转轴旋转会得到负角。

术语“当前转子速度”可以限定在测量转子速度时，风力涡轮机的转子的速度。特别地，风力涡轮机的主转轴的旋转可以由转子速度表达。

在常规风力涡轮机中，通过由风速表测量风速，可以计算出可用最大功率。到现在为止，通过风速表，特别是安装在涡轮机的机舱的风速表对风速的测量几乎没有与所要求的一样准确。当测量不准确的风速时，基于所测量的风速的所计算的可用最大功率也是不准确的。因此，运营下调风电场的网络运营商会不能确定在标称运行期间风电场可产生的可用最大功率，在该标称运行中可以实现最大功率产生。测量准确的可用最大功率的唯一方式是利用最佳转子速度和最佳叶片螺距角来运行至少一个风力涡轮机，从而生成可用最大功率。或者通过测量风速或者通过以可用最大功率运行风力涡轮机，就准确度和时间要求方面而言，这两种确定可用最大功率的方法几乎都没有与所要求的一样准确。

通过本发明，提供了一种用于在风力涡轮机工作于下调和节流状态的点处确定最大可获得风力的准确方法。通过本发明的方法，风速可以不是被测量，而是可以基于当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角被估算。因而，所估算的风速可以比风速的测量的值更准确，因为所估算的风速是基于可以准确测量的测量值。因此，也实现了更准确的最大可用功率的确定。因而，网络运营商能够更确切地确定风力涡轮机或风力涡轮机场的最大可用功率。

根据本发明的另一示例性实施例，该方法还包括：基于所确定的估算的风速和涡轮机的功率曲线，确定风力涡轮机的可用最大功率，其中该功率曲线指示在不同风速的可用最大功率。

功率曲线专用于一个特定类型的风力涡轮机。特别地，涡轮机的功率曲线给出在特定不同风速下涡轮机的最大可用功率。

生成功率是关于在风力涡轮机的电力发电机中生成转矩。在设计转子（涡轮机的主要部分）时，转子叶片以能够从风收获最大数量的功率的这种方式被建模。这将进而给出所估算的功率曲线，该功率曲线可以通过现场测量来验证。换言之，如果风速、特别是所估算的风速已知，则可以从功率曲线图量测最大可用功率。确定的风速越准确，则可以更准确确定最大可用功率生成。

根据另一示例性实施例，确定所估算的风速包括使用下述公式：

P=C_p(λ,θ)*π*R/2*ρ*ν³

P=C_p(R*ω_rotor/ν(T,p),θ)*π*R/2*ρ(T,p)*ν(T,p)³

其中

λ为叶尖速度比；

ω_rotor为转子速度，特别是主转轴速度，单位为每分钟转数；

ν为风速，R为转子半径；

ρ为空气密度；

θ为叶片螺距角；

p为当地气象，以及

T为温度。

该公式描述当涡轮机工作时产生的功率和当前风速之间的函数。可以使用上述公式计算涡轮机可用功率。从而，λ、R、ρ、p和T可以被标准化，使得涡轮机的当前功率特别地取决于转子速度、叶片螺距角和风速。也就是说，当例如通过传感器可以准确地测量当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角时，通过使用上述公式可以确定和计算实际估算的风速。附加地，可以使用来自例如温度和环境压力的标准化参数的变动，使得可以由当前大气条件给出更准确的风速估算。

利用这个计算的估算的风速，可以从功率曲线量测可用最大功率。因为所计算的和估算的风速可能比所测量的风速更准确，可以实现最大可用功率的更准确的确定。

根据另一示例性实施例，确定所估算的风速包括：限定包括三条正交轴的三维参照查找表，其中第一轴表示转子速度，第二轴表示风速以及第三轴表示叶片螺距角。三维参照查找表中的值表示取决于风速、转子速度和叶片螺距角，由风力涡轮机生成的功率。参照查找表也可以称为Cp查找表。

三维参照查找表的限定可以简化对风力涡轮机生成的最大可用功率的确定。因而，在测量当前测量的变量，诸如当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角时，可以从参照查找表量测对所估算的风速的简单确定而无需计算所估算的风速。因而，可以不需要使用诸如计算机的计算设备以用于确定最大可用功率。再者，根据参照查找表可以以容易的方式量测，当诸如当前功率、当前转子速度和当前叶片螺距角之类的某些变量改变时，最大可用功率和所估算的风速将如何改变。因而，特别地，通过下述内容可生成这种简化且容易的可限定的参照查找表：使对于λ、R、ρ、p的标准化值标准化，并且基于不同工作点而计算功率产生，其中所述工作点给出对于变量风速、螺距角和转子速度的值。

根据本发明的另一示例性实施例，确定所建立的风速还包括：在针对当前功率、当前叶片螺距角和当前转子速度的参照查找表中查找所估算的风速。

根据另一示例性实施例，确定所估算的风速还包括：当相应所测量的当前值落在参照查找表中两个对应值之间时，内插针对所测量的当前功率、所测量的当前叶片螺距角和/或所测量的当前转子速度的值。特别地，如果比如参照查找表中螺距角的步进大小为10，则比如针对10度、20度、30度的叶片螺距角，限定风速和转子速度的对应值。当例如测量25°的叶片螺距角时，针对当前转子速度、当前功率和所估算的风速的值可以被内插用于获得参照查找表中的调整值。

根据另一示例性实施例，该方法还包括校正参照查找表中的叶片螺距角，其中该校正包括校准周期。该校准周期包括测量风力涡轮机的可用最大功率（即风力涡轮机的不受限功率产生）并且从而依据所测量的可用最大功率而确定所估算的风速。接着，在降低涡轮机的功率产生直至风力涡轮机再次产生受限功率之后，测量当前叶片螺距角并且计算在受限功率处的所计算的叶片螺距角。再者，该校正包括另一校准周期。当测量风力涡轮机在另一时间点的另一可用最大功率时，可以开始该另一校准周期。根据该另一校准周期，依据所测量的另一可用最大功率确定另一估算的风速。接着，在降低涡轮机的功率产生直至风力涡轮机再次产生另一受限功率之后，测量另一当前叶片螺距角并且计算在该另一受限功率处的另一计算的叶片螺距角。基于校准周期的结果，用于基于参照查找表中叶片螺距角的值而确定校准和校正的叶片螺距角（的值）的传递函数被建模。基于a）所测量的当前叶片螺距角和所计算的螺距角之间的偏移以及b）该另一测量的当前叶片螺距角和该另一计算的螺距角之间的偏移，通过多项式回归（例如线性回归）而生成（建模）传递函数。传递函数适配用于确定参照查找表中校正的叶片螺距角。

传递函数以及叶片螺距角的相应的线可以用于校准和校正参照查找表中叶片螺距角的条目。

多项式回归将给出直线或者抛物线（parable）等，其最小化在风力涡轮机的特定工作条件或者设定点处所测量的叶片螺距角和所计算的叶片螺距角θt之间的平方偏移。因此，将由传递函数提供一条线，其将具有最小误差（最小偏移），而与针对风力涡轮机的各个设定点被测量的叶片螺距角无关。

所测量的当前叶片螺距角误差或偏移依据哪些其它变量（例如受限功率、估算的风速、转子速度）被应用而变化，使得对于具有不同变量（例如受限功率、估算的风速、转子速度）的不同设定点（工作条件），所测量的当前叶片螺距角和所计算的叶片螺距角之间存在不定偏移。因此传递函数通过多项式回归（例如线性回归）来建模。换言之，传递函数可以基于至少两个数据对被限定，其中每个数据对包括用于所计算的叶片螺距角的值和用于特定设定点的测量的叶片螺距角。每对叶片螺距角值包括：特别是在相同变量（例如受限功率、估算的风速、转子速度）下的测量的当前叶片螺距角和计算的叶片螺距角。所测量的当前叶片螺距角和所计算的叶片螺距角之间的差异限定偏移，对于每对叶片螺距角值的单独偏移。考虑到偏移（差异）和每个数据对，可以例如通过多项式回归限定传递函数。因此，传递函数可以限定例如一条线（或抛物线等），该线将具有对于风力涡轮机的工作条件（设定点）的叶片螺距角的最小误差（偏移），其中与限定传递函数的当前测量的当前叶片螺距角无关，未计算或测量叶片螺距角。换言之，传递函数可以用于校准参照查找表中叶片螺距角的条目，从而实现在涡轮机的特定工作条件下用于叶片螺距角的校正的值。

当具有更准确的叶片螺距角的值时，可以从参照查找表量测更准确的估算的风速值。当风力涡轮机产生所确定的受限功率时，当前叶片螺距角被测量。利用所测量的当前叶片螺距角，运营商比如可以应用参照查找表用于确定所估算的风速。用于叶片螺距角的参照查找表中条目的准确度的提高是通过限定传递函数来提供，其中在传递函数中可以输入校正的当前叶片螺距角、当前受限功率、当前风速和恒定转子速度。传递函数给出校准和校正的叶片螺距角，其中与真实叶片螺距角相比，校准的叶片螺距角包括比不准确的测量的当前叶片螺距角将提供的更小的误差（偏移）。

根据另一示例性实施例，通过受限功率所估算的风速和预定恒定转子速度来计算所计算的叶片螺距角。

根据另一示例性实施例，校准该参照查找表中的叶片螺距角还包括：当涡轮机再次从另一可用最大功率降低时，开始附加校准周期，使得附加测量的叶片螺距角和附加计算的螺距角被确定（并且附加数据对因此被确定）。基于c）附加测量的当前叶片螺距角和附加计算的螺距角之间的差异，随后通过多项式回归（例如线性回归）附加地生成传递函数。提供的附加校准周期越多，传递函数将越准确。

特别地，可以实现用于独立地改进传递函数的自学习算法。每次当风力涡轮机利用可获得最大功率运行并且再次被降低到受限功率时，可以如上所述开始新的附加校准周期。在这个附加校准周期结束时，另一附加测量的当前叶片螺距角和另一附加计算的螺距角（附加数据对）被确定，利用其随后基于该另一附加测量的当前叶片螺距角和该另一附加计算的螺距角之间的差异（偏移）通过多项式回归附加地生成传递函数。因此，在多个（附加）校准周期之后，实现准确的传递函数。因而，换言之，当前示例性实施例提供了一种自学习和自校准的传递函数的生成，其用于提高参照查找表中用于叶片螺距角的任何值的准确度。

根据另一示例性实施例，将涡轮机的功率产生降低到受限功率包括：通过改变当前叶片螺距角，降低受限功率的功率产生。改变当前叶片螺距角从而降低功率产生是一种温和且成本有效的降低功率的方式，而不使用造成磨损的制动方法，例如当在涡轮机转轴处安装摩擦制动器时。

根据另一示例性实施例，提供一种风电场布置，其中该风电场布置包括多个风力涡轮机，其中至少一个该风力涡轮机为上述的风力涡轮机，其包括用于确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的估算设备。因而，当由一个风力涡轮机利用上述估算方法确定可用最大功率时，所确定的值可以针对风电场布置中的所有风力涡轮机推测，使得网络运营商可以获得整个风电场的可用最大功率的更准确值。

根据另一示例性实施例，一种用于确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的计算机程序。当由数据处理器执行时，该计算机程序被适配用于控制上述确定驱动风力涡轮机的风的估算的风速的方法。

如此处所使用的那样，对计算机程序的引用旨在等同于引用程序单元和/或引用计算机可读介质，其含有用于控制计算机***从而协调如上所述方法的实行的指令。

该计算机程序诸如可以实施为任何合适编程语言（例如JAVA、C++）中的计算机可读指令代码，并且可以存储于计算机可读介质（可移动盘、易失性或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等）上。指令代码可操作以对计算机或者任何其它可编程设备编程从而实施预期功能。计算机程序可以从诸如万维网的网络获得，该计算机程序可以从所述网络下载。

本发明可以借助计算机程序相应（respectively）软件实现。然而，本发明也可以借助一个或多个特定电子电路相应硬件实现。此外，本发明也可以以混合形式实现，即以软件模块和硬件模块的组合实现。

通过本发明，与例如通过风速表在物理上测量风速相比，可以更准确确定所估算的风速。当具有更准确的估算的风速时，可以更准确估算风力涡轮机的可用最大功率产生。因而，特别地，风电场可以利用“旋转备用功率”来控制，其意味着风电场的当前功率产生可以设置为风电场可用最大功率产生的预先限定的百分比。通过本估算方法，与风电场的真实可用最大功率相比，可以以正或负5%的精度确定该可用最大功率。

必须注意，已经参考不同主题描述了本发明各实施例。特别地，已经参***类型权利要求描述了一些实施例，而参考方法类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从上述和以下描述推断出，除非另外指出，除了属于一种类型主题的各特征的任何组合之外，涉及不同主题的各特征之间、特别是设备类型权利要求的各特征和方法类型权利要求的各特征之间的任何组合也认为在本申请中被公开。

附图说明

本发明的上文限定的各方面以及另外的方面通过将在下文描述的实施例的示例而是显见的，并且参考实施例的示例来解释本发明的上文限定的各方面以及另外的方面。本发明在下文中将参考实施例的示例进行更详细描述，但是本发明不限于所述实施例的示例。

图1图示根据本发明的示例性实施例的方法的算法的示意性描述；

图2示出根据本发明的示例性实施例的功率曲线图；

图3示出根据本发明的示例性实施例的参照查找表的限定；

图4示出根据本发明的示例性实施例的对于叶片螺距角的测量的值的内插步骤；

图5示出根据本发明的示例性实施例的对于转子速度在测量的值之间的内插步骤的示意性视图；

图6示出根据本发明的示例性实施例的参照查找表的校准步骤的示例性实施例；

图7示出二维图示，其指示根据本发明的示例性实施例的对于不同风速和叶片螺距角的可生成的功率；

图8示出根据本发明的示例性实施例的包括多个数据对的图示；以及

图9示出根据本发明的示例性实施例的具有估算设备的风力涡轮机。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意在不同图中相似或相同的元件被提供相同的参考标记。

图1示出确定驱动风力涡轮机900（见图9）的风的估算的风速νe的方法的示例性实施例。该方法包括：测量由风力涡轮机900生成的当前功率Pa，测量风力涡轮机900的转子903（见图9）的当前转子速度ωa，以及测量转子903的转子叶片901（见图9）的当前叶片螺距角θa。基于当前功率Pa、当前转子速度ωa和当前叶片螺距角θa，可以确定所估算的风速νe。

如从图1可以获悉的那样，即使当风力涡轮机900被下调，即当风力涡轮机900产生相对于可用最大功率Pmax的减小的受限功率Pl时，在步骤1确定所估算的风速νe会导致在步骤2确定最大可用功率Pmax。通过获得所估算的风速νe并且在功率曲线图中比较所估算的风速νe，可以实现对可用最大功率Pmax的确定。与不同风速ν比较，可以从功率曲线图获得不同可用最大功率值Pmax。

图2图示对于特定类型的风力涡轮机的功率曲线图的示例。每条功率曲线可以由现场测量验证。再者，每条功率曲线专用于一种特定类型的风力涡轮机。功率曲线给出这样的信息：相对于特定风速ν，该特定类型的涡轮机可以生成哪个可用最大功率Pmax。因而，在确定所估算的风速νe时，特定类型的风力涡轮机900的特定的可用最大功率值Pmax可以通过如图2所示的功率曲线图来确定和量测。

图3图示叶片螺距角θ、主转轴速度，相应的转子速度ω、风速ν和所生成的功率P之间的关系。

如图3所示的参照查找表中的条目可以基于下述公式：

P=C_p(λ,θ)*π*R/2*ρ*ν³

P=C_p(R*ω_rotor/ν(T,p),θ)*π*R/2*ρ(T,p)*ν(T,p)³

其中

λ为叶尖速度比；

ω_rotor为转子速度，特别是主转轴速度，单位为每分钟转数；

ν为风速，R为转子半径；

ρ为空气密度；

θ为叶片螺距角；

p为当地气象；以及

T为温度。

转子叶片叶尖速度比λ、转子半径R、空气密度ρ、当地气象压力p和温度T的值可以针对所有风力涡轮机900以及风力涡轮机900的安装现场被标准化，使得实际功率产生P可以仅仅取决于转子速度ω、叶片螺距角θ和风速ν三个变量。换言之，当具有或者测量了叶片螺距角θ、转子速度ω和可测量的当前受限功率Pl的值时，估算的风速νe可以被估算。

为了简化确定所估算的风速νe的步骤，有可能限定参照查找表（CP查找表）。参照查找表可以限定为基于其输入参数的水平函数。在参照查找表中，可以确定对于叶片螺距角θ、转子速度ω和风速ν的各种不同变量的功率P。换言之，可以限定参照查找表，其中基于当前功率Pa、当前转子速度ωa和当前叶片螺距角θa，运营商可以以容易且快速的方式量测所估算的风速ν。当具有其它变量的所测量的值时，运营商无需计算所估算的风速νe。简单查看所限定的参照查找表为运营商给出所估算的风速νe的值并且因此给出用于可用最大功率Pmax的基础值。

图4和图5图示在参照查找表中内插测量的值的示例。如在图4中可以看出的那样，如果当前叶片螺距角θa落在表中例如θl和θ2的两个条目之间，则通过在这两个叶片螺距角θl、θ2之间的条目之间进行线性内插，可以限定所测量的当前叶片螺距角θa的各个值。

再者，如在图5中可以看出的那样，在参照查找表中可以为转子速度ωl、ω2提供两个条目之间的内插。当转子速度ω的测量的值落在参照查找表中转子速度ωl、ω2的两个条目之间时，可以内插所测量的当前转子速度ωa的对应值。内插值比如可以是转子速度值ωl和ω2之间的内插功率值P。这可以是功率曲线，该功率曲线含有沿着参照查找表的二维矩阵的列的功率值P，而每个条目代表对应于特定风速值ν的功率P。因而，当使用涡轮机的当前测量的功率Pa时，将使用线性内插来估算可能的风速νe。

所采集的和估算的风速νe可以直接用于在对于特定类型的涡轮机的功率曲线上进行查找，这将返回风力涡轮机可用最大功率Pmax。

图6图示用于参照查找表的校准算法。当测量到对于风力涡轮机900的所测量的叶片螺距角θm的不准确值时，所估算的最大可用功率Pmax也会是不准确的。由于分别例如风力涡轮机900和传感器的校准误差，所测量的叶片螺距角θm的值会是不准确的。例如，仅仅1°的误差会导致对所估算的可用最大功率Pmax的相当不准确的估算。因此，可以提供一种自动和自作用（selfacting）的校准算法，其中利用校准算法可以限定传递函数，利用该传递函数可以校正用于叶片螺距角θ的参照查找表中的条目，从而获得校正的叶片螺距角θc的条目。

在图6所示步骤1中，当风力涡轮机900在生成可用最大功率Pmax的方式中运行时，测量风力涡轮机900的可用最大功率Pmax。当具有可用最大功率Pmax时，可以从如图2所示的功率曲线量测所估算的风速νe。接着，风力涡轮机900将被下调，直至生成受限功率Pl为止。在步骤2，可以测量当生成受限功率Pl时的所测量的叶片螺距角θm。可以假设，在步骤1和步骤2之间所估算的风速νe保持相等，因为用于下调风力涡轮机900的时间可能只花费1至10秒，使得假设在该时间段内不发生风速变化。

当生成可用最大功率Pmax和受限功率Pl时，当前转子速度ωc保持恒定（即在步骤1和步骤2之间转子速度ωc保持恒定）。因而，可以限定二维查找表，其中每个受限功率Pl基于叶片螺距角θ和风速ν，如图7所示。

图7图示这样的二维查找表，其中所生成的功率P是基于叶片螺距角θ和风速ν。在图7中示出示例性3.6MW（兆瓦）风力涡轮机900的二维图示。通过在产生可用最大功率（图6中步骤1）和产生受限功率Pl（图6中步骤2）之间保持转子速度ωc恒定，可以限定该二维图示，其中所产生的功率P取决于叶片螺距角θ和风速ν，如图7所示。二维图示可以限定为水平设置函数，其中不同水平代表不同功率值P。具有所估算的风速νe并且具有所测量的风力涡轮机受限功率Pl，此二维图示可以用于估算所计算的叶片螺距角θt。

概言之，到此为止，确定了针对特定设定点（例如由受限功率Pl产生、风速ν限定）的所计算的叶片螺距角θt和所测量的叶片螺距角θa。在所计算的叶片螺距角θt和所测量的叶片螺距角θm这两个值之间，通常出现偏移a。

风力涡轮机900的所测量的叶片螺距角θm和所计算的叶片螺距角θt之间的偏移极有可能不提供恒定偏移a，即对于针对风力涡轮机900的不同工作条件（设定点）的叶片螺距角θ，为了获得校正的叶片螺距角θc而添加到所测量的当前叶片螺距角θm的偏移将是不同的。

因此，对所测量的叶片螺距角θm和当前叶片螺距角θa之间的偏移a的建模无法逐个样本地进行。因此，需要一个传递函数，特别地该传递函数为解析函数，该传递函数观察偏移a相对于风力涡轮机900的不同工作条件的行为。因而，传递函数在数学上对偏移a建模，使得所测量的叶片螺距角θm可以利用该传递函数校正，从而获得校正的叶片螺距角θc。因而，对于风力涡轮机900的不同工作条件（例如不同受限功率Pl、不同风速ν、不同转子速度ωc），可以由传递函数计算校正的叶片螺距角θc。

传递函数的建模将基于使功率基准从可用最大功率Pmax逐步下降到受限功率Pl的事件。直到功率基准逐步下降为止，风力涡轮机900收获风中的所有能量，并且处于标称功率产生。一旦逐步下降，功率产生将被限制到预先限定功率设定点并且风力涡轮机900产生受限功率Pl。接着，观察与所计算的叶片螺距角θt相比，所测量的叶片螺距测量结果θm的行为，并且确定偏移a。

当风力涡轮机900处于标称功率产生（即产生最大可用功率Pmax）时，所产生的功率Pmax将直接取决于风速ν。因此在功率基准逐步下降（图6中步骤2）之前的采样区间（图6中步骤1）处，通过在功率曲线中直接查找可以估算风速ν。

在我们将功率基准从步骤1逐步下降到步骤2之后，所估算的风速νe将不会显著变化。

与在其中获得可用最大功率Pmax的标称功率产生时的转子速度ω相比，当风力涡轮机900产生受限功率Pl时，转子速度ωc将保持恒定。这样做是为了在功率基准逐步上升的情况下能够快速地恢复标称功率产生。

因此，当风力涡轮机900在受限状态运行时，恒定转子速度ωc、和风速νe的估算以及受限功率产生Pl被确定。使用这三个因子，可以计算转子叶片901的所计算的叶片螺距角θt。

接着，所计算的叶片螺距角θt可以与所测量的叶片螺距角θm比较。这些角度最初有可能不相同。因此这给出在该特定螺距角θ的差异（偏移a）。换言之，计算的数据（计算的叶片螺距角θt）和测量的数据（测量的叶片螺距角θm）被确定，它们相差特定的偏移a。

当涡轮机下一次利用可用最大功率Pmax来运行并且被下调以再次产生受限功率Pl时，可以确定具有另一特定偏移a的另一数据对（在风力涡轮机900的特定设定点处，对应的计算的叶片螺距角θt和测量的当前叶片螺距角θm）。当获得足够数目的数据对时，可以计算传递函数。

图8示出可以确定的数据对801的图示。未填充的点示出与对应的计算的叶片螺距角θt（在竖直方向上被填充的点）相对地绘制的所测量的叶片螺距角θm。如果所测量的叶片螺距角θm是理想的，则偏移a将为零并且被填充的和未填充的点将重叠，使得一条直线将连接所有未被填充的点。

如图8所示，取决于风力涡轮机900的特定设定点的哪个叶片螺距角θ被确定，偏移a发生变化，使得偏移a不恒定。因此，传递函数被建模，特别是通过多项式回归。

多项式回归将给出直线（或抛物线等），所述线最小化未被填充的点（测量的叶片螺距角θm）和填充的点（计算的叶片螺距角θt）之间的平方距离（偏移a）。因此，将由传递函数提供一条线，该线将具有最小误差（最小偏移a），而与针对风力涡轮机900的各个设定点被测量的叶片螺距角θ无关。

传递函数和叶片螺距角θ的相应的线可以随后用于校准参照查找表中的叶片螺距角θ。

为了建模一个更准确的传递函数，若干事件以及因此的若干数据对会是有帮助的。事件包括在标称功率下运行风力涡轮机900（其中生成可用最大功率Pmax）以及在受限状态下（其中生成受限功率Pl）运行。换言之，校准算法是基于事件的，其中每个事件可以限定为下调风力涡轮机900的一个步骤。可以测量风力涡轮机900下调之前的可用最大功率Pmax和下调之后的受限功率Pl。可用最大功率Pmax和下调的受限功率Pl的两个测量的值可以用于计算转子叶片901的所计算的叶片螺距角θt。确定的数据对越多，传递函数越准确。

回到图6，校准算法为一种自学习算法。特别地，在特定时间段t上每次当风力涡轮机900产生可用最大功率Pmax（见图6中步骤3）时，进行另一测量，使得可以在图2中示出的功率曲线图中确定估算的风速νe。当下调风力涡轮机900时，可以执行另一校准周期，使得在风力涡轮机900的后续下调状态中，可以取得针对风力涡轮机900的特定受限功率Pl和估算的风速νe的另一测量的叶片螺距角θm。该另一测量的叶片螺距角θm可以与对应的计算的叶片螺距角θc比较。这给出特定偏移a的新的数据对和新的值。确定的叶片螺距角θ的数据对的数目越多，传递函数越详细，使得参照查找表中叶片螺距角θ的校准越准确。因而，校准步骤可以用作风电场中特定种类的所有风力涡轮机900的训练算法，并且从而持续地保持单独的参照查找表对于每个风力涡轮机900是准确的。

图9图示包括安装到转子903的转子叶片901的风力涡轮机900的示例性实施例。在风力涡轮机900的机舱中，电力发电机904附连到转子903以用于生成功率P。再者，转子速度传感器905、叶片螺距传感器906和功率传感器907附连到风力涡轮机900以用于测量相应的值。

再者，估算设备910安装到风力涡轮机900，其中估算设备910可包括估算单元911和处理单元912，从而处理用于估算驱动风力涡轮机900的风的风速νe的上述方法。

应注意术语“包括”不排除其它元件或步骤并且“一”或“一个”不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以组合。还应注意，权利要求中的附图标记不应解读为限制权利要求的范围。

附图标记列表

801         数据对

900         风力涡轮机

901         转子叶片

902         风向

903         转子

904         电力发电机

905         转子速度传感器

906         叶片螺距传感器

907         功率传感器

910         估算设备

911         估算单元

912         处理单元

Pmax      可用最大功率

Pa           当前功率

Pl            受限功率

ν             风速

νe            估算的风速

ω_rotor       转子速度

ωa          当前转子速度

ωc          恒定转子速度

θ             叶片螺距角

θa           当前叶片螺距角

θt            计算的叶片螺距角

θc           校正的叶片螺距角

θm          测量的叶片螺距角

R             转子半径

ρ             空气密度

p             当地气象压力

T            温度

t               时间。

Claims (13)

1.用于确定驱动风力涡轮机（900）的风的估算的风速（νe）的方法，该方法包括：

测量由风力涡轮机（900）生成的当前功率（Pa），

测量风力涡轮机（900）的转子的当前转子速度（ωa），

测量转子（903）的转子叶片的当前叶片螺距角（θa），以及

基于当前功率（Pa）、当前转子速度（ωa）和当前叶片螺距角（θa）确定所估算的风速（νe）。

2.权利要求1的方法，还包括：

基于所确定的估算的风速（νe）和该涡轮机的功率曲线，确定风力涡轮机（900）的可用最大功率（Pmax），

其中该功率曲线指示在不同风速（ν）的可用最大功率（Pmax）。

3.权利要求1或2的方法，其中确定所估算的风速（νe）包括使用下述公式：

P=C_p(R*ω_rotor/ν(T,p),θ)*π*R/2*ρ(T,p)*ν(T,p)³

其中

ω_rotor=转子速度

ν=风速

R=转子半径

ρ=空气密度

θ=叶片螺距角

p=当地气象压力

T=温度。

4.权利要求1至3中任意一项的方法，其中确定所估算的风速（νe）包括限定包括三条正交轴的三维参照查找表，

其中第一轴表示转子速度（ω），第二轴表示风速（ν）以及第三轴表示叶片螺距角（θ），以及

其中该三维参照查找表中的值表示取决于风速（ν）、转子速度（ω）和叶片螺距角（θ）的能够由该风力涡轮机（900）生成的功率（P）。

5.权利要求4的方法，其中确定所估算的风速（νe）还包括：

在针对当前功率（Pa）、当前叶片螺距角（θa）和当前转子速度（ωa）的参照查找表中查找所估算的风速（νe）。

6.权利要求4或5的方法，其中确定所估算的风速（νe）还包括：

当相应的测量的当前值落在参照查找表中的两个对应值之间时，内插针对所测量的当前功率（Pa）、所测量的当前叶片螺距角（θa）和/或所测量的当前转子速度（ωa）的值。

7.权利要求4至6中的一项的方法，还包括校正该参照查找表中的叶片螺距角（θ），其中该校正包括：

校准周期，该校准周期包括：

测量风力涡轮机（900）的可用最大功率（Pmax），

依据所测量的可用最大功率（Pmax）确定所估算的风速（νe），

降低该涡轮机的功率产生直至风力涡轮机（900）再次产生受限功率（Pl）为止，

测量当前叶片螺距角（θa）以及计算在该受限功率（Pl）处的所计算的叶片螺距角（θt），

其中校正该参照查找表中的叶片螺距角（θ）还包括另一校准周期，该另一校准周期包括：

测量风力涡轮机（900）在另一时间点的另一可用最大功率（Pmax），

依据所测量的另一可用最大功率（Pmax）确定另一估算的风速（νe），

降低该涡轮机的功率产生直至风力涡轮机（900）再次产生另一受限功率（Pl）为止，

测量另一当前叶片螺距角（θa）以及计算在该另一受限功率（Pl）处的另一计算的叶片螺距角（θt），

基于该参照查找表中叶片螺距角的值，对传递函数进行建模，

其中该传递函数基于下述内容通过多项式回归而生成：

a）所测量的叶片螺距角（θm）和所计算的螺距角（θt）之间的偏移（a），以及

b）该另一测量的叶片螺距角（θm）和该另一计算的螺距角（θt）之间的另一偏移（a），

其中该传递函数适配成用于确定该参照查找表中的校正的叶片螺距角（θc）。

8.权利要求7的方法，其中通过受限功率（Pl）、所估算的风速（νe）和预先限定的恒定转子速度（ωc）计算所计算的叶片螺距角（θt）。

9.权利要求7或8的方法，其中校正该参照查找表中的叶片螺距角（θ）还包括：

当风力涡轮机（900）再次从另一可用最大功率（Pmax）降低时，开始附加校准周期，使得附加测量的当前叶片螺距角（θa）和附加计算的螺距角（θt）被测量，以及

其中基于下述内容通过多项式回归而附加地生成该传递函数：

c）附加测量的叶片螺距角（θm）和附加计算的螺距角（θt）之间的附加偏移（a）之间的附加偏移（a）。

10.用于确定驱动风力涡轮机（900）的风的估算的风速（νe）的估算设备，该估算单元包括：

估算单元（911），以及

处理单元（912），

其中该估算单元（911）适配成用于接收：

表示由风力涡轮机（900）生成的当前功率（Pa）的第一值，

表示风力涡轮机（900）的转子的当前转子速度（ωa）的第二值，以及

表示转子的转子叶片的当前叶片螺距角（θa）的第三值，以及

其中该处理单元（912）适配成用于基于当前功率（Pa）、当前转子速度（ωa）和当前叶片螺距角（θa）来确定所估算的风速（νe）。

11.风力涡轮机，包括：

测量设备，其适配成用于测量当前功率（Pa）、当前叶片螺距角（θa）和当前转子速度（ωa），以及

权利要求10的估算设备（900）。

12.风电场布置，包括：

多个风力涡轮机（900），

其中至少其中一个该风力涡轮机（900）为权利要求11的风力涡轮机（900）。

13.一种用于确定驱动风力涡轮机（900）的风的估算的风速（νe）的计算机程序，在由数据处理器执行时，该计算机程序适配成用于控制权利要求1至9中任意一项所述的方法。

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