CN110582636A - 校准风力涡轮机的风传感器 - Google Patents

Abstract

提出了一种确定用于风力涡轮机的至少一个风速传感器的校准信息的方法，‑其中，由所述至少一个风速传感器提供所测量的风速信息（305），‑其中，基于风力涡轮机个体操作信息来估计自由风速信息（306），‑其中，基于所测量的风速信息（305）和所估计的自由风速信息（306）来确定校准信息（310）。此外，提议了用于执行所述方法的风力涡轮机和装置以及计算机程序产品和计算机可读介质。

Description

校准风力涡轮机的风传感器

技术领域

本发明涉及用于确定风力涡轮机的校准信息的方法、风力涡轮机和装置。另外，提议了相应的计算机程序产品和计算机可读介质。

背景技术

对风力涡轮机或风电场/园区的恰当和有效控制和/或操作基于表示风速（特别是在风力涡轮机前面的自由风速）的测量或确定结果的准确风速信息。

作为示例，风速信息可用于发起涡轮机启动、用于在大风情况下停止（遵循安全法规）以及用于另外的控制特征（比如例如，冰检测）。此外，风速信息可由诸如风电场运营商之类的客户用来确认风力涡轮机的性能，该性能通常由风力涡轮机特定功率曲线限定。

根据一种可能的情况，风力涡轮机可配备有一个或多个风速传感器（比如例如，位于机舱顶部的风速计），所述风速传感器测量风速并提供所测量的风速信息（也称为“原始风速信息”）作为输出信息。

然而，由于由例如转子的给定结构和风力涡轮机的机舱所引起的干扰效应，吹袭风力涡轮机的所得风场受到了极大的干扰。因此，如通常由机舱风速计捕获的点测量值不提供关于在风力涡轮机前面的自由风速的预期精确信息。

为了基于风速计测量值来提供对自由风速的适当确定，有必要对在风速传感器的输出端处所测量的风速信息进行修改或校正。

为了确立对所测量的风速信息成为自由风速信息的这种校正或转化，有必要适当地确定校正信息或转化信息（也称为“校准信息”）。

校准信息可由传递函数表示，该传递函数反映了机舱处的风速传感器的输出和在风力涡轮机前面的真实自由风速之间的关系。

由于自由风速主要是未知的，因此难以确定恰当的校准信息。不进行恰当的校准，则风传感器的输出端处的原始风速信息和在转子前面的自由风速之间可存在高达5 m/s的偏移量（offset）。

根据示例性情况，两个风速传感器（比如，风速计）可位于机舱的顶部。由此，这些风速计中的一个可一般用作确定风速的主传感器。在主传感器发生故障的情况下，另一风速计可用作二级传感器以作为备用传感器。

通常已知若干种风速传感器，比如例如，机械转杯风速计或超声波风速计。超声波风速计直接测量风速，而机械转杯风速计测量转杯的旋转速度（以赫兹[HZ]为单位）。

图1示例性地示出了包括传递函数110的曲线图100，该传递函数表示用于将所捕获的原始风速信息（即，由机械转杯风速计提供的旋转信息（经由以[Hz]为单位的横坐标101显现））修改或转化为自由风速信息（经由以[m/s]为单位的纵坐标102显现）的校准信息。根据图1，基于传递函数110将原始风速信息转化为自由风速信息，该传递函数包括偏移量105以及通过转变点140分开的第一斜线120和第二斜线130。

作为另外的示例，图2示出了包括传递函数210的曲线图200，该传递函数表示针对超声波风速计导出的校准信息。由此，横坐标201表示超声波风速计输出（以[m/s]为单位），且纵坐标202表示自由风速（以[m/s]为单位）。

如图2中所突出显示的，传递函数210包括关于中性传递函数（如由虚线215指示）的数次校正（由相应的箭头200...226图示），其中

• 确定针对所限定的风速230（此处为0 m/s）的校正220，

• 确定针对所限定的风速231（此处为5 m/s）的校正221，

• 确定针对所限定的风速232（此处为10 m/s）的校正222，

• 确定针对所限定的风速233（此处为15 m/s）的校正223，

• 确定针对所限定的风速234（此处为20 m/s）的校正224，

• 确定针对所限定的风速235（此处为25 m/s）的校正225，

• 确定针对所限定的风速236（此处为30 m/s）的校正226，

传递函数210的梯度或“设计”是校准过程的结果。

根据可能的已知校准技术，由位于风力涡轮机的转子前面的计量桅杆（metrologymast）提供的风速信息可用于风速传感器的校准。

由此，由计量桅杆提供的风速信息表示自由风速信息，该自由风速信息与由风速传感器提供的待校准的“原始”风速信息进行比较。然而，对于给定的风力涡轮机，此类计量桅杆仅在极少数情况下可用，且尤其是海上放置的风力涡轮机很多时候在附近没有此类桅杆。作为另外的缺点，这种校准仅对个体风力涡轮机有效，且即使在相同类型的风力涡轮机和风传感器的情况下也不一定为其他风力涡轮机提供足够的校准结果。

发明内容

因此，目的是克服上述缺点，且特别是提供一种确定用于风力涡轮机的风传感器的适当的校准信息的改进方法。

该问题根据独立权利要求的特征来解决。另外的实施例由从属权利要求产生。

为了克服该问题，提供了一种确定用于风力涡轮机的至少一个风速传感器的校准信息的方法，

- 其中，由所述至少一个风速传感器提供所测量的风速信息，

- 其中，基于风力涡轮机个体操作信息来估计自由风速信息，

- 其中，基于以下各者来确定校准信息：

- 所测量的风速信息，以及

- 所估计的自由风速信息。

可由位于风力涡轮机的机舱顶部的风速传感器来提供所测量的或原始风速信息。

自由风速是在风力涡轮机前面（特别是在风力涡轮机的转子前面）的风速。

根据本发明解决方案的一个方面，可基于风力涡轮机的当前个体操作数据或信息来估计自由风速信息。作为示例，通过确定当前功率、当前转子速度和当前叶片桨距角，可基于在风速、转子速度和桨距角的给定组合下对风力涡轮机发电量的模拟来确定或估计当前自由风速信息（“所估计的自由风速信息”）。在WO 2010/139372 A1中示例性地公开了用于基于操作数据来估计风速的这种方法。

替代地，可通过由一组系数限定的自调谐式固定阶控制器（也称为“LQG控制器”）来估计自由风速信息，所述系数基于***的经验线性模型。该模型用于对传感器测量值做出预测，其中，预测误差用于更新模型的系数以及更新反馈规则。所预测的传感器测量值可表示***状态变量，所述***状态变量可包括例如旋转速度、扭矩、偏转以及实际自由风速。

根据所提出的解决方案的一个另外的方面，可将所估计的自由风速信息与风速传感器的输出端处所测量的风速信息进行比较或映射。结果，可以导出恰当的校准信息，例如呈传递函数的形式，该传递函数可以是用于将所测量的风速信息适当地转化为自由风速信息的基础。可在线性或多项式回归的基础上对传递函数进行建模。

作为一个优点，相对于如图1和图2中示例性地示出的某种程度上“简单”的传递函数110、210，所导出的校准信息要灵活得多。特别地，风速传感器的输出和自由风速之间的复杂关系可以通过所提出的校准信息来处理。作为另外的优点，本发明解决方案将不提供在物理上不可能的负风速。

此外，可将所提出的校准信息应用于对特定的控制特征来说相关的甚至更高的风速，所述特定控制特征比如为“大风穿越（High Wind Ride Through）”，即允许风力涡轮机在高于正常切出风速（通常设定在例如25 m/s）的情况下继续操作的控制方案。

在实施例中，校准信息包括表示以下各者之间的关系的传递函数：

- 所测量的风速信息，以及

- 所估计的自由风速信息。

在另一个实施例中，在线性回归或多项式回归的基础上对所测量的风速信息和所估计的自由风速信息之间的关系进行建模。

在另外的实施例中，在至少一个当前风力涡轮机个体操作信息的基础上估计自由风速信息。

在下一个实施例中，基于以下各者来估计自由风速信息：

- 风力涡轮机的转子的所测量的当前转子速度，

- 由风力涡轮机产生的所测量的当前功率，以及

- 转子的转子叶片的所测量的当前叶片桨距角。

也为实施例的是，基于以下各者来估计自由风速信息：

- 至少一个所测量的操作信息，以及

- 风力涡轮机的动力学模型。

依据另一个实施例，在所确定的校准信息的基础上处理所测量的风速信息或另外的所测量的风速信息，由此将所测量的风速信息转化为自由风速信息。

上文所陈述的问题还通过一种风力涡轮机来解决，该风力涡轮机包括：

- 至少一个风速传感器，其提供所测量的风速信息，

- 处理单元，其布置成用于

- 基于风力涡轮机个体操作信息来估计自由风速信息，以及

- 基于以下各者来确定校准信息：

- 所测量的风速信息，以及

- 所估计的自由风速信息。

上文所陈述的问题还通过一种包括处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置的装置来解决，和/或一种与处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置相关联的装置来解决，并且该装置布置成能够在其上执行如本文中所描述的方法。

所述处理单元可包括以下各者中的至少一个：处理器、微控制器、硬接线电路、ASIC、FPGA或逻辑装置。

本文中所提供的解决方案还包括能够直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，该计算机程序产品包括用于执行如本文中所描述的方法的步骤的软件代码部分。

另外，上文所陈述的问题通过计算机可读介质（例如，任何种类的存储器）来解决，该计算机可读介质具有适于引起计算机***执行如本文中所描述的方法的计算机可执行指令。

附图说明

在以下附图中示出和图示了本发明的实施例：

图1示例性地示出了包括传递函数的曲线图，该传递函数表示用于将由机械转杯风速计提供的所捕获的原始风速信息修改或转化为自由风速信息的已知的校准信息；

图2示出了已知的传递函数的另外的示例，该传递函数表示被限定用于超声波风速计的校准信息；

图3示出了如通过所提议的解决方案导出的复传递函数的示例。

具体实施方式

关于图3，现在更详细地解释对校准信息的创新性确定。所提出的对校准信息的确定可以被实施为自动化程序（“校准程序”），该自动化程序例如由风力涡轮机的操作控制器或由负责恰当的风速传感器校准的任何另外的特定控制器来执行。

初始化

在第一步骤中，可基于依每个风力涡轮机和/或风力传感器定制或独特于每个风力涡轮机和/或风力传感器的一组参数将默认/初始传递函数选择作为初始校准，以便考虑到跨不同风力涡轮机构型的差异。默认或初始传递函数的可能实施例可以是连续的线或已知的固定校准，如在图1或图2中示例性地所示的那样。在图3中，示例性初始传递函数310通过虚线315显现。

鲁棒性（robust）校准

根据所建议的解决方案，风力涡轮机控制器连续地捕获信息（也称为“映射信息”），即

- 在风速传感器的输出端处所测量的风速信息，以及

- 在操作信息的基础上估计的自由风速信息

从而允许识别所测量的风速信息和所估计的自由风速信息之间的“真实”关系。

随着在进行中的校准程序期间捕获越来越多的映射信息，在所捕获的映射信息的基础上，将初始传递函数逐渐修改或校准为所得传递函数。

如已经提及的，仅仅通过由一个个体风力涡轮机提供的映射信息就可确定所得传递函数。在捕获或获得了足够量的映射信息之后，可停止在进行中的校准程序，即，校准被锁定。校准的锁定（“校准冻结”）允许在适当的时候进行恰当的校准过程以及对自由风速的正确确定。校准冻结的另外的优点是有可能将所捕获的映射信息用于长时间分析风力涡轮机性能下降。

在校准冻结之后，可使用现有数据（例如，来自先前校准过程的数据）在任何时候继续校准过程，抑或可在数据重置之后（例如，在预定的时间段之后和/或在对风力涡轮机进行维修或零件更换之后）继续校准过程。

根据本发明校准的另外的方面，可在线性或多项式回归的基础上对所测量的风速信息和所估计的自由风速信息之间的关系进行建模。在统计学中，多项式回归是线性回归的一种形式，其中将自变量x（在此为所测量的风速信息）和因变量y（在此为自由风速信息）之间的关系建模为x的n次多项式。多项式回归拟合x的值和y的对应的条件平均值之间的非线性关系。

应注意，可基于替代性统计建模来确定所测量的风速信息和所估计的自由风速信息之间的关系。

所得传递函数可由直线、多项式或分段函数表示。

自由风速估计

如上文已经提及的，所估计的自由风速信息是由涡轮机控制器在校准程序期间所捕获的映射信息的一部分。根据所提出的解决方案，可在当前操作信息或参数的基础上估计或计算自由风速信息，所述当前操作信息或参数比如为：例如

- 当前桨距角

- 当前转子速度

- 当前发电量

- 当前空气密度

以上各者可由位于风力涡轮机中和/或风力涡轮机处的适当的传感器永久地测量。

如上文已经提及的，可以在WO2010/139372中找到用于计算或估计自由风速的已知的解决方案。

替代地，可通过由一组系数限定的自调谐式固定阶控制器（也称为“LQG控制器”）来估计自由风速信息，所述系数基于***的经验线性模型。该模型用于对传感器测量值做出预测，其中，预测误差用于更新模型的系数以及更新反馈规则（feedback law）。所预测的传感器测量值可表示***状态变量，所述***状态变量可包括例如旋转速度、扭矩、偏转以及实际自由风速。在“The Design of Closed Loop Controllers for Wind Turbines”（E.A. Bossanyi，Wind Energy 2000;3:149-163“Advanced Controllers”）中公开了基于状态估计器和最优状态反馈的LQG控制器的示例。

图3以曲线图300示出了在“校准冻结”之后的所得传递函数310的示例。由此，横坐标305表示由机舱上的风速传感器提供的所测量的风速信息（以[m/s]为单位）。纵坐标306表示在转子平面前面的所估计的风速信息或自由风速信息（以[m/s]为单位）。

在横坐标305处指示了数个固定点fp1...23，这些固定点在校准过程期间被识别并且限定了最终的传递函数310。

作为示例，第二固定点fp2表示6 m/s的所测量的风速，其中，所估计的自由风速结果为5 m/s。因此，传递函数310被调整/限定成使得每次风速传感器测量到6 m/s的风速时，该所测量的风速信息都被校正，即，根据传递函数通过因子“-1“得到转化，从而产生5 m/s的自由风速信息。

作为另外的示例，第17固定点fp17表示25.5 m/s的所测量的风速，其中，所估计的风速在校准程序期间（传递函数310已被相应地调整）产生25 m/s的值。因此，在校准冻结之后，每次风速传感器测量到25.5 m/s的风速时，该测量结果都会通过“-0.5”得到校正，从而产生25 m/s的经转化的自由风速信息。

如图3中所显现的，传递函数310的“分段”或“区间相关”定义实现了更加灵活的传递函数，从而允许大量的区间将在校准程序期间所捕获的信息分开。根据图3的示例，传递函数由23个区间fp1...23限定。

可应用不同的策略来将所捕获的映射信息指派给不同的区间。作为示例，可取决于相应的所测量的风速和不同区间之间的距离来使用加权因子。也可应用部分重叠的区间或者若干个区间的组合/合并体。此外，可在校准程序期间应用风力涡轮机正常操作和风力涡轮机减缩操作（reduced wind turbine operation）之间的差异化。

根据另外的可能实施例，可提供关于校准程序的进度的状态信息，由此允许确定或估计所调整的传递函数的实际数据质量。

本发明解决方案的主要方面是使用从风力涡轮机的当前（即，所测量的）操作数据获得的所估计的自由风速信息来校准风力涡轮机的风速传感器。所提出的解决方案允许精确地确定自由风速，其对于风力涡轮机的有效操作是必不可少的。

此外，所提出的解决方案允许自动确定校准信息。这是显著的优势，因为可以在任何时候初始化或重新初始化校准程序，而无需维修人员处理例如风力涡轮机特定的参数设置。

尽管已以优选实施例及其变型形式公开了本发明，但是将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可对其做出众多附加的修改和变型。

为了清晰起见，将理解，贯穿本申请使用“一”或“一个”不排除多个，并且“包括”不排除其他步骤或元件。对“单元”或“模块”的提及不排除使用多于一个单元或模块。

Claims (11)

1.一种确定用于风力涡轮机的至少一个风速传感器的校准信息的方法，

- 其中，由所述至少一个风速传感器提供所测量的风速信息（305），

- 其中，基于风力涡轮机个体操作信息来估计自由风速信息（306），

- 其中，基于以下各者来确定所述校准信息（310）：

- 所述所测量的风速信息（305），以及

- 所述所估计的自由风速信息（306）。

2.根据权利要求2所述的方法，其中，所述校准信息（310）包括表示以下各者之间的关系的传递函数：

- 所述所测量的风速信息（305），以及

- 所述所估计的自由风速信息（306）。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在线性回归或多项式回归的基础上对所述所测量的风速信息（305）和所述所估计的自由风速信息（306）之间的关系进行建模。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

在至少一个当前风力涡轮机个体操作信息的基础上估计所述自由风速信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其中

基于以下各者来估计所述自由风速信息（306）：

- 所述风力涡轮机的转子的所测量的当前转子速度，

- 由所述风力涡轮机产生的所测量的当前功率，以及

- 所述转子的转子叶片的所测量的当前叶片桨距角。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，基于以下各者来估计所述自由风速信息：

- 所述至少一个所测量的操作信息，以及

- 所述风力涡轮机的动力学模型。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，由此

在所述所确定的校准信息的基础上处理所述所测量的风速信息或另外的所测量的风速信息，由此将所述所测量的风速信息转化为自由风速信息。

8.一种风力涡轮机，包括：

- 至少一个风速传感器，其提供所测量的风速信息，

- 处理单元，其布置成用于

- 基于风力涡轮机个体操作信息来估计自由风速信息，以及

- 基于以下各者来确定校准信息：

- 所述所测量的风速信息，以及

- 所述所估计的自由风速信息。

9.一种包括处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置的装置，和/或一种与处理单元和/或硬接线电路和/或逻辑装置相关联的装置，其布置成使得能够在其上执行根据前述权利要求1至7中任一项所述的方法。

10.一种能够直接加载到数字计算机的存储器中的计算机程序产品，包括用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤的软件代码部分。

11.一种计算机可读介质，具有适于引起计算机***执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤的计算机可执行指令。