專利名稱:用于風(fēng)力渦輪機(jī)的監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及風(fēng)カ渦輪機(jī)監(jiān)測方法,更具體地,涉及風(fēng)速傳遞函數(shù)的監(jiān)測方法。
背景技術(shù):
風(fēng)カ渦輪機(jī)是將來自于風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。典型的風(fēng)カ渦輪機(jī)包括安裝在塔上的吊艙,其容納用于將轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動傳遞到發(fā)電機(jī)和其它組件的傳動系統(tǒng),所述其它組件例如調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)方向的偏航驅(qū)動器、數(shù)個促動器和傳感器以及制動器。所述轉(zhuǎn)子支撐數(shù)個葉片,所述葉片由此放射狀地延伸以用于捕獲風(fēng)的動能并促成所述傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動。所述轉(zhuǎn)子葉片具有空氣動力學(xué)形狀,以使得當(dāng)風(fēng)吹過葉片的表面時,產(chǎn)生促成軸旋轉(zhuǎn)的升力,所述軸直接或通過齒輪裝置連接到位于吊艙內(nèi)部的發(fā)電機(jī)。風(fēng)カ渦輪機(jī)所產(chǎn)生的能量的數(shù)量取決于接收來自于風(fēng)的作用的轉(zhuǎn)子葉片掃過表面,因此增加葉片的長度通常 導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出的增加。在已知的控制方法下,由風(fēng)カ渦輪機(jī)所產(chǎn)生的功率隨著風(fēng)速増加直到到達(dá)額定標(biāo)稱功率輸出,然后其保持恒定。在槳距調(diào)節(jié)風(fēng)カ渦輪機(jī)中,為了獨立于風(fēng)速地最優(yōu)化功率捕獲,這通過調(diào)節(jié)葉片的槳距動作來實現(xiàn)。因此,風(fēng)速是用于可變速度風(fēng)カ渦輪機(jī)的運行的ー項重要控制參數(shù)。在很多已經(jīng)安裝的風(fēng)カ渦輪機(jī)中,風(fēng)カ渦輪機(jī)控制系統(tǒng)所使用的風(fēng)速是通過將傳遞函數(shù)(以下稱TF)應(yīng)用于位于風(fēng)カ渦輪機(jī)吊艙上的風(fēng)速計所測量的風(fēng)速而計算得出的風(fēng)速。TF被定義為函數(shù),其將自由流風(fēng)速表示成風(fēng)カ渦輪機(jī)控制系統(tǒng)所使用的風(fēng)カ傳感器所測量的風(fēng)速的函數(shù)。這個函數(shù)被預(yù)期用來修正風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)カ渦輪機(jī)周圍的氣流畸變的影響。所述TF取決于風(fēng)力渦輪機(jī)特性、取決于風(fēng)力傳感器位置和類型并且取決于風(fēng)カ渦輪機(jī)所處位置處的風(fēng)力特性。由于吊艙周圍的風(fēng)流受到風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和吊艙的擾動,應(yīng)用適當(dāng)?shù)腡F以修正氣流畸變是非常重要的。為了得到適當(dāng)?shù)腡F,在風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子前面的自由風(fēng)速必須被測量(使用安裝在氣象桅桿上的風(fēng)杯或聲波風(fēng)速計,或者風(fēng)速的遙感器,或者通過其他裝置,如果有必要還包括位置校正),并且通過風(fēng)カ渦輪機(jī)風(fēng)速計測量風(fēng)速。在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析和損壞數(shù)據(jù)剔除之后,所獲得的相關(guān)函數(shù)應(yīng)該被應(yīng)用于由風(fēng)カ渦輪機(jī)風(fēng)速計所給出的數(shù)據(jù),以獲得風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子前面的實際風(fēng)速。不用測量風(fēng)力渦輪機(jī)前面的自由風(fēng)速而獲得用于風(fēng)カ渦輪機(jī)的適當(dāng)?shù)腡F的ー種已知方法是US 2008/0307853中所公開的風(fēng)速計校正方法,該方法包括步驟獲得風(fēng)速和風(fēng)速從屬的風(fēng)カ渦輪機(jī)變量的幾對測量值,將所述測量值對與風(fēng)速和從風(fēng)カ渦輪機(jī)的預(yù)期渦輪機(jī)變量曲線獲得的渦輪機(jī)變量的對進(jìn)行比較,以確定測量風(fēng)速值與對于給定的風(fēng)カ渦輪機(jī)變量值的預(yù)期風(fēng)速值之間的差額,以及基于所述確定的差額調(diào)整所述風(fēng)速計的校正函數(shù)。在用于評估風(fēng)カ渦輪機(jī)性能的不同方面的已知監(jiān)測方法中,盡管已經(jīng)知道了使用用于使風(fēng)力渦輪機(jī)功率產(chǎn)出最優(yōu)化的適當(dāng)?shù)腡F的重要性,但還不知道用于監(jiān)測應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)的TF的任何具體方法。本發(fā)明g在通過使用已知控制裝置對所述問題的解決方案,以使得其可以在已經(jīng)安裝的風(fēng)カ渦輪機(jī)中實施。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的ー個目的是提供一種槳距控制風(fēng)力渦輪機(jī)的性能的監(jiān)測方法。本發(fā)明的另ー個目的是提供一種被應(yīng)用于槳距控制風(fēng)力渦輪機(jī)的TF的監(jiān)測方法。這些和其他目的可以通過提供一種可變速度風(fēng)カ渦輪機(jī)的監(jiān)測方法來實現(xiàn),所述風(fēng)カ渦輪機(jī)包括控制裝置,該控制裝置用于跟隨功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線針對被應(yīng)用 于由安置在風(fēng)流被擾動位置的風(fēng)カ傳感器所測量的風(fēng)速的TF所表示的風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距,所述方法包括如下步驟a)提供風(fēng)速從屬變量V與風(fēng)カ渦輪機(jī)性能變量P之間的最佳關(guān)系函數(shù)Fl ;b)連續(xù)地測量所述風(fēng)速從屬變量V和所述風(fēng)カ渦輪機(jī)性能變量P并且獲取它們之間的關(guān)系函數(shù)F2 ;c)連續(xù)地獲取表示所述關(guān)系函數(shù)FpF2之間差額的參數(shù)D ;d)當(dāng)所述參數(shù)D的值大于預(yù)定值時產(chǎn)生警告信息。在一較佳實施例中,在所述步驟b)中,所述關(guān)系函數(shù)F2是使用至少10分鐘的周期中的所述變量V、P的平均值獲得的。由此,獲得了確保用于獲取所述關(guān)系函數(shù)F2的數(shù)據(jù)不受到臨時波動影響的方法。在另ー個較佳實施例中,在所述步驟c)中,所述參數(shù)D是針對在所述變量V、P中的ー個變量的值的預(yù)定范圍內(nèi)的所述關(guān)系函數(shù)F1. F2之間的差額獲取。由此獲得了只應(yīng)用于所述變量中的ー個變量的所選范圍的方法,在所述變量中的ー個變量的所選范圍內(nèi),其預(yù)期對所述差額的更好的檢測。在另ー個較佳實施例中,所述風(fēng)速從屬變量V為葉片槳距角并且所述風(fēng)カ渦輪機(jī)性能變量P為發(fā)電機(jī)速度。由此獲得了使用ー對特別相關(guān)的用于表示所述關(guān)系函數(shù)F1. F2之間差額的變量,因為,尤其是在最佳性能條件下,具有一明顯的風(fēng)速范圍,在此風(fēng)速范圍內(nèi)葉片槳距角會保持恒定(經(jīng)統(tǒng)計的平均為10分鐘),因此在使用不適當(dāng)?shù)腡F時或者在風(fēng)力渦輪機(jī)遇到其它問題時,使得能夠?qū)ζ钸M(jìn)行容易地監(jiān)測。在另ー個較佳實施例中,所述在風(fēng)カ渦輪機(jī)控制裝置中實施的TF為預(yù)先驗證的TFV。由此獲得了用于檢測風(fēng)カ渦輪機(jī)的不同于使用不適當(dāng)?shù)腡F的問題的適當(dāng)方法。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從如下帶附圖的詳細(xì)描述中得知。
圖I示意性地示出了風(fēng)カ渦輪機(jī)的主要組件;圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)中的用于控制可變速度風(fēng)カ渦輪機(jī)的功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線;圖3示出了典型的功率相對于風(fēng)速的曲線;
圖4示出了被監(jiān)測的風(fēng)カ渦輪機(jī)中的葉片槳距角速度與發(fā)電機(jī)速度之間的最佳關(guān)系函數(shù)F1 ;圖5示出了在被監(jiān)測的、運轉(zhuǎn)中的風(fēng)カ渦輪機(jī)中獲得的葉片槳距角與發(fā)電機(jī)速度之間的關(guān)系函數(shù)F2。
具體實施例方式典型的風(fēng)カ渦輪機(jī)11包括支撐吊艙18的塔13,所述吊艙18容納用于將風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)19。所述風(fēng)カ渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子轂15和典型情況下的三個葉片17。所述轉(zhuǎn)子轂15直接地或通過齒輪箱連接到風(fēng)カ渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)19,以用于將轉(zhuǎn)子15所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩傳遞到發(fā)電機(jī)19和增加軸速度以達(dá)到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的合適轉(zhuǎn)動速度。
現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)的功率輸出典型地由控制系統(tǒng)控制,以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片的槳距角和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。風(fēng)カ渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度和功率輸出可以據(jù)此從源頭上被控制,例如在通過變流器傳輸?shù)焦秒娋W(wǎng)之前。在此描述中我們將參照用于所有轉(zhuǎn)子葉片的共同葉片槳距角,但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識到本發(fā)明也可以適用于具有用于控制每個轉(zhuǎn)子葉片的槳距角的単獨裝置的風(fēng)カ渦輪機(jī)??勺兯俣蕊L(fēng)カ渦輪機(jī)的操作方法的基本目的在于獲得在理想的空氣動力學(xué)輸出下運行盡可能長的時間。眾所周知,與入射風(fēng)相關(guān)聯(lián)的動能取決于轉(zhuǎn)子葉片所掃過區(qū)域、取決于空氣密度并且取決于風(fēng)速的立方,人們認(rèn)為風(fēng)カ渦輪機(jī)可以提取到這種能量的59%。因此,每個風(fēng)カ渦輪機(jī)達(dá)到此界限的能力由所謂的功率系數(shù)Cp所表示,功率系數(shù)Cp由其空氣動力學(xué)特征所決定,尤其由其尖端速度比率λ所決定,尖端速度比率λ被定義為葉片尖端的切向速度與入射風(fēng)的速度之間的關(guān)系。如果此比率保持在其最優(yōu)值,如此,轉(zhuǎn)子速度跟隨風(fēng)速,將獲得風(fēng)カ渦輪機(jī)的最大功率系數(shù)Cp,實現(xiàn)了極高效率的能量轉(zhuǎn)換。通常用在可變速度風(fēng)カ渦輪機(jī)中的控制策略是基于電カ調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩以獲得最大的輸出,并且這是使用ー控制器來實施,所述控制器接收表示發(fā)電機(jī)速度和發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的功率的信號并且提供轉(zhuǎn)矩參考信號到變流器以獲得所需的功率。于是,風(fēng)カ渦輪機(jī)控制器使用定義功率與速度之間的期望函數(shù)關(guān)系的曲線來實現(xiàn)理想輸出。為了更好地理解本發(fā)明,如圖2所示的典型現(xiàn)有技術(shù)的功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線21的簡要說明如下。這條曲線包括第一子標(biāo)稱區(qū)域21,在此處風(fēng)速達(dá)到為啟動風(fēng)力渦輪機(jī)運行的最小級別,在這個區(qū)域,由于風(fēng)カ渦輪機(jī)不能夠捕獲最大的能量,所以風(fēng)カ渦輪機(jī)控制是受限制的。第二子標(biāo)稱區(qū)域25相對應(yīng)于低風(fēng)速,在此處發(fā)電機(jī)速度增加并且渦輪機(jī)以最佳功率系數(shù)Cp運轉(zhuǎn)。第三子標(biāo)稱區(qū)域27相對應(yīng)中等風(fēng)速,發(fā)電機(jī)速度保持恒定在標(biāo)稱發(fā)電機(jī)速度nrl而功率増加到標(biāo)稱功率。在這個區(qū)域內(nèi),槳距角是固定并且發(fā)電機(jī)速度通過轉(zhuǎn)矩控制。在標(biāo)稱區(qū)域29,以標(biāo)稱功率的滿載荷風(fēng)カ渦輪機(jī)運行在槳距控制下發(fā)生以避免過載。在理想情況中,作為結(jié)果的平均功率曲線將是如圖3中的曲線31,但是如果TF沒有提供用于自由流風(fēng)速的正確值,將會有相對于理想能量輸出的能量損失。
最初被應(yīng)用于風(fēng)カ渦輪機(jī)的TF通常是在不同于工作的風(fēng)カ渦輪機(jī)位置的風(fēng)カ渦輪機(jī)位置獲取的TF。在其他變量之中,TF取決于風(fēng)的條件(湍流強(qiáng)度、風(fēng)速的垂直分量)和風(fēng)カ渦輪機(jī)地點的地形特征。因為這些變量可以從ー個風(fēng)カ渦輪機(jī)位置到另ー個風(fēng)カ渦輪機(jī)位置而變化,即使他們之間的距離只有幾米,可能發(fā)生最初被應(yīng)用于風(fēng)カ渦輪機(jī)的TF不是對其位置最適合的,導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)性能將低于最佳水平。本發(fā)明的基本想法是提供一種基于一個風(fēng)速從屬變量V與一個風(fēng)カ渦輪機(jī)性能從屬變量P之間關(guān)系的TF監(jiān)測方法。當(dāng)TF沒有正確地估計轉(zhuǎn)子前面的風(fēng)速吋,所述變量V、P之間的關(guān)系不是最佳的。因此,無論風(fēng)カ渦輪機(jī)是否以適合的TF工作,將所述變量V、P的期望值與所述變量V、P從風(fēng)カ渦輪機(jī)得到的測量值相比較,其均可以被監(jiān)測。適合的V變量是下列各項風(fēng)速、葉片槳距角或者與風(fēng)カ傳感器所測量的風(fēng)速相關(guān)的任何其他變量。適合的P變量是下列各項發(fā)電機(jī)速度、輸出功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子速度或者與風(fēng)カ渦 輪機(jī)性能相關(guān)的任何其他變量。在本發(fā)明的較佳實施例中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)作為風(fēng)速從屬變量V的一對葉片槳距角和作為風(fēng)カ渦輪機(jī)性能從屬變量P的發(fā)電機(jī)速度特別適合用于監(jiān)測TF偏差。根據(jù)本發(fā)明較佳實施例的監(jiān)測方法的第一歩因此是提供葉片槳距角與發(fā)電機(jī)速度之間的最佳關(guān)系函數(shù)F1 (也就是適當(dāng)?shù)腡F下的關(guān)系),例如圖4所表示的函數(shù)じ。所述函數(shù)F1作為由風(fēng)力渦輪機(jī)的理論運行所產(chǎn)生的所述變量之間的函數(shù)被獲得。很容易注意到,圖4中的函數(shù)F1和圖2中的功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線21示出了理論風(fēng)カ渦輪機(jī)運行的不同視圖。在根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法的第二步中,葉片槳距角和發(fā)電機(jī)速度的值被持續(xù)地測量,并且他們之間的關(guān)系函數(shù)F2被獲得,例如圖5的函數(shù)F2 (其闡釋了不適當(dāng)?shù)腡F下的關(guān)系)。葉片槳距角和發(fā)電機(jī)速度的值應(yīng)該盡可能頻繁地被測量,典型地為1Hz,并計算出平均值,也就是10分鐘的平均值。葉片槳距角和發(fā)電機(jī)速度兩個變量的這些平均值被用于獲取函數(shù)f2。上文中提到的函數(shù)F1和F2在本發(fā)明內(nèi)應(yīng)該被廣義地理解,包括例如幾組幾對葉片槳距角和發(fā)電機(jī)速度的值和由所述數(shù)據(jù)的回歸分析所獲得的數(shù)學(xué)函數(shù)。在根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法的第三步中,表示所述函數(shù)F1.F2之間差額的參數(shù)D是使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具獲得的并且是排除了非顯著值之后過濾的數(shù)據(jù)。所述參數(shù)D可以作為預(yù)定期間(例如一個小時或一天)的平均值來獲取,其同樣適合于趨勢分析。所述參數(shù)D也可以在值的預(yù)定范圍內(nèi)被獲取,例如參照圖4和5,其只針對發(fā)電機(jī)速度在G3-G5之間的幾對值,當(dāng)風(fēng)カ渦輪機(jī)使用不適當(dāng)?shù)腡F吋,其將預(yù)期發(fā)現(xiàn)F1和F2之間清晰的差額。圖形比較圖4和圖5,所述差額可以容易地認(rèn)識到。用于葉片槳距角的期望值為恒定值P2,然而,當(dāng)風(fēng)カ渦輪機(jī)使用不適當(dāng)?shù)腡F時,其實際值高于P3。在根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法的第四步中,當(dāng)所述參數(shù)D的值高于為每ー個風(fēng)カ渦輪機(jī)模型設(shè)立的預(yù)定值時產(chǎn)生警告信息。所述函數(shù)F1, F2之間相關(guān)差額的檢測之后,TF應(yīng)該根據(jù)在背景技術(shù)中提到的任何已知方法被校正以最大化風(fēng)カ渦輪機(jī)功率性能??赡馨l(fā)生的是使用預(yù)先驗證的TFv實施本發(fā)明的監(jiān)測方法,由于諸如風(fēng)カ渦輪機(jī)未對準(zhǔn)或者在風(fēng)カ渦輪機(jī)中的機(jī)械問題的原因,仍然存在所述函數(shù)F1. F2之間的相關(guān)差額。在這種方式下,根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測方法可以被用于檢測所述問題。本領(lǐng)域技術(shù)人員將很容易地理解到,可以在風(fēng)力渦輪機(jī)SCADA中實施這種方法以監(jiān)測風(fēng)力渦輪機(jī)性能并發(fā)送警告信息以警告風(fēng)カ渦輪機(jī)并沒有工作在最佳狀態(tài)。這類問題的檢測可以避免風(fēng)カ渦輪機(jī)能量收益的顯著下降。
盡管已經(jīng)結(jié)合較佳實施例充分地描述了本發(fā)明,但很明顯,本發(fā)明并不限于這些實施例,在本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi),可以對所述實施例進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括控制裝置,該控制裝置用于跟隨功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線(21)針對被應(yīng)用于由安置在風(fēng)流被擾動位置的風(fēng)力傳感器所測量的風(fēng)速的傳遞函數(shù)(TF)所表示的風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距,其特征在于,所述方法包括如下步驟 a)提供風(fēng)速從屬變量(V)與風(fēng)力渦輪機(jī)性能變量(P)之間的最佳關(guān)系函數(shù)(Fl); b)連續(xù)地測量所述風(fēng)速從屬變量(V)和所述風(fēng)力渦輪機(jī)性能變量(P)并且獲取它們之間的關(guān)系函數(shù)(F2); c)連續(xù)地獲取表示所述關(guān)系函數(shù)(FpF2)之間差額的參數(shù)(D); d)當(dāng)所述參數(shù)(D)的值大于預(yù)定值時產(chǎn)生警告信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,其特征在于,在所述步驟b)中,所述關(guān)系函數(shù)(F2)是使用至少10分鐘的周期中的所述變量(V、P)的平均值獲得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一項所述的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,其特征在于,在所述步驟c)中,所述參數(shù)(D)是針對在所述變量(V、P)中的一個變量的值的預(yù)定范圍內(nèi)的所述關(guān)系函數(shù)(Fp F2)之間的差額獲取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,其特征在于,所述風(fēng)速從屬變量(V)為葉片槳距角并且所述風(fēng)力渦輪機(jī)性能變量(P)為發(fā)電機(jī)速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,其特征在于,所述在風(fēng)力渦輪機(jī)控制裝置中實施的傳遞函數(shù)為預(yù)先驗證的傳遞函數(shù)(TFV)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的監(jiān)測方法所監(jiān)測的可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及可變速度風(fēng)力渦輪機(jī)(11)的監(jiān)測方法,所述風(fēng)力渦輪機(jī)包括控制裝置,該控制裝置用于跟隨功率相對于發(fā)電機(jī)速度的曲線(21)針對被應(yīng)用于由安置在風(fēng)流被擾動位置的風(fēng)力傳感器所測量的風(fēng)速的傳遞函數(shù)(TF)所表示的風(fēng)速調(diào)節(jié)槳距,所述方法包括如下步驟a)提供風(fēng)速從屬變量(V)例如葉片槳距角與風(fēng)力渦輪機(jī)性能變量(P)例如發(fā)電機(jī)速度之間的最佳關(guān)系函數(shù)(F1);b)連續(xù)地測量所述變量(V、P)并且獲取它們之間的關(guān)系函數(shù)(F2);c)連續(xù)地獲取表示所述關(guān)系函數(shù)(F1、F2)之間差額的參數(shù)(D);d)當(dāng)所述參數(shù)(D)的值大于預(yù)定值時產(chǎn)生警告信息。
文檔編號F03D7/02GK102859184SQ201180019180
公開日2013年1月2日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者哈維爾·特雷斯·特雷斯, 羅伯托·古鐵雷斯·阿爾達(dá)納斯, 米蘭·埃斯特萬·科爾內(nèi)霍 申請人:歌美颯創(chuàng)新技術(shù)公司