專利名稱：基于風速測定法的冰檢測的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力渦輪機的結冰。更特定地，本發(fā)明涉及用于風力 渦輪機的冰檢測和冰檢測單元。具體地，本發(fā)明涉及用于風力渦輪機 水才全測的方法、用于校準冰檢測單元的方法和用于風力渦輪機的冰才全 測單元。
背景技術：
在過去，風力渦l侖才幾經歷日益增長的需求。因此，越來越多的風 力渦輪機也在 一 年期間具有更高的結冰可能'性的地點計劃并架設。例 如，這樣的地點可以位于冷而苛刻的氣候中，如北歐、近海位置或者 高山區(qū)域。這些條件導致增加的結冰可能性，即冰積聚。特定地，在 渦輪機轉子葉片處的結冰導致減少的能量輸出。這基于風力渦輪機上 增加的質量載荷以及風力渦輪機空氣動力學屬性的惡化。此外，在水 拋灑的情況時，可能發(fā)生調節(jié)以關閉風力渦輪機，進一步惡化能量輸 出。
典型地，由于結冰，風力渦輪機的功率輸出減少。能夠發(fā)現這
些牙口更多的纟田節(jié)，4列力口在由T. Laakso, H. Holttinen, G. Ronsten, L. Tallhaug, R. Horbaty， I. Baring—Gould, A. Lacroix, E. Peltola, 和 B. Tammelin 的"State-of-the-art of wind energy in cold climate" (2003年4月)中、在由 H. Seifert的"Betrieb von Windenergieanlagen unter Vereisungsbedingungen，，(來自AUF WIND 99， ST. P6lten的摘要)中、在由Henry Seifert的"Technical Requirements for Rotor Blades Operating in Cold Climate" 、 以及在由B. Schaffner的 "arWind Energy Site Assessment in Harsh Climate Conditions" 中。

發(fā)明內容
由此，依據一個實施例，提供用于冰檢測的方法。該方法包括提 供冰條件閥值參數，其適于區(qū)分其間結冰可以發(fā)生的條件和其間結水不會發(fā)生的條件，用第一風速儀測量風速度，其中第一風速儀屬于第 一類型，用第二風速儀測量風速度，其中第二風速儀屬于第二類型， 且其中第二類型與第一類型不同，對于其間結冰可以發(fā)生的條件，評 估用第 一風速儀測量的風速度和用第二風速儀測量的風速度的偏差， 且確定該偏差是否超過基于在其間結冰不會發(fā)生的條件下進行的校準 的極限值。
本發(fā)明進一步的方面、優(yōu)勢和特征從附上的權利要求書、說明書 和附圖顯而易見。
依據另一實施例，提供用于校準冰檢測單元的方法。該方法包括 測量 一定時期且在其間結冰不會發(fā)生的條件的第 一風速儀的數據集， 其中第 一風速儀屬于第 一類型，測量相應時期第二風速儀的數據集， 其中第二風速儀屬于第二類型，且其中第二類型與第一類型不同，限 定第 一數據集和第二數據集之間的函數相互關系，且限定確定偏差閥 值的極限值以指示結水條件標記。
依據又一實施例，提供冰檢測單元。冰檢測單元包括屬于第一類 型的第一風速儀、屬于第二類型的第二風速儀，其中第二類型與第一 類型不同，且其中第二風速儀是可加熱的以減少由冰對第二風速^f義的 影響，溫度傳感器，其適于測量冰條件閥值參數以區(qū)分其間結水可以 發(fā)生的條件和其間結冰不會發(fā)生的條件，和評估單元，其適于評估來 自第 一風速儀和第二風速儀的信號之間的函數關系。


對本領域普通技術人員來說，本發(fā)明的完整和可以實現的4皮露， 包括其最佳模式，在說明書的剩下部分更特定地闡述，包括參見附圖，
其中
圖1顯示圖示依據在此描述的實施例的包括基于風速儀的水檢測 單元的風力渦輪機的示意圖2顯示依據在此描述的實施例的水;險測單元控制方法的算法的 流程流程圖；圖3顯示依據在此描述的實施例的冰檢測單元校準方法的計算的流程圖；圖4顯示依據在此描述的實施例的冰檢測單元冰檢測方法的算法的流程圖5顯示圖示用于在此描述的實施例的風速儀的示意圖；和
圖6顯示圖示用于在此描述的實施例的風速儀的示意圖。
具體實施例方式
例在圖中圖示。每個示例以本發(fā)明解釋的方式提供，且并不意味為本 發(fā)明的限制。例如，作為一個實施例的部分圖示或者描述的特征能夠
例。本發(fā)明意欲包括這樣的修改和變化。
在某些大氣條件下，冰將在渦輪機部件，例如風速儀和葉片上產 生。通常使用的冰傳感器并不提供足夠的準確性。對以希望的準確性 檢測冰無能為力導致從渦輪機葉片的冰拋灑，且結果風力渦輪機在低 于一定溫度時需要關閉。
圖1圖示一個實施例，其中在風力渦輪機100上提供用于冰檢測 的系統(tǒng)。艙體6提供在塔架2的頂部。輪穀4可旋轉地保持在艙體6 處。轉子葉片8裝配到艙體6。用于水檢測的系統(tǒng)包括兩個風速儀110 和120。兩個不同類型的風速儀在艙體6上提供，如用不同尺寸的風 速儀指示。第一風速儀110更容易受結冰影響。第二風速儀120較少 地受結水影響。由兩個風速儀110和120接收的信號被評估以發(fā)出結 水條件信號。
此外，依據一個實施例，可以提供用于水條件參數值的檢測單元 130。風速儀110和12 0以及檢測單元130連接到評估單元。依據另 一實施例，檢測單元130為本領域中已知的溫度傳感器。溫度傳感器 測量溫度且確定溫度是低于還是高于閥值。評估單元140從第一和第 二風速儀以及溫度傳感器接收信號。如以下關于圖2-4描述的，評 估單元適于提供第 一風速儀和第二風速儀的測量值之間的函數關系。 一般地，通過比較風速儀120的信號和風速儀110的信號，能夠產生 冰^全測信號。
依據一個實施例，風速儀120為不容易結水的加熱的聲波風速儀。 風速儀110為風杯風速儀，其更可能受結冰影響。因此，在特別是艙 體處發(fā)生結水時，第二風速儀110受結冰影響。第一風速儀120的信
號和第二風速儀110的信號將指示風速度的差值。該差值將關于圖2-4中圖示的方法和圖5和6中圖示的風速4義更詳細地描述。
圖2顯示圖示進行用于水檢測系統(tǒng)的方法的流程圖。該方法從步 驟210開始，其中系統(tǒng)初始化，且例如，事先確定的參數值從存儲器 讀取，事先確定的參數值由使用者接口等提供。在步驟212內，測量 的冰條件值與水條件閥值參數比較。
依據一個實施例，冰條件閥值參數為溫度值。例如，如果溫度用 溫度傳感器測量且測量溫度高于事先確定的溫度閥值參數值，結冰條 件可能不會發(fā)生。另一方面，如果測量溫度低于溫度閥值參數值，存 在發(fā)生結冰條件的可能性。因此，在步驟212內，其確認結冰條件不 會發(fā)生的條件是否存在。這樣的條件能夠例如由至少在3°C-7。C或者 甚至更高的溫度范圍內的閥值溫度確定。如果溫度為例如低于作為閥 值的5°C,結冰條件可能發(fā)生。
如果在步驟212中已經確認沒有結冰的危險(例如T > Tth:是)， 方法繼續(xù)進行到步驟214。因此流程圖的左手側提供方法的校準分支。 依據一個實施例，校準于結水不可能發(fā)生的條件期間進行。依據另一 實施例，例如如果結冰條件在風力渦輪機操作的長周期期間出現，校 準對于很不可能發(fā)生結水條件的結冰條件閥值參數進行。
一般地，在此描述的實施例中，校準對于在其間沒有結冰出現的 條件下獲得的數據集進行，且在冰條件閥值參數值指示結冰條件可能 發(fā)生的情況時，得到的校準值用于結水條件的檢測。
在步驟214中，生成數據集的直方圖，其分別為來自第一風速儀 的信號值和來自第二風速儀的值的直方圖。依據一個實施例，生成的 數據集的直方圖可以包括最小風速度范圍內的值。依據另 一 實施例， 生成的數據集的直方圖可以包括最大風速度范圍內的值。依據更進一 步的實施例，生成的直方圖可以包括最小和最大風速度范圍內的值。 在產生數據集直方圖后，在步驟216中，評估數據集是否包括在希望 范圍的每個內足夠數量的值。依據進一步的實施例，直方圖也可以相 對于直方圖的每一面元(bin)最小數量的值評估。
在測量數據集的分布(直方圖)已經在步驟216中評估且數據集 滿足校準的要求(是)后，步驟218通往如圖3圖示的校準方法。否 則，方法繼續(xù)進行到步驟2 30。在步驟2 30中， 一個算法循環(huán)結束且另一算法循環(huán)開始。
數據集的直方圖可能是不夠的，例如在數據集產生期間如果僅有 小的風速度變化發(fā)生。依據實施例，在產生用于校準的帶有不夠的直 方圖的數據集的情況時，這些數據集可以與第 一 和第二風速儀的進一 步測量值，即，以前的數據集或者外部數據集的值組合。
依據一個實施例，這些進一步的數據集可以從類似的風力渦輪機 引入。依據另一實施例，可以提供更長的數據集產生周期，以產生第 一風速儀和第二風速儀更多的值。在使用引入的數據值的情況時，在 數據集中測量值的可用數量增加后，還可以漸漸地以測量數據替換引 入的數據。依據另一實施例，如果直方圖中可用值的數量允許從數據 集刪除較老的值，甚至可以刪除較老的數據值。
接著，在描述圖2的冰檢測步驟222之前，將描述圖3中圖示的 校準。關于圖3圖示的實施例以步驟218開始，其作為從一般系統(tǒng)方 法至'j校準方法的轉移步驟。
在步驟310中，第一風速儀可以定義為參考風速儀，而第二風速 儀可以定義為測試風速儀。依據另一實施例，第一風速儀可以為風速 儀的測試，而第二風速儀可以為參考風速儀。
然后，在分別相應于兩個風速儀的兩個數據集的值之間進行線性 回歸。作為線性回歸的結果，計算斜率b、偏量a和確定系數r2。接 著，在步驟312中，進行數據集的殘差分析。其中，計算與步驟310 中獲得的線性回歸比較的數據集單個值的殘差。此外，殘差的標準偏 差作為第一校準值提供。在步驟314中，第一校準值，即殘差的標準 偏差，乘以固定的參數。
依據一個實施例，固定參數為使用于多個風力渦輪機的事先確定的值。殘差的標準偏差和固定參數的乘積提供限定水檢測極限值的最 大殘差。依據另一實施例，固定參數為至少2。依據更進一步的實施 例，固定參數在3-2Q的范圍內。從而，在這些實施例中，在步驟314 中確定極限值，其限定水檢測的閥值。
在步驟316中，在從包含斜率b、偏量a、確定系數r2、和大于 最大殘差的殘差數量的集合中選擇的至少一個元素上進行測試。
如果例如斜率b、偏量a或確定系數 一在事先確定的范圍外，方 法繼續(xù)進行到步驟318，其中冰;險測單元失效標記設為等于1。如果大于最大殘差的殘差數量超過事先確定的閥值，同樣適用。因此，能 夠通知操作者校準失敗或者水檢測單元有故障。如果斜率b、偏量a、確定系數r2、和大于最大殘差的殘差數量在希望的事先確定的范圍 內，校準在步驟319中限定為成功，冰檢測單元失效標記設為0,且 方法在步驟219中繼續(xù)進行到圖2中圖示的冰檢測系統(tǒng)方法。
依據進一步可替換的實施例，如果從包含斜率b、偏量a、確定 系數r2、和大于最大殘差的殘差數量的集合中選擇的兩個或者更多元 素在事先確定的范圍外，方法繼續(xù)進行到步驟318,其中冰檢測單元 失效標記設為等于1。因此，能夠通知操作者校準失敗或者水檢測單 元有故障。否則，校準在步驟319中限定為成功，水檢測單元失效標 記設為0,且方法在步驟219中繼續(xù)進行到圖2中圖示的冰檢測系統(tǒng) 方法。
如果在步驟212中已經確認有一定的結冰危險(例如T > Tth:否)， 方法繼續(xù)進行到步驟222。在圖2中的步驟222中，確定現場校準是 否已經進行。現場校準應該理解為關于圖3描述的實施例的一個的校 準，且其在與使用水檢測系統(tǒng)相同的風力渦輪機上進行。
據進行校準的情況時，可以加載經驗值且校準可以用外部數據集進 行。依據另一實施例，數據集從風力渦輪機本身給出，且校準已經或 者能夠用該數據集進行。依據更進一步的實施例，數據集從風力渦輪 機本身給出，但直方圖可能不夠。然后附加的外部數據可能增加到測 量數據集以校準水;險測單元。
由此，斜率b、偏量a和作為第一校準值的殘差的標準偏差的值 或者作為第 一 校準值和事先確定的因子的乘積的冰檢測極限值能夠在 步驟222中提供。在步驟224中，方法繼續(xù)進行到關于圖4描述的水 才全測程序。在圖4中，冰;險測方法以/人圖2的冰4全測系統(tǒng)方法的轉移 步驟224開始。
在步驟410中，進行現有數據點的殘差分析。因此，線性回歸值 斜率b、偏量a用于轉換一個風速儀值。轉換的值與另一風速儀值比 較且計算殘差。確定現有數據點的殘差。也就是，確定風速儀的一個 在多大程度上與由另 一風速儀基于校準的斜率和偏差的線性函數計算 的值不同。
此外，使用殘差的標準偏差(作為第一校準值)或者作為第一校 準值和事先確定的因子的乘積的極限值。在步驟412中，確定現有數 據點的殘差是否超過極限值(第一校準值和固定的參數的乘積)。如果現有數據點的殘差超過極限值，冰計數指示器增加1 (步驟412)。 如果現有數據點的殘差低于極限值，水計數器指示器設為O(步驟 416 )。
此外，在步驟225中，方法返回到主冰檢測系統(tǒng)算法。依據一個 實施例，關于水計數指示器，如果冰計數器值大于Q,能夠指示冰檢 測。從而，指示冰檢測的一個數據點可以作為結冰的指示器使用。然 而，依據另一典型的實施例，僅如果水檢測計數器指示大于1的值， 水斗全測系統(tǒng)可以指示風力渦輪機的結冰。因此，僅如果冰#全測已經至 少由第二個冰檢測數據點確認時，指示結冰條件。
在算法返回到關于圖2描述的方法的步驟225后， 一個循環(huán)以步 驟230終止。
依據上述的實施例，風力渦輪機的冰檢測能夠改進至少因子5。 例如，用于苛刻氣候中的通常使用的冰傳感器可以導致大約14%錯誤 結冰條件指示。這意味著，對于14%的冰檢測情況，要么在艙體處沒 有結冰條件出現時指示結水，或者在結水實際出現時沒有給出結冰指 示。作為比較，在類似的苛刻氣候中，用在此描述的冰檢測系統(tǒng)可能 降低錯誤結冰指示的數量到低于1.5%的值。此外，冰檢測系統(tǒng)的置 信度水平能夠從85%改進到接近60%。這意味著包括風速儀算法的 冰檢測系統(tǒng)幾乎跟參考冰信號一樣好。
在圖5和6中圖示風速4義的實施例。圖5顯示風杯風速4義500。 在主本體51G上纟是供^4由或者軸512。風杯514安裝到力# 516，其通 過環(huán)518可旋轉地固定到機軸或者軸。環(huán)能夠圍繞機軸或者軸512旋 轉。依據一個實施例，機軸或者軸512和/或者環(huán)518能夠用例如15 -20W的功率加熱。因此，結冰在風速〗義上的影響減少。然而，由于 風杯還可能由冰覆蓋，風速儀相對容易受結冰影響。依據另一實施例， 風速儀500未加熱。因此，氣候影響更強。 一般地，風杯風速儀的實 施例包括三個風杯。然而，依據其他實施例，也可以采用帶有四個風 杯的風杯風速儀。
圖6顯示聲波風速儀的實施例。在主本體610上提供臂612和614。
臂都包括聲波收發(fā)器(或者分別發(fā)送器和接收器)，其彼此相隔以提 供測量段。聲音的傳播速度與風速度疊加。從而，風速度影響聲音的 傳播速度。從而能夠應用聲音的傳播延遲的測量以確定風速度。如果 四個臂和四個聲波收發(fā)器提供彼此垂直的兩個測量段，除風速度外能夠測量風方向。
進一步依據一個實施例，如果使用收發(fā)器，可以測量從臂612到臂614以及相反的兩個方向的聲音傳纟番速度。從而，聲音傳l番速度從 空氣溫度的依賴性能夠被排除。依據另一實施例，聲波風速儀600能 夠進一步提供有加熱。因此，從空氣溫度偏離的進一步溫度影響能夠 被排除。結果，依據關于圖6描述的實施例的風速儀不受或者幾乎不 受結冰影響。
依據一個實施例，圖i中圖示的用于風力渦輪才幾的水沖全測系統(tǒng)包 括作為第一風速儀120的加熱的聲波風速4義(圖6中600 )和軸加熱 的風杯風速4義(圖5中500 )。
依據在此描述的實施例，能夠提供改進的冰檢測系統(tǒng)且渦輪機可 以帶有冰檢測系統(tǒng)操作以盡可能地防止冰拋灑。
本書面描述使用示例以披露本發(fā)明，包括最佳模式，且也使任何 本領域中技術人員能夠進行和使用本發(fā)明。盡管本發(fā)明已經以不同的 具體實施例形式描述，本領域中技術人員將認識到，本發(fā)明能夠用在 權利要求書的精神和范圍內的修改實施。特別是，上述實施例的相互 非專用的特征可以彼此組合。本發(fā)明保護范圍由權利要求書限定，且 可以包括本領域中技術人員可以想象的其他示例。這種其他示例意衫: 在具有與本權利要求書的字面語言沒有區(qū)別的結構性元素，或者如果 其包括具有與本權利要求書的字面語言非實質性區(qū)別的等同結構性元 素的權利要求書的范圍。零件列表 塔架2
輪毅4 艙體6 轉子葉片8 風力渦輪機100 第一風速儀110 第二風速儀120
用于冰條件參數值的檢測單元130
評估單元140
方法步驟210(初始化)
方法步驟212(檢查冰條件閥值)
方法步驟214(生成直方圖)
方法步驟216(檢查直方圖)
方法步驟218(轉移到校準)
方法步驟219(從校準轉移)
方法步驟222(評估校準狀態(tài))
方法步驟224(轉移到水檢測)
方法步驟225(從冰檢測轉移)
方法步驟230(結束循環(huán))
方法步驟310(線性回歸)
方法步驟312(殘差分析)
方法步驟314(確定極限值)
方法步驟316(檢查失效)
方法步驟318(設定失效標記)
方法步驟319(設定失效標記)
方法步驟410(殘差分析)
方法步驟412(比較殘差和極限值)
方法步驟414(設定水計數指示器)
方法步驟416(設定冰計數指示器)
風速儀5 00
主本體510
才幾軸或者軸512
風杯514
臂516
環(huán)518
風速儀6 00
主本體610
臂612
臂614。
權利要求
1.一種用于風力渦輪機(100)冰檢測的方法，其包括提供冰條件閥值參數，其適于區(qū)分其間結冰可以發(fā)生的條件和其間結冰不會發(fā)生的條件；用第一風速儀(110；500；600)測量風速度，其中第一風速儀屬于第一類型；用第二風速儀(120；500；600)測量風速度，其中第二風速儀屬于第二類型，且其中第二類型與第一類型不同；對于其間結冰可以發(fā)生的條件，評估用第一風速儀測量的風速度和用第二風速儀測量的風速度的偏差；和確定該偏差是否超過基于在其間結冰不會發(fā)生的條件下進行的校準的極限值。
2. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括 計數偏差超過極限值的次數的數量；和指示次數的數量超過計數閥值的結水條件。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中極限值為標準偏差和固定 參數的乘積，其中標準偏差為基于在其間結冰不會發(fā)生的條件下測量 的第一風速儀(110)和第二風速儀(120)的數據集獲得的回歸的殘 差的標準偏差。
4. 根據權利要求1所述的方法，其進一步包括 加熱第一風速儀；和加熱第二風速儀。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中數據集一年產生至少一次 且校準一年進行至少一次。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中校準包括測量一定時期且在其間結冰不會發(fā)生的條件的第 一風速儀的數據 集，其中第一風速儀(110)屬于第一類型；測量相應該時期第二風速儀(120)的數據集，其中第二風速儀 屬于第二類型，且其中第二類型與第一類型不同；和限定第 一數據集和第二數據集之間的函數相互關系；限定確定偏差閥值的極限值以指示結冰條件標記。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中函數關系為線性回歸。
8. —種用于風力渦輪機(100)的水4全測單元，其包括 屬于第一類型的第一風速儀(110; 500; 600 ); 屬于第二類型的第二風速儀(120; 500; 600 )，其中第二類型與第一類型不同，且其中第二風速儀是可加熱的以減少由冰對第二風速 儀的影響；溫度傳感器(130),其適于測量水條件閥值參數，以區(qū)分其間結 冰可以發(fā)生的條件和其間結冰不會發(fā)生的條件；和評估單元(140),其適于評估來自第一風速儀和第二風速儀的信 號之間的函數關系。
9. 才艮據4又利要求8所述的冰;險測單元，其中第一風速4義為可加 熱的，以減少由冰對第一風速儀的影響，且其中第二風速4義為加熱的 超聲風速儀。
10. —個風力渦輪機(100)，其包括 根據權利要求8所述的冰檢測單元。
全文摘要
提供一種用于風力渦輪機冰檢測的方法。該方法包括提供冰條件閥值參數，其適于區(qū)分其間結冰可以發(fā)生的條件和其間結冰不會發(fā)生的條件，用第一風速儀(110)測量風速度，其中第一風速儀屬于第一類型，用第二風速儀(120)測量風速度，其中第二風速儀屬于第二類型，且其中第二類型與第一類型不同，對于其間結冰可以發(fā)生的條件，評估用第一風速儀測量的風速度和用第二風速儀測量的風速度的偏差，且確定該偏差是否超過基于在其間結冰不會發(fā)生的條件進行的校準的極限值。
文檔編號G01V9/00GK101201413SQ200710199550
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權日2006年12月13日
發(fā)明者C·霍夫羅格, F·奧爾梅爾, T·霍內坎普 申請人:通用電氣公司