專利名稱:使用葉片信號(hào)的風(fēng)傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),更具體來(lái)說(shuō),涉及一種用 于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及測(cè) 量具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)的方法以及相關(guān)的風(fēng)力渦 輪機(jī)和渦輪機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù):
現(xiàn)代的風(fēng)力渦輪機(jī)大多數(shù)都專門使用這樣的葉片,S卩,所述葉片是可圍繞它們的 縱軸線變槳的以調(diào)節(jié)葉片的迎角,因此調(diào)節(jié)葉片的提升力和阻力。連接到轉(zhuǎn)子的所有葉片 之間的共同的變槳運(yùn)動(dòng)用來(lái)調(diào)節(jié)從風(fēng)得到的空氣動(dòng)力,而單獨(dú)的變槳控制主要用來(lái)減輕或 減少葉片在非穩(wěn)定風(fēng)狀況中的正常操作期間所遭受的載荷。為了使得單獨(dú)的變槳控制是有效的,轉(zhuǎn)子掃過(guò)面積上的風(fēng)速場(chǎng)的基本上的即時(shí)信 息是必須的。尤其重要的風(fēng)速場(chǎng)特征是風(fēng)速、風(fēng)向、水平風(fēng)切力和垂直風(fēng)切力。當(dāng)它們?cè)谵D(zhuǎn) 子掃過(guò)面積上空間地均分時(shí),這些特征最適于控制,但是現(xiàn)在商業(yè)上所銷售的基本上所有 的渦輪機(jī)都使用由定位在艙上并且在轉(zhuǎn)子葉片的下游的一個(gè)風(fēng)速計(jì)和一個(gè)風(fēng)向標(biāo)提供的 單個(gè)(空間的)點(diǎn)測(cè)量。它們的輸出不提供關(guān)于風(fēng)切力的信息,并且提供風(fēng)速和風(fēng)向的空 間不完全描述。結(jié)果是,由于風(fēng)速場(chǎng)中的湍流漩渦在風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)之上通過(guò),速度和方向 的這些測(cè)量值通常是基本上與在轉(zhuǎn)子掃過(guò)面積上的優(yōu)選的空間均分的值不同的。而且,由 于被定位在轉(zhuǎn)子的下游,風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)都遭受葉片的湍流尾流的周期性的通過(guò)。為了去 除掉尾流對(duì)測(cè)量的不期望的影響,必須在長(zhǎng)時(shí)間周期上均分風(fēng)速計(jì)和風(fēng)向標(biāo)的信號(hào),但是 這么做也從信號(hào)中去除掉了必須的時(shí)間分辨率。專利申請(qǐng)EP2048507A2和US2007/0086893A1都介紹了定位在轂的前面并且基本 上與轂同心的風(fēng)速計(jì)系統(tǒng)。風(fēng)速計(jì)能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)或更多個(gè)速度分量,但仍然存在單空間 點(diǎn)測(cè)量的問(wèn)題。其所說(shuō)的主要好處是測(cè)量由各葉片形成的湍流尾流前面的風(fēng)狀況的能力。 盡管來(lái)自各葉片的尾流事實(shí)上以對(duì)流向下游傳遞,但是葉片的空氣動(dòng)力影響也以強(qiáng)方式向 轉(zhuǎn)子平面的上游延伸,由于轉(zhuǎn)子引起的速度這是明顯的,如同本領(lǐng)域眾所周知的那樣。因 此,不能直接測(cè)量真實(shí)的風(fēng)速,并且也需要基于從葉片得到的即時(shí)動(dòng)力的校正。測(cè)量或量化 這種校正是困難的,如同上面所提及的那樣。在US7317260中,描述了基于塔變形(tower deformation)識(shí)別風(fēng)速和風(fēng)向的組 合的方法。在EP1361445A1中也能發(fā)現(xiàn)不完整的描述。所主張的方法使用支撐風(fēng)力渦輪機(jī) 的塔的變形,與轉(zhuǎn)子速度、葉片槳距角和發(fā)生器轉(zhuǎn)矩一起,以推導(dǎo)出風(fēng)速和風(fēng)向的組合。然 而,在沒(méi)有額外的測(cè)量或假設(shè)的情況下不能單獨(dú)地評(píng)估風(fēng)速和風(fēng)向。水平和垂直風(fēng)切力是 不可檢測(cè)的。因此,所主張的方法不提供所期望的風(fēng)速場(chǎng)參量,如同上面所描述的那樣。在EP1361445A1中所主張的,并且在許多控制理論中可發(fā)現(xiàn)的操作方法中的進(jìn)一 步的復(fù)雜因素是,在用來(lái)將感應(yīng)量轉(zhuǎn)變成所期望的值的數(shù)學(xué)程序之內(nèi),要使用一個(gè)或多個(gè) “控制”方程,舉例來(lái)說(shuō),描述風(fēng)力渦輪機(jī)的或者它的部件的動(dòng)力學(xué)。盡管能明確地寫出風(fēng)力渦輪機(jī)或它的部件的運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)彈性方程,但是通常不能呈現(xiàn)這些方程之內(nèi)的力。例子 包括由于軸承中的摩擦的“非線性”力,以及取決于轉(zhuǎn)子葉片的即時(shí)空氣動(dòng)力狀態(tài)的空氣動(dòng) 力。由于葉片表面附近和遠(yuǎn)離葉片表面的湍流的影響,以及葉片表面本身的粗糙情況,這些 狀態(tài)不是已知的或者是不易測(cè)量的。在US7,445,431B2中,描述了用于測(cè)量局部葉片流動(dòng)的方法。該方法使用裝置測(cè) 量各轉(zhuǎn)子葉片表面處,或者緊鄰各轉(zhuǎn)子葉片表面處的流動(dòng)特性。依據(jù)流動(dòng)特性,通過(guò)減去轉(zhuǎn) 子速度并且評(píng)估轉(zhuǎn)子引起的速度而推導(dǎo)出風(fēng)場(chǎng)。如同上面所提及的那樣,評(píng)估引起的速度 要依靠轉(zhuǎn)子葉片的即時(shí)空氣動(dòng)力狀態(tài)的信息,其是難以測(cè)量的。此外,葉片上的表面風(fēng)速幾 乎等于轉(zhuǎn)子的速度。因此,從表面速度減去轉(zhuǎn)子速度使得最終量是對(duì)噪聲敏感的并且傾向 于過(guò)大的誤差。最后,傳感器的外側(cè)位置使得難以維持、替換或維修傳感器,并且傾向于快 速地沖擊、污垢堆積以及其它大氣影響?;陲L(fēng)感應(yīng)系統(tǒng)的聲達(dá)(SODAR)或雷達(dá)通常被用在風(fēng)能行業(yè)中以提供多點(diǎn)風(fēng)測(cè) 量,典型地是在評(píng)估某地點(diǎn)處的風(fēng)潛力期間使用。其測(cè)量通常沿著直線進(jìn)行,因此不覆蓋轉(zhuǎn) 子掃過(guò)的面積。更重要地,SODAR和LIDAR系統(tǒng)對(duì)于用在商業(yè)風(fēng)力渦輪機(jī)(即已超出樣機(jī) 階段)中來(lái)說(shuō)是太貴的。因此,期望具有沒(méi)有前面所提及的限制的、用于測(cè)量風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的掃過(guò)面積 上的風(fēng)速場(chǎng)的系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是能提供如下內(nèi)容的風(fēng)測(cè)量系統(tǒng)1.風(fēng)速、風(fēng)向、X-切力、y-切力、以及其它風(fēng)場(chǎng)狀態(tài),2.整個(gè)轉(zhuǎn)子掃過(guò)面積上的風(fēng)狀態(tài)的取樣,3.近即時(shí)取樣率,4.避免對(duì)物理量的假設(shè)和不完建模,5.良好的實(shí)用性和簡(jiǎn)單的維護(hù)性,6.低成本。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式,提供了一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子 的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),其包括通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)葉片上的物理量而獲得的 至少一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;通過(guò)將表征上述至少一個(gè)傳感 器信號(hào)的值與上述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立的表;和用于根據(jù) 表征上述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值從上述表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定上述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特 征的值的搜索裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式,提供了一種測(cè)量具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn) 子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)的方法,其包括以下步驟通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)葉片上的物理量 而獲得至少一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;通過(guò)將表征上述至少一 個(gè)傳感器信號(hào)的值與上述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立表;通過(guò)根 據(jù)表征上述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值從上述表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定上述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng) 特征的值。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式,提供了一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),包括用于基于在至少一個(gè)葉片上測(cè)量的物理量而 為當(dāng)前風(fēng)狀況確定至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值的裝置,其中該物理量包括葉片應(yīng)變和葉片偏 轉(zhuǎn)中的至少一個(gè),并且其中在上述至少一個(gè)葉片上的預(yù)定位置處測(cè)量該物理量。本發(fā)明還提供了一種具有轉(zhuǎn)子和兩個(gè)或更多個(gè)葉片的風(fēng)力渦輪機(jī),其包括上述的 風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的 風(fēng)力渦輪機(jī)控制系統(tǒng),其包括上述的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)和用于基于通過(guò)風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)而為 當(dāng)前風(fēng)狀況測(cè)量的至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值控制風(fēng)力渦輪機(jī)的特征的裝置。
圖1示出了風(fēng)力渦輪機(jī)的示意圖,圖2示出了風(fēng)力渦輪機(jī)的部分視圖,圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)單實(shí)施例將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成傳感器值的方式,圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)單實(shí)施例將運(yùn)行時(shí)間傳感器值與風(fēng)速場(chǎng)特征值相關(guān) 聯(lián)的方式,圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成去混疊固定信號(hào)組 的方式,圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將去混疊固定信號(hào)組的運(yùn)行時(shí)間值與風(fēng)速 場(chǎng)特征值相關(guān)聯(lián)的方式,圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例將傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成去混疊固定信 號(hào)組的方式,圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的該另一優(yōu)選實(shí)施例將去混疊固定信號(hào)組的運(yùn)行時(shí)間值 與風(fēng)速場(chǎng)特征值相關(guān)聯(lián)的方式。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明能被應(yīng)用到具有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子,包括具有通過(guò)變槳軸承連接到 轉(zhuǎn)子的三個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子。風(fēng)速場(chǎng)特征用在本發(fā)明中的風(fēng)速場(chǎng)特征是空間地均分在轉(zhuǎn)子掃過(guò)面積上的風(fēng)速值。因?yàn)榫?僅僅在空間中,所以不影響數(shù)據(jù)的時(shí)間變化。在下面的描述中,使用坐標(biāo)系統(tǒng),其中坐標(biāo)ξ、η、ζ是非轉(zhuǎn)動(dòng)的,因此與艙固定 在一起。參見圖1,ζ坐標(biāo)沿著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸向指向,由單位矢量n表示。(粗體字母表示 矢量,這是本領(lǐng)域的慣例)。坐標(biāo)η垂直向上地指向,并且軸ξ通過(guò)在水平方向上指向而 完成直角坐標(biāo)系。第一風(fēng)速場(chǎng)特征是平均風(fēng)速
權(quán)利要求
1.一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),包括通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)葉片上的物理量而獲得的至少一個(gè)傳感器信號(hào),所述物理量指示至 少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;通過(guò)將表征所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值與所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而 為多種風(fēng)狀況建立的表(140,142,144);和用于根據(jù)表征所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值從所述表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定所述至少 一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值的搜索裝置(150,152,154)。
2.如權(quán)利要求1中所述的測(cè)量系統(tǒng),用于具有帶有三個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦 輪機(jī)中,包括至少一個(gè)傳感器信號(hào)組,各至少一個(gè)傳感器信號(hào)組包括通過(guò)測(cè)量各葉片上的相同物理 量而獲得的每個(gè)葉片的一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征; 用于將所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成固定信號(hào)組的多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換; 其中通過(guò)將表征所述至少一個(gè)固定信號(hào)組的值與所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān) 聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立表(140,142,144),和;其中搜索裝置(150,152,154)適于根據(jù)表征所述至少一個(gè)固定信號(hào)組的值從所述表 中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值。
3.如權(quán)利要求2所述的測(cè)量系統(tǒng),包括包括通過(guò)測(cè)量各葉片上的相同第一物理量而獲得的每個(gè)葉片的一個(gè)傳感器信號(hào)的第 一傳感器信號(hào)組,第一物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;包括通過(guò)測(cè)量各葉片上的相同第二物理量而獲得的每個(gè)葉片的一個(gè)傳感器信號(hào)的第 二傳感器信號(hào)組,第二物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征,第二傳感器信號(hào)組基本上不與第 一傳感器信號(hào)組成正比;用于將第一傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成第一固定信號(hào)組的第一多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換; 用于將第二傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成第二固定信號(hào)組的第二多葉片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換; 其中通過(guò)將表征所述第一固定信號(hào)組的值和表征所述第二固定信號(hào)組的值與所述至 少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立表(140,142,144),和;其中搜索裝置(150,152,154)適于根據(jù)表征所述第一固定信號(hào)組的值和表征所述第 二固定信號(hào)組的值從所述表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值。
4.如權(quán)利要求2或3所述的測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)一步包括用于去除掉存在于固定信號(hào)組中的 混疊誤差的濾波器。
5.如權(quán)利要求4所述的測(cè)量系統(tǒng),其中濾波器是濾波器角頻率低于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的 三倍的低通濾波器(116)。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)一步包括用于通過(guò)為傳感器信號(hào)提供 可變?cè)鲆婧?或偏移而校準(zhǔn)傳感器信號(hào)的校準(zhǔn)裝置(110)。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng),其中物理量包括葉片應(yīng)變和葉片偏轉(zhuǎn)中 的至少一個(gè),并且其中在所述至少一個(gè)葉片上的預(yù)定位置處測(cè)量所述物理量。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng),其中風(fēng)速場(chǎng)特征包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)水平 切力和風(fēng)垂直切力中的至少一個(gè)。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測(cè)量系統(tǒng),進(jìn)一步包括至少一個(gè)傳感器信號(hào)組,各至少一個(gè)傳感器信號(hào)組包括通過(guò)測(cè)量各葉片上的相同物理 量而獲得的每個(gè)葉片的一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;用于將所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)組轉(zhuǎn)換成固定信號(hào)組的轉(zhuǎn)換系統(tǒng),該固定信號(hào)組包括 表征各傳感器信號(hào)的恒定值和循環(huán)變化的值;其中通過(guò)將表征所述至少一個(gè)固定信號(hào)組的值與所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān) 聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立表(140,142,144),和;其中搜索裝置(150,152,154)適于根據(jù)表征所述至少一個(gè)固定信號(hào)組的值從所述表 中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值。
10.一種測(cè)量具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)的方法,包 括以下步驟通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)葉片上的物理量而獲得至少一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一 個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;通過(guò)將表征所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值與所述至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而 為多種風(fēng)狀況建立表(140,142,144);通過(guò)根據(jù)表征所述至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值從所述表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定所述至少 一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值。
11.一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng), 包括用于基于在至少一個(gè)葉片上測(cè)量的物理量而為當(dāng)前風(fēng)狀況確定至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征 的值的裝置,其中該物理量包括葉片應(yīng)變和葉片偏轉(zhuǎn)中的至少一個(gè),并且其中在所述至少 一個(gè)葉片上的預(yù)定位置處測(cè)量該物理量。
12.—種具有轉(zhuǎn)子和兩個(gè)或更多個(gè)葉片的風(fēng)力渦輪機(jī),包括如權(quán)利要求1、9或11所述 的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。
13.一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)力渦輪機(jī)控制系 統(tǒng),包括如權(quán)利要求1、9或11所述的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng);用于基于通過(guò)風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)而為當(dāng)前風(fēng)狀況測(cè)量的至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值控制 風(fēng)力渦輪機(jī)的特征的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),包括通過(guò)測(cè)量至少一個(gè)葉片上的物理量而獲得的至少一個(gè)傳感器信號(hào),該物理量指示至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征;通過(guò)將表征至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值與至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值相關(guān)聯(lián)而為多種風(fēng)狀況建立的表(140,142,144);和用于根據(jù)表征至少一個(gè)傳感器信號(hào)的值從表中為當(dāng)前風(fēng)狀況確定至少一個(gè)風(fēng)速場(chǎng)特征的值的搜索裝置(150,152,154)。本發(fā)明還提供了一種測(cè)量具有帶有兩個(gè)或更多個(gè)葉片的轉(zhuǎn)子的風(fēng)力渦輪機(jī)中的風(fēng)速場(chǎng)的方法以及相關(guān)的風(fēng)力渦輪機(jī)和渦輪機(jī)控制系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01P5/02GK102072965SQ201010527720
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者法比奧·伯托洛蒂, 詹斯·范謝爾夫 申請(qǐng)人:Ssb風(fēng)系統(tǒng)兩合公司