用于风向测量的连续校准的方法和装置与流程

本发明涉及用于校准和/或执行风力涡轮机的风向测量的方法和装置。

背景技术：

为了获得风力涡轮机的最大功率输出，可能需要对准风力涡轮机以使得风向平行于机舱，即，正交于转子叶片在其中旋转的转子平面。常规地，使用风向测量设备来测量风向并且基于测得的风向而激活风力涡轮机的偏航系统以便使风力涡轮机正确地对准从而准确地面向风。对于风力涡轮机而言非常重要的是始终面向风，因为这导致最大的功率产量和最小的负载。因此，基于通常使用安装在涡轮机机舱的顶部上的设备执行的风向测量来使风力涡轮机偏航。如果风向测量有略微误差，则可以导致显著的产量损失。

已经观测到的是，常规的风向测量并非在所有情形下是可靠且精确的。因此，风力涡轮机并未在所有情形下都被操作用于产生最大功率并经受最小负载。

因此，对于用于校准和/或执行风向测量的方法和装置（特别地用于风力涡轮机中）可能存在需求，其中，真实的风向能够被可靠且精确地确定。另外，对于下述风力涡轮机存在需求：其利用更精确的风向测量以用于使风力涡轮机正确地对准以便面向风。

技术实现要素：

可以通过独立权利要求的主题来满足该需求。从属权利要求具体说明了本发明的特定实施例。

根据本发明的实施例，一种用于校准和/或执行风力涡轮机的风向测量的方法被提供，该方法包括：测量相对风向的多个样本以便获得多个测得的相对风向，该相对风向表示真实风向和测量设备的定向之间的角度差，特别是和正交于转子叶片平面的方向之间的角度差；基于测得的相对风向导出测得的相对风向变化；测量指示风力涡轮机性能的性能参数的多个样本（每个样本与测得相对风向的对应样本相关联，特别地与该对应样本的同一时间α相关）；基于性能参数的多个样本而导出性能变化；确定测得的相对风向变化和性能变化之间的相关值；测量相对风向的另外的多个样本；以及基于该相关值而校正另外测得的相对风向，以便获得已校正的另外测得的相对风向。

相关值可以被广义地理解成表征包括依赖性的广泛类型的统计关系中的任一项。在一些实施例中，相关值可以是度量相关的程度的特定的相关系数或者可以与该系数相关或者由该系数导出。相关系数的示例是pearson相关系数，等级相关性系数，诸如spearman的等级相关性系数和kendall的等级相关性系数。

本方法能够由用于校准风向测量的装置执行，该装置可以位于风力涡轮机内，或者与风力涡轮机相关联，诸如，在风力涡轮机控制器中。在其他实施例中，可以例如通过处理历史数据而离线地执行该方法。

相对风向的多个样本可以表示在不同的连续时间点处的测量值。相对风向的多个样本的测量以及性能参数的多个样本的测量可以连续地执行而不中断风力涡轮机的正常操作。

可以使用例如安装在风力涡轮机的机舱处的风向/风速测量装置来执行相对风向的测量，该机舱支撑转子，多个转子叶片在该转子处连接。测量设备能够例如被定向成基本上平行于机舱，即，正交于转子平面。理想地，当真实的风向正交于转子平面时，测量设备应该指示在真实的风向和测量设备的定向之间的0°的角度。然而，由于调整误差或测量的干扰或系统误差，由测量设备产生的原始测量值可能是错误的并且因此可能没有反映真实的相对风向。该方法因此被设计成用于校正或校准原始测量数据，从而获得关于相对风向的更精确且更可靠的结果。

在其他实施例中，相对风向的多个样本可以表示在由转子轴线和正交于该转子轴线的平面（即，转子平面）限定的坐标系统中的真实风向的一个或多个分量。在常规的方法和系统中，多个测得的相对风向是错误的并且因此没有表示真实的相对风向。

可以以多种方式导出测得的相对风向变化，例如考虑在不同时间点处的相对风向的两个或更多个样本。一种方式是使用具有不同特性的一个或多个滤波器。特别地，可以通过使用具有不同特性的滤波器而导出相对风向和风向变化。通过导出测得的风向的变化，该方法没有依赖于测得的相对风向的绝对值，这可以使得该方法更加可靠且精确。

可以以多种方式限定性能参数。性能参数应该反映风力涡轮机的性能，诸如关于功率产量，特别是有功功率产量。可以例如基于多个测得的量而确定性能参数，诸如风力涡轮机的多个测得的电学量。

可以以多种方式导出性能变化，例如使用具有不同特性的一个或多个滤波器。特别地，可以通过使用具有不同特性的滤波器而导出性能和性能变化。

可以以多种方式确定相关值，包括确定测得的相对风向变化和性能变化的相互依赖的程度。相关值可以指示如果测得的相对风向变化是正的或负的时性能变化是否是正的，或者可以指示如果测得的相对风向变化是正的或负的时性能变化是否是负的。确定相关值（如上面广义地和更受限地限定的）可以指示测得的相对风向变化的增加或减少是否将导致性能变化的增加或减少。因此，相关值可以指示应该在哪个方向上修改测得的相对风向，从而获得真实的相对风向。因此，相关值被用于修改或校正另外测得的相对风向以便获得已校正的另外测得的相对风向，该已校正的另外测得的相对风向应该比校正之前更接近真实的相对风向。

根据该实施例，风向测量的校准因此基于在风向变化和一些性能参数的变化之间的相关性而形成。如果风向中的一些变化导致性能的提升，则能够假定正确的风向在该变化的相反方向上，并且据此修改风向测量。

根据本发明的实施例，特别地在正常操作期间连续地、迭代地执行该方法。因此，该方法可以有利地应用并执行而不中断由风力涡轮机产生的能量产生。另外，无需修改正常的控制系统。该方法可以仅导致相对风向的更精确的测量。自然，相对风向的更精确且更可靠的测量可以被提供至例如偏航系统，因此间接地影响了风力涡轮机的控制和/或操作。

根据本发明的实施例，不论风向和/或风速和/或偏航位置是否改变都执行该方法。因此，无需用于执行该方法的特定的环境条件或特定的测量设置。因此，可以在任意条件下执行该方法。

根据本发明的实施例，性能参数是下述内容中的至少一个或者包括下述内容中的至少一个：有效风速，其表示由风力涡轮机经受的对于能量产生有效的风速的度量，特别地表示在正交于转子叶片平面的方向上的风速的分量；由风力涡轮机产生的功率，特别是有功功率，特别地用在低风力范围和中风力范围中；节距角，特别地用在高风速下；转子速度的增加；或者指示了量的负载。性能参数也可以是其他量或者包括其他量。

可以以许多不同的方式估计或测量风力涡轮机的性能。在低风速和中风速下（例如在低于15m/s的风速下），所产生的功率（特别是所产生的有功功率）可以用作性能的度量，但是转子速度的增加也可以指示提升的性能。在高风速范围中（诸如在15m/s之上的风速），节距角可以是合理的性能参数，因为最优的机舱位置将导致最大的风流入量和更大的节距角。所产生的功率（特别是所产生有功功率）、转子速度的增加和/或节距角的组合能够作为合适的性能参数。有效风速通常可以是最合适的性能参数，其中，有效风速可以等于平行于机舱（即，正交于转子平面）的风速分量。有效风速可以提供在所有风速（即，低、中和高风速范围）下的风力涡轮机性能的一致且适当的度量。有效风速例如可以通过先进的涡轮机模型，利用实际功率产量、实际转子速度和实际节距角来估计或计算。这可以是可能的，因为风速、转子速度和节距角的所有可能组合可以导致理论上的功率输出并且因此可以估计有效风速，如果真实的操作值是已知的。由此，功率、节距角以及转子速度的增加可以是常规地可获得的测量值。因此，该方法可以被应用而无需额外的测量装置或测量传感器。

根据本发明的实施例，使用涡轮机模型、考虑所产生的实际功率、实际转子速度和/或实际节距角来估计有效风速。涡轮机模型可以是模拟风力涡轮机的操作并且由此使机械和电学参数彼此相关的物理/数学模型。因此，可以以简单的方式来实施该方法。

可以例如使用具有节距角、旋转速度和功率的列的查阅表来计算有效风速，因此将有效风速表达为随节距角、旋转速度和功率的函数。有效风速可以被计算为风力涡轮机的替代地或额外的电学或机械量的函数。

根据本发明的实施例，测得的风向变化的导出包括：使风向的多个测得的样本经过具有不同时间常数的两个低通滤波器，并且形成两个低通滤波器的输出的差值。风向变化可以定义为具有最低的时间常数的低通滤波器的输出减去来自具有最高的时间常数的低通滤波器的输出。因此，可以使用传统的可获得的滤波器或者具有能够相关的时间常数的任意其他滤波器类型来实施该方法。导出变化的其他方式是可能的，例如将所获得的测量值分类（binned）。

根据本发明的实施例，导出性能变化包括：使性能参数的多个测得的样本经过快速的低通滤波器和慢速的低通滤波器，并且形成快速和慢速的低通滤波器的输出的差值。特别地可以应用与用于处理风向数据的步骤类似或甚至相同的步骤。

根据本发明的实施例，确定测得的相对风向变化和性能变化之间的相关值包括将测得的相对风向变化和性能变化相乘。因此，可以容易地实施该方法。在其他实施例中，这些信号可以以任意方式组合使得将产生与相关性有关的值。

根据本发明的实施例，基于相关值而校正测得的相对风向包括基于相关值而修改测得的相对风向以使得在未来已修改的测得的相对风向和未来性能参数之间的相关性减少。理想地，当测得的相对风向等于真实的相对风向并且风力涡轮机基于测得的相对风向而偏航至面向风时，在测得的相对风向变化和性能变化之间的相关性应该为零。因此，当已校正的测得的相对风向不与性能参数相关时，能够预期的是与校正之前相比，已校正的测得的相对风向以更高的精度反映了真实的相对风向。

根据本发明的实施例，基于相关值而校正测得的相对风向包括从测得的风向减去与相关值成比例的值。

相关值可以是正的或负的。例如，如果测得的相对风向变化是正的并且性能变化也是正的，则相关值是正的。如果测得的相对风向变化是负的并且性能变化是负的，则相关值也是正的。如果测得的相对风向变化的符号与性能变化的符号不同，则相关值是负的。减去与相关值成比例的值（其中，比例因子是正的）可以导致已校正的测得的相对风向，该已校正的测得的相对风向更精确地对应于真实的相对风向或者等于真实的相对风向。

根据本发明的实施例，该比例因子被选择以便避免超调。特别地，该比例因子大于零但是不应被选择得太高，因为在该情形中，已校正的相对风向可以甚至比之前确定的相对风向更不精确。在执行该方法期间可以调整该比例因子。例如，当检测到超调时（诸如例如，当与之前的相关值相比另外的相关值的符号改变时）可以减小该比例因子，或者可以由pid控制器或类似的控制器过程控制该比例因子。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括存储与至少一个操作和/或环境或普通（不论是操作的或环境的）参数（特别是风速）相依赖/相关联的被确定的相关值。操作参数可以例如包括功率输出、旋转速度、节距角、操作状态。环境参数可以例如包括风速、风向、环境温度、湿度等。存储与至少一个操作和/或环境参数相依赖/相关联的被确定相关值可以允许校正也与该至少一个操作和/或环境参数相依赖的测得的相对风向，由此改进该方法的精确度。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括确定风速并且减去与相关值成比例的值以便获得已校正的测得的相对风向，该相关值与被确定的风速相关联。当风速被确定并且相关值已经被储存成与（之前所经受的）不同风速相关联时，能够执行测得的相对风向的风速的特定校正。由此，甚至可以改进已校正的测得的相对风向的精确度。

根据本发明的实施例，一种用于校准风力涡轮机的风向测量的装置被提供，其中，该装置适于接收相对风向的多个测量样本以便获得多个测得的相对风向，该相对风向表示真实的风向和测量设备的定向（特别是正交于转子叶片平面的方向）之间的角度差；基于测得的相对风向而导出测得的相对风向变化；接收指示风力涡轮机性能的性能参数的多个测得的样本；基于性能参数的多个样本而导出性能变化；确定在测得的相对风向变化和性能变化之间的相关值；接收相对风向的另外的多个测得的样本；以及基于相关值而校正另外测得的相对风向以便获得已校正的另外测得的相对风向。

应该理解的是，单独地或以任意组合地公开的、描述的、解释的用于校准/执行风力涡轮机的风向测量的方法的特征也可以单独地或以任意组合地适用于根据本发明的实施例的用于校准/执行风力涡轮机的风向测量的装置，并且反之亦然。

该装置可以特别地适于执行根据本发明的实施例的用于校准和/或执行风力涡轮机的风向测量的方法。

根据本发明的实施例，一种风力涡轮机被提供，其包括转子，该转子具有连接至其并且在转子叶片平面中旋转的多个转子叶片；根据前述权利要求的用于校准风力涡轮机的风向测量的装置；以及用于引导转子叶片平面的偏航系统，该转子叶片平面基于相对风向操作，该相对风向由用于校准风向测量的装置校准。

风力涡轮机特别地进一步包括下述内容中的至少一个：三杯风速计，叶轮风速计，超声风速计，声共振风速计，和/或压力风速计，以用于测量相对风向的多个样本。

应该注意的是，已经参照不同的主题描述了本发明的多个实施例。特别地，已经参照方法类型的权利要求描述了一些实施例，而已经参照装置类型的权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员从以上和以下说明书中将理解的是，除非另外通知，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，在关于不同主题的特征之间的任意组合、特别是在方法类型的权利要求的特征和装置类型的权利要求的特征之间的任意组合也被视为由本文献所公开。

本发明的上面限定的方面和另外的方面通过下文中将要描述的实施例的示例是明显的，并且参照实施例的示例而被解释。下文中将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于实施例的示例。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例。本发明不限于所示或所述的实施例。

图1在俯视图中示意性地示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机，其包括根据本发明的实施例的用于校准和/或执行风向测量的装置；

图2示出了在根据本发明的实施例的方法期间获得的测量数据的曲线图以及根据本发明的实施例所导出的参数值变化的曲线图；

图3在示意图中示出了根据本发明的实施例的用作性能参数的有效风矢量；

图4示出了用于根据本发明的实施例的校准/执行风向测量的方法的流程图；

图5示出了使风向变化和有效风速变化彼此相关的测量值或导出值的曲线图；以及

图6示出了根据本发明的实施例的与风速有关的平均风向相关值的曲线图。

具体实施方式

图1在俯视图中示出了根据本发明的实施例的风力涡轮机1的示意表示，风力涡轮机1包括根据本发明的实施例的用于校准和/或执行风向测量的装置3。由此，装置3适于执行根据本发明的实施例的用于风力涡轮机1的校准和/或执行风向测量的方法。

风力涡轮机1包括转子3，转子3包括转子轴5、转子毂7以及连接至转子毂7的多个转子叶片9。转子叶片9在正交于转子轴5的旋转轴线13的转子叶片平面11中旋转。为了测量相对风向的多个样本，风力涡轮机1包括安装在机舱17处或安装在机舱17上的风速计15。机舱17支撑转子轴5并且进一步包括未示出的机械地联接至转子轴5的发电机，并且进一步包括未示出的转换器和风力涡轮机变压器。机舱方向由转子轴线13的方向限定。

真实的风向用附图标记19指示，并且包括投影至风力涡轮机1的位置处的地面上的与机舱方向13（即旋转轴线13的方向）的角度差α。角度α限定了相对风向，即风19相对于机舱方向13的方向。

风速计15被提供用于测量相对风向α。然而，由于调整误差、测量误差或风速计15的系统性误差，风速计测量错误的角度α'而非真实的相对风向α。装置3被提供用于校准/校正错误的测得的相对风向α'（并且因此用于执行风向测量）从而导出已校正的测得的相对风向α''，该已校正的测得的相对风向α''应该以更高的精度反映真实的相对风向α。已校正的测得的相对风向α''被提供至偏航控制器21,偏航控制器21适于控制偏航系统23，偏航系统23允许围绕竖直的旋转轴线25而转动转子平面11（特别地包括机舱17），如由弯曲尖头27所示，从而引导转子平面11，诸如使其面向风19（即，使得旋转轴线13与风向19对准）。在该情形中，角度差α为零。

根据本发明的实施例，风速计15测量相对风向的多个样本以便获得多个测得的相对风向α'，该相对风向表示在真实的风向19和测量设备的定向14（特别是正交于转子叶片平面11的方向13）之间的角度差α。基于该测得的相对风向α'，装置3导出测得的相对风向变化，如将参照图2进行解释。

在图2的曲线图28中，示出了测得的相对风向的多个样本29，其中，横坐标31表示时间以及纵坐标33表示测得的角度值。根据本发明的实施例，风向的变化能够以许多不同方式来表达。在图2的曲线图30中示出了一种可选择的方式。在该实施例中，使用具有高时间常数的低通滤波器来过滤原始数据29从而获得曲线35，并且额外地使用具有低时间常数的低通滤波器来过滤以便获得曲线37（参见图2中的曲线图28）。图2中曲线图30将高时间常数低通滤波器处理的原始数据29和低时间常数低通滤波器处理的原始数据29之间的差别示出为曲线39。该曲线39表示测得的相对风向的变化的表达方式。在其他实施例中，以不同方式计算测得的相对风向的变化。

由装置3执行的方法进一步包括对指示风力涡轮机1性能的性能参数的多个样本进行测量。该性能参数可以例如是将参照图3解释的有效风速。有效风矢量41能够被视作真实风向19平行于机舱方向13（相当于转子轴5的转子轴线）的分量。可以使用涡轮机模型并且考虑实际功率产量、实际转子速度和实际节距角而计算有效的风矢量41。随后可以类似地将性能参数的多个样本作为测得的相对风向进行处理（如参照图2所解释的），从而基于性能参数的多个样本导出性能变化。

性能参数的多个样本被指示为信号43，信号43也被提供至接收相对风向α'的多个测得的样本的装置3（在图1中示出）。在图1中，性能参数43由性能估计器42估计并输出。

装置3适于确定在测得的相对风向变化和性能变化之间的相关值。当对相对风向的另外的多个样本进行测量时，装置3输出已校正的另外测得的相对风向α''，该已校正的另外测得的相对风向α''基于所确定的相关值而被校正。

由装置3执行的根据本发明的实施例的算法的示例在图4中被示出为流程图45。机舱风速计15输出测得的相对风向α'。测得的相对风向α'被提供至低时间常数低通滤波器47和高时间常数低通滤波器49。低时间常数低通滤波器47和高时间常数低通滤波器49的输出在减法元件51中相减以便获得测得的相对风向变化53。

性能估计器42输出例如有效风速43作为性能参数并且将该有效风速提供至低时间常数低通滤波器55并且并行地提供至高时间常数低通滤波器57。低时间常数低通滤波器55和高时间常数低通滤波器57的输出被提供至减法元件59，减法元件59输出性能变化，特别是有效风速变化61。

利用乘法元件63，测得的相对风向变化53和性能变化61相乘从而得到相关值65（在该申请中也称为风向修改增益）。相关值65（特别是风向修改增益）在装置3内被内部地使用以便校正测得的相对风向并且以便输出已校正的测得的相对风向α''。如果风向变化和有效风速变化相乘，则获得随着风向变化和有效风速变化之间的相关性而比例变化的值。由这个值导出的相关值（或相关值的比例变化值）可以特别地从风向偏移量中减去（或加至风向偏移量），该风向偏移量随着时间变化将朝向风向变化和有效风速变化之间没有相关性的设置转变，即，机舱面向风。

为了进一步改进，可以根据一些分选参数（例如，风速）而对风向偏移增益进行分类。在此期间，人们能够获得考虑了风速或另一参数的风向校准。

图5示出了使用来自风力涡轮机的操作数据的风向变化和有效风速变化之间的关系。在图5中，有效风速变化相对于风向变化被绘制。数据66上的线性回归64揭示了正的风向变化产生更高的有效风速的趋势。

图6示出了平均风向修改增益（在本发明的上下文中也称为相关值，用附图标记65标注）随横坐标67上所示的风速的变化。该依赖性在连接多个测量点71的曲线69中被示出。如从图6中能够意识到的，在测得的相对风向变化53和性能变化61之间的相关值取决于风速。

根据本发明的实施例，可以基于取决于风速67的相关值来校正由风速计15输出的测得的相对风向α'。在其他实施例中，可以获得在所有合理的风速上进行平均而得到的平均相关值，并且可以基于单个平均的相关值校正测得的相对风向。

根据本发明的实施例，风向的变化和一些性能参数的变化被连续地表达。另外，在风向的变化和性能参数的变化之间的相关性（或者与该相关性有关的任意其他值）被连续地估计。另外，连续地，正比于被估计的相关性的小的增益从如由风速计测量的风向中被减去。另外，利用从相关值中导出的风向修改来修改风向测量值。本发明的实施例可以显著地提高涡轮机的功率产量和/或可以降低涡轮机的负载。

可以以多种方式来表达风向的变化和性能参数的变化。建议的是基于具有不同时间常数的低通滤波器的输出之间的差值而计算该变化。然而，本发明不限于变化的具体表达方式。风向变化和一些性能参数的变化的一些其他表达方式是可能的。

如早前已经提及的，性能参数可以包括许多不同的量或者是许多不同的量。建议的是使用有效风速，但是也可以使用其他量，类似产生的功率、转子速度、节距角或涡轮机负载的一些量的表达方式。实际上，可以可能地使用与机舱偏航位置（相对于风向）有关的任意参数。

建议的是通过将风向变化和性能参数的变化相乘而获得风向修改增益。该操作可以导致在风向变化和性能参数的变化之间的相关性的成比例的估计。然而，可以由与风向变化和性能参数的变化之间的相关性有关的任意量而可能地形成风向修改增益。

如上面也已经提及的，风向修改值可以是在所有时刻的所有（风）条件下应用的单个数字，但是在其他实施例中风向修改值也可以是应该如何取决于一个或多个参数（例如，风速）而修改风向的任意种类的传递函数表达式。

应该注意的是术语“包括”没有排除其他元件或步骤并且“一”或“一个”没有排除复数形式。而且，与不同实施例相关联地描述的元件可以被组合。还应该注意的是，权利要求中的附图标记不被解释为限制权利要求的范围。