用于确定风力涡轮机运行参数的系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于确定风力涡轮机运行参数的系统和方法。该系统包括压力传感器及处理单元。该压力传感器设置在风力涡轮机上来感测风压并产生风压信号。该处理单元接收并处理所述风压信号以获得风速轮廓。进一步的，该处理单元可对所述风速轮廓和预先储存在其内的所述风力涡轮机的物理参数进行处理，从而获得所述风力涡轮机的运行参数。
【专利说明】用于确定风力涡轮机运行参数的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可用于确定风力润轮机(Wind Turbine)运行参数(OperatingParameters)的系统和方法，尤其涉及一种可用于确定风力涡轮机在真实的风场下的运行参数的系统和方法。
【背景技术】
[0002]随着对环境及气候变化的不断关注，风力涡轮机已被广泛的应用来把风能转变为其他形式的可用能源，比如电能。特别的，风力涡轮机设置有叶片，其可扑捉风力的动能，并通过其转动把风力的动能转变为电能。
[0003]通常，在一定的风力载荷(Wind Load)下，风力涡轮机常被设计的以具有一系列理论参数，比如，风力润轮机的叶片被设计来以具有相应的理论偏转曲线(DeflectionCurves) 0然而，在真实的风场中，风力涡轮机的运行条件是多变和复杂的。因此，就有必要确定风力涡轮机的运行参数，这样不仅能通过真实的风场数据来验证风力涡轮机的设计，而且能在风力涡轮机运行过程中对其的健康状态进行评估。
[0004]风力涡轮机的运行参数可包括风速(Wind Speed)、叶片的偏转(BladeDeflection)、叶片的弯矩(Bending Moment)、风力润轮机转子的不对称载荷(Asymmetric Load)、推力(Thrust)、偏航(Yaw)、转子速度(Rotor Speed)、发电机速度(Generator Speed)、结构振动(Structural Vibration)等。
[0005]目前，已经有一些尝试来确定风力涡轮机的运行参数，比如在风力涡轮机上安装传感器来对其运行参数进行确定。然而，由于不同的传感器具有不同的特性，要确定不同的运行参数就需要安装不同的传感器，这样就增加的风力涡轮机安装和维护的难度。而且，即便安装有多种的传感器，其也不能对所有运行参数进行确定。
[0006]所以，需要提供一种新的用于确定风力涡轮机运行参数的系统和方法。
【发明内容】
[0007]本发明的一个实施例提供了一种用于确定风力涡轮机运行参数的系统。该系统包括压力传感器及处理单元。该压力传感器设置在风力涡轮机上来感测风压并产生风压信号。该处理单元接收并处理所述风压信号以获得风速轮廓。进一步的，该处理单元可对所述风速轮廓和预先储存在其内的所述风力涡轮机的物理参数进行处理，从而获得所述风力涡轮机的运行参数。
[0008]本发明另一个实施例提供了 一种用于确定风力涡轮机运行参数的方法。该方法包括利用设置在风力涡轮机上的压力传感器来感测风压以产生风压信号；对所述风压信号进行处理以获得风速轮廓；及利用处理单元对所述风速轮廓及预先确定的风力涡轮机的物理参数进行处理以确定所述运行参数。
【专利附图】
【附图说明】[0009]通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中:
[0010]图1为设置有本发明用于确定风力涡轮机运行参数的系统的风力涡轮机的一个实施例的不意图；
[0011]图2为图1所示的风力涡轮机一个实施例的侧面示意图；
[0012]图3为本发明用于确定风力涡轮机运行参数的系统的一个实施例的示意图；及
[0013]图4为本发明用于确定风力涡轮机运行参数的方法的一个实施例的流程示意图。
【具体实施方式】
[0014]以下将描述本发明的【具体实施方式】，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。
[0015]除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属【技术领域】内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。
[0016]图1所示为设置有本发明用于确定风力涡轮机运行参数的系统11的风力涡轮机10的一个实施例的示意图。图2所示为图1中所示的风力涡轮机10的一个实施例的侧面示意图。如图1和图2所示，风力涡轮机10包括塔架(Tower) 12、设置在塔架12上端的机舱(Nacelle) 13及转子(Rotor) 14。塔架12自支撑装置100，如地面或平台向上延伸，其具有适当的高度及形状并在机舱13和支撑装置100间定义有空腔(未图示)。转子14设置有可转动的轮毂15及至少一个叶片16。可转动的轮毂15与机舱13相对接，叶片16设置在轮毂15上并从该轮毂15向外延伸。
[0017]在图1和图2所示的实施例中，风力涡轮机10设置有复数个叶片16，比如三个叶片。叶片16围绕着轮毂15设置并彼此间隔一定的距离，这样，叶片16就可随着转子14的轮毂15的转动而转动,从而捕获风力的动能(Kinetic Energy)并通过转动把该动能转变成其他形式的能量，如电能。
[0018]在一些实施例中，每一个叶片16的长度可处于从15米到91米的范围内。在另一些实施例中，每一个叶片16具有其他合适的长度来捕获风力的动能。这样，在风力涡轮机10运转过程中，风力可沿着方向17击打叶片16，转子14沿着转动轴102进行转动从而带动叶片16转动来捕获并传输风能。
[0019]在本实施例中，尽管风力涡轮机12为水平轴风力涡轮机(Horizontal AxisffindTurbine),在其他示例中，风力润轮机12也可为垂直轴风力润轮机(Vertical Axis WindTurbine)。为了便于说明，风力涡轮机12的一些元件未图示。
[0020]在一个实施例中，在风力涡轮机10的运转过程中，叶片16可受到风载或其他力量的影响，比如离心力的影响，这就可导致叶片16发生偏转而使其从中性或非偏转位置偏转到偏转位置。因此，为了确保风力涡轮机10安全稳定的运行，就有必要对风力涡轮机的运行参数进行确定或监测，从而来评估风力涡轮机10的健康状态及利用监测得到的现场数据来验证风力涡轮机的设计。此处所谓的“运行参数”可包括风力涡轮机在运行过程中的参数，也可指其处于静止状态时的参数。
[0021]在非限定示例中，风力涡轮机的运行参数可包括风速(Wind Speed)、叶片的偏转(Blade Deflection)、叶片的弯矩(Bending Moment)、叶片的转速(RotatingSpeed)、转子的不对称载荷(Asymmetric Load)、推力(Thrust)Jj^jt (Yaw)、转子速度(Rotor Speed)、发电机速度(Generator Speed)、结构振动(StructuralVibration)。在一定的示例中，本发明系统11可对风力涡轮机10的所有运行参数进行确定或监控。
[0022]图3所示为本发明用于确定风力涡轮机10运行参数的系统11的一个实施例的示意图。如图1到图3所示，系统11包括压力传感器18、处理单元19和监控装置20。
[0023]在本实施例中，压力传感器18设置在风力涡轮机10上，其可用于对风压进行感测并产生风压信号来便于对风速轮廓(Wind Profile)或风速的分布(Wind SpeedDistribution)进行确定。在本发明实施例中，压力传感器18可包括绝对压力传感器及/或差压传感器。在一个非限定示例中，压力传感器18包括差压传感器。风速轮廓可包括风速数据。
[0024]在本实施例中，压力传感器18设置在塔架12，轮毂15和叶片16上来测量不同位置的风速轮廓。在本示例中，设置有五个压力传感器18，从而塔架12，轮毂15和三个叶片16上各有一个。五个压力传感器18分别设置在相应的叶片16和塔架12的中部21、22上及轮毂15的中心部(未标注)上。此处所谓的中部可指元件沿着其长度方向上的横向或纵向的中间区域。所谓的中心部可指轮毂15的圆周的中心区域。
[0025]在其他实施例中，塔架12,轮毂15和三个叶片16中的每一个上均可设置一个以上的压力传感器18。在一定的示例中，在塔架13和三个叶片16上设置的一个以上的压力传
感器可沿着其长度方向设置。
[0026]比如，在每一个叶片16的顶端23、中部22及底端24上依次设置有三个压力传感器18。此处所谓的“端”可指元件的端部区域。顶端23设置在叶片16的自由端上，底端24临近轮毂15。在一定的应用中，可沿着轮毂15的圆周设置一个以上的压力传感器18。基于特定的应用，压力传感器18可设置在塔架12，轮毂15和叶片16上的任何合适的位置。
[0027]在一些示例中，可在塔架12，轮毂15和三个叶片16中的一个或一个以上上设置有压力传感器18。尽管在本实施例中设置有多个压力传感器18，在特定的示例中，也可仅设置一个压力传感器18来进行感测。比如，在轮毂15的中心部或其中一个叶片16的中部来设置该一个压力传感器18。[0028]在非限定示例中，压力传感器18暴露于击打风力涡轮机10，比如叶片16的风中，以便于测量风压。在一些应用中，压力传感器18设置在风力涡轮机10的外表面101上，其面向击打风力涡轮机10的风。在一定的应用中，压力传感器18也可设置在风力涡轮机10的内表面并暴露在风中。
[0029]处理单元19可用于接收并处理来自位于风力涡轮机19上期望位置的压力传感器18的风压信号，从而确定风速轮廓。比如，压力传感器18监测到总风压Pt及静态风压Ps，并把其传输给处理单元19进行处理。处理单元19根据公式V2=2 (Pt-Ps)/P从而得到不同位置的风速V。此处，P可指风密度(WindDensity)，其可根据压力传感器18的感测进行确定。进一步的，处理单元19可对得到的风力轮廓和预先确定并设置在其内的风力涡轮机的物理参数进行分析处理来确定风力涡轮机的运行参数。
[0030]在一些实施例中，处理装置19不限于任何特定的可用来执行本发明处理任务的处理装置。在本发明实施例中，处理装置可表示任何能够进行运算或计算，对执行本发明的任务而言是必要的装置。如本领域技术人员所理解的，处理装置还可表示任何能够接收输入并按照规定的规则处理该输入，从而产生输出的装置。
[0031]如图3所示，在非限定示例中，处理单元19可包括用来接收并处理来自压力传感器18的风压信号以确定风速轮廓的第一模块25及储存预先确定的风力涡轮机10的物理参数的第二模块26。通常，当一个风力涡轮机被制造出以后，其物理参数就可得到确定。该物理参数可包括但不限于材料参数、空气动力学参数及几何参数。该几何参数可包括诸如形状、长度、叶片的宽度和叶片螺距等。
[0032]在本实施例中，处理单元19可进一步包括处理模块27，其可接收并处理来自第一模块25的风速轮廓和来自第二模块26的物理参数，从而来确定风力涡轮机10的运行参数。比如，处理模块27对来自一个叶片16不同位置的风力轮廓及该叶片的物理参数进行分析，从而得到实时的在叶片16的相应位置的叶片偏转信息。基于在叶片不同位置的偏转信息的对比，该叶片16相对于塔架12的位置信息就可得到确定。
[0033]在其他示例中，处理模块27可对来自轮毂15的风速轮廓及风力涡轮机的物理参数进行分析，从而获得轮毂15相对于转动轴102的偏离(Deviation)信息，这有助于对风力涡轮机10的运行状态进行监控。
[0034]在一些实施例中，处理模块27可包含有风力涡轮机建模程序，其可基于对风力轮廓和风力涡轮机物理参数的分析来确定风力涡轮机的运行参数。在非限定示例中，处理模块27可包括有限元模型程序来实时的获得运行参数。
[0035]比如，在处理单元19的处理过程中，有限元模型程序利用龙格-库塔-奈斯特朗法(Runge-Kutta-Nystrom method)对输入了风力轮廓和物理参数的运动动力学方程进行求解，从而获得运行参数。在一个示例中，该运动动力学方程可基于针对叶片的横向偏转(Transverse Deflection)的动力学束偏转模型(Dynamic Beam-bending Model)而得到。基于不同的应用，处理单元19可使用其他的运动动力学方程来实时的获得风力涡轮机的运行参数。
[0036]监控装置20与处理单元19相连接，其可包括显示装置，如液晶显示装置来显示分析结果，便于使用者观察。另外，也可设置有控制装置(未图示)，其可与处理单元19相连接，从而接收来自处理单元19的确定的运行参数以便于对风力涡轮机10进行控制。图1到图3所示的实施例仅是示意性的，第一和第二模块25、26可与处理模块27分别单独设置或集成设置。
[0037]图4所示为本发明用于确定风力涡轮机10运行参数的方法28的一个实施例的流程示意图。如图4所示，在操作时，在步骤29中，利用压力传感器18来感测风压并产生风压信号。然后，在步骤30中，对风压信号进行分析以获得风速轮廓。随后，在步骤31中，对风速轮廓和风力涡轮机的物理参数进行分析处理从而确定该风力涡轮机的运行参数。在非限定示例中，步骤30和31均可在处理单元19中进行。
[0038]在本发明实施例中，系统11设置有压力传感器18和处理单元19来确定风力涡轮机10的运行参数，这有助于确保风力涡轮机安全稳定的运行。在传统系统中，由于没有真实的风场数据，处理单元19常用来对风力涡轮机的运行参数进行模拟。然而，这种模拟得到的数据通常不能准确的反应实际运行中的运行参数。在本发明系统11中，由于压力传感器18的使用，就能准确的得到实际风场中的实时的风力轮廓，这对于获得准确的风力涡轮机的运行参数非常有利。同时，通过处理单元19的处理，本发明系统11可对风力涡轮机10的所有运行参数进行确定或监控。
[0039]虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
【权利要求】
1.一种用于确定的风力涡轮机运行参数的系统，包括: 压力传感器，其设置在风力涡轮机上来感测风压并产生风压信号；及 处理单元，其接收并处理所述风压信号以获得风速轮廓，该处理单元进一步可对所述风速轮廓和预先储存在其内的所述风力涡轮机的物理参数进行处理，从而获得所述风力涡轮机的运行参数。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述风力涡轮机包括塔架、设置在所述塔架上的机舱，与所述机舱连接的可转动的轮毂，及与所述轮毂相接的复数个叶片，所述压力传感器设置在所述塔架、轮毂及复数个叶片中的至少一个上。
3.如权利要求2所述的系统，其中每一个所述叶片的中部均设置有一个所述压力传感器。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述轮毂的中心部设置有一个所述压力传感器。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述塔架的中部设置有一个所述压力传感器。
6.如权利要求2所述的系统，其中所述压力传感器设置在所述面向风的所述风力涡轮机的外表面上。
7.如权利要求2所述的系统，其中所述压力传感器包括差压传感器。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述风速轮廓包括风速数据。
9.如权利要求1所述的系统，其中所述处理单元包括处理模块，其可接收并处理所述风速轮廓和所述物理参数以确定所述风力涡轮机的运行参数。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述处理模块包括有限元模型。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述处理单元进一步包括可接收并处理所述风压信号以产生所述风速轮廓的第一模块及储存有所述物理参数的第二模块。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述运行参数包括风速、叶片的偏转、叶片的弯矩、叶片的转速、转子的不对称载荷、推力、偏航、转子速度、发电机速度及结构振动中的一个或多个。
13.一种用于确定风力涡轮机运行参数的方法，包括: 利用设置在风力涡轮机上的压力传感器来感测风压以产生风压信号； 对所述风压信号进行处理以获得风速轮廓；及 利用处理单元对所述风速轮廓及预先确定的风力涡轮机的物理参数进行处理以确定所述运行参数。
14.如权利要求13所述的方法，其中对所述风压信号的处理是在所述处理单元中进行的，所述压力传感器包括差压传感器。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述风速轮廓包括风速数据。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述运行参数包括风速、叶片的偏转、叶片的弯矩、叶片的转速、转子的不对称载荷、推力、偏航、转子速度、发电机速度及结构振动中的一个或多个。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述处理单元包括处理模块，所述处理模块包括有限元模型，其可接收并处理所述风速轮廓和所述物理参数。
18.如权利要求13所述的方法，所述压力传感器面向并暴露在击打所述风力涡轮机的风中来感测风压。
19.如权利要求18所述的 方法，其中所述压力传感器设置在所述风力涡轮机的外表面 上。
【文档编号】F03D7/02GK103711642SQ201210370428
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】付旭, 邱海 申请人:通用电气公司