一种用于以稳定的方式估计风速的方法与流程

本发明涉及一种用于估计风力涡轮机的位置处的风速的方法。根据本发明的方法，能够以稳定且可靠的方式快速估计风速。

背景技术：

当操作风力涡轮机时，有时期望能够估计风力涡轮机处占优势的风速，更具体地，风力涡轮机的风力涡轮机叶片经历的风速。当测量风速时，这通常在风力涡轮机的转子之后的点来进行。由此，测得的风速受到转子对风的影响的影响，并且因此其不能反映转子前面的位置处的风速。此外，因为典型地在单个点测量风速，所以其将不反映风速在由转子限定的区域上的变化。因而，基于这样测得的风速来控制风力涡轮机可能导致对风力涡轮机的不精确的控制。

因此，先前进行了各种尝试以提供对风力涡轮机处的风速的估计。

us5155375公开了一种控制器和一种方法，用于操作可变速度风力涡轮机以更好地追随风速波动，从而在风能至电能的转换中获得更大效率。以风观察器(observer)提供的风速来控制转子速度，风观察器预测相继的时间点风力涡轮机呈现给风的横截面上的平均风速。作为存在的(先前预测的)风速和校正项的函数来预测风速，校正项包括净力矩(nettorque)以及预测的转子速度与实际转子速度之间的差。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的是提供一种用于估计风力涡轮机处的风速的方法，其能够被以快速且可靠的方式执行。

该方法提供一种用于估计风力涡轮机处的风速的方法，所述风力涡轮机包括转子，所述转子带有一组风力涡轮机叶片，每一个风力涡轮机叶片具有能够变化的桨距角，所述方法包括以下步骤：

-获得所述转子的旋转速度ω；

-获得所述风力涡轮机叶片的桨距角θ；

-基于所获得的桨距角θ导出最小端速比(tipspeedratio)λmin，所述最小端速比λmin限定稳定的控制区与潜在地不稳定的控制区之间的界限；

-选择初始端速比λinit，其中λinit>λmin；

-基于所选择的初始端速比λinit和所获得的旋转速度ω导出初始估计的风速vinit；以及

-基于所获得的旋转速度ω和所获得的桨距角θ，并使用所导出的初始估计的风速vinit作为开始点，迭代地导出估计的风速vest。

本发明提供了一种用于估计风力涡轮机处的风速的方法，所述风力涡轮机包括转子，所述转子带有一组风力涡轮机叶片。风力涡轮机叶片捕捉风，由此使得转子旋转，即将风的能量转变为机械能。转子连接至发电机，例如经由传动链。由此，转子的旋转运动形式的机械能被转变为可以被提供给电网的电能。

估计的风速可以有利地为在风力涡轮机的转子前面占优势的风速，即转子所带的风力涡轮机叶片所经历的风速。

每一个风力涡轮机叶片具有能够变化的桨距角(pitchangle)。从而，风力涡轮机叶片中的每一个叶片能够绕纵轴旋转，以调整风和风力涡轮机叶片之间的攻角(angleofattack)。因而，风力涡轮机为桨距受控类型的。

根据本发明的方法，获得转子的旋转速度ω和风力涡轮机叶片的桨距角θ。这可以包括测量旋转速度和/或桨距角。作为替代，可以从控制风力涡轮机、风力涡轮机的转子和/或桨距系统的控制单元获得旋转速度和/或桨距角。

接下来，基于所获得的桨距角θ导出最小端速比λmin。以使得最小端速比λmin限定稳定的控制区与潜在地不稳定的控制区之间的界限的方式选择最小端速比λmin。在本上下文中，术语‘稳定的控制区’应当被解释为意指其中以稳定的方式估计风速的控制区。例如，稳定的控制区能够是其中风速估计收敛的区。类似地，在本上下文中，术语‘潜在地不稳定的控制区’应当被解释为意指其中风速的估计可以变得不稳定的控制区。例如，不稳定的控制区能够是其中风速估计不收敛的控制区。因而，在当风力涡轮机以最小端速比λmin以下的端速比操作时，风速的估计不稳定，并且当风力涡轮机以最小端速比λmin以上的端速比操作时，风速的估计稳定，的意义上，最小端速比λmin限定界限或边界。

接下来，以使得λinit>λmin的方式选择初始端速比λinit。从而，初始端速比λinit在稳定的区之内，即如果风力涡轮机以初始端速比λinit操作，则风速的估计稳定。

然后，基于所选择的初始端速比λinit和所获得的旋转速度导出初始估计的风速vinit。端速比限定为：

其中，ω为转子的旋转速度，r为转子的半径，并且v为风速。因而，能够将初始估计的风速vinit导出为：

最终，基于所获得的旋转速度ω和所获得的桨距角θ，并使用所导出的初始估计的风速vinit作为开始点，迭代地估计估计的风速vest。从而，将初始估计的风速vinit用作用于估计风力涡轮机处的风速的迭代过程的开始点。因为初始估计的风速vinit对应于稳定的控制区之内的端速比λinit，所以其提供用于迭代过程的好的开始点，这确保了迭代过程快速且可靠地收敛。从而，确保了以稳定的方式，诸如以收敛的方式，估计风速。这甚至在实际的端速比不在稳定的控制区之内时，例如，在风力涡轮机叶片上结冰的情况下或在迎角(yaw)误差的情况下，处于失速(stall)状况时，这也是真的，因为在此情况下仍然在稳定的控制区中选择初始端速比λinit。

从而，本发明提供了用于估计风速的迭代方法，并且其确保以快速且可靠的方法达到对风速的精确估计。

该方法还可以包括根据所述估计的风速vest来控制所述风力涡轮机的步骤。根据此实施例，本发明还提供一种用于控制风力涡轮机的方法。

控制风力涡轮机的步骤可以例如包括控制风力涡轮机叶片的桨距角，转子的旋转速度、风力涡轮机的功率输出等。

替代地或附加地，估计的风速vest可以用于其它目的，诸如风力涡轮机中的故障检测。

导出最小端速比λmin的步骤可以包括使用最小端速比查找表，所述最小端速比查找表包括桨距角θ和最小端速比λmin的相互关联的值。根据此实施例，在启动风力涡轮机的操作之前提供最小端速比查找表，并且在操作期间，在任何需要查阅先前的端速比查找表的时候查阅先前的端速比查找表，以导出最小端速比。使用查找表是简单的途径，这限制了用于执行该方法所需的处理功率。

最小端速比查找表可以提供桨距角θ和最小端速比λmin的离散的相互关联的值。在此情况下，在基于桨距角θ导出最小端速比λmin时可以执行两个离散值之间的内插。

所选择的初始端速比λinit可以超过所述最小端速比λmin至少预定的量。根据此实施例，所选择的初始端速比λinit充分地在稳定的控制区之内，由此表示用于迭代过程的非常好的开始点，确保了以快速且可靠的方式估计风速。

所述方法还可以包括以下步骤：

-在所述估计的风速vest导致低于所述最小端速比λmin的估计的端速比λest的情况下，设定指示所述估计的风速vest不可靠的标记；以及

-根据对应于λmin的估计的风速并根据所述标记来控制所述风力涡轮机。

根据此实施例，计算对应于估计的风速vest的估计的端速比λest，并且将其与最小端速比λmin进行比较。将估计的端速比λest计算为：

当估计的端速比λest降低到最小端速比λmin以下时，这指示进入了不稳定的控制区，并且由该方法提供的估计的风速vest不再可靠。因此，设定向系统和/或操作者指示这个的标记。结果，不再根据估计的风速来控制风力涡轮机。而是，根据对应于最小端速比λmin的估计的风速，并根据该标记，即记住估计的风速vest不可靠，来控制风力涡轮机。

该方法还可以包括以下步骤：

-基于所获得的旋转速度ω和所述估计的风速vest来估计端速比λest；以及

-在所估计的端速比λest增大到所述最小端速比λmin以上的情况下，去除所述标记并根据所述估计的风速vest来控制所述风力涡轮机。

根据此实施例，一旦设定了指示估计的风速vest不可靠的标记，则就以上述方式连续地计算估计的端速比λest，并将其与最小端速比λmin进行比较。在估计的端速比λest增大到最小端速比λmin以上时，这指示再次进入了稳定的控制区。因而，估计的风速vest被再次认为是可靠的。

结果，去除标记，并且再次根据估计的风速vest控制风力涡轮机。

根据一个实施例，标记可以保持设定直至估计的端速比λest已经增大到最小端速比λmin以上预定量和/或达预定时间段为止。由此，避免了在估计的端速比λest接近最小端速比λmin的情况下，连续地设定和去除标记。

迭代地导出估计的风速vest的步骤可以包括使用cp查找表，所述cp查找表包括旋转速度ω、风速v、桨距角θ、和功率系数cp的相互关联的值。

根据此实施例，在估计风速vest时通过cp查找表作为中间步骤获得功率系数cp。以此方式作为中间步骤导出的功率系数cp可以用于估计风速和/或控制风力涡轮机以外的其它目的。例如，功率系数cp可以用于监控目的。

迭代地导出估计的风速vest的步骤可以包括估计所述风力涡轮机的功率输出pest并将所估计的功率输出pest与所述风力涡轮机的测得的功率输出pmeas进行比较。如果估计的功率输出pest不同于测得的功率输出pmeas，则估计的风速vest可能也不同于实际风速。因此，如果确定了估计的功率输出pest不同于测得的功率输出pmeas，则调整估计的风速vest用于下一次迭代。

也提供了被配置为实施上文描述的方法的一个或多个特征的一种风力涡轮机和一种计算机程序产品。

可以以任何方式组合于此描述的本发明的所有实施例和特征。

附图说明

现在将参照附图进一步详细地描述本发明，其中：

图1是示例根据本发明的实施例的方法的框图；

图2是示例对于固定桨距角，作为端速比λ的函数的功率系数cp的图示；

图3是示例对于三个不同的桨距角，作为风速的函数的功率输出的图示；以及

图4是示例根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1是以闭环近似过程的形式示例根据本发明的实施例的方法的框图。测量风力涡轮机的转子的旋转速度ω和风力涡轮机的风力涡轮机叶片的桨距角θ并将它们提供给估计框1。此外，先前估计的风速vest也提供给估计框1。

在估计框1中，基于提供的参数ω、θ和vest来计算估计的功率输出pest。这包括例如通过cp查找表，基于估计的端速比λest和桨距角θ来导出功率系数cp。

在比较器2处将估计的功率输出pest与测得的功率输出pmeas进行比较。这导致误差信号perr。如果误差信号perr为零，则pest＝pmeas，指示提供给估计器框1的估计的风速vest等于或接近在风力涡轮机处占优势的实际风速。

如果误差信号perr为正，则测得的功率输出pmeas大于估计的功率输出pest，指示在估计的风速vest，预期的功率输出低于实际功率输出。这指示估计的风速vest低于在风力涡轮机处占优势的实际风速，并且因此应当增大估计的风速vest。

类似地，如果误差信号perr为负，则测得的功率输出pmeas小于估计的功率输出pest，指示在估计的风速vest，预期的功率输出高于实际功率输出。这指示估计的风速vest高于在风力涡轮机处占优势的实际风速，并且因此应当减小估计的风速vest。

按以下方式执行上述对估计的风速vest的调整。在乘法器3处将误差信号perr乘以增益因子kest，并且将得到的信号提供给积分器4。在积分器4处，对从乘法器3接收的信号进行积分，得到新的估计的风速vest，将得到的新的估计的风速提供给估计框1用于下一次迭代。

从而，上述估计过程是迭代过程。为了开始迭代过程，将初始风速vinit提供给估计框1。按以下方式导出初始风速vinit。

基于测得的桨距角θ导出最小端速比λmin。最小端速比λmin限定在测得的桨距角θ处，稳定的控制区与不稳定的控制区之间的界限。从而，在最小端速比λmin以上的端速比处，以稳定的方式估计风速，并且在最小端速比λmin以下的端速比处，以不稳定的方式大概地估计风速。

以使得λinit>λmin的方式选择初始端速比λinit。因而，选择的初始端速比λinit充分地在稳定的控制区之内。然后基于转子的测得的旋转速度ω和选择的初始端速比λinit来导出初始估计的风速vinit。从而，用作用于上述迭代过程的开始点的初始风速vinit对应于初始端速比λinit，并且因此在测得的桨距角θ处也充分地在稳定的控制区之内。这确保迭代过程以快速且可靠的方式收敛，即快速达到对风速的可靠的估计。

图2是示例对于固定桨距角，作为端速比λ的函数的功率系数cp的图示。图2的图示示例了如何确定最小端速比λmin。

如下给出风力涡轮机的功率输出p：

其中，p是功率输出，ρ是空气密度，a是转子扫过的面积，cp(λ，θ)是取决于端速比λ和桨距角θ的功率系数，且v是风速。

只要功率输出关于风速的偏导数为正，则能够假定风力涡轮机在稳定的控制区之内操作。如下给出功率输出关于风速的偏导数：

如下给出转子功率系数的偏导数：

其中，

将其插入以上关于功率输出的偏导数的等式中得到：

因此，如果满足以下条件，则风力涡轮机在稳定的控制区内操作：

这设定了功率系数cp对端速比λ的梯度的限制。这示例于图2的图示中，其中在对应于特定端速比λ的点处示出了曲线的切线。如果切线在点处横截纵坐标轴，则违反了以上等式，并且风力涡轮机将在不稳定的控制区中操作。基于此，能够导出最小端速比λmin，最小端速比限定稳定的控制区与不稳定的控制区之间的界限。能够以此方式导出对于各种桨距角θ的最小端速比λmin，并且将其插入到查找表中，能够在风力涡轮机的操作期间查阅查找表。

图3是示例对于三个不同的桨距角θ＝-4°、θ＝0°、以及θ＝4°，作为风速的函数的功率输出的图示。所有的三条曲线表示风力涡轮机以名义旋转速度ω操作。可以看出，一些曲线具有有负梯度的部分，即风速估计将不会收敛的部分。这些部分全都在功率输出在额定功率输出以上的区域中。然而，对于其它桨距角和/或其它转子，该区域可以发生于额定功率以下，在该情况下，必须以上述方式建立最小端速比λmin，以确保稳定的风速估计。

图4是示例根据本发明的实施例的方法的流程图。过程在步骤5开始。在步骤6，测量或以其它适合的方式获得风力涡轮机的转子的旋转速度ω和风力涡轮机的风力涡轮机叶片的桨距角θ。

在步骤7，基于测得的桨距角θ导出最小端速比λmin。最小端速比λmin限定用于风速估计的稳定的控制区与不稳定的控制区之间的界限。可以以例如以上参照图2描述的方式导出最小端速比λmin。

从而，当风力涡轮机以最小端速比λmin以上的端速比操作时，风速估计在稳定的控制区之内。当风力涡轮机以最小端速比λmin以下的端速比操作时，风速估计在不稳定的控制区之内。

在步骤8，以使得λint>λmin的方式选择初始端速比λinit。从而，以使得初始端速比λinit充分地在稳定的控制区之内的方式选择初始端速比λinit。

在步骤9，基于选择的初始端速比λinit来导出初始估计的风速vinit。从而，导出的初始估计的风速vinit对应于初始端速比λinit，并且因此初始估计的风速vinit也充分地在稳定的控制区之内。因此，初始估计的风速vinit对于用于估计在风力涡轮机处占优势的风速的迭代过程是好的开始点。

因而，在步骤10，开始迭代过程，其中，基于初始估计的风速vinit、测得的旋转速度ω、以及测得的桨距角θ导出新估计的风速vest。

在步骤11，测量旋转速度ω、以及桨距角θ，并且在步骤12，风力涡轮机根据估计的风速vest、测得的旋转速度ω、以及测得的桨距角θ操作。然后，过程返回到步骤10，其中，基于先前估计的风速vest、测得的旋转速度ω、以及测得的桨距角θ导出新估计的风速vest。因而，执行迭代过程，以获得估计的风速vest，其接近在风力涡轮机处占优势的实际风速。

因为用作用于迭代过程的开始点的初始估计的风速vinit被选择成使得该初始估计的风速vinit充分地在稳定的控制区之内的方式选择，所以确保了迭代过程快速且可靠地收敛。从而，快速地达到了对于风速的可靠估计。

虽然已经示出并描述了本发明的实施例，但是应当理解，仅通过范例的方式描述该实施例。本领域技术人员将想到许多改变、变化和替代，而不脱离如由所附的权利要求所限定的本发明的范围。因而，意图以下权利要求涵盖落入本发明的精神和范围内的所有该改变或等同物。