一种风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统及方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统及方法。

背景技术：

在现阶段，单个风电机组的风速数据主要依靠安装于机舱上方的风速仪(例如风杯式风速仪)，结合风向的测量进行偏航与变桨控制。风速的准确测量是风电机组高效稳定运行的前提。

但是，对于上风向运行的风电机组，装在机舱上方的测风装置不可避免地受到了风机叶片的影响：旋转的叶片会产生尾流，影响了机舱上方的即时流场分布，导致传统的测风装置的测量结果与风轮前方的真实来流将出现偏差。随着风电机组的大型化，叶片变大对风速测量影响亦变大，从而会对机组发电量的评估等方面产生影响。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统及方法，结构设计合理，能够准确测量风速，有效避免了风轮转动对风速测量的干扰。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统，包括恒流式热线探针、探针温度感应器、温度信号采集器、电流分流器、恒流电源和信号转化控制器；

恒流式热线探针固定在整流罩前端面并且露出整流罩前端面表面；恒流式热线探针与探针温度感应器连接，探针温度感应器与温度信号采集器连接，恒流式热线探针和温度信号采集器分别与电流分流器连接，电流分流器分别与恒流电源和信号转化控制器连接，信号转化控制器连接至scada系统。

优选地，恒流式热线探针固定在整流罩前端面的中心。

优选地，恒流式热线探针露出整流罩前端面表面的长度为1～2cm。

优选地，恒流式热线探针包括热线金属丝、叉杆和连接杆；两根叉杆垂直设在整流罩前端面上，热线金属丝与两根叉杆固定连接；一根叉杆通过连接杆与电流分流器连接，另一根通过连接杆接地。

进一步优选地，两根叉杆关于整流罩前端面的中心对称。

进一步优选地，两根叉杆外部包裹有保护罩。

进一步优选地，保护罩内填充有绝缘材料。

进一步优选地，叉杆与连接杆的材质为铜。

优选地，恒流电源的接地端依次经轮毂、机舱和塔筒后接地。

本发明公开的采用上述风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统进行风速感测的方法，包括：

电流分流器将来自恒流电源的恒定电流输出至恒流式热线探针，恒流式热线探针通电流后发热，温度信号采集器将探针温度感应器测得的探针温度数据处理后发送至温度信号采集器，温度信号采集器将恒流式热线探针的温度值发送至信号转化控制器，信号转化控制器将温度信号反馈至电流分流器用于调节恒定电流的数值；同时，温度信号转化为风速数据后发送至scada系统，实现风速的测量和对风速仪的校正纠偏。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统，利用设置在整流罩前端面的恒流式热线探针，在风速变化时，热线探针的热平衡温度与环境气流间具有对应关系，只需要准确监测热线金属丝的温度，便可输出热线探针安装位置处(如轮毂中心高度处)的来流风速。恒流式热线探针的设置位置对整流罩前端面及叶片下游流场的干扰可忽略，对风机运行无影响，且恒流式热线探针的热平衡受相对缓慢旋转的轮毂的影响可忽略。该系统结构设计合理，总体成本较低，且安装方法较为简易；充分发挥了热线风速仪几何尺寸小、热惯性小、响应频率高、可连续测量、空间分辨率高、对测量流场干扰小等优点，能够准确测量风速，有效避免了风轮转动对风速测量的干扰；同时测得的数据可输入scada系统，对传统风速仪数据进行修正校核，对于风机来流的测量、现有测风系统的更新与支持、风机与风电场的性能评估与发电量提升等方面具有明显的作用与意义。

进一步地，热线探针设置在整流罩前端面的中心，数值更加准确。

进一步地，热线金属丝通过叉杆进行固定，并通过连接杆作为连接导线，连接可靠。

更进一步地，叉杆外部包裹有保护罩，能够提高结构的稳定性。

更进一步地，内部填充的绝缘材料能够起到良好的绝缘作用。

更进一步地，叉杆与连接杆选用电阻率较小的铜，能够减小非热线部分的导线发热对热线金属丝温度测量的影响，进一步减小测量误差；同时力学性能良好，固定牢固。

进一步地，恒流电源的接地端依次经轮毂、机舱和塔筒后接地，提高系统的安全性和稳定性。

本发明公开的采用上述风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统进行风速测量的方法，充分发挥了热线测速技术的优势，能够精确、实时和连续的测得风速数据。由于恒流式热线探针已经过校核，其数值更为准确，使用该数据可对风速仪的输出数据进行校正；同时，恒流式热线探针的风速/温度间的平衡响应较为快速，可以较高的频率连续测量并输出，确保有足够的数量能用于风速仪的数据核验。从而得到二者的对应关系，可直接应用于未安装热线风速测量装置的风电机组的风速仪输出风速的校正纠偏，实现风机及风电场的性能评估与发电量预测等用途，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的布置于整流罩前端面处的系统结构示意图；

图2为本发明的恒流式热线探针的结构示意图；

图3为本发明的恒流式热线探针的电路系统图。

图中：1-轮毂；2-叶片安装孔；3-整流罩；4-整流罩前端面；5-恒流式热线探针；6-热线金属丝；7-叉杆；8-保护罩；9-连接杆；10-探针温度感应器；11-温度信号采集器；12-电流分流器；13-恒流电源；14-信号转化控制器；15-scada系统；16-风速仪；17-连接导线。

具体实施方式

相比传统的测风装置，热线风速感测技术(也称为热线感测技术)在测量流体速度上具有显著优势。其基本原理是将加热电流流经热线探针中的热线金属丝，基于热线金属丝的能量平衡(包括自身发热、对流换热与辐射换热等)建立起热线电流、温度与风速等变量的准确对应关系。热线在工作方式上有恒温与恒流之分，即分别保持热线探针的加热电流与温度不变。对于恒流式热线风速仪，经校准后，在风速变化时金属丝的热平衡温度与环境气流间具有对应关系，只需要准确监测热线金属丝的温度，便可输出热线探针安装位置处(如轮毂中心高度处)的来流风速。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1和图3，本发明的风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统，包括恒流式热线探针5、探针温度感应器10、温度信号采集器11、电流分流器12、恒流电源13和信号转化控制器14；

恒流式热线探针5固定在整流罩前端面4并且露出整流罩前端面4表面；恒流式热线探针5与探针温度感应器10连接，探针温度感应器10与温度信号采集器11连接，恒流式热线探针5和温度信号采集器11分别与电流分流器12连接，电流分流器12分别与恒流电源13和信号转化控制器14连接，信号转化控制器14连接至scada系统15。

恒流电源13安装于轮毂1内部，接地端依次经轮毂、机舱和塔筒后接地。

如图2，恒流式热线探针5包括热线金属丝6、叉杆7和连接杆9；两根叉杆7垂直设在整流罩前端面4上，热线金属丝6与两根叉杆7固定焊接，优选地，两根叉杆7关于整流罩前端面4的中心对称。一根叉杆7通过连接杆9与电流分流器12连接，另一根通过连接杆9接地。叉杆7的长度结合整流罩3等具体设计，实现热线金属丝6所处位置风速与来流风速相同。叉杆7与连接杆9的材料选用小电阻率的铜金属，兼顾固定和导电的双重作用。

流经热线金属丝6的电流由电流分流器12提供并保持恒定，电流分流器12接受来自热线探针6测量温度的信号转化控制器14的反馈信息，优化分配恒流电源13输出的用于加热热线金属丝6的电流，使电流值处于合理范围。

探针温度感应器10，用以测量热线金属丝6的温度，探针温度感应器10直接连接温度信号采集器11，用以数字化处理所接受的温度信号，并发送至安装在轮毂1中的信号转化控制器14。信号转化控制器14具备两个功能，一是将接受到的信号转化为scada系统15可接收识别的格式，做存储处理，二是基于恒流式热线探针5的设计与校核，将温度信号反馈至恒流电源13下游的电流分流器12，使其输出的热线金属丝6加热电流处于合理范围。

在本发明的一个较优的实施例中，恒流式热线探针5固定在整流罩前端面4的中心，即恒流式热线探针5的外露部分垂直于风轮的扫掠面，其余附件与控制系统通过连接导线17布置于轮毂1内部，轮毂1上的叶片安装孔2内。优选地，恒流式热线探针5露出整流罩前端面4表面的长度为1～2cm。在本发明的一个实施例中，恒流式热线探针5也可以固定在轮毂1的尖端断面。

在本发明的一个较优的实施例中，两根叉杆7外部包裹有保护罩8，保护罩8内填充有绝缘材料。

采用上述风机轮毂中心恒流式热线风速感测系统进行风速测量的方法，包括：

电流分流器12将来自恒流电源13的恒定电流输出至恒流式热线探针5，恒流式热线探针5通电流后发热，温度信号采集器11将探针温度感应器10测得的探针温度数据处理后发送至温度信号采集器11，温度信号采集器11将恒流式热线探针5的温度值发送至信号转化控制器14，信号转化控制器14将温度信号反馈至电流分流器12用于调节恒定电流的数值；同时，温度信号转化为风速数据后发送至scada系统15，实现风速的测量和对风速仪16的校正纠偏。

风电机组的scada系统15接收了来自信号转化控制器14输出的基于热线金属丝6温度测量并转化后的轮毂1中心处的风速，也记录了布置于机舱上方的风速仪16等测风装置的测量风速。由于恒流式热线探针5已经过校核，其数值更为准确，使用该数据可对风速仪的输出数据进行校正；同时，恒流式热线探针5的风速/温度间的平衡响应较为快速，可以较高的频率连续测量并输出，确保有足够的数量能用于风速仪的数据核验。从而得到二者的对应关系，可直接应用于未安装热线风速测量装置的风电机组的风速仪输出风速的校正纠偏，实现风机及风电场的性能评估与发电量预测等用途。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。