专利名称：风速计的校准方法和风力涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于校准风速计的方法，特别地用于风速计的现 场校准。
背景技术：
10 在风能领域中，由于风速对于风力涡轮机的操作是重要的控制参数，所以典型地使用风速计来测量在特定的风力涡轮机现场处的风 速。典型地，风力涡轮机装配有安装在机舱上的至少一个风速计。然 而，这种机枪风速计的读数通常不准确。对于该不准确的一个原因在 于传统的风速计没有被个别校准。取而代之，对于相同类型的所有传15 感器和涡轮机都典型地使用相同的线性均值校准函数，这就没有说明 在周围条件、现场条件、或现场特定涡轮机的参数设定中的变化。发明内容由于上述内容，本发明提供了用于再次校准风力涡轮机的风速计 20 的方法。该方法包括以下步骤获得风速和依赖于风速的涡轮机变量 的成对的测量值；将所述测量值^与从风力涡轮机的预期涡轮机变量 曲线中所获得的成对的风速和涡轮机变量作比较，以确定所测风速值 和对于给定涡轮机变量值的预期风速值之间的差；以及以所述确定的 差为基础来调整所述风速计的校准函数。25 在从属权利要求、说明书和附图中本发明进一步的方面、优点和特征将显而易见。根据本发明的以方面，用于风力涡轮机的风速计的现场;欧准方法包括步骤测量风速和功率；使用作为应变量的测量风速和作为自变 量的测量功率来执行回归分析；使用作为应变量的风速和作为自变量的功率对理论功率曲线执行相同的回归分析；计算来自回归参数的测 量风速和理论风速之间的差；以及依靠所计算的差来调整风速计的校 准函数，以便调整后的测量风速值与理论风速值相符合。根据本发明的又一个方面，风力涡轮机包括用于测量风速值的风 5 速计、用于确定风力涡轮机的依赖于风速的涡轮机变量的传感器、以 及控制器，该控制器适于获得风速和涡轮机变量的成对的测量值；将 所述测量值对与从风力涡轮机的预期涡轮机变量曲线中所获得的成 对的风速和涡轮机变量作比较，以确定所测风速值和对于给定涡轮机 变量值的预期风速值之间的差；以及以所述确定的差为基础来调整所 10 述风速计的校准函数。
更特别地，对本领域中的普通技术人员之一而言，在包括附图参 考的说明书的剩余部分中提出了包括本发明最佳模式的本发明的完 15整和有效的公开，其中图l所示为示意图，显示了包括根据在本文中所描述的实施例的 风速计的风力涡轮机。图2所示为示意图，显示了使用在本文中所描述的实施例中的风 速计。20 图3是根据在本文中所描述的实施例的校准方法的流程图。图4是对图3中所显示的校准方法的部分的更详细的流程图。 图5是根据在本文中所描述的另一个实施例的校准方法的流程图。图6所示为被使用在根据在本文中所描述的实施例的校准方法中: 25 的预期功率曲线。图7所示为和风速与输出功率的测量值在一起的理论(预期)功率 曲线。图8所示为4吏用在本文中所描述的实施例中的线性回归分析的实例,图9所示为根据在本文中所描述的实施例的修正步骤。图IO所示为在图9中图示的修正步骤的结果。图11是根据本发明的另一个实施例的风速计;艮准的结果(1015零件清单2塔架4轮毂6机抢8转子叶片100 风力涡l仑机110 第一风速计111 主体112 轴线或轴 114 转杯 116臂状物 118 环120 第二风速计20具体实施方式
现在将要详细参考发明的各个实施例，在附图中图解本发明的一 个或多个实例。通过对发明的解释来提供每一个实例，并且每一个实 例都不是意在成为发明的限制。例如，被图解为或被描述为一个实施25以另外产生另一个实施例。本发明意在包括这些修改和变化。在下文中，将要描述本发明的实施例，其中产生的输出功率4皮使 用为依赖于风速的涡轮机变量。然而，本领域中的那些技术人员将理 解的是在下面所描述的发明方法可相似地被应用在依赖于风速的任何其它的涡轮机变量上。在这种上下文关系中，可以理解的是术语"依 赖于风速的"应包括或者直接地,或者间接地受风速影响的但是并不是 必须单独地依赖于风速的变量。)人而，在下面的描述中，对发电机的 输出功率的参考应被理解为用于任何其它涡轮机变量的占位符，该变 5 量适用于根据本发明的实施例的方法。除了发电机的输出功率以外， 还有风轮的旋转速度、发电机转子的旋转速度、扭矩、浆距角(pitch angle)、转子叶片的弯曲、塔架振动、叶片振动、机舱(nacelle)振动、 动力传动系统的振动、以及来自风力涡轮机的噪声辐射都可被使用为 依赖于风速的涡轮机变量。而且，将上述变量中的两个或多个结合以10 获得用于风速计校准曲线的更准确的结果是有利的。当然，将在风力 涡轮机处提供各自的传感器以测量依赖于风速的涡轮机变量。图l所示为示意图，显示了包括根据本发明的示范性实施例的风 速计110的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括塔架2,在塔架2 的顶端安装有机抢6。将装^^有'k个转子叶片8的风轮4可旋转地安15装到机舱6上。当然，本发明的实施例也可被应用到具有一个、两个、 或其它数目转子叶片的风力涡轮机上。转子叶片8从风中获得动能， 并且驱使转子4绕着它的旋转轴线旋转。转子4经由转子轴(图未示) 被连接到发电机(图未示)上。转子4可或者直接地或者经由齿轮箱被 连接到发电机上。通过转子4的驱动，发电机产生电能，然后，电能20 可被供给到公用电力网络等等上。此外，风力涡轮机100具有用于测 量发电机的电功率输出的传感器(图未示)。因此，可由传感器来提供 发电机功率的测量值。此外，风力涡轮机100包括用于测量在涡轮机 现场处实际风速的风速计110。典型地，将风速计110安装在机艙6 的顶端，机舱6位于风轮4的下游。根据一些实施例，可提供第二风25 速计120(由虛线所示的)或甚,至冉多的风速计。因此，可执行冗余的风 速测量以增加准确性和/或识别有缺陷的风速计。在本发明的一些实施例中，风力涡轮机进一步包括被连接到风速 计110和功率传感器上的控制器(图未示)。因此，控制器可获得风速和功率的测量值，该测量值将被使用在根据下面所描述的本发明实施 例的校准方法中。在一些实施例中，控制器适于执行根据本发明实施 例的现场风速计校准的方法。出于这个目的，控制器典型地包括用于 存储测量值与其它数据的存储異^用于执行算术操作的处理器。 5 根据本发明的等效可选实施例，将测量的风速和功率值传输到远处的涡轮机控制场所。在这种情形下，可通过任何适当的方式传输数 据，该方式包括有线通信或无现通信、以及还有经由网络的传输。在 这个实施例中，在远程控制场所处执行用于根据本发明实施例的风速 计校准方法的计算并且将最终结果传输回风力涡轮机。在风力涡轮机10 处，基于从远程控制场所接收到的结果来更新风速计校准函数。根据本发明的又一个等效可选实施例，将所测风速值和功率值存 储到存储器(图未示)中，可在风力涡轮机中提供该存储器。存储器可 具有数据端口 ，维修人员通过该数据端口可进入存储器并且下栽所存 储的风速和功率数据。维修人员可具有膝上电脑、平板电脑或相似的15 装置，在这些装置中安装有软，程序，该软件程序执行至少一部分的根据本发明实施例的校准方法r 、煞后，通过这种方法所获得的修正校准函数可被上传到涡轮机，以便再次校准风速计。图2所示为示意图，显示了使用在本文中所描述的实施例中的风 速计。在图2中所示的风速计100就是所谓的转杯风速计。在主体11020 上提供有轴线或轴112。将转杯114安装到臂状物116上，通过环118 将臂状物116旋转地固定到轴线或轴上。环118可绕着轴线或轴112 旋转。根据一个实施例，轴线或轴112和/或环118可被具有例如15W 到20W的功率加热。由此，减少了在风速计上结冰的影响。根据另一 个实施例，风速计100没有被加热。 一般地，转杯风速计的实施例包25 括三个转杯。然而，根据其它的实施例，也可使用具有四个转杯的转 杯风速计。本领域中的那些技术人员将能理解的是转杯风速计100仅如，还可使用音速风速计。在音速风速计中，臂状物包括音速收发器(或分别的发射器和接收器)，该音速收发器彼此远离以提供测量区域。 在臂状物之间声音的传播速度与风速叠加。因此，风速影响声音传播 的速度。因此，可应用对传播延迟的测量来确定风速。图3是根据在本文中所描述的实施例的校准方法的流程图。在方5法的第一步骤1000中，获得成对的风速和所产生的功率的测量值。例如，风速计和功率传感器为滩力涡轮机的控制器提供它们各自的测量值。典型地，测量值是已经按时间平均的值。典型的平均时间是30 秒并且更多，例如，l分钟、5分钟或甚至更长像IO分钟。由于测量 的时间平均，所以在某种程度上风速的间歇行为和由此产生波动的功10 率输出将变得平稳。当选定了在其上对测量进行平均的时段后，技术 人员将考虑用于风力涡轮机的预期功率曲线的可获得的分辨率。特别 地，如果测量时间平均和预期曲线、例如模拟功率曲线的时间分辨率 相等或至少相似的话，那么这是有利的。因此，可避免由于不同的时 基所引起的伪像。根据一些实施例，不是每一个测量值都会被考虑到，15 而是将值对(风速、功率)从所述风力涡轮机的预期功率曲线的大致线 性范围中选出来。例如，可在风力涡轮机的额定功率的三分之一到三 分之二之间发现这种线性范闺v,某些情形下，对于1500千瓦的涡 轮机，这个范围可被扩大且位于400千瓦到1100千瓦之间。另一方 面，对于在7米/秒和10米/秒之间的风速范围，可发现在风速和功率20 之间的或多或少的线性关系。在上面特定的线性范围中，功率曲线对 边界条件像环境扰动中的改变相对不^1感。所以，从功率曲线的线性范围中选出的测量数据可被有利地应用到根据本发明实施例的校准 方法中。在接下来的步骤1010中，将测量值与从风力涡轮机的预期功率 25曲线中所获得的值作比较。这种比较的目的在于对于给定的功率值确 定在所测风速值和预期的风速值之间的差。如果这种差存在，那么它 们指示风速计没有被正确地校准，这是由于该风速计高估或者低估了 实际的风速。图6所示为当这种预期的功率曲线被使用在根据在本文中所描述的实施例的校准方法中时的情况。在那里，基本S形的功率曲线在9 米/秒和11米/秒之间的风速范围中或相反地在从450千瓦到大约1200 千瓦的功率范围中展示了线性行为。在图6中所示的完整功率曲线是 5 从理论计算和/或模拟中获得的。然而，图6还图示了第二部分曲线， 该第二部分曲线在10米/秒和12米/秒之间的范围中与完整的曲线偏 离。这条第二曲线是对于在涡轮机现场处的当地空气密度的修正，例 如因为现场是在升高的海波处葡由于空气温度改变。可或者通过标准 IEC(国际电工委员会)方法或者通过动态反馈过程来实施这种修正。在10 由相同的申请人于2006年12月6日提交的共同未决的申请中，美国 序列号No. 11/567,264，描述了预期功率曲线的这种动态适应，该申 请的整个说明书通过引用被结合。因此，预期的功率曲线可完全地基 于理论和数值计算，或可已经动态地适应特定的现场条件。此外，在 一些实施例中，例如作为数学函数或作为一组数据值提供了完整的预15 期功率曲线。在其它的实施例中，提供了仅仅功率曲线的一部分，例 如该功率曲线的线性部分。还在其它的实施例中，提供了^f又仅回归参 数来限定功率曲线的至少一部分，该回归参数拟合根据特定的回归方 法，例如线性回归的功率曲线。当将测量值与预期的功率浙线作比较时，就假定在校准期间、例20 如紧接着涡轮机试运行后，测量值完全地符合预期的功率曲线，以便 可确认测量的功率值与预期的功率值一致。因此，测量值与预期功率 曲线的任何偏离都可被归为在测量的风速和预期的风速之间的不匹 配。从而，在接下来的步骤.1020中可确定测量值和预期值之间的差。 在这种上下文关系中，可以理解的是所测风速值也必须在测量期间被25 调整与空气密度相适应，以便排除作为使测量值和预期值不一致的原 因的空气密度。在已经确定了测量值和预期功率曲线之间的差之后，从而，在步 骤1030中使用所确认的差来调整风速计的校准函数、或校准曲线。换句话-说，修改风速计的4t准曲线以补偿在测量的风速和预期的风速 之间的确认差。因此，再次校准的风速计在将来的测量中将提供更准 确的测量。对于涡轮机操作的任何类型的分析等等都需要这个正确的 风速数据。此外，现场校准方法排除了对于单独风速计的大成本风洞 5 校准的需要。图4是对图3中所显示的校准方法的部分的更详细的流程图。在 那里，解释了如何来实现在测量值和预期值之间的比较的实施例。在 第一子步骤1012中，在测量值上执行线性回归分析。在这个线性回 归分析中，测量的功率一皮使用为:自变量或回归量，而风速被使用为应 10 变量或回归应变量。有时，自变量也被称为预测量，而应变量一皮称为 响应变量。因此，在公式vmeas = ameas+bmeas . P中作为功率P的函数来 获得测量的风速vmeas。相似地，在子步骤1014中，在预期的功率曲 线上^L行线性回归，该预期的功率曲线通过vreal = aPC+bPC . P而与真 实的实际风速相关。在接下来的子步骤1022中，可使用在测量值的15 回归参数a^as与bmeas和测量值的回归参数aPC与bpc之间的差来调整或修正风速计的校准曲线。因此，再次校准的风速计将显示修正的实 际风速。在上面所描述的线性回归的情形中，通过<formula>formula see original document page 11</formula>来获得风速计的修正线性校准曲线。 20 尽管上面的实施例是关+幾性回归分析，但是可以理解的是非线性回归分析也在本发明的范围中。然而，风速计典型地显示线性-fr为，以致线性回归是最适合于本发明的目的。此外，比起非线性回归，可 用相当少的努力来执行线性回归。当然，对于显示非线性行为的风速 计可特别地z使用非线性回归。 25 图5是根据在本文中所描述的另一个实施例的校准方法的流程图。在那里，在第一步骤2000中获得风力涡轮机的预期功率曲线。 预期的功率曲线可仅仅基于理论思考和数值模拟，然而也可来自IEC 功率曲线的测量，或二者的结合。此外，可以理解的是预期的功率曲线可以数学函数、数值数据点、或拟合曲线的回归参数的形式被提供。 此外，可在完整的功率和风速范围上或仅仅在该功率和风速范围所选 定的部分中提供预期的功率曲线。而且，没有必要在涡轮机现场处即 刻形成或产生功率曲线，而是可在涡轮机对用户的试运行之前被存储 5 到风力涡轮机的存储器中。在另一个步骤2010中，由各个传感器来测量风速和输出功率的 值。特别地，由安装在风力涡轮机处的风速计来测量风速。如上面所 解释的，为了平滑不规则的波动，测量值在30秒或更多的测量时间 上典型地是按时间平均的。当然，典型地，相同的时间平均可应用于 10 风速和输出功率这两个变量上。因此，可形成对应相同测量区间的风 速和功率的值对。根据一些实施例，仅仅从运行范围的特定部分中，例如所述风力涡轮机的预期功率曲线的大致线性范围中选择值对(风 速、功率)。例如，可在风力涡轮机的额定功率的三分之一到三分之二之间发现这种线性范围。在某些情形下，对于1500千瓦的涡轮机, 15这个范围可^C扩大且位于400千瓦到IIOO千瓦之间。另一方面，对 于某些风力涡轮机类型，对于在6米/秒和12米/秒之间的风速范围可 发现在风速和功率之间的或多或少的线性关系。在上面特定的线性-^ 围中，功率曲线对边界条件像环境扰动中的改变相对不敏感。所以，；从功率曲线的线性范围中选出的测量数据可被有利地应用到根据本20发明实施例的校准方法中。在随后的步骤2020中，相对于功率对所测风速值进行箱式分级 (bin)。例如，将功率范围再分成N个箱(bin)，并且相对于N个功率箱 对风速值进行箱式分级。然后，分别在每一个箱中平均风速值。因此， 获得N个平均的成对的风速和功率值。在这种上下文关系中，如果在25每一个箱中的风速值的个数M至少等于功率箱的个数N，即M》N， 那么这是有利的。因此，平均值的统计置信是有效的。当然，每一个 箱都应该包含足够最小个数的测量值，例如大约10个，以便平均值 的标准偏差合理地小，以从分析中获得有意义的结果。而且，应该限定功率箱的合理个数。特别地^長有仅仅两个功率箱，即两个平均值， 以限定用于风速曲线的回归线典型地是没有意义的。在平均测量值之后，在步骤2030中，在平均值上执行回归分析。: 因此，对于测量值可获得由获得的回归参数所限定的回归曲线。在这 5种回归分析中，功率被使用为自变量，而风速被使用为应变量，以便获得作为功率的函数的风速。如上面所解释的，可应用包括非线性回 归分析的任何类型的回归分析。然而，典型地是选择线性回归，这是 由于大多数标准的风速计都显示线性行为。在另一个步骤2040中，将所获得的用于测量值的回归曲线与从 10 预期的功率曲线中所获得的回归曲线作比较。而且，在用于预期的功 率曲线的回归分析中，功率被使用为自变量，而风速被使用为应变量， 以便获得作为功率的函数的，速。典型地，在测量值和预期的功率曲 线上执行相同类型的回归分析'。"'因此，两种回归分析的结果可易于被 4皮it匕比l交。15在接下来的步骤2040中，用于测量值和预期值的回归曲线祐:彼此比较以确定在其之间的差。例如，在线性回归分析中，可将测量回归曲线和预期回归曲线的补偿参数a和斜率参数b彼此作比较。如果探测到回归参数中的差，那么就可在步骤2050中使用这个 差来修正风速计的校准曲线。对于线性回归分析的实例，校准曲线可 20补偿和/或被倾斜以匹配预期的回归曲线。在上面已经给出了对于这种 修正的数学表达。因此，可再次校准风速计以便它的将来测量值与真 实的实际风速相匹配。接下来，将参考图7到图IO来描述校准方法的示范性实施例。 图7所示为和风速与输Uf动率的测量值在一起的理论(预期)功率 25曲线。对于每一个数据点，测量值都是基于在10分钟上平均的按时 间平均的测量值。显然地，除了对于较低的风速明显地偏移以外，测 量数据大致符合预期(理论)的功率曲线的形状。如上面所描述的，将 功率和风速的轴线倒置(invert)来获得作为功率的函数的风速。图8所示为l吏用在本文中所描述的实施例中的线性回归分析的实例。这个线性回归基于倒置的功率曲线，如参考图7所解释的，已经 获得倒置的功率曲线。此外？为订回归分析，选择在500千瓦和大约 IOOO千瓦之间的特定功率范围，这是由于在这个范围中倒置的功率曲 5 线基本上显示线性行为。此外，对应风力涡轮机的非正常运行的离群 值被隔离掉并且在线性回归分析中不予考虑。图9所示为根据在本文中所描述的实施例的修正步骤。在那里， 图示了用于测量值和预期的功率曲线二者的线性回归曲线。由于是对 在功率上的风速执行线性回归，所以两个回归曲线已经被倒置来符合10 图示了在风速上的功率的额定功率曲线图。显然地，用于测量值的回 归曲线不仅仅从预期的曲线处偏移，而且还歪斜。通过比较对于零功 率和额定功率，即1500千瓦处的两个回归曲线之间的距离可观察到 这种歪斜。为了修正数据，用于测量值的回归曲线#1移动以匹配用于 预期值的回归曲线。 「n15 图IO所示为在图9中图示的修正步骤的结果。在那里，根据用.于测量值的回归曲线的偏移，测量数据也已经偏移。显然地，现在單 少到大约10米/秒的风速处它们是完全符合预期的功率曲线。由于被 移动的数据基于修正的校准曲线符合风速计的测量值，所以以回归曲 线之间所确定的差为基础，图IO显示了再次校准风速计的结果。20 图11阐明了根据本发明实施例的风速计校准方法的另一个优点。其中显示的是，基于功率曲线在500千瓦和1000千瓦之间的较小佴 是呈线性的一部分的线性回归足以获得对于整个功率范围都相当令 人满意的结果。仅仅在功率曲线最上方的10%到15%中，还存在着 在预期曲线和测量数据之间的相当大的偏差。然而，通过应用用于确25定预期功率曲线的更先进的方法，例如预期的功率曲线动态适应当地 的环境条件，也可减少这种差。'最后，本领域中的那些技术人员可以理解的是用于校准和/或再次 校准风力涡轮机的风速计的上述方法可不仅仅在涡轮机的试运行之后一次被执行，还可以有规律的间隔且/或应操作者的请求而重复。本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的发明，并且还使得本 领域中的任何技术人员都能够实现和使用该发明。尽管发明已经通过 各种特定的实施例被描述，但是本领域中的那些技术人员将认可的是 5 在权利要求的精神和范围中可卖施具有修改的发明。特别地，上面所 描述的实施例的相互非排他的特征可被彼此结合。发明可取得专利的 范围由权利要求来限定，并且该范围可包括本领域中那些技术人员可 想起的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不 同的构件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无本质 10 区别的等效构件，那么这些其它实例被旨在包括于权利要求的范围 中。
权利要求
1.一种用于再次校准风力涡轮机的风速计的方法，其包括以下步骤获得风速和依赖于风速的涡轮机变量的测量值对；将所述测量值对与从风力涡轮机的预期涡轮机变量曲线中所获得的成对的风速和涡轮机变量作比较，以确定所测风速值和对于给定涡轮机变量值的预期风速值之间的差；以所述确定的差为基础来调整所述风速计的校准函数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡轮机变量选自发电机输出功率、风轮旋转速度、发电机转子旋转速度、扭矩、 浆距角、转子叶片的弯曲、塔架振动、叶片振动、机舱振动、动力传 动系统的振动、来自风力涡轮机的噪声辐射、或其任意组合。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述值对选自所述风力涡轮机的预期功率曲线的大致线性范围中、和/或从所述风力渴轮机的额定功率的1/3到2/3的范围中、和/或在400千瓦到1100 千瓦之间的功率值的范围中、和/或在7米/秒到10米/秒之间的风速值 的范围中。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述 测量值是按时间平均的值，所述按时间平均的值已经在至少30秒的测量时间上^皮平均。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，针对 在风力涡轮机现场处的当地空气密度来修正所测风速值和/或预期的 涡轮机变量曲线。
6.根据前述权利要求中任"T"项所述的方法，其特征在于，比较测量及预期值对的步骤包括把风速获取为涡轮机变量的函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过关于涡轮才A 变量而分布的风速的线性回归来把风速获取为涡轮机变量的函数。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，比较 测量及预期值对的步骤包括相对于涡轮机变量对风速值进行箱式分 级，并且在每一级中进行平均以将平均值用于比较。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，以有规律的间隔且/或应操作者的请求重复风速计的再次校准。
10. —种风力涡轮机，其包括 用于测量风速值的风速计，用于确定风力涡轮机依赖于风速的变量的传感器，以及 适于执行根据前述权利要求中任 一 项所述的风速计校准方法的 10 控制器。
全文摘要
本发明涉及风速计的校准方法和风力涡轮机，具体地说，提供了一种用于再次校准风力涡轮机的风速计的方法，该方法包括步骤获得风速和依赖于风速的涡轮机变量的成对的测量值；将所述测量值对与从风力涡轮机的预期涡轮机变量曲线中所获得的成对的风速和涡轮机变量作比较，以确定所测风速值和对于给定涡轮机变量值的预期风速值之间的差；以及以所述确定的差为基础来调整所述风速计的校准函数。
文档编号G01P21/02GK101334423SQ200810128929
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月18日 优先权日2007年6月18日
发明者D·罗杰斯, H·-J·库伊曼, T·西伯斯 申请人:通用电气公司