风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法与流程

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法。

背景技术：

风向风速的准确测量是风力发电运行控制的基础。由于风能具有很高的不确定性，因此，要想很好地控制风力机发电，使之跟随风速的变化而获取最大发电功率并降低成本，就必须准确及时地测出风速风向，并对风力机进行相应的控制。

风杯风速仪是风力机上最常用的测风仪器，通过转速大小记录风速。但风杯风速仪必须配合风向标组合使用，才能完成风向测量。由于风杯风速仪和风向标均为机械组件，响应速度慢(最大1hz)、精度低、容易磨损。该方式最大的缺点在于测风装置只能安装在风力机机舱尾部，实际测到的来流风已经是被风轮改变后的风速。因此，需要大量的数据修正算法来校准风杯和风向标的结果。目前，风力发电技术领域关于机舱上风速风向装置的专利主要均是集中于提出数据修正方法或结构上加以优化，例如专利公开号cn105354763a，cn103185806a，cn101852172a，cn101727538a，cn201497751u，cn203892125u，cn106246465a。超声波测风仪和激光雷达测风仪精度高，响应快(1～10hz)，但是抗干扰性较差(大雾或雨雪)，数据有效率一般只有80％-90％的水平，价格昂贵是风杯式装置的数十倍以上，例如专利公开号cn102269679a，cn202075304u，cn202133677u等。

目前，压电材料开始应用于测风领域，压电材料测风的主要优点在于精度高，响应快，原理本身无机械磨损部件。压电测风装置能够精确测量风速大小，但不能直接检测风向。专利公开号cn201540301u和cn203720197u，为了配合测风，采用了机械部件，精度和寿命有所降低，同时这两个专利均不能测量风向。专利公开号cn104535790a，虽然通过竖直杆的扭转能够测量风向，但是由于机械部件的引入，采样频率降低且容易受结冰影响。以上压电材料测风发明的一个共同不足在于，装置不是专门为风力机机舱开发的，因此不能或只能安装在机舱尾部，测量结果受到风轮的干扰，需要通过修正算法去计算风轮前的风速。同时，上述压电材料测风发明的另一共同不足之处在于，缺少温度和大气压力传感器，没有对空气密度进行修正，在不同大气压力和温度条件下，空气密度是不一样的，因此相同风速产生的信号也是不一样的。

除了上述各自的不足之外，以上所有装置均存在无法自检的问题，即装置和scada监控系统无法判断测风装置本身是否已经发生了测量偏差和测量错误，需要定期通过专门的设备对测风装置进行校核。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法，该装置无机械部件使用寿命高，数据采样率高(大于100hz)，实时采集大气温度和压力修正空气密度，能够通过自检判断设备是否出现错误或较大误差。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种风力机机舱集成式风速风向测量装置，包括轮毂前缘测风组1、机舱尾部测风组2和控制系统7；轮毂前缘测风组1和机舱尾部测风组2分别用以测量从风力机前半平面和后半平面的来风的速度大小和方向；

轮毂前缘测风组1和机舱尾部测风组2的结构完全相同，包括：绝缘支撑9，为正十六边形拉伸而形成的正十六边形柱体，相邻两个面成157.5°；十六个速度分量测量基板3，形状为矩形，大小与绝缘支撑9的每个侧面相同，粘接在绝缘支撑9的每个侧面上，将绝缘支撑9包覆在其内；大气压力和温度测量基板4，粘接在绝缘支撑9的顶面中心位置；十六个侧风围板5，形状为矩形，底端粘接在绝缘支撑9的顶面，相邻的侧风围板5的角度为157.5°，形成一个封闭的正十六边形；迎风挡板6，通过4根立柱固定在绝缘支撑9的顶面，立柱的高度要高于侧风围板5的高度的0.5～1cm；整个绝缘支撑9固定在圆盘底座8上；侧风围板5和迎风挡板6的作用是保证大气压力和温度测量基板4所处的大气环境没有空气流动。

每块速度分量测量基板3，包括：多块并联的压电陶瓷片31；绝缘框架32，所述的压电陶瓷片31嵌入到绝缘框架32中固定；防风化膜33，所述的防风化膜33置于整个绝缘框架32的最外面，覆盖整个压电陶瓷片31。

大气压力和温度测量基板4，包括：多块并联的压电陶瓷片41；多块并联的温度传感器42；绝缘框架43，所述的压电陶瓷片41和温度传感器42嵌入到绝缘框架43中固定；防风化膜44，所述的防风化膜44置于整个绝缘框架43的最外面，覆盖整个压电陶瓷片41和温度传感器42。

控制系统7，包括：集成电路71，接受从所述十六个速度分量测量基板3和大气压力和温度测量基板4传递出来的电信号，并把这些信号滤波放大；内部i/o总线72，把集成电路处理后的电信号传递到处理器；处理器73，接受内部i/o总线72传递来的信号，进行数据处理与分析；外输i/o总线74，把处理器73分析完的风速、风向、大气压力，传入风力机机舱内的监控系统，供风力机控制系统和风场监控系统使用。

可选的，处理器73可以是集成电路通用处理器或专用处理器，也可以是pc机所使用的通用处理器(cpu)、微处理器和数字信号处理器。

优选的，所述速度分量测量基板3和大气压力和温度测量基板4各自可以由两块或四块压电陶瓷片并联组成。数量越多，相互校准的精度越高。同时，并联的压电陶瓷片数量也取决于装置整体的大小。

本发明有益的效果是：

本发明与已有的技术相比，具有如下明显的实质特点和显著有点：

1)所述装置为电子传感器，无机械部件，外部覆盖防风化膜33，使用寿命高，不会发送类似于机械磨损而造成的系统测量误差随时间增大的现象。

2)压电陶瓷数据采样率高(大于100hz)，可以完成更高采样频率的风速和风向测量。

3)实时采集大气温度和压力修正空气密度，具有很强的通用性。不需要根据季节、纬度、海拔去单独调试修正控制系统里面的参数。

4)基板内两个压电陶瓷片和温度传感器可以相互校验，多个基板之间也可以相互校验，因此所述装置能够通过自检判断设备是否出现错误或较大误差，及时提醒运维人员开展维修。

附图说明

图1是本发明风力机机舱集成式风速风向测量装置的整体布置图。

图2是本发明轮毂前缘测风组和机舱尾部测风组的装置示意图。

图3a是本发明速度分量测量基板的俯视示意图。

图3b是本发明速度分量测量基板的侧视示意图。

图4a是本发明大气压力和温度测量基板的俯视示意图。

图4b是本发明大气压力和温度测量基板的侧视示意图。

图5是本发明控制系统的结构框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达到目的及功效，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

在具体实施方式中，所述的形状以及各种传感器模块之数量等仅为列举，不应视为对本发明技术方案的限制。

实施例1：如图1所示为本发明风力机机舱集成式风速风向测量装置的整体布置图。装置的安装过程主要为：

1)轮毂前缘测风组1安装。在风力发电机机舱的轮毂圆心部位开孔，开孔直径大于圆盘底座8，具体尺寸取决于所需配备的径向轴承。开孔中心需要严格与轮毂旋转中心对中。圆盘底座8和径向轴承相互之间的配合面的粗糙度要求在3.2～6.3μm等级以上。轮毂前缘测风组为固定部件，不随机舱轮毂发生转动。

2)机舱尾部测风组2安装。在风力发电机机舱的尾部平面偏中间位置开孔，开孔圆心距离机舱尾部平面的边缘的距离为20％以上。开孔直径略大于或等于圆盘底座8的半径。开孔面与圆盘底座8的外径表面的粗糙度无特别要求，两者之间填充橡胶o型圈等密封材料。

如图2所示，轮毂前缘测风组1和机舱尾部测风组2的结构完全相同，包括：绝缘支撑9，为正十六边形拉伸而形成的正十六边形柱体，相邻两个面成157.5°；十六个速度分量测量基板3，形状为矩形，大小与绝缘支撑9的每个侧面相同，粘接在绝缘支撑9的每个侧面上，将绝缘支撑9包覆在其内；大气压力和温度测量基板4，粘接在绝缘支撑9的顶面中心位置；十六个侧风围板5，形状为矩形，底端粘接在绝缘支撑9的顶面，相邻的侧风围板5的角度为157.5°，形成一个封闭的正十六边形；迎风挡板6，通过4根立柱固定在绝缘支撑9的顶面，立柱的高度要高于侧风围板5的高度的0.5～1cm；整个绝缘支撑9固定在圆盘底座8上；侧风围板5和迎风挡板6的作用是保证大气压力和温度测量基板4所处的大气环境没有空气流动。

实施例4与实施例2、实施例3的关系为整体与局部的关系：所述风力机机舱集成式风速风向测量装置，首先通过实施例2中的每块速度分量测量基板3去测量得到该板法线方向所对应的风压大小，并通过实施例3得到此时对应的大气压力和温度，最后根据实施例4把实施例2和3的数据分析整理合并成最后的矢量风速度。各实施例的具体步骤如下。

实施例2：图3a和图3b所示为本发明速度分量测量基板的结构示意图。每个基板的信号测量和校验的原理如下：

该速度分量测量基板3的压电陶瓷片31的数量为n个(n为偶数)：

1)收集信号：压电陶瓷片31采集的是电压信号，其电压信号按从小到大排列为p1，…，pn，单位v；

2)传递信号：p1,…,pn的信号经集成电路71滤波放大，被内部i/o总线72传递给处理器73；

3)单个速度分量测量基板3的信号自检并判断其中哪块压电陶瓷片31出现故障需要屏蔽：判断的标准是单个压电陶瓷片31相互之间的测量误差是否超过1％。具体方法是比较最大值和最小值之间的误差：①如果最大值pn与最小值p1的误差在1％以内，说明所有压电陶瓷片31的误差均在1％以内，系统通过自检，该速度分量测量基板3的信号为每块压电陶瓷片31的电压信号的平均值pb＝(p1+…+pn)/n；如果p1和pn的误差超过1％，说明p1和pn中至少有一个发生了故障；②首先检查pn是否发生了故障：计算p1与pn-1，误差在1％以内，表明p1到pn-1均正常，则说明pn误差较大，系统警报，屏蔽pn，该速度分量测量基板3的信号为p1到pn-1的电压信号平均值pb＝(p1+…+pn-1)/(n-1)；如果p1与pn-1大于1％，说明p1发生了故障，但还需要继续判断pn是否有故障；③计算p2与pn，误差在1％以内，表明p2到pn均正常，最后只有p1发生了故障，系统警报，屏蔽p1，该速度分量测量基板3的信号为p2到pn的平均值pb＝(p2+…+pn)/(n-1)；④如果p2和pn超过1％，说明除了p1外pn也发生了故障，同时屏蔽p1和pn；⑤屏蔽p1和pn之后，需要重新判断p2到pn-1各板是否正常；按照步骤①到步骤④，计算p2与pn-1的关系；以此类推，如果被屏蔽的信号超过k个，没有通过自检，系统报警，自动屏蔽该速度分量测量基板3的结果，n与k的对应关系为n＝2×(k+1)；

4)电压信号转化为该板法线方向所对应的风压(风流动的动压)大小信号；处理器73把步骤3)中计算得到的电压信号平均值pb，通过查找该压电陶瓷片厂家提供的电压-风压对应关系，将电压大小pb转化为对应的具体风压大小pv，单位pa；

5)16个速度分量测量基板被屏蔽的数量，如果彼此不相邻的数量超过4个、或连续相邻的数量超过3个，则系统报错，要求维修整个设备。

实施例3：图4a和图4b所示为本发明大气压力和温度测量基板4的结构示意图。每个基板的大气压力和温度测量和校验的原理与速度分量测量基板3相同，原理如下：

1)收集信号：压电陶瓷片41采集的是电压信号，其电压信号按从小到大排列为patm1，…，patmn，单位v；温度传感器42采集的也是电压信号，其电压信号按从小到大排列为pt1，…，ptn，单位v；

重复速度分量测量基板3的信号测量和校验方法中步骤2)到步骤3)，如果被屏蔽的信号超过k个，没有通过自检，系统报错，要求维修设备；n与k的对应关系为n＝2×(k+1)；最后得到大气压力和温度测量基板4上的平均电压信号pbatm和pbt；

2)电压信号转化为该板所对应的大气压力和温度：处理器73查找该压电陶瓷片和温度传感器厂家提供的电压-大气压力、电压-温度对应关系，将pbatm和pbt转化为大气压力p0和温度pt，单位分别为pa和℃；

实施例4：图2所示为本发明轮毂前缘测风组和机舱尾部测风组的装置示意图。装置的风速和风向的测量原理如下：

1)处理器73提取实施例2和实施例3中的风压大小pv、大气压力p0和温度pt；

2)空气密度计算：空气密度按照下式计算，其中ρ0＝1.293kg/m³为温度为0℃，压力为10130pa时的干空气密度

ρ＝ρ0×273/(273+pt)×p0/10130

3)有效速度分量测量基板选取和第一次系统自检：因为圆周方向共分布了十六块速度风量测量基板，所以一定有一块速度分量测量基板平面的法线方向与实际风向的夹角在±11.25°以内；如果恰巧这块速度分量测量基板在步骤3)中没有通过自检被屏蔽，基于步骤4)的数量规定，一定有一块速度分量测量基板平面的法线方向与实际风向的夹角在±33.75°以内；假设测量得到pv最大的速度分量测量基板为第i个，则理论上前5个最大pv的速度分量测量基板的顺序应该为(i，i-1，i+1，i-2，i+2)或者(i，i+1，i-1，i+2，i-2)；如果不满足，则系统没有通过第一次自检，系统报错，要求维修设备；

4)速度分量测量基板3法线方向所对应的风速计算：处理器73基于以下公式计算每块速度风量测量基板3法线方向所对应的风速大小v；

v²＝2×(pv-p0)/ρ

5)所选的5块速度分量测量基板组成以下十种组合，i和i+1，i和i-1，i和i-2，i和i+2，i-1和i-2，i-1和i+1，i-1和i+2，i+1和i-2，i+1和i+2，i+2和i-2；

6)分别计算每个组合的风速大小和风向：

假设选取第m和n个基板(i-2≤m<n≤i+2)，则每块基板法线方向所对应的风速大小为vn和vm，实际风向与第n个速度分量测量基板的夹角为an；an和绝对风速vn,m的关系为：

vn/cosan＝vm/cos(an-22.5°×(n-m))＝vn,m

通过上式，得到风向an和绝对风速vn,m；然后，根据陀螺仪等机舱内置设备判断此时第n个速度分量测量基板的方位角，确定此时实际风向a’n；

7)如果某个基板被屏蔽，则不计算含有该基板的组合；

8)第二次系统自检：根据步骤5)到步骤6)的组合确定的所有实际风向和绝对风速中，最大值和最小值的误差本别在1％以内，则系统测得的真实风向为所有实际风向组合的平均值，真实风速为所有绝对风速组合的平均值；

9)所有实际风向和绝对速度中，最大值和最小值的误差超过了1％，系统报错，要求维修设备；

10)处理器73把结果经外输i/o总线74传递给风力机scada等监控系统。

通过以上步骤的实施，实现了风力机风速和风量的测量，该装置能够直接测量风力机前部的风速，避免了风杯等装置通过传递函数去预测风力机前部的风速，无机械部件使用寿命高，数据采样率高(大于100hz)，实时采集大气温度和压力修正空气密度，能够通过多层级自检判断设备是否出现错误或较大误差。提高了测量精度，具有更广泛的适应性。

在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。