一种基于热线风速感测的风电机组风速测量系统及方法与流程

[0001]
本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于热线风速感测的风电机组风速测量系统及方法。


背景技术：

[0002]
过去10年，中国风电行业呈现快速发展的态势。随着风机技术的发展，单机设计容量较现阶段将有较大提升，其对应的叶片长度也将大幅增加。而大容量长叶片的风机机组的性能评估等，建立在风速准确测量的基础上。现阶段，通常在风电机组机舱上部安装风杯风速计，其测量风向数据用于风机偏航调整，但风杯风速计测量误差来源多，风速测量值误差较大，且测量风速为轮毂高度风速值，对于准确测量或计算风轮扫掠面内的风速分布作用有限。
[0003]
由于风机叶片总体长度较大，例如2018年全球陆上风机与海上风机的平均风轮直径分别达到110m与148m。在如此大范围的风轮扫掠面积内，风速的高度与水平方向分布并非均匀，特别是高度方向。所以，若是依靠轮毂高度处的风速数据与风切变规律并不能反映风速度的分布特性，必然间接地影响到风能的利用率和风机性能的准确评估。若能准确测量并记录风轮扫掠面积上游近距离范围内风速的空间与时间分布，则能更有效且准确分析风机叶片的风能捕捉效率cp，从而进行后续的优化设计与改造，进一步提升风电机组的效率。而实际上，在现阶段，整个风轮扫掠面积上风速在时间与空间维度上的分布测量并无行之有效的方式。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于热线风速感测的风电机组风速测量系统及方法，结构设计合理，能够精确、实时和连续的测得风速数据。
[0005]
本发明通过以下技术方案来实现：
[0006]
本发明公开了一种基于热线风速感测的风电机组风速测量系统，包括温度信号总接收器、通讯模块、电流分流调节处理器、恒流电源、数据处理单元、数据接收与存储器和若干热线探针；
[0007]
若干热线探针设置在风电机组任意一个叶片的展向上；热线探针包括热线金属丝和探针温度传感器；热线金属丝露出叶片表面，探针温度传感器与热线金属丝连接，探针温度传感器与数据处理单元连接，热线金属丝和数据处理单元分别与电流分流调节处理器连接，电流分流调节处理器分别与温度信号总接收器和恒流电源连接，温度信号总接收器通过通讯模块与数据接收与存储器连接。
[0008]
优选地，若干热线探针依次设置在叶片的叶根截面至叶尖截面的前缘中心线上。
[0009]
优选地，热线探针还包括连接杆和两根固定在前缘中心线上的叉杆；叉杆垂直设置在前缘中心线所在叶片表面的外部，且两根叉杆互相平行，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调节处理器连接，另一根通过连接杆接地。
[0010]
进一步优选地，两根叉杆外部包裹有保护罩，保护罩内填充有绝缘材料。
[0011]
进一步优选地，叉杆与连接杆的材质为铜或银。
[0012]
优选地，相邻热线探针的环形扫掠面积相等。
[0013]
优选地，恒流电源的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地。
[0014]
优选地，通讯模块为无线通讯模块。
[0015]
本发明公开的上述基于热线风速感测的风电机组风速测量系统进行风速测量的方法，包括：
[0016]
电流分流调节处理器将来自恒流电源的恒定电流分别输出至每个热线探针，热线金属丝通电流后发热，数据处理单元将探针温度传感器测得的探针温度数据处理后发送至温度信号总接收器，温度信号总接收器将热线探针的温度值经通讯模块发送至数据接收与存储器，后台数据分析系统根据数据接收与存储器中的温度数据得到实际风速值。
[0017]
优选地，得到实际风速值后，计算一个数据记录周期t内设有热线探针的叶片扫过的圆环区域的风动能为：
[0018][0019]
其中，r
i
为第i个热线探针所在扫掠面积的半径；n为风轮的转速；u
i,w
为第i个热线探针所在位置的风速；ρ为空气密度；
[0020]
设有热线探针的叶片扫过一周时，数据记录周期的数量n
t
＝60/(nt)，整个风轮扫掠面积内的风动能为：
[0021][0022]
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0023]
本发明公开的一种基于热线风速感测的风电机组风速测量系统，设置在叶片展向上的若干热线探针通过恒流电源提供恒定的工作电流，在风机运行时，通过测量各处热线探针的温度数据然后转化成风速数据，实现了风速的准确测量。本发明充分利用了热线敏感元件的几何尺寸小、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突出优点，相比传统的毕托管或风杯风速计等测速手段更具有准确性、精确性、实时性与连续性等优点。
[0024]
进一步地，热线探针设置在风机叶片的前缘中心线上，所测得的风速可以认为是叶片前缘的速度，数值更加准确。
[0025]
进一步地，热线金属丝通过叶片表面外部的叉杆进行固定，并通过连接杆作为连接导线，连接可靠。
[0026]
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并起到绝缘作用。
[0027]
更进一步地，叉杆与连接杆选用电阻率较小的铜或银，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。
[0028]
进一步地，相邻热线探针的环形扫掠面积相等，方便于计算并对比每个环形扫掠面积内的风能，减少因热线探针分布设计引起的误差。
[0029]
进一步地，恒流电源的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地，提高系
统的安全性和稳定性。
[0030]
进一步地，通讯模块采用无线通讯模块，减少布线，有效减少空间，数据传输高效。
[0031]
本发明公开的采用上述基于热线风速感测的风电机组风速测量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，具有良好的应用前景。
[0032]
进一步地，根据测得的风速值，可测量风速的空间与时间分布，并定量计算风机在任一运行期间流经风轮扫掠面内的风动能总量，结合对应运行期间内风机的发电量输出，可以对叶片的风能捕捉效率进行更为准确的评估，用以指导叶片设计或提质增效改造。
附图说明
[0033]
图1为本发明的布置于风机叶片前缘中心线处装置结构示意图；
[0034]
图2为本发明的单个热线探针的电路系统图；
[0035]
图3为本发明的热线探针的结构示意图；
[0036]
图4为本发明的n个热线探针的电路系统图。
[0037]
图中：1-叶根截面；2-叶尖截面；3-叶片表面；4-叶片前缘；5-前缘中心线；6-温度信号总接收器；7-通讯模块；8-电流分流调节处理器；9-恒流电源；10-热线探针；11-热线金属丝；12-叉杆；13-数据处理单元；14-数据接收与存储器；15-保护罩；16-连接杆；17-第1个热线探针；18-第i个热线探针；19-第n个热线探针；20-探针温度传感器。
具体实施方式
[0038]
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：
[0039]
如图1、2和4，本发明的基于热线风速感测的风电机组风速测量系统，包括温度信号总接收器6、通讯模块7、电流分流调节处理器8、恒流电源9、数据处理单元13、数据接收与存储器14和若干热线探针10。
[0040]
若干热线探针10设置在三叶片风电机组中任意一个叶片的展向上，优选方案为依次设置在叶片的叶根截面1至叶尖截面2的前缘中心线5上；热线探针10包括热线金属丝11和探针温度传感器20；热线金属丝11露出叶片表面，探针温度传感器20与热线金属丝11连接，探针温度传感器20与数据处理单元13连接，探针温度感应器20直接连接至数据处理单元13，用以数字化处理所测量的温度值并计算探针温度；热线金属丝11和数据处理单元13分别与电流分流调节处理器8连接，电流分流调节处理器8分别与温度信号总接收器6和恒流电源9连接，热线金属丝11工作电流由恒流电源9提供，恒流电源9安装于轮毂中，经电流分流调节处理器8分割成n个电流，用以加热n个对应的热线金属丝11，恒流电源9的接地端依次经风机叶片、轮毂、机舱和塔筒后接地；温度信号总接收器6通过通讯模块7与数据接收与存储器14连接，通讯模块7优选无线通讯模块。温度信号总接收器6收集了n个热线探针10的温度信号后，通过通讯模块7将这些信号传输至布置于风机机舱或是塔筒底部的数据接收与储存器14，该数据可以并入风电机组的scada数据系统或单独计算分析。
[0041]
如图3，热线探针10还包括连接杆16和两根固定在前缘中心线5上的叉杆12，叉杆12与连接杆16的材质优选铜或银；叉杆12垂直设置在前缘中心线5所在叶片表面的外部，且
两根叉杆12互相平行，热线金属丝11与两根叉杆12固定连接；一根叉杆12通过连接杆16与电流分流调节处理器8连接，另一根通过连接杆16接地。两根叉杆12外部包裹有保护罩15，保护罩15内填充有绝缘材料。
[0042]
采用上述基于热线风速感测的风电机组风速测量系统进行风速测量的方法，包括：
[0043]
电流分流调节处理器8将来自恒流电源9的恒定电流分别输出至每个热线探针10，热线金属丝11通电流后发热，数据处理单元13将探针温度传感器20测得的探针温度数据处理后发送至温度信号总接收器6，温度信号总接收器6将热线探针10的温度值经通讯模块7发送至数据接收与存储器14，后台数据分析系统根据数据接收与存储器14中的温度数据得到实际风速值。
[0044]
热线探针10的具体数量n，可结合叶片的具体长度及风场的风布置状况等确定。整套装置的第1个热线探针17布置于靠近叶根截面1的前缘中心线5上，第n个探针19靠近叶尖截面2的前缘中心线5上，余下的(n-2)个探针依次布置于第1个热线探针17与第n个热线探针19间的前缘中心线5上，原则是每2个相邻热线探针10的环形扫掠面积相同(见下式)。
[0045][0046]
其中，ri为第i个热线探针所在扫略圆的半径，1≤i≤n。每个热线探针10可参数上述的方式进行布置与安装，参考图1与图4。
[0047]
由于热线探针10远小于风机叶片的尺寸，n个热线探针10的布置对风机运行时的流场影响可以忽略，即可将热线探针10所测量的风速认为是风机的叶片前缘4前方的速度。该速度含有两个部分，第一部分是来流速度，由于偏航系统的作用，可认为风总是垂直于风轮扫掠面积；第二部分是热线探针10随叶片在扫掠面积内的旋转速度。这两个速度相互垂直，其合成的速度即为热线探针所测得的风速，如下所示。
[0048][0049]
其中，u
i,m
为第i个热线探针所在位置的测量风速；u
i,w
为第i个热线探针所在位置的风速；w为风轮的圆周速度，rad/s；r
i
为第i个热线探针18所在扫掠面积内的半径。
[0050]
得到了各个测点的风速值，可近似认为在温度信号记录的每一个周期t(时间间隔)内，各个热线探针10所经过圆环区域的风速保持一致。即在一个信号记录周期t内，布置有热线探针10的叶片扫过的圆环区域的风动能为：
[0051][0052]
其中，r
i
为第i个热线探针18所在扫掠面积内的半径，m；n为风轮的转速，圈/min；u
i,w
为第i个热线探针所在位置的风速，m/s；ρ为空气密度，kg/m
3
。
[0053]
当布置有热线探针10的叶片扫过一周，在此时间内，数据记录周期的数量n
t
＝60/(nt)。在硬件等能力允许前提下，应将记录频率设置得小一些，以提升数据的准确性。整个风轮扫掠面积内的风动能用下述公式计算，即认为扫掠面积内的风速分布在叶轮旋转一圈的时间内保持不变，在风机的长时间实际运行中，该处理方式得到了可靠验证。
[0054][0055]
在风电机组偏航系统正常运行的前提下，风速方向与风轮扫掠面垂直。通过n个热线探针10的数据记录与处理，可以定量得到风机运行期间流经风轮扫掠面内的风动能总量，结合该时间内风机的发电量，可更为准确地统计计算风机的总体风能捕捉效率cp；也可以提取不同风速时间段内的风速数据，结合机组发电量，用以评估风机叶片在不同风速范围内风能捕捉效率cp的变化规律。该方法可为风机选择最优运行状态提供数据支持，且对于风机叶片的优化设计与提质增效改造前期分析研究具有较大的指导价值。
[0056]
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。