[发明专利]确定装备LIDAR传感器的风力涡轮机上游的风速垂直廓线的方法

说明书

本发明涉及一种确定风力涡轮机(1)上游的风速的垂直廓线的方法，其中风速测量通过LiDAR传感器(2)来执行，然后幂律的指数α通过无迹卡尔曼滤波器和测量来确定，并且该指数α被应用于幂律以确定垂直风速廓线。

技术领域

本发明涉及可再生能源领域，尤其涉及借助风力预测、涡轮控制(定向、扭矩和速度调节)和/或诊断和/或监控目标来测量风力涡轮机的资源(即风)。

风力涡轮机允许来自风的动能被转换成电能或机械能。为了将风能转换为电能，该风力涡轮机是由以下元件组成的：

-塔架，其允许将转子置于足够的高度以使其能够运动(水平轴风力涡轮机所必需的)和/或将该转子置于使其能够由比地面水平处更强且更规则的风来驱动的高度。塔架通常容纳部分的电气和电子组件(调制器、控制装置、倍增器、发电机等)

-安装在塔架顶部的机舱，其容纳机械、气动以及操作机器所必需的一些电气和电子组件。机舱可以旋转，以使机器定向在正确的方向上，

-固定在机舱上的转子，该转子包括风力涡轮机的若干叶片(通常是三个)以及轮轴。该转子由风力驱动，并且通过机械轴杆直接或间接(经由齿轮箱和机械轴杆系统)连接到电机(发电机)，该电机将经回收的能量转换为电能。该转子潜在地装备有控制系统，诸如可变角度叶片控制系统或气动制动器控制系统，

-变速箱，其由通过变速箱(齿轮箱)连接的两个轴杆(转子的机械轴杆和电机的机械轴杆)组成。

自1990年代初以来，人们对风力重新产生了兴趣，特别是在年增长率约为20％的欧盟。这种增长归因于无碳排放发电的内在可能性。为了维持这种增长，仍然必须进一步提高风力涡轮机的能量产量。风力发电产量增长的前景要求开发有效的生产工具和先进的控制工具，以提高机器的性能。风力涡轮机旨在以尽可能最低的成本发电。因此，通常将它们构造成在大约15m/s的风速下达到其最大性能。不必设计在更高风速下最大化其产量的风力涡轮机，这是不常见的。在风速高于15m/s的情况下，有必要损失风中包含的部分额外能量，以免损坏风力涡轮机。因此，所有风力涡轮机均设计有功率调节系统。

对于这种功率调节，已为可变速风力发电机设计了控制器。控制器的目的是使回收的电力最大化，使转子速度波动最小化，并使结构(叶片、塔架和平台)的疲劳和极限力矩最小化。

背景技术

为了优化控制，知晓风力涡轮机的转子处的风速是重要的。为此已经开发出各种技术。

根据第一技术，使用风速计可以估算某一点的风速，但是这种不精确的技术无法测量整个风场，也无法知道风速的三维分量或垂直风速廓线。

根据第二技术，可使用LiDAR(光检测和测距)传感器。LiDAR是一种基于对返回到发射器的光束特性的分析的遥感或光学测量技术。该方法尤其用于通过脉冲激光确定到物体的距离。与基于类似原理的雷达不同，LiDAR传感器使用可见光或红外光，而不是无线电波。到物体或表面的距离是通过测量脉冲与检测反射信号之间的延迟来给出的。

在风力涡轮机领域，LiDAR传感器被宣布为是大型风力涡轮机正常运行所必不可少的，尤其是在其尺寸和功率不断增加的今天(近海风力涡轮机如今为5MW，不久将达到12MW)。该传感器可以进行远程风速测量，首先允许对风力涡轮机进行校准，以使其能够提供最大功率(功率曲线优化)。对于此校准阶段，传感器可以放置在地面上并垂直定向(剖析器)，从而允许取决于海拔来测量风速和风向以及风速梯度。该应用是特别关键的，因为它允许知晓产生能量的资源。这对于风力涡轮机项目是重要的，因为这决定了该项目的财务可行性。然而，该方法可能看似很昂贵，因为除了需要在风力涡轮机上提供用于以下描述的应用的LiDAR传感器外，它还需要将LiDAR传感器固定布置在地面或海洋上并垂直定向。