[发明专利]风力机风轮前风速超声测量系统

说明书

本发明涉及一种风力机风轮前风速超声测量系统，包括安装于轮毂罩内的至少一个数据采集模块，以及安装于机舱内的数据采集处理机；数据采集模块由空速传感器及陀螺仪构成，陀螺仪集成于空速传感器底座之上；数据采集处理机集成有温湿度传感器、气压传感器、数据采集卡、数据处理和分析模块；数据采集卡通过数据线与空速传感器、陀螺仪、温湿度传感器、气压传感器连接，用于将采集的数据传输至数据处理和分析模块进行数据处理及分析；数据处理和分析模块包括工况声速标定模块、参数校正模块、状态监测模块、在线测量模块。本发明能够准确的测量风力机风轮前来流风速和风向的值，提升风力机的发电效率，降低风轮后风速测量带来的测量不确定性问题。

技术领域

本发明属于风力发电领域，尤其涉及一种风力机风轮前风速超声测量系统。

背景技术

随着风力发电技术的快速发展，如何通过风力机实现最大效率地将风能转化电能已成为风力发电技术研究的重要内容。由于来流风速的随机性，以及风力机扫风面积巨大，目前行业内通常采用风轮前轮毂中心处的来流风速作为控制系统的参考风速。此外，风力机风轮前轮毂中心处风速值和来流角度是绘制功率曲线，评价风力机载荷水平的重要指标。因此，来流速度检测的准确度是影响风力发电机控制系统效果和风力机发电效率的重要因素。

现有风力机风轮前轮毂中心处风速测量技术中最常用的测量方法是在风力机机舱顶部加装机械式风速风向仪，然后通过在一定条件下标定的传递函数来推算出所测来流的速度值和方向。但因为机械式测风装置的安装位置随来流速度和角度的变化，来流经过叶轮和机舱产生的湍流都将对上述装置的测量结果产生影响。于是主机厂家在某型号风力机上市前通常会采用标定传递函数的方式建立机舱顶部加装的测风设备与风轮前轮毂中心处风速、风向的函数关系。根据国家标准GB/T 18451.2-2012《风电机组功率特性测试》给出的测试方法，这种标定方法由于需要在风电机组上风向距离风电机组2.5倍风轮直径处安装与风电机组轮毂中心高度同高的测风塔，并在测风塔顶部安装杯式风速计，运用该杯式风速计测量得到的风速来等效表征轮毂中心高度的风速。而实际工况无法做到同标定环境完全相同，弱化了传递函数的参考价值和测量结果的精度，而高精度的激光测风设备(LiDAR)其租赁和购买成本较高，批量应用会使业主的运营成本骤增，无法在风电场范围内大规模应用。

发明专利CN 105587474 A发明了一种风电机组风轮前风速的测试方法和装置，但是因为实际运营风电场地形和地表粗糙度种类多样，与该专利中方法实施的环境不尽相同，因此通过此方法标定得到的轮毂中心高度的风速具有一定的局限性。此外，实用新型专利CN 201497751 U发明了一种风电机组运行时的风速测量装置，同发明专利CN 105587474A一样，这两项发明关注的是风轮前风轮扫风范围内风速的估计，其输出结果不能直接用于功率曲线的比较。

实用新型专利CN 206573605 U给出了一种测量风轮前风速的测量方案，通过超声波风速测量仪测量风速，并利用无线装置发送测量结果给机舱顶部接受装置进行数据分析，该方案具有风轮前风速测量结果准确、精确度高的优点，有效解决了旋转基座下无法测量叶片前风速的问题。但该方案需安装于风电机组叶片处，改变了叶片的翼型结构，导致主控系统参数与叶片翼型参数不匹配，降低了风电机组的运行效率，并且叶片位置也不易于安装与维护。

专利US7347668 B2/CN101389967 B公开了一种测量风力机风速和风向的测量方法。该专利介绍了如何利用安装在轮毂罩上的压力计等设备测量风轮前风速。但该方法要求设备安装精度高，需要能够准确测量安装传感器的各安装角度β等参数，并需确保多传感器β等参数完全一致，且传感器指向轮毂罩定点等多个苛刻条件需要得到满足。当上述安装条件无法满足时则需修正安装位置重新安装，并且也很难保证再次安装精度的一致性。此外，在应用于风电场时，由于不同风机的安装精度及安装位置存在差异，不同风机需要逐台设置不同的校正参数，这为风力机风轮前风速的测量带来较大不确定性。其次，由于该方案在设计中未考虑在风力机20年寿命周期内，专利方案应具备的设备自校正或者设备健康度自检功能，这也必将导致随着设备的运行，专利方法测量结果可信度降低。