阵风检测方法、阵风控制器和风力发电系统

摘要

提供一种阵风检测方法、阵风控制器和风力发电系统。所述阵风检测方法包括：确定风轮机受到的推力；确定风轮机的塔架在前后方向上的速度；确定风轮机的塔架在前后方向上的加速度；基于所述推力、所述速度和所述加速度来计算阵风强度；通过将计算出的阵风强度与预定阈值进行比较来检测阵风是否存在。

说明书

技术领域

本发明涉及风电技术领域，更具体地讲，涉及一种阵风检测方法、阵风控制器和风力发电系统。

背景技术

阵风的存在与否通常会影响风力发电系统的性能。因此，阵风的检测对风力发电系统非常重要。

现有的阵风检测方法通常使用激光雷达来测量风力涡轮机前面的风速，以在阵风撞击风力涡轮机之前检测其阵风。然而，激光雷达往往造价昂贵，使得检测阵风的成本大幅提升。

发明内容

本发明的示例性实施例在于提供一种阵风检测方法、阵风控制器和风力发电系统。

根据本发明的示例性实施例，提供一种阵风检测方法，所述阵风检测方法包括：确定风轮机受到的推力；确定风轮机的塔架在前后方向上的速度；确定风轮机的塔架在前后方向上的加速度；基于所述推力、所述速度和所述加速度来计算阵风强度；通过将计算出的阵风强度与预定阈值进行比较来检测阵风是否存在。

可选地，当计算出的阵风强度大于预定阈值时，检测到阵风存在；当计算出的阵风强度小于或等于预定阈值时，检测到阵风不存在。

可选地，预定阈值对应于风轮机的极限运行阵风。

可选地，基于所述推力、所述速度和所述加速度来计算阵风强度的步骤包括：将第一权重、第二权重、第三权重分别施加到所述推力、所述速度和所述加速度；对所述推力被施加第一权重的结果、所述速度被施加第二权重的结果和所述加速度被施加第三权重的结果进行第一求和得到阵风强度指数，并基于阵风强度指数来计算阵风强度。

可选地，基于阵风强度指数来计算阵风强度的步骤包括：将第四权重施加到风轮机受到的推力变化；对阵风强度指数和所述推力变化被施加第四权重的结果进行第二求和，并将通过第二求和得到的第二求和结果作为阵风强度。

可选地，在所述推力变化被施加第四权重之前，使用陷波滤波器对风轮机受到的推力变化进行滤波。

可选地，基于阵风强度指数来计算阵风强度的步骤包括：使用计数器基于阵风强度指数来进行计数；将计数器输出的计数值作为阵风强度。

可选地，阵风强度指数周期性或非周期性地被计算，基于阵风强度指数来进行计数的步骤包括：当在第二时刻的阵风强度指数与在第二时刻之前的第一时刻的阵风强度指数之差大于第一阈值时，将第一时刻的计数器的计数值增加第一值而作为第二时刻的计数器的计数值；当在第二时刻的阵风强度指数与在第一时刻的阵风强度指数之差小于第二阈值时，将第一时刻的计数器的计数值减小第二值而作为第二时刻的计数器的计数值，其中，响应于风轮机的叶片在预定长度的时段内处于高桨距角，计数器输出的计数值被初始化为初始值。

可选地，基于阵风强度指数来进行计数的步骤还包括：当在第二时刻的阵风强度指数与在第一时刻的阵风强度指数之差小于或等于第一阈值并且大于或等于第二阈值时，使用遗忘因子对第一时刻的计数器的计数值进行缩小而作为第二时刻的计数器的计数值，其中，遗忘因子是大于0并且小于等于1的值。

可选地，所述阵风检测方法还包括：使用低通滤波器对阵风强度指数进行低通滤波，其中，基于阵风强度指数来计算阵风强度的步骤包括：将低通滤波后的阵风强度指数作为阵风强度。

可选地，所述阵风检测方法还包括：对计数器输出的计数值进行抗饱和控制，其中，将计数器输出的计数值作为阵风强度的步骤包括：将进行抗饱和控制后的计数器输出的计数值作为阵风强度。

根据本发明的示例性实施例，一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现的如上所述的任意一项阵风检测方法。

根据本发明的示例性实施例，提供一种阵风控制器，所述阵风控制器包括：处理器；存储器，其中，存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现如上所述的任意一项阵风检测方法。

根据本发明的示例性实施例，提供一种风力发电系统，所述风力发电系统包括：如上所述的阵风控制器。

本发明的阵风检测方法可通过基于风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度来计算阵风强度，相比于使用价格昂贵的激光雷达来计算阵风强度，提供一种价格低廉同时保证阵风估计强度的计算准确度的阵风检测方案。

此外，本发明的阵风检测方法可通过考虑风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度对阵风的相同或不同的影响程度而施加相同或不同的权重来计算阵风强度，从而保证了计算阵风强度的准确性。

此外，本发明的阵风检测方法可使用陷波滤波器从与风轮机受到的推力变化对应的信号滤除3p频率的信号分量，从而消除了3p频率的信号分量对阵风强度的计算的干扰，并提高了计算阵风强度的准确性。

此外，本发明的阵风检测方法可通过计数器输的计数值的变化反映风轮机感受到的推力变化趋势，进而始终能够尽早且准确地检测阵风。此外，本发明的阵风检测方法可在没有计数值自增第一值和计数值自减第二值发生的情况下，随时间使用缩放因子将计数值缓慢减小，从而保证计数值一直稳定可控地指示阵风强度。

此外，本发明的阵风检测方法可通过对计数器输出的计数值进行抗饱和控制，能够减少在非阵风情况下的计数值减小对阵风检测造成的延迟，从而优化了阵风检测性能。

附图说明

通过下面结合示例性地示出一例的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明的示例性实施例的阵风检测方法的流程图；

图2示出根据本发明的示例性实施例的阵风控制器的框图。

具体实施方式

现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。

图1示出根据本发明的示例性实施例的阵风检测方法的流程图。

参照图1，在步骤S110中，确定风轮机受到的推力。

作为一个非限制性的示例，风轮机受到的推力可指示沿与叶片的平面垂直的方向的推力。然而，本发明不限于此，风轮机受到的推力的方向可被预先确定为其他方向的推力。此外，在本发明中，可周期性或非周期性地确定风轮机受到的推力。

这里，可通过各种现有的方法来确定风轮机受到的推力。例如，可通过传感器来确定风轮机受到的推力。又例如，可通过传感器和处理器的组合来确定风轮机受到的推力。

在步骤S120中，确定风轮机的塔架在前后方向上的速度，并且在步骤S130中，确定风轮机的塔架在前后方向上的加速度。

作为一个非限制性的示例，风轮机的塔架的前后方向可指示沿与叶片的平面垂直的方向。然而，本发明不限于此，风轮机的塔架的前后方向可被预先确定为和与叶片的平面垂直的方向成预定角度的其他方向。

在一个优选的实施例中，塔架的速度可指示塔架顶部的速度，塔架的加速度可指示塔架顶部的加速度。

这里，可通过各种现有的方法来确定风轮机的塔架在前后方向上的速度和加速度。例如，可通过传感器来确定风轮机的塔架在前后方向上的速度和加速度。又例如，可通过传感器和处理器的组合来确定风轮机的塔架在前后方向上的速度和加速度。再例如，可先确定风轮机的塔架在前后方向上的速度，然后根据确定的风轮机的塔架在前后方向上的速度来计算风轮机的塔架在前后方向上的加速度。

此外，在本发明中，可周期性或非周期性地执行步骤S110至步骤S130。例如，当在任一时刻确定了风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度时，则相应地计算该任一时刻的阵风强度。

在步骤S140中，基于推力、速度和加速度来计算阵风强度。

在本发明中，通过基于风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度来计算阵风强度，相比于使用价格昂贵的激光雷达来计算阵风强度，提供一种价格低廉同时保证阵风估计强度的计算准确度的阵风检测方案。

根据本发明的示例性实施例，可通过如下步骤来计算阵风强度：将第一权重、第二权重、第三权重分别施加到风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度；对风轮机受到的推力被施加第一权重的结果、风轮机的塔架在前后方向上的速度被施加第二权重的结果和风轮机的塔架在前后方向上的加速度被施加第三权重的结果进行第一求和得到阵风强度指数，并基于阵风强度指数来计算阵风强度。也就是说，在该示例性实施例中，通过考虑风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度对阵风的相同或不同的影响程度而施加相同或不同的权重来计算阵风强度，从而保证了计算阵风强度的准确性。

这里，第一权重、第二权重和第三权重可以是预先确定的权重。例如，第一权重、第二权重和第三权重可通过仿真和/或实验来得到。此外，第一权重、第二权重和第三权重可彼此相同或不同。可选地，第一权重、第二权重和第三权重可被执行归一化处理。

在本发明的一个优选的实施例中，基于阵风强度指数来计算阵风强度的步骤可包括：将第四权重施加到风轮机受到的推力变化；对阵风强度指数和风轮机受到的推力变化被施加第四权重的结果进行第二求和，并将通过第二求和得到的第二求和结果作为阵风强度。

根据该优选的实施例，由于进一步考虑到了风轮机受到的推力变化对阵风强度的影响而使用了施加了第四权重的风轮机受到的推力变化计算阵风强度，因此，进一步提高了计算阵风强度的准确性。

这里，与第一权重、第二权重和第三权重类似，第四权重也可以是预先确定的权重。例如，第四权重可通过仿真和/或实验来得到。此外，第四权重可与第一权重、第二权重和第三权重相同或不同。可选地，第四权重可被执行归一化处理。

此外，可选地，在风轮机受到的推力变化被施加第四权重之前，可使用陷波滤波器对风轮机受到的推力变化进行滤波。这里，陷波滤波器可从与风轮机受到的推力变化对应的信号滤除3p频率的信号分量，从而消除了3p频率的信号分量对阵风强度的计算的干扰，并提高了计算阵风强度的准确性，其中，3p频率是转子的旋转频率的3倍频率。

根据本发明的另一实施例，阵风检测方法还可包括：使用低通滤波器对阵风强度指数进行低通滤波。此时，可将低通滤波后的阵风强度指数作为阵风强度。

根据本发明的又一优选的实施例，基于阵风强度指数来计算阵风强度的步骤可包括：使用计数器基于阵风强度指数来进行计数，并将计数器输出的计数值作为阵风强度。

具体地讲，当在第二时刻的阵风强度指数与在第二时刻之前的第一时刻的阵风强度指数之差大于第一阈值时，将第一时刻的计数器的计数值增加第一值而作为第二时刻的计数器的计数值。也就是说，如果当前时刻的阵风强度指数比前一时刻的阵风强度指数大第一阈值，即，阵风存在增加的趋势，则当前时刻的计数器的计数值可等于前一时刻的阵风强度指数与第一值求和的结果，即，此时计数器的计数值自增第一值。应注意，这里的第一时刻和第二时刻表示相对的时刻，而非绝对的时刻。即，第二时刻与第一时刻之间的时刻差可对应于任何长度的时段。

这里，第一阈值和第一值可分别具有预先确定的值。例如，第一阈值和第一值可通过仿真和/或实验来得到。作为示例，第一阈值是大于0的数，第一值是大于0的数。

此外，当在第二时刻的阵风强度指数与在第一时刻的阵风强度指数之差小于第二阈值时，将第一时刻的计数器的计数值减小第二值而作为第二时刻的计数器的计数值。也就是说，如果当前时刻的阵风强度指数比前一时刻的阵风强度指数小第二阈值，即，阵风存在减小的趋势时，则当前时刻的计数器的计数值可等于前一时刻的阵风强度指数与第一值求和的结果，即，此时计数器的计数值自减第二值。

这里，第二阈值和第二值可分别具有预先确定的值。例如，第二阈值和第二值可通过仿真和/或实验来得到。作为示例，第二阈值是小于0的数，第二值是大于0的数。

另外，响应于风轮机的叶片在预定长度的时段内处于预定桨距角(例如，作为非限制的示例，桨距角大于20度)，计数器输出的计数值被初始化为初始值。这里，风轮机的叶片在预定长度的时段内处于预定桨距角可对应于阵风不存在或者阵风非常小(例如，阵风强度低于预定阈值)的情况。换言之，当阵风不存在或者阵风非常小(例如，阵风强度低于预定阈值)时，计数器输出的计数值会保持在初始值。这样，计数器输出的计数值始终能正确地反映阵风的总趋势，因此，阵风强度可始终被准确地计算。作为一个非限制性的示例，初始值可以为0。然而本发明不对初始值的大小进行限制，初始值可以是任意其他预先确定的值。此外，虽然在上面示出了预定桨距角指示桨距角大于20度的示例性示例，然而本发明不限于此，本发明的预定桨距角也可根据设计的需要而指示桨距角大于其他特定角度的示例。

可选地，当在第二时刻的阵风强度指数与在第一时刻的阵风强度指数之差小于或等于第一阈值并且大于或等于第二阈值时，使用遗忘因子对第一时刻的计数器的计数值进行缩小而作为第二时刻的计数器的计数值，其中，遗忘因子是大于0并且小于等于1的值。

作为非限制性的时刻，如果在当前时刻的阵风强度指数与在前一时刻的阵风强度指数之差小于或等于第一阈值并且大于或等于第二阈值，则当前时刻的计数器的计数值等于前一时刻的计数器的计数值与遗忘因子的乘积。

通过如上所述地使用遗忘因子，可在没有计数值自增第一值和计数值自减第二值发生的情况下，随时间将计数值缓慢减小，从而保证计数值一直稳定可控地指示阵风强度。

优选地，所述阵风检测方法还包括对计数器输出的计数值进行抗饱和控制。此外，进行抗饱和控制后的计数器输出的计数值被作为阵风强度。抗饱和控制是控制领域常用的控制方法，因此，这里，不对抗饱和控制进行具体阐述。通过对计数器输出的计数值进行抗饱和控制，能够减少在非阵风情况下的计数值减小对阵风检测造成的延迟，从而优化了阵风检测性能。

虽然上面示出了各种示例性实施例来基于推力、速度和加速度来计算阵风强度，但本发明不限于此，任何其他基于推力、速度和加速度来计算阵风强度的方法也是可行的。

在步骤S150中，通过将计算出的阵风强度与预定阈值进行比较来检测阵风是否存在。

这里，当计算出的阵风强度大于预定阈值时，检测到阵风存在。当计算出的阵风强度小于或等于预定阈值时，检测到阵风不存在。

根据本发明的示例实施例，预定阈值可对应于风轮机的极限运行阵风(EOG)。这里，预定阈值可以是预先确定的阈值。例如，预定阈值可通过仿真和/或实验来得到。

图2示出根据本发明的示例性实施例的阵风控制器的框图。

参照图2，根据本发明的示例性实施例的阵风控制器200可包括处理器210和存储器220。这里，存储器220存储有计算机程序，其中，该计算机程序在被处理器220执行时实现参照图1描述的任意阵风检测方法。为了简明，这里不再重复描述由处理器220执行的参照图1描述的任意阵风检测方法。

此外，根据本发明示例性实施例的方法可以被实现为计算机可读记录介质中的计算机程序。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现所述计算机程序。当所述计算机程序在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。

此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的设备中的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个单元所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现各个单元。

另外，根据本发明的一个示例实施例，本发明还提供一种包括图2中的阵风控制器的风力发电系统。例如，风力发电系统可根据阵风控制器的阵风检测结果来执行或执行预定操作(例如，使用俯仰踢、激活塔式减震器等)，以使风力发电系统即使在存在阵风的情况下也以良好的性能运行。

本发明的阵风检测方法可通过基于风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度来计算阵风强度，相比于使用价格昂贵的激光雷达来计算阵风强度，提供一种价格低廉同时保证阵风估计强度的计算准确度的阵风检测方案。

此外，本发明的阵风检测方法可通过考虑风轮机受到的推力、风轮机的塔架在前后方向上的速度和风轮机的塔架在前后方向上的加速度对阵风的相同或不同的影响程度而施加相同或不同的权重来计算阵风强度，从而保证了计算阵风强度的准确性。

此外，本发明的阵风检测方法可使用陷波滤波器从与风轮机受到的推力变化对应的信号滤除3p频率的信号分量，从而消除了3p频率的信号分量对阵风强度的计算的干扰，并提高了计算阵风强度的准确性。

此外，本发明的阵风检测方法可通过使用计数器输出的计数值来始终能正确地反映阵风的总趋势，因此，阵风强度可始终被准确地计算。

此外，本发明的阵风检测方法可在没有计数值自增第一值和计数值自减第二值发生的情况下，随时间使用缩放因子将计数值缓慢减小，从而保证计数值一直稳定可控地指示阵风强度。

此外，本发明的阵风检测方法可通过对计数器输出的计数值进行抗饱和控制，能够减少在非阵风情况下的计数值减小对阵风检测造成的延迟，从而优化了阵风检测性能。

虽然本公开包括特定的示例，但是对于本领域普通技术人员来说将清楚，在不脱离权利要求和它们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中进行形式和细节上的各种改变。在此描述的示例应仅被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。每个示例中的特征或方面的描述应被认为可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果描述的技术以不同的顺序被执行，和/或如果描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合，和/或由其他组件或它们的等同物替换或补充，则可实现合适的结果。因此，公开的范围不是由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同物限定，并且在权利要求及它们的等同物的范围内的所有变化应被解释为包括在公开中。