风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法制造方法及图纸

风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法，该装置包括轮毂前缘测风组、机舱尾部测风组和控制系统；轮毂前缘测风组和机舱尾部测风组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；本发明专利技术还公开了该装置的测量方法；该装置无机械部件使用寿命高，数据采样率高，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。

Wind turbine engine room integrated type wind speed and wind direction measuring device and method

A wind turbine nacelle integrated wind speed measuring device and a method thereof, the device comprises a front wheel, rear cabin wind wind group group and control system; the front and rear cabin wind wheel group were used to measure the wind from the wind turbine before half plane and half plane of the wind velocity magnitude and direction; the invention also discloses the measurement method of the device; the device has no mechanical parts with a long service life, high sampling rate data, real-time acquisition of atmospheric temperature and pressure correction of air density, to determine whether the equipment errors or errors by self.

【技术实现步骤摘要】
风力机机舱集成式风速风向测量装置及方法
本专利技术属于风力发电
，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。
技术介绍
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
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。以上压电材料测风专利技术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，上述压电材料测风专利技术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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术有益的效果是：本专利技术与已有的技术相比，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是本专利技术风力机机舱集成式风速风向测量装置的整体布置图。图2是本专利技术轮毂前缘测风组和机舱尾部测风组的装置示意图。图3a是本专利技术速度分量测量基板的俯视示意图。图3b是本专利技术速度分量测量基板的侧视示意图。图4a是本专利技术大气压力和温度测量基板的俯视示意图。图4b是本专利技术大气压力和温度测量基板的侧视示意图。图5是本专利技术控制系统的结构框图。具体实施方式为详细说明本专利技术的
技术实现思路
、构造特征、所达到目的及功效，下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步说明。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，不应视为对本专利技术技术方案的限制。实施例1：如图1所示为本专利技术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。在风力发电机机舱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力机机舱集成式风速风向测量装置，其特征在于：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；每块速度分量测量基板(3)，包括：n块并联的压电陶瓷片(31)，n为偶数；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。...

【技术特征摘要】
1.一种风力机机舱集成式风速风向测量装置，其特征在于：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；每块速度分量测量基板(3)，包括：n块并联的压电陶瓷片(31)，n为偶数；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。2.根据权利要求1所述的一种风力机机舱集成式风速风向测量装置，其特征在于：所述处理器(73)为集成电路通用处理器或专用处理器，或PC机所使用的通用处理器、微处理器或数字信号处理器。3.根据权利要求1所述的一种风力机机舱集成式风速风向测量装置，其特征在于：所述速度分量测量基板(3)和大气压力和温度测量基板(4)各自由两块或四块压电陶瓷片并联组成。4.权利要求1所述风力机机舱集成式风速风向测量装置的测量方法，其特征在于：每个速度分量测量基板(3)的信号测量和校验方法如下：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鑫，闫姝，张波，史绍平，陈新明，秦晔，穆延非，
申请(专利权)人：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，华能集团技术创新中心，
类型：发明
国别省市：北京,11