用于确定风力涡轮的偏航航向的方法和系统技术方案

提供了一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ

【技术实现步骤摘要】
用于确定风力涡轮的偏航航向的方法和系统


[0001]本主题大体上涉及风力涡轮，并且更特别地涉及用于准确地确定风力涡轮毂的偏航航向(yaw heading)的方法和系统。

技术介绍

[0002]风电被认为是目前可用的最清洁、最环境友好的能量源之一，并且风力涡轮在这方面已得到了越来越多的关注。现代风力涡轮典型地包括塔架、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型件原理从风捕获动能，并且通过旋转能来传递动能以转动轴，该轴将转子叶片联接到齿轮箱，或者如果不使用齿轮箱，则直接联接到发电机。发电机然后将机械能转换成电能，该电能可被部署到公用电网。
[0003]偏航航向是针对风力涡轮的关键操作参数，并且是对于参考盛行风向、解决在纵向或横向方向上的加载条件以及对于电缆的卷绕跟踪(wind
‑
up tracking)所必需的。
[0004]全球导航卫星系统(GNSS)感测方法是已知的并且被实践用于使用带有方位跟踪天线的两个GNSS漫游器传感器提供偏航航向。通过每个传感器的独立跟踪能力，每个传感器之间的航向矢量能够被确定并与偏航航向相关联。
[0005]用于偏航跟踪的其它传统方法包括使用偏航驱动马达上的编码器和磁强计传感器。
[0006]传统的偏航确定方法要么缺乏准确性和精度(编码器和磁强计传感器)，要么要求使用增加系统成本和复杂性的额外传感器(两个GNSS漫游器传感器)。
[0007]此外，由于毂尺寸和高度随着风力涡轮的尺寸和容量而持续增加，支撑毂的钢塔架成为越来越重要的部件。诸如塔架基部的沉降(settling)、凸缘部件的松弛、塔架部段的移位或结构负载、操作加载、环境加载和其它变量的条件都会影响塔架的完整性和寿命。随着时间的推移，监测和跟踪塔架上的反作用负载对于管理/控制操作参数和维护实践以确保塔架的完整性和寿命是重要的。此外，监测和跟踪塔架的偏转对于机械负载和功率捕获的操作控制是有用的工具。
[0008]在无负载或空载状态期间塔架的顶部起到中立枢轴点的作用，所述枢轴点是机舱(包括机头和转子)围绕其旋转的塔架顶部的无偏转方位。随着时间的推移，上面提到的影响塔架的负载和其它条件可能导致该枢轴点以前后、左右或扭转的方式偏转。枢轴点中的长时间变化(其可能是永久偏转)是塔架结构和/或基础随时间变化的指示。枢轴点中的短时间变化是来自转子和/或传动系负载的塔架的振荡运动的指示。
[0009]将期望的是，准确地建立针对塔架顶部枢轴点的已知的地理参考方位并跟踪该方位随时间的变化。该信息对于监测钢结构和塔架基础的完整性以及控制和管理可能生成摇摆并降低塔架和其它风力涡轮部件的寿命的结构和操作负载将是有用的。建模方法可利用塔架顶部枢轴点的偏转而被应用于确定塔架顶部的前/后和左右偏转以及相关联的反作用负载。
[0010]本专利技术解决了常规系统的某些缺点，并提供了一种用于通过确定塔架顶部的虚拟
中心(塔架顶部枢轴点)和通过利用单个GNSS传感器来确定偏航航向的高度准确的方法和系统，该方法和系统比传统的双传感器GNSS系统更不复杂。

技术实现思路

[0011]本专利技术的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本专利技术的实践获知。
[0012]根据本专利技术的方面，提供了一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ
航向
)的方法，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括位于塔架的顶部处的机头和转子。该方法包括在相对于机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器，以便与机舱一起移动/旋转(“偏航”)。确定风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)以及漫游器接收器相对于机舱的中心线轴线的角偏移(β
漫游器
)。基于TPP的GNSS地理位置和漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于TPP和漫游器接收器之间的线以北的角矢量()。该方法根据角矢量()和漫游器接收器的角偏移(β
漫游器
)之间的差值计算偏航航向(θ
航向
)。
[0013]术语“地理位置”在本文中用来包括固定地理网格上的坐标，诸如全球网格的纬度和经度坐标。
[0014]在特定实施例中，通过进行机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在偏航扫描期间由漫游器接收器接收的地理位置信号来确定TPP的GNSS地理位置。经由控制器，地理位置信号被转换成圆廓图(circular plot)并确定圆廓图的半径(r)，该半径(r)是漫游器接收器和TPP之间的距离。基于漫游器接收器的GNSS地理位置和半径(r)，控制器确定TPP的GNSS地理位置。
[0015]漫游器接收器可位于机舱上或附接到机舱的构件上的任何期望方位处。例如，漫游器可位于机舱的顶部和后端处的臂上，该臂在距机舱的中心线轴线的预定固定距离(x)处延伸。基于TPP沿着中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)计算TPP沿着中心线轴线的GNSS地理位置。然后，可基于β
漫游器
= sin
−
1 (x
⁄
r)的关系来确定漫游器接收器的角偏移(β
漫游器
)，并且基于以下关系来确定偏航航向(θ
航向
)：θ
航向 = (角矢量())
ꢀ‑ꢀ
(β
漫游器
)。
[0016]在实施例中，漫游器接收器与向漫游器接收器发送校正数据的固定基站接收器通信，其中，基于直接供应到漫游器的固定基站的绝对全球纬度和经度方位来确定漫游器相对于基站的GNSS地理位置。
[0017]偏航扫描可包括多次360度偏航扫描，该多次360度偏航扫描具有在正方向上的至少一次偏航扫描和在相反的负方向上的至少一次偏航扫描。这些偏航扫描可在低风速期间进行，以便使在偏航扫描期间可导致塔架的偏转的瞬时风负载最小化。
[0018]各种环境和结构加载因素可诱发塔架的暂时或永久变形，并且该方法在确定偏航扫描的半径(和因此TPP的地理位置)时可能需要考虑这些变形。例如，可应用塔架变形校正因子来校正由转子和机舱相对于塔架的竖直轴线的重量悬伸引起的塔架变形。可应用另一个塔架变形校正因子来校正由塔架的曝光侧和背阴侧之间的温差引起的热塔架变形。还可应用又一个塔架变形校正因子来校正由施加在塔架或机舱上的瞬时负载(诸如风负载)导致的塔架变形。可应用考虑重量悬伸变形、热变形和负载变形的总塔架变形校正因子。
[0019]该方法还可包括在固定时间段内多次确定TPP的地理位置以及确定在该时间段内
TPP的总轨迹或位移矢量。总轨迹或位移矢量可用于以下一者或多者：塔架完整性的确定、塔架寿命预测、负载管理、塔架维护或为了减少塔架变形而在操作和维护程序方面的改变。
[0020]本专利技术还涵盖一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ
航向
)的系统，该风力涡轮具有塔架和机舱，该机舱包括在塔架的顶部处的机头和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定风力涡轮的偏航航向(θ
航向
)的方法，所述风力涡轮具有塔架和机舱，所述机舱包括在所述塔架的顶部处的机头和转子，所述方法包括：在相对于所述机舱的固定方位处配置全球导航卫星系统(GNSS)的单个漫游器接收器；确定所述风力涡轮的塔架顶部枢轴点(TPP)的GNSS地理位置(“地理位置”)；确定所述漫游器接收器相对于所述机舱的中心线轴线的角偏移(β
漫游器
)；基于所述TPP的GNSS地理位置和所述漫游器接收器的GNSS地理位置，确定相对于所述TPP和所述漫游器接收器之间的线以北的角矢量()；和根据所述角矢量()和所述漫游器接收器的角偏移(β
漫游器
)之间的差值计算所述偏航航向(θ
航向
)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述TPP的GNSS地理位置通过以下确定：进行所述机舱的一次或多次部分或完整360度偏航扫描并记录在所述偏航扫描期间由所述漫游器接收器接收的地理位置信号；经由控制器，将所述地理位置信号转换成圆廓图并确定所述圆廓图的半径(r)，所述半径(r)是所述漫游器接收器和所述TPP之间的距离；和基于所述漫游器接收器的GNSS地理位置和所述半径(r)，经由所述控制器确定所述TPP的GNSS地理位置。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述漫游器接收器位于所述机舱的顶部和后端处距所述机舱的所述中心线轴线预定固定距离(x)，其中，所述TPP沿着所述中心线轴线的GNSS地理位置基于所述TPP沿着所述中心线轴线的半径(r)、距离(x)和确定的距离(y)来计算。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：B，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：