[發明專利]確定裝備LIDAR傳感器的風力渦輪機上游的風速垂直廓線的方法

在審

• 申請號: 202010559123.4
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN112114332A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: H-N·恩古延;F·吉耶曼
• 申請（專利權）人: IFP新能源公司
• 主分類號: G01S17/95
• 分類號: G01S17/95;G01S7/48;F03D7/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 錢盛赟;陳斌

本發明涉及一種確定風力渦輪機(1)上游的風速的垂直廓線的方法，其中風速測量通過LiDAR傳感器(2)來執行，然后冪律的指數α通過無跡卡爾曼濾波器和測量來確定，并且該指數α被應用于冪律以確定垂直風速廓線。

技術領域

本發明涉及可再生能源領域，尤其涉及借助風力預測、渦輪控制(定向、扭矩和速度調節)和/或診斷和/或監控目標來測量風力渦輪機的資源(即風)。

風力渦輪機允許來自風的動能被轉換成電能或機械能。為了將風能轉換為電能，該風力渦輪機是由以下元件組成的：

-塔架，其允許將轉子置于足夠的高度以使其能夠運動(水平軸風力渦輪機所必需的)和/或將該轉子置于使其能夠由比地面水平處更強且更規則的風來驅動的高度。塔架通常容納部分的電氣和電子組件(調制器、控制裝置、倍增器、發電機等)

-安裝在塔架頂部的機艙，其容納機械、氣動以及操作機器所必需的一些電氣和電子組件。機艙可以旋轉，以使機器定向在正確的方向上，

-固定在機艙上的轉子，該轉子包括風力渦輪機的若干葉片(通常是三個)以及輪軸。該轉子由風力驅動，并且通過機械軸桿直接或間接(經由齒輪箱和機械軸桿系統)連接到電機(發電機)，該電機將經回收的能量轉換為電能。該轉子潛在地裝備有控制系統，諸如可變角度葉片控制系統或氣動制動器控制系統，

-變速箱，其由通過變速箱(齒輪箱)連接的兩個軸桿(轉子的機械軸桿和電機的機械軸桿)組成。

自1990年代初以來，人們對風力重新產生了興趣，特別是在年增長率約為20％的歐盟。這種增長歸因于無碳排放發電的內在可能性。為了維持這種增長，仍然必須進一步提高風力渦輪機的能量產量。風力發電產量增長的前景要求開發有效的生產工具和先進的控制工具，以提高機器的性能。風力渦輪機旨在以盡可能最低的成本發電。因此，通常將它們構造成在大約15m/s的風速下達到其最大性能。不必設計在更高風速下最大化其產量的風力渦輪機，這是不常見的。在風速高于15m/s的情況下，有必要損失風中包含的部分額外能量，以免損壞風力渦輪機。因此，所有風力渦輪機均設計有功率調節系統。

對于這種功率調節，已為可變速風力發電機設計了控制器。控制器的目的是使回收的電力最大化，使轉子速度波動最小化，并使結構(葉片、塔架和平臺)的疲勞和極限力矩最小化。

背景技術

為了優化控制，知曉風力渦輪機的轉子處的風速是重要的。為此已經開發出各種技術。

根據第一技術，使用風速計可以估算某一點的風速，但是這種不精確的技術無法測量整個風場，也無法知道風速的三維分量或垂直風速廓線。

根據第二技術，可使用LiDAR(光檢測和測距)傳感器。LiDAR是一種基于對返回到發射器的光束特性的分析的遙感或光學測量技術。該方法尤其用于通過脈沖激光確定到物體的距離。與基于類似原理的雷達不同，LiDAR傳感器使用可見光或紅外光，而不是無線電波。到物體或表面的距離是通過測量脈沖與檢測反射信號之間的延遲來給出的。

在風力渦輪機領域，LiDAR傳感器被宣布為是大型風力渦輪機正常運行所必不可少的，尤其是在其尺寸和功率不斷增加的今天(近海風力渦輪機如今為5MW，不久將達到12MW)。該傳感器可以進行遠程風速測量，首先允許對風力渦輪機進行校準，以使其能夠提供最大功率(功率曲線優化)。對于此校準階段，傳感器可以放置在地面上并垂直定向(剖析器)，從而允許取決于海拔來測量風速和風向以及風速梯度。該應用是特別關鍵的，因為它允許知曉產生能量的資源。這對于風力渦輪機項目是重要的，因為這決定了該項目的財務可行性。然而，該方法可能看似很昂貴，因為除了需要在風力渦輪機上提供用于以下描述的應用的LiDAR傳感器外，它還需要將LiDAR傳感器固定布置在地面或海洋上并垂直定向。