本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

風(fēng)向風(fēng)速的準(zhǔn)確測量是風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。由于風(fēng)能具有很高的不確定性，因此，要想很好地控制風(fēng)力機(jī)發(fā)電，使之跟隨風(fēng)速的變化而獲取最大發(fā)電功率并降低成本，就必須準(zhǔn)確及時(shí)地測出風(fēng)速風(fēng)向，并對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

風(fēng)杯風(fēng)速儀是風(fēng)力機(jī)上最常用的測風(fēng)儀器，通過轉(zhuǎn)速大小記錄風(fēng)速。但風(fēng)杯風(fēng)速儀必須配合風(fēng)向標(biāo)組合使用，才能完成風(fēng)向測量。由于風(fēng)杯風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)均為機(jī)械組件，響應(yīng)速度慢(最大1hz)、精度低、容易磨損。該方式最大的缺點(diǎn)在于測風(fēng)裝置只能安裝在風(fēng)力機(jī)機(jī)艙尾部，實(shí)際測到的來流風(fēng)已經(jīng)是被風(fēng)輪改變后的風(fēng)速。因此，需要大量的數(shù)據(jù)修正算法來校準(zhǔn)風(fēng)杯和風(fēng)向標(biāo)的結(jié)果。目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域關(guān)于機(jī)艙上風(fēng)速風(fēng)向裝置的專利主要均是集中于提出數(shù)據(jù)修正方法或結(jié)構(gòu)上加以優(yōu)化，例如專利公開號cn105354763a，cn103185806a，cn101852172a，cn101727538a，cn201497751u，cn203892125u，cn106246465a。超聲波測風(fēng)儀和激光雷達(dá)測風(fēng)儀精度高，響應(yīng)快(1～10hz)，但是抗干擾性較差(大霧或雨雪)，數(shù)據(jù)有效率一般只有80％-90％的水平，價(jià)格昂貴是風(fēng)杯式裝置的數(shù)十倍以上，例如專利公開號cn102269679a，cn202075304u，cn202133677u等。

目前，壓電材料開始應(yīng)用于測風(fēng)領(lǐng)域，壓電材料測風(fēng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于精度高，響應(yīng)快，原理本身無機(jī)械磨損部件。壓電測風(fēng)裝置能夠精確測量風(fēng)速大小，但不能直接檢測風(fēng)向。專利公開號cn201540301u和cn203720197u，為了配合測風(fēng)，采用了機(jī)械部件，精度和壽命有所降低，同時(shí)這兩個專利均不能測量風(fēng)向。專利公開號cn104535790a，雖然通過豎直桿的扭轉(zhuǎn)能夠測量風(fēng)向，但是由于機(jī)械部件的引入，采樣頻率降低且容易受結(jié)冰影響。以上壓電材料測風(fēng)發(fā)明的一個共同不足在于，裝置不是專門為風(fēng)力機(jī)機(jī)艙開發(fā)的，因此不能或只能安裝在機(jī)艙尾部，測量結(jié)果受到風(fēng)輪的干擾，需要通過修正算法去計(jì)算風(fēng)輪前的風(fēng)速。同時(shí)，上述壓電材料測風(fēng)發(fā)明的另一共同不足之處在于，缺少溫度和大氣壓力傳感器，沒有對空氣密度進(jìn)行修正，在不同大氣壓力和溫度條件下，空氣密度是不一樣的，因此相同風(fēng)速產(chǎn)生的信號也是不一樣的。

除了上述各自的不足之外，以上所有裝置均存在無法自檢的問題，即裝置和scada監(jiān)控系統(tǒng)無法判斷測風(fēng)裝置本身是否已經(jīng)發(fā)生了測量偏差和測量錯誤，需要定期通過專門的設(shè)備對測風(fēng)裝置進(jìn)行校核。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置及方法，該裝置無機(jī)械部件使用壽命高，數(shù)據(jù)采樣率高(大于100hz)，實(shí)時(shí)采集大氣溫度和壓力修正空氣密度，能夠通過自檢判斷設(shè)備是否出現(xiàn)錯誤或較大誤差。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，包括輪轂前緣測風(fēng)組1、機(jī)艙尾部測風(fēng)組2和控制系統(tǒng)7；輪轂前緣測風(fēng)組1和機(jī)艙尾部測風(fēng)組2分別用以測量從風(fēng)力機(jī)前半平面和后半平面的來風(fēng)的速度大小和方向；

輪轂前緣測風(fēng)組1和機(jī)艙尾部測風(fēng)組2的結(jié)構(gòu)完全相同，包括：絕緣支撐9，為正十六邊形拉伸而形成的正十六邊形柱體，相鄰兩個面成157.5°；十六個速度分量測量基板3，形狀為矩形，大小與絕緣支撐9的每個側(cè)面相同，粘接在絕緣支撐9的每個側(cè)面上，將絕緣支撐9包覆在其內(nèi)；大氣壓力和溫度測量基板4，粘接在絕緣支撐9的頂面中心位置；十六個側(cè)風(fēng)圍板5，形狀為矩形，底端粘接在絕緣支撐9的頂面，相鄰的側(cè)風(fēng)圍板5的角度為157.5°，形成一個封閉的正十六邊形；迎風(fēng)擋板6，通過4根立柱固定在絕緣支撐9的頂面，立柱的高度要高于側(cè)風(fēng)圍板5的高度的0.5～1cm；整個絕緣支撐9固定在圓盤底座8上；側(cè)風(fēng)圍板5和迎風(fēng)擋板6的作用是保證大氣壓力和溫度測量基板4所處的大氣環(huán)境沒有空氣流動。

每塊速度分量測量基板3，包括：多塊并聯(lián)的壓電陶瓷片31；絕緣框架32，所述的壓電陶瓷片31嵌入到絕緣框架32中固定；防風(fēng)化膜33，所述的防風(fēng)化膜33置于整個絕緣框架32的最外面，覆蓋整個壓電陶瓷片31。

大氣壓力和溫度測量基板4，包括：多塊并聯(lián)的壓電陶瓷片41；多塊并聯(lián)的溫度傳感器42；絕緣框架43，所述的壓電陶瓷片41和溫度傳感器42嵌入到絕緣框架43中固定；防風(fēng)化膜44，所述的防風(fēng)化膜44置于整個絕緣框架43的最外面，覆蓋整個壓電陶瓷片41和溫度傳感器42。

控制系統(tǒng)7，包括：集成電路71，接受從所述十六個速度分量測量基板3和大氣壓力和溫度測量基板4傳遞出來的電信號，并把這些信號濾波放大；內(nèi)部i/o總線72，把集成電路處理后的電信號傳遞到處理器；處理器73，接受內(nèi)部i/o總線72傳遞來的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析；外輸i/o總線74，把處理器73分析完的風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力，傳入風(fēng)力機(jī)機(jī)艙內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)，供風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)和風(fēng)場監(jiān)控系統(tǒng)使用。

可選的，處理器73可以是集成電路通用處理器或?qū)Ｓ锰幚砥?，也可以是pc機(jī)所使用的通用處理器(cpu)、微處理器和數(shù)字信號處理器。

優(yōu)選的，所述速度分量測量基板3和大氣壓力和溫度測量基板4各自可以由兩塊或四塊壓電陶瓷片并聯(lián)組成。數(shù)量越多，相互校準(zhǔn)的精度越高。同時(shí)，并聯(lián)的壓電陶瓷片數(shù)量也取決于裝置整體的大小。

本發(fā)明有益的效果是：

本發(fā)明與已有的技術(shù)相比，具有如下明顯的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著有點(diǎn)：

1)所述裝置為電子傳感器，無機(jī)械部件，外部覆蓋防風(fēng)化膜33，使用壽命高，不會發(fā)送類似于機(jī)械磨損而造成的系統(tǒng)測量誤差隨時(shí)間增大的現(xiàn)象。

2)壓電陶瓷數(shù)據(jù)采樣率高(大于100hz)，可以完成更高采樣頻率的風(fēng)速和風(fēng)向測量。

3)實(shí)時(shí)采集大氣溫度和壓力修正空氣密度，具有很強(qiáng)的通用性。不需要根據(jù)季節(jié)、緯度、海拔去單獨(dú)調(diào)試修正控制系統(tǒng)里面的參數(shù)。

4)基板內(nèi)兩個壓電陶瓷片和溫度傳感器可以相互校驗(yàn)，多個基板之間也可以相互校驗(yàn)，因此所述裝置能夠通過自檢判斷設(shè)備是否出現(xiàn)錯誤或較大誤差，及時(shí)提醒運(yùn)維人員開展維修。

附圖說明

圖1是本發(fā)明風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置的整體布置圖。

圖2是本發(fā)明輪轂前緣測風(fēng)組和機(jī)艙尾部測風(fēng)組的裝置示意圖。

圖3a是本發(fā)明速度分量測量基板的俯視示意圖。

圖3b是本發(fā)明速度分量測量基板的側(cè)視示意圖。

圖4a是本發(fā)明大氣壓力和溫度測量基板的俯視示意圖。

圖4b是本發(fā)明大氣壓力和溫度測量基板的側(cè)視示意圖。

圖5是本發(fā)明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)到目的及功效，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

在具體實(shí)施方式中，所述的形狀以及各種傳感器模塊之?dāng)?shù)量等僅為列舉，不應(yīng)視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。

實(shí)施例1：如圖1所示為本發(fā)明風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置的整體布置圖。裝置的安裝過程主要為：

1)輪轂前緣測風(fēng)組1安裝。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的輪轂圓心部位開孔，開孔直徑大于圓盤底座8，具體尺寸取決于所需配備的徑向軸承。開孔中心需要嚴(yán)格與輪轂旋轉(zhuǎn)中心對中。圓盤底座8和徑向軸承相互之間的配合面的粗糙度要求在3.2～6.3μm等級以上。輪轂前緣測風(fēng)組為固定部件，不隨機(jī)艙輪轂發(fā)生轉(zhuǎn)動。

2)機(jī)艙尾部測風(fēng)組2安裝。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的尾部平面偏中間位置開孔，開孔圓心距離機(jī)艙尾部平面的邊緣的距離為20％以上。開孔直徑略大于或等于圓盤底座8的半徑。開孔面與圓盤底座8的外徑表面的粗糙度無特別要求，兩者之間填充橡膠o型圈等密封材料。

如圖2所示，輪轂前緣測風(fēng)組1和機(jī)艙尾部測風(fēng)組2的結(jié)構(gòu)完全相同，包括：絕緣支撐9，為正十六邊形拉伸而形成的正十六邊形柱體，相鄰兩個面成157.5°；十六個速度分量測量基板3，形狀為矩形，大小與絕緣支撐9的每個側(cè)面相同，粘接在絕緣支撐9的每個側(cè)面上，將絕緣支撐9包覆在其內(nèi)；大氣壓力和溫度測量基板4，粘接在絕緣支撐9的頂面中心位置；十六個側(cè)風(fēng)圍板5，形狀為矩形，底端粘接在絕緣支撐9的頂面，相鄰的側(cè)風(fēng)圍板5的角度為157.5°，形成一個封閉的正十六邊形；迎風(fēng)擋板6，通過4根立柱固定在絕緣支撐9的頂面，立柱的高度要高于側(cè)風(fēng)圍板5的高度的0.5～1cm；整個絕緣支撐9固定在圓盤底座8上；側(cè)風(fēng)圍板5和迎風(fēng)擋板6的作用是保證大氣壓力和溫度測量基板4所處的大氣環(huán)境沒有空氣流動。

實(shí)施例4與實(shí)施例2、實(shí)施例3的關(guān)系為整體與局部的關(guān)系：所述風(fēng)力機(jī)機(jī)艙集成式風(fēng)速風(fēng)向測量裝置，首先通過實(shí)施例2中的每塊速度分量測量基板3去測量得到該板法線方向所對應(yīng)的風(fēng)壓大小，并通過實(shí)施例3得到此時(shí)對應(yīng)的大氣壓力和溫度，最后根據(jù)實(shí)施例4把實(shí)施例2和3的數(shù)據(jù)分析整理合并成最后的矢量風(fēng)速度。各實(shí)施例的具體步驟如下。

實(shí)施例2：圖3a和圖3b所示為本發(fā)明速度分量測量基板的結(jié)構(gòu)示意圖。每個基板的信號測量和校驗(yàn)的原理如下：

該速度分量測量基板3的壓電陶瓷片31的數(shù)量為n個(n為偶數(shù))：

1)收集信號：壓電陶瓷片31采集的是電壓信號，其電壓信號按從小到大排列為p1，…，pn，單位v；

2)傳遞信號：p1,…,pn的信號經(jīng)集成電路71濾波放大，被內(nèi)部i/o總線72傳遞給處理器73；

3)單個速度分量測量基板3的信號自檢并判斷其中哪塊壓電陶瓷片31出現(xiàn)故障需要屏蔽：判斷的標(biāo)準(zhǔn)是單個壓電陶瓷片31相互之間的測量誤差是否超過1％。具體方法是比較最大值和最小值之間的誤差：①如果最大值pn與最小值p1的誤差在1％以內(nèi)，說明所有壓電陶瓷片31的誤差均在1％以內(nèi)，系統(tǒng)通過自檢，該速度分量測量基板3的信號為每塊壓電陶瓷片31的電壓信號的平均值pb＝(p1+…+pn)/n；如果p1和pn的誤差超過1％，說明p1和pn中至少有一個發(fā)生了故障；②首先檢查pn是否發(fā)生了故障：計(jì)算p1與pn-1，誤差在1％以內(nèi)，表明p1到pn-1均正常，則說明pn誤差較大，系統(tǒng)警報(bào)，屏蔽pn，該速度分量測量基板3的信號為p1到pn-1的電壓信號平均值pb＝(p1+…+pn-1)/(n-1)；如果p1與pn-1大于1％，說明p1發(fā)生了故障，但還需要繼續(xù)判斷pn是否有故障；③計(jì)算p2與pn，誤差在1％以內(nèi)，表明p2到pn均正常，最后只有p1發(fā)生了故障，系統(tǒng)警報(bào)，屏蔽p1，該速度分量測量基板3的信號為p2到pn的平均值pb＝(p2+…+pn)/(n-1)；④如果p2和pn超過1％，說明除了p1外pn也發(fā)生了故障，同時(shí)屏蔽p1和pn；⑤屏蔽p1和pn之后，需要重新判斷p2到pn-1各板是否正常；按照步驟①到步驟④，計(jì)算p2與pn-1的關(guān)系；以此類推，如果被屏蔽的信號超過k個，沒有通過自檢，系統(tǒng)報(bào)警，自動屏蔽該速度分量測量基板3的結(jié)果，n與k的對應(yīng)關(guān)系為n＝2×(k+1)；

4)電壓信號轉(zhuǎn)化為該板法線方向所對應(yīng)的風(fēng)壓(風(fēng)流動的動壓)大小信號；處理器73把步驟3)中計(jì)算得到的電壓信號平均值pb，通過查找該壓電陶瓷片廠家提供的電壓-風(fēng)壓對應(yīng)關(guān)系，將電壓大小pb轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的具體風(fēng)壓大小pv，單位pa；

5)16個速度分量測量基板被屏蔽的數(shù)量，如果彼此不相鄰的數(shù)量超過4個、或連續(xù)相鄰的數(shù)量超過3個，則系統(tǒng)報(bào)錯，要求維修整個設(shè)備。

實(shí)施例3：圖4a和圖4b所示為本發(fā)明大氣壓力和溫度測量基板4的結(jié)構(gòu)示意圖。每個基板的大氣壓力和溫度測量和校驗(yàn)的原理與速度分量測量基板3相同，原理如下：

1)收集信號：壓電陶瓷片41采集的是電壓信號，其電壓信號按從小到大排列為patm1，…，patmn，單位v；溫度傳感器42采集的也是電壓信號，其電壓信號按從小到大排列為pt1，…，ptn，單位v；

重復(fù)速度分量測量基板3的信號測量和校驗(yàn)方法中步驟2)到步驟3)，如果被屏蔽的信號超過k個，沒有通過自檢，系統(tǒng)報(bào)錯，要求維修設(shè)備；n與k的對應(yīng)關(guān)系為n＝2×(k+1)；最后得到大氣壓力和溫度測量基板4上的平均電壓信號pbatm和pbt；

2)電壓信號轉(zhuǎn)化為該板所對應(yīng)的大氣壓力和溫度：處理器73查找該壓電陶瓷片和溫度傳感器廠家提供的電壓-大氣壓力、電壓-溫度對應(yīng)關(guān)系，將pbatm和pbt轉(zhuǎn)化為大氣壓力p0和溫度pt，單位分別為pa和℃；

實(shí)施例4：圖2所示為本發(fā)明輪轂前緣測風(fēng)組和機(jī)艙尾部測風(fēng)組的裝置示意圖。裝置的風(fēng)速和風(fēng)向的測量原理如下：

1)處理器73提取實(shí)施例2和實(shí)施例3中的風(fēng)壓大小pv、大氣壓力p0和溫度pt；

2)空氣密度計(jì)算：空氣密度按照下式計(jì)算，其中ρ0＝1.293kg/m³為溫度為0℃，壓力為10130pa時(shí)的干空氣密度

ρ＝ρ0×273/(273+pt)×p0/10130

3)有效速度分量測量基板選取和第一次系統(tǒng)自檢：因?yàn)閳A周方向共分布了十六塊速度風(fēng)量測量基板，所以一定有一塊速度分量測量基板平面的法線方向與實(shí)際風(fēng)向的夾角在±11.25°以內(nèi)；如果恰巧這塊速度分量測量基板在步驟3)中沒有通過自檢被屏蔽，基于步驟4)的數(shù)量規(guī)定，一定有一塊速度分量測量基板平面的法線方向與實(shí)際風(fēng)向的夾角在±33.75°以內(nèi)；假設(shè)測量得到pv最大的速度分量測量基板為第i個，則理論上前5個最大pv的速度分量測量基板的順序應(yīng)該為(i，i-1，i+1，i-2，i+2)或者(i，i+1，i-1，i+2，i-2)；如果不滿足，則系統(tǒng)沒有通過第一次自檢，系統(tǒng)報(bào)錯，要求維修設(shè)備；

4)速度分量測量基板3法線方向所對應(yīng)的風(fēng)速計(jì)算：處理器73基于以下公式計(jì)算每塊速度風(fēng)量測量基板3法線方向所對應(yīng)的風(fēng)速大小v；

v²＝2×(pv-p0)/ρ

5)所選的5塊速度分量測量基板組成以下十種組合，i和i+1，i和i-1，i和i-2，i和i+2，i-1和i-2，i-1和i+1，i-1和i+2，i+1和i-2，i+1和i+2，i+2和i-2；

6)分別計(jì)算每個組合的風(fēng)速大小和風(fēng)向：

假設(shè)選取第m和n個基板(i-2≤m<n≤i+2)，則每塊基板法線方向所對應(yīng)的風(fēng)速大小為vn和vm，實(shí)際風(fēng)向與第n個速度分量測量基板的夾角為an；an和絕對風(fēng)速vn,m的關(guān)系為：

vn/cosan＝vm/cos(an-22.5°×(n-m))＝vn,m

通過上式，得到風(fēng)向an和絕對風(fēng)速vn,m；然后，根據(jù)陀螺儀等機(jī)艙內(nèi)置設(shè)備判斷此時(shí)第n個速度分量測量基板的方位角，確定此時(shí)實(shí)際風(fēng)向a’n；

7)如果某個基板被屏蔽，則不計(jì)算含有該基板的組合；

8)第二次系統(tǒng)自檢：根據(jù)步驟5)到步驟6)的組合確定的所有實(shí)際風(fēng)向和絕對風(fēng)速中，最大值和最小值的誤差本別在1％以內(nèi)，則系統(tǒng)測得的真實(shí)風(fēng)向?yàn)樗袑?shí)際風(fēng)向組合的平均值，真實(shí)風(fēng)速為所有絕對風(fēng)速組合的平均值；

9)所有實(shí)際風(fēng)向和絕對速度中，最大值和最小值的誤差超過了1％，系統(tǒng)報(bào)錯，要求維修設(shè)備；

10)處理器73把結(jié)果經(jīng)外輸i/o總線74傳遞給風(fēng)力機(jī)scada等監(jiān)控系統(tǒng)。

通過以上步驟的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)風(fēng)速和風(fēng)量的測量，該裝置能夠直接測量風(fēng)力機(jī)前部的風(fēng)速，避免了風(fēng)杯等裝置通過傳遞函數(shù)去預(yù)測風(fēng)力機(jī)前部的風(fēng)速，無機(jī)械部件使用壽命高，數(shù)據(jù)采樣率高(大于100hz)，實(shí)時(shí)采集大氣溫度和壓力修正空氣密度，能夠通過多層級自檢判斷設(shè)備是否出現(xiàn)錯誤或較大誤差。提高了測量精度，具有更廣泛的適應(yīng)性。

在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變型。因而，如果任何修改或變型落入所附權(quán)利要求書及等同物的保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為本發(fā)明涵蓋這些修改和變型。