确定风力发电机组的对风角度的方法及装置与流程

本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种确定风力发电机组的对风角度的方法及装置。

背景技术：

当前风力发电行业内，兆瓦级以上功率的主流机型通常采用水平轴式设计。基于水平轴式设计的风力发电机组必须配备偏航系统，偏航系统的主要作用是使风力发电机组在进行发电时尽可能处于迎风状态，这就要求偏航系统时刻跟踪风向变化。如图1所示，偏航系统通常通过安装在机舱顶部的风向传感器(也即，风向标)来获取对风角度(风向与机舱轴线之间的夹角的角度)。

由于风力发电机组的工作环境往往比较恶劣，受到低温、雨雪、潮湿、风沙等影响，风向标容易发生故障。例如，在雨雪天气下容易发生结冰、轴承损坏等。而如果风向标发生故障，则会导致偏航系统获取的对风角度不准确，这将会造成风力发电机组的发电量损失，一些情况下甚至会影响到风力发电机组的安全，例如，大风时风力发电机组侧风偏航。

然而，一方面，风向标的轻微故障较难被发现，由于风向标输出的信号的特殊性和唯一性，若输出的信号仅存在较小的误差，除非对风向标进行检测，或者长时间观察安装此风向标的风力发电机组的性能特征，否则很难发现风向标发生轻微故障；另一方面，风向标的故障较难被及时发现，通常在现场技术人员发现风力发电机组明显对风异常，或者风力发电机组的发电效能明显下降后才会发现风向标发生故障。

为了解决通过风向标获取对风角度可靠性较差的问题，目前的解决方案有：为风力发电机组加装第二套风向标。但由于两套风向标安装的位置相同，工作环境相同，工作原理相同，因此，如果第一套风向标由于天气恶劣原因发生故障，则第二套风向标很可能也因为同样的原因发生故障，故这种解决方案可靠性较差，且增加了成本。

技术实现要素：

本发明的示例性实施例在于提供一种确定风力发电机组的对风角度的方法及装置，其能够解决现有技术存在的获取的对风角度可靠性差的问题。

根据本发明的示例性实施例，提供一种确定风力发电机组的对风角度的方法，其特征在于，所述方法包括：(a)获取风力发电机组的实时气动功率值；(b)基于获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度有效值；(c)基于计算得到的对风角度有效值确定风力发电机组的对风角度。

可选地，步骤(a)包括：(a1)获取风力发电机组的实时发电机输出功率值；(a2)基于获取的实时发电机输出功率值和风力发电机组的传动效率来计算得到风力发电机组的实时气动功率值。

可选地，步骤(a1)包括：直接读取实时检测到的风力发电机组的实时发电机输出功率值；或者，获取风力发电机组的实时并网功率值，并基于获取的实时并网功率值和风力发电机组的主回路损耗功率值来计算得到风力发电机组的实时发电机输出功率值。

可选地，步骤(b)包括：在所述实时气动功率值的基础上，实时空气密度、实时风速、风力发电机组的实时风能利用系数、风力发电机组的叶轮半径之中的至少一项也被用于计算风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，步骤(b)包括：(b1)基于获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度候选值；(b2)从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，步骤(b2)包括：(b21)获取实时检测到的风力发电机组的振动信号；(b22)根据获取的振动信号从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，所述振动信号是机舱振动信号中的径向振动信号，其中，步骤(b22)包括：根据获取的径向振动信号确定机舱向径向正方向振动的幅度是否大于向径向负方向振动的幅度；当机舱向径向正方向振动的幅度大于向径向负方向振动的幅度时，将计算得到的小于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值；当机舱向径向正方向振动的幅度小于向径向负方向振动的幅度时，将计算得到的大于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值。

可选地，步骤(c)包括：(c1)根据计算得到的对风角度有效值和通过风力发电机组的风向传感器实时检测到的对风角度检测值之间的差值，来确定风向传感器是否发生故障；(c2)当确定风向传感器发生故障时，将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度；当确定风向传感器未发生故障时，将对风角度检测值确定为风力发电机组的对风角度。

可选地，在步骤(c1)中，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值大于第一预设阈值时，确定风向传感器发生故障；或者，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值持续大于第二预设阈值的时间达到预设时间段时，确定风向传感器发生故障。

可选地，步骤(c)包括：将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种确定风力发电机组的对风角度的装置，其特征在于，所述装置包括：气动功率值获取单元，用于获取风力发电机组的实时气动功率值；计算单元，用于基于气动功率值获取单元获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度有效值；确定单元，用于基于计算单元计算得到的对风角度有效值确定风力发电机组的对风角度。

可选地，气动功率值获取单元包括：输出功率值获取单元，用于获取风力发电机组的实时发电机输出功率值；气动功率值计算单元，用于基于输出功率值获取单元获取的实时发电机输出功率值和风力发电机组的传动效率来计算得到风力发电机组的实时气动功率值。

可选地，输出功率值获取单元直接读取实时检测到的风力发电机组的实时发电机输出功率值；或者，输出功率值获取单元获取风力发电机组的实时并网功率值，并基于获取的实时并网功率值和风力发电机组的主回路损耗功率值来计算得到风力发电机组的实时发电机输出功率值。

可选地，在所述实时气动功率值的基础上，实时空气密度、实时风速、风力发电机组的实时风能利用系数、风力发电机组的叶轮半径之中的至少一项也被计算单元用于计算风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，计算单元包括：候选值计算单元，用于基于气动功率值获取单元获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度候选值；有效值确定单元，用于从候选值计算单元计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，有效值确定单元获取实时检测到的风力发电机组的振动信号，并根据获取的振动信号从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

可选地，所述振动信号是机舱振动信号中的径向振动信号，其中，有效值确定单元根据获取的径向振动信号确定机舱向径向正方向振动的幅度是否大于向径向负方向振动的幅度，其中，当机舱向径向正方向振动的幅度大于向径向负方向振动的幅度时，有效值确定单元将计算得到的小于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值；当机舱向径向正方向振动的幅度小于向径向负方向振动的幅度时，有效值确定单元将计算得到的大于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值。

可选地，确定单元根据计算单元计算得到的对风角度有效值和通过风力发电机组的风向传感器实时检测到的对风角度检测值之间的差值，来确定风向传感器是否发生故障，其中，当确定风向传感器发生故障时，确定单元将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度；当确定风向传感器未发生故障时，确定单元将对风角度检测值确定为风力发电机组的对风角度。

可选地，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值大于第一预设阈值时，确定单元确定风向传感器发生故障；或者，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值持续大于第二预设阈值的时间达到预设时间段时，确定单元确定风向传感器发生故障。

可选地，确定单元将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的确定风力发电机组的对风角度的方法。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种在风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的确定风力发电机组的对风角度的方法。

根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的方法及装置，能够便捷、准确地确定风力发电机组的对风角度，且无需额外加装任何硬件设备。此外，还能够实时监测风向传感器是否发生故障。

将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。

附图说明

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

图1示出现有的通过风向标获取对风角度的示意图；

图2示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的方法的流程图；

图3示出根据本发明示例性实施例的对风角度候选值的示意图；

图4示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的装置的框图。

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2示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的方法的流程图。

参照图2，在步骤s10，获取风力发电机组的实时气动功率值。

这里，风力发电机组的气动功率即风力发电机组从自然风中获得的气动功率。

作为示例，可先获取风力发电机组的实时发电机输出功率值；然后，基于获取的实时发电机输出功率值和风力发电机组的传动效率来计算得到风力发电机组的实时气动功率值。例如，可通过式(1)来计算风力发电机组的气动功率值paero：

paero＝pgenerator*η(1)

其中，pgenerator指示风力发电机组的发电机输出功率值，η指示风力发电机组的传动效率。应该理解，由于风力发电机组的传动效率与其内部具体情况有关，因此，不同风力发电机组的传动效率不同。

作为示例，可直接读取实时检测到的风力发电机组的实时发电机输出功率值。

作为另一示例，可先获取风力发电机组的实时并网功率值；然后，基于获取的实时并网功率值和风力发电机组的主回路损耗功率值来计算得到风力发电机组的实时发电机输出功率值。例如，可通过式(2)来计算风力发电机组的发电机输出功率值pgenerator：

pgenerator＝pgrid+p主回路损耗(2)

其中，pgrid指示风力发电机组的并网功率值，p主回路损耗指示风力发电机组的主回路损耗功率值。应该理解，由于风力发电机组的主回路损耗功率与其主回路的具体情况有关，因此，不同风力发电机组的主回路损耗功率可不同。

此外，也可通过其他适合的方式来获取风力发电机组的发电机输出功率值。例如，对于直驱型风力发电机组，可通过“风力发电机组的扭矩值乘以叶轮转速”来计算得到直驱型风力发电机组的发电机输出功率值。对于带齿轮箱的直驱型风力发电机组，叶轮转速可根据齿轮箱低速轴转速来得到，或者，可通过“齿轮箱高速轴转速除以齿轮箱传动比”来计算得到。

此外，应该理解，也可通过其他适合的方式来获取风力发电机组的实时气动功率值。

在步骤s20，基于获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，在所述实时气动功率值的基础上，实时空气密度、实时风速、风力发电机组的实时风能利用系数、风力发电机组的叶轮半径之中的至少一项也可被用于计算风力发电机组的对风角度有效值。换言之，在基于获取的实时气动功率值的基础上，还可基于实时空气密度、实时风速、风力发电机组的实时风能利用系数、风力发电机组的叶轮半径之中的至少一项来计算风力发电机组的对风角度有效值。

这里，风力发电机组的风能利用系数是关于风力发电机组的叶尖速比与桨距角的函数，它代表的物理意义是风力发电机组吸收和转换的风能与通过风机叶片扫掠面的全部风能的比。叶尖速比是表述风力发电机组特性的一个十分重要的参数，为风轮叶片叶尖线速度与风速之比，叶片越长或者叶轮转速越快则同等风速下的叶尖速比就越大。

空气密度即风力发电机组当前所处的环境的空气密度，可根据当前的海拔高度计算得到，也可根据当前的海拔高度和环境温度两者计算得到。例如，可通过式(3)来计算空气密度ρ：

其中，ρ0＝1.293kg/m³，气压p＝e^{5.25885*ln(288.15-0.0065h)-18.2573}，其中，h指示海拔高度。

作为示例，可先基于获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度候选值；然后，从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

图3示出根据本发明示例性实施例的对风角度候选值的示意图。如图3所示，基于实时气动功率值计算得到的对风角度候选值可能为两个对风角度候选值θ1和θ2，其中，θ1大于零度，θ2小于零度，且两者的绝对值相等。因此，需要从对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，可先获取实时检测到的风力发电机组的振动信号；然后根据获取的振动信号从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。应该理解，也可通过其他适合的方式来从对风角度候选值中确定对风角度有效值。

作为示例，所述振动信号可以是机舱振动信号中的径向振动信号，也可以是底座振动信号中的径向振动信号。此外，也可以是风力发电机组的其他类型的振动信号，本发明对此不作限制。

作为示例，当所述振动信号是机舱振动信号中的径向振动信号时，可根据获取的径向振动信号确定机舱向径向正方向振动的幅度是否大于向径向负方向振动的幅度，其中，当机舱向径向正方向振动的幅度大于向径向负方向振动的幅度时，将计算得到的小于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值；当机舱向径向正方向振动的幅度小于向径向负方向振动的幅度时，将计算得到的大于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值。

这里，作为示例，可根据第一预设时间段内(例如，2秒)的机舱振动信号中的径向振动信号来计算在第一预设时间段内，机舱向径向正方向振动的幅度的均值是否大于向径向负方向振动的幅度的均值。

在步骤s30，基于计算得到的对风角度有效值确定风力发电机组的对风角度。从而，风力发电机组的偏航系统可基于风力发电机组的对风角度来执行偏航操作。

作为示例，可根据计算得到的对风角度有效值和通过风力发电机组的风向传感器实时检测到的对风角度检测值之间的差值，来确定风向传感器是否发生故障，其中，当确定风向传感器发生故障时，将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度；当确定风向传感器未发生故障时，将对风角度检测值确定为风力发电机组的对风角度。从而，能够实时监测风向传感器是否发生故障，并能够有效减少风力发电机组因风向传感器发生故障而导致的停机时间。

作为示例，可当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值大于第一预设阈值时，确定风向传感器发生故障。这里，第一预设阈值可根据实际情况被设置。例如，可当第二预设时间段(例如，3秒)内的对风角度有效值的均值与对风角度检测值的均值之间的差值大于第一预设阈值时，确定风向传感器发生故障。

作为另一示例，可当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值持续大于第二预设阈值的时间达到第三预设时间段时，确定风向传感器发生故障。这里，第二预设阈值、第三预设时间段可根据实际情况被设置。例如，如果第三预设时间段(例如，24小时)内，对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值始终大于第二预设阈值，则可确定风向传感器发生故障。

作为另一示例，可直接将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度。仅将通过风力发电机组的风向传感器检测到的对风角度检测值作为参考值。

图4示出根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的装置的框图。如图4所示，根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的装置包括：气动功率值获取单元10、计算单元20和确定单元30。

具体说来，气动功率值获取单元10用于获取风力发电机组的实时气动功率值。

作为示例，气动功率值获取单元10可包括：输出功率值获取单元(未示出)和气动功率值计算单元(未示出)。

具体所来，输出功率值获取单元用于获取风力发电机组的实时发电机输出功率值。

作为示例，输出功率值获取单元可直接读取实时检测到的风力发电机组的实时发电机输出功率值。

作为另一示例，输出功率值获取单元可获取风力发电机组的实时并网功率值，并基于获取的实时并网功率值和风力发电机组的主回路损耗功率值来计算得到风力发电机组的实时发电机输出功率值。

气动功率值计算单元用于基于输出功率值获取单元获取的实时发电机输出功率值和风力发电机组的传动效率来计算得到风力发电机组的实时气动功率值。

计算单元20用于基于气动功率值获取单元10获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，在所述实时气动功率值的基础上，实时空气密度、实时风速、风力发电机组的实时风能利用系数、风力发电机组的叶轮半径之中的至少一项也可被计算单元20用于计算风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，计算单元20可包括：候选值计算单元(未示出)和有效值确定单元(未示出)。

具体说来，候选值计算单元用于基于气动功率值获取单元10获取的实时气动功率值计算风力发电机组的对风角度候选值。

有效值确定单元用于从候选值计算单元计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，有效值确定单元可获取实时检测到的风力发电机组的振动信号，并根据获取的振动信号从计算得到的对风角度候选值中确定风力发电机组的对风角度有效值。

作为示例，当所述振动信号是机舱振动信号中的径向振动信号时，有效值确定单元可根据获取的径向振动信号确定机舱向径向正方向振动的幅度是否大于向径向负方向振动的幅度，其中，当机舱向径向正方向振动的幅度大于向径向负方向振动的幅度时，有效值确定单元将计算得到的小于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值；当机舱向径向正方向振动的幅度小于向径向负方向振动的幅度时，有效值确定单元将计算得到的大于零度的对风角度候选值确定为对风角度有效值。

确定单元30用于基于计算单元20计算得到的对风角度有效值确定风力发电机组的对风角度。

作为示例，确定单元30可根据计算单元20计算得到的对风角度有效值和通过风力发电机组的风向传感器实时检测到的对风角度检测值之间的差值，来确定风向传感器是否发生故障，其中，当确定风向传感器发生故障时，确定单元30将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度；当确定风向传感器未发生故障时，确定单元30将对风角度检测值确定为风力发电机组的对风角度。

作为示例，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值大于第一预设阈值时，确定单元30可确定风向传感器发生故障；或者，当对风角度有效值与对风角度检测值之间的差值持续大于第二预设阈值的时间达到预设时间段时，确定单元30可确定风向传感器发生故障。

作为示例，确定单元30可直接将计算得到的对风角度有效值确定为风力发电机组的对风角度。

应该理解，根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的装置的具体实现方式可参照结合图2和图3描述的相关具体实现方式来实现，在此不再赘述。

根据本发明的示例性实施例的存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被处理器执行时实现上述示例性实施例所述的确定风力发电机组的对风角度的方法。

根据本发明的示例性实施例的在风力发电机组的控制系统包括：处理器(未示出)和存储器(未示出)，其中，存储器存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述示例性实施例所述的确定风力发电机组的对风角度的方法。

根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的方法及装置，能够便捷、准确地确定风力发电机组的对风角度，且无需额外加装任何硬件设备。此外，还能够实时监测风向传感器是否发生故障。

此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的装置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。

此外，根据本发明示例性实施例的确定风力发电机组的对风角度的方法可以被实现为计算机可读记录介质中的计算机代码。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代码。当所述计算机代码在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。

虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。