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CN111936741A - 用于控制涡轮的控制系统、用于控制涡轮的方法和风力涡轮 - Google Patents

用于控制涡轮的控制系统、用于控制涡轮的方法和风力涡轮 Download PDF

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CN111936741A CN201980024549.5A CN201980024549A CN111936741A CN 111936741 A CN111936741 A CN 111936741A CN 201980024549 A CN201980024549 A CN 201980024549A CN 111936741 A CN111936741 A CN 111936741A
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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮的控制系统，该控制系统包括：控制单元，其中控制单元设计为基于在涡轮上游的流场的至少一个特定参数生成用于控制涡轮的控制信号；至少一个测量单元，其中至少一个测量单元设计为基于至少一个测量信号来测量关于流场的至少一个参数的至少一个测量值，其中每个测量信号能够被发射至风场的各一个测量点；至少一个确定单元，其中至少一个确定单元设计为基于所测量的至少一个测量值来确定流场的至少一个参数，其中至少一个确定单元设计为识别至少一个测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡，尤其是被转子叶片阻挡，并且补偿流场的至少一个参数的由此产生的错误确定。本发明还涉及一种风力涡轮和一种用于控制涡轮的方法。

Description

用于控制涡轮的控制系统、用于控制涡轮的方法和风力涡轮
技术领域
本发明涉及用于控制涡轮的控制系统、具有这样的控制系统的风力涡轮，以及用于控制涡轮的方法。
背景技术
激光雷达是本领域技术人员已知的通过用激光照射目标来确定距离的勘测技术。激光雷达(Lidar)是“光探测和测距(Light Detection and Ranging)”的首字母缩写，并且最初作为“光”和“雷达”的混合词被创造出来。激光雷达一般作为用于创建高分辨率地图的技术，并且被应用于大地测量学、测绘学、考古学、地理、地质学、地貌学、地震学、林业、大气物理学、机载激光条带测绘(ALSM)和激光高程测量。对于陆地应用、机载应用和移动应用，所谓的激光雷达有时简称为激光扫描或3D扫描。
激光雷达使用紫外光、可见光或近红外光来进行物体成像。激光雷达可以针对各种材料，这些材料包括非金属物体、岩石、雨水、化学化合物、气溶胶、云、以及甚至单个分子。窄激光束可以以非常高的分辨率绘制物理特征，例如，飞机可以以30cm或更高的分辨率绘制地形。
激光雷达已经广泛用于大气研究和气象学。激光雷达仪器执行勘测和绘图，飞机和卫星配备有激光雷达仪器，最近的示例是美国地质调查局的实验性先进机载研究激光雷达。NASA已经确认激光雷达是实现未来机器人和载人月球着陆车辆安全且自主地精确着陆的关键技术。
激光雷达测量中使用的波长根据目标而在大约10微米到UV(大约250nm)之间变化。通常，光通过反向散射反射。不同类型的散射用于不同的激光雷达应用，诸如Rayleigh散射、Mie散射、Raman散射和荧光。基于不同类型的反向散射，激光雷达可以相应地被称为Rayleigh激光雷达、Mie激光雷达、Raman激光雷达、Na/Fe/K荧光激光雷达，等等。通过识别返回的信号强度的、取决于波长的变化，波长的适当组合可以允许大气含量的远程测绘。
激光雷达辅助控制已经成为风力涡轮控制领域中的重要研究课题。在初始现场测试中，集体倾角前馈控制器(kollektiver Neigungsfeedforwardregler)能够减小在各种现场测试中满负载操作期间的转子转速和结构载荷的变化。在部分负载操作中，激光雷达辅助扭矩控制对于发电仅表现出较小的益处，而这对结构载荷具有负面影响。仅使用集体倾角的非线性模型预测控制(NMPC)在满负载操作期间表现出与集体倾角前馈控制器类似的性能，但在使用附加发电机扭矩的部分负载操作与满负载操作之间的过渡中表现出提高的性能。虽然NMPC在计算上变得越来越高效，但是如果更换反馈控制器，对于涡轮制造商而言，NMPC的吸引力就变小了。基于平坦度的方法使得能够基于转子速度或转子转速和塔架移动的轨迹来计算控制动作，并且还在过渡区域中表现出提高的控制性能，但是难以调整。
因此，基于现有技术，需要改进对风力涡轮的速度的控制，即，增加部分负载与满负载之间的过渡中的能量产出，并降低结构载荷。本发明尤其旨在改进转子转速控制、降低结构载荷、并且增加过渡中的能量产出。
特别地，风力发电厂的基于激光雷达的控制是用于降低风力发电厂负载的有前景的技术。这里，激光雷达原始数据(“视距(line-of-sight)”风速)用于估计转子有效风速，也被称为风场重构。术语“转子有效风速”在风力涡轮技术领域中是已知的，并且例如在以下的博士论文中被定义：Dr.David Schlipf,“Lidar-Assisted Control Concepts forWind Turbines”(University of Stuttgart,2016)。这里，转子有效风速是一种标量风速，该标量风速对于风力涡轮产生与非均匀湍流风场(在转子盘上限定的3D矢量场)相同或相当的动态效果。转子有效风速可以在被计算为转子盘上的、具有加权的或没有加权的平均值。基于转子有效风速的这种估计或计算的控制器和控制系统例如在DE 10 2016 212 362中描述，该专利的内容在此并入本申请。
这里，转子有效风速是相对于基于风力操作的涡轮而定义的。转子有效风速到涡轮的传递是直接可能的，该涡轮例如在水下并且基于水流操作。特别地，激光雷达原始数据(“视距”流速)用于估计转子有效流速，也被称为流场重构。这里，术语“转子有效流速”以类似于转子有效风速的方式被定义。这里，转子有效流速是一种标量流速，该标量流速对于涡轮产生与非均匀湍流流场(在转子盘上限定的3D矢量场)相同或相当的动态效果。转子有效流速可以被计算为转子盘上的、具有加权的或不具有加权的平均值。
在本说明书的上下文中，为了清楚起见，使用转子有效风速，或者基于风力涡轮来描述本发明。然而，这显然不应当被理解为限制。本发明尤其可以应用于用于任何介质中的转子和涡轮的控制系统。
在这种基于转子有效风速的计算或估计的系统中，已经发现在风场和涡轮的特定条件下会发生涡轮的负载增加。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于控制涡轮的控制系统，以改进转子转速控制并降低结构载荷。
该目的通过根据独立权利要求的控制系统、风力涡轮和用于控制涡轮的方法来实现。优选实施例是从属权利要求的主题。
一个方面涉及一种用于涡轮的控制系统，该控制系统包括：控制单元，该控制单元设计为基于在涡轮上游的流场的至少一个特定参数生成用于控制涡轮的控制信号；至少一个测量单元，该至少一个测量单元设计为基于至少一个测量信号来测量关于流场的至少一个参数的至少一个测量值，每个测量信号能够被发射至流场或风场的各一个测量点，或者至少一个测量单元设计为将每个测量信号发射至流场或风场的各一个测量点；至少一个确定单元，该至少一个确定单元设计为基于至少一个测量值来确定流场的至少一个参数，其中至少一个确定单元设计为检测错误测量值，尤其是由于至少一个测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡而引起的错误测量值，尤其是通过涡轮的转子叶片检测，并且至少一个确定单元设计为补偿流场的至少一个参数的所产生的错误确定。
至少一个控制单元可以设计为电子部件，并且可以包括至少一个处理器。特别地，至少一个控制单元可以电子连接到涡轮，以经由控制信号控制或调节涡轮。这里，控制单元可以经由数据线或经由无线连接物理地连接到涡轮。
流场的至少一个参数可以是流场的物理参数，流场的至少一个参数包括转子有效风速和/或风切变和/或风向。然而，至少一个参数不限于这些变量，而是可以是流场的任何物理参数，其中至少一个参数还可以是多维参数。这里，流场描述了在空间区域内输送材料特性或其它特性(诸如力效应(相互作用))的流或流动。
这里，涡轮尤其可以是风力涡轮，流场是风场。然而，如上所述，涡轮不限于作为风力涡轮的设计。特别地，涡轮例如可以例如设计为至少部分地在水下的流发电设备，和/或设计为可以由任意介质的流场驱动。涡轮尤其可以具有三个转子叶片，但是具有一个、两个或不止三个转子叶片的涡轮也是可能的。
至少一个测量单元设计为基于至少一个测量信号来测量关于流场的至少一个参数的至少一个测量值。每个测量信号可以被发射至流场或风场的一个测量点，或者至少一个测量单元设计为将每个测量信号发射至流场或风场的一个测量点。换句话说，至少一个测量单元尤其可以设计为向流场或风场的相应测量点发射至少一个测量信号，以在相应测量点处测量关于至少一个参数的至少一个测量值。特别地，至少一个测量单元可以设计为向流场或风场的相应测量点发射恰好一个测量信号，以用于测量在测量点处的测量值，这尤其使得能够使用具有成本效益的和/或简单的测量单元。此外，至少一个测量值尤其可以是流场的流速或相应测量点处风场的(例如视距)风速。
至少一个测量单元尤其可以具有至少一个发射装置，该发射装置设计为用于发射或发出至少一个测量信号。至少一个测量信号尤其可以是电磁波和/或声波。至少一个测量单元尤其可以具有至少一个接收装置，该接收装置设计为用于接收至少一个测量信号的反射并且将它们转换为数据信号。
至少一个测量单元尤其可以设计为：在每个测量点处依次地或者按照时间顺序地(例如，以恒定的时间间隔)测量关于至少一个参数的测量值。换句话说，至少一个测量单元尤其可以设计为：在每个测量点以点测量频率依次地或按照时间顺序地测量关于至少一个参数的测量值。这里，特别地，相应点测量频率可以基于流场的特定参数和/或相应测量点的至少一个先前测量值而动态地调整。特别地，参数的确定因此可以动态地适于与情况相关的或与环境相关的条件，例如，通过随着流场的流速增加而提高测量频率。特别地，测量点的先前测量值可以对应于由至少一个测量单元在先前时间点在相应测量点处测量的测量值。特别地，测量点的下一测量值可以对应于由至少一个测量单元在下一时间点在相应测量点处测量的测量值。
此外，至少一个测量单元可以设计为在测量周期的每个测量点处依次地或按照时间顺序地测量关于至少一个参数的至少一个测量值。至少一个测量单元尤其可以设计为连续地或依次地或在时间上一个接一个地执行多个测量周期。
这里，至少一个确定单元可以设计为电子部件，并且包括至少一个处理器。特别地，至少一个确定单元可以电子连接到至少一个测量单元，以接收来自测量装置的至少一个测量值。这里，至少一个确定单元可以经由数据线或经由无线连接物理地连接到至少一个测量单元。特别地，至少一个确定单元可以电子连接到至少一个控制单元，以将流场的至少一个特定参数传输给至少一个控制单元。这里，至少一个确定单元可以经由数据线或经由无线连接物理地连接到至少一个控制单元。
至少一个确定单元还设计为检测错误测量值，尤其是由于至少一个测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡而引起的错误测量值，尤其是被涡轮的转子叶片阻挡而引起的错误测量值。这里，至少一个确定单元可以优选地设计为区分周期性的错误测量值与非周期性的错误测量值，周期性的错误测量值诸如是由于周期性的阻挡，例如由于涡轮的转子叶片的旋转，非周期性的错误测量值诸如是由于非周期性的阻挡，例如由于动物飞过。这里，至少一个确定单元可以设计为：例如，分析被反射的、被阻挡的测量信号的信噪比，和/或测量阻挡与至少一个测量单元的距离。特别地，至少一个确定单元设计为：在检测到这种阻挡时，基于测量值来补偿参数的确定，以避免或防止在特定参数中或在基于特定参数的控制信号中形成共振(Resonanz)。为此，如下文所述，至少一个确定单元尤其设计为：使用至少一种重构方法来替换由于阻挡而具有错误的测量值。换句话说，至少一个确定单元尤其可以设计为：通过被设计为用替代测量值来替换错误测量值的至少一个确定单元，来补偿至少一个参数的由错误测量值导致的错误确定。为此，例如，如下所述的，至少一个确定单元尤其可以设计为：借助至少一种重构方法来确定替代测量值。特别地，至少一个确定单元可以设计为：基于先前的测量值和/或先前确定的参数和/或局部流条件，动态地选择和应用下文所描述的重构方法中的一种重构方法，以替换由于阻挡而具有错误的测量值。特别地，至少一个确定单元可以设计为：使用下文所描述的重构方法中的一种或多种重构方法，以替换由于阻挡而具有错误的测量值。因此，借助于对流场的至少一个参数的确定的这种补偿，可以避免涡轮的转子旋转频率与至少一个测量单元的测量频率(尤其是激光雷达测量频率)之间的干扰，由此使得对流场至少一个参数的正确的计算或确定或估计成为可能。
作为对负载增加原因的研究的一部分，如上所述，发明人已经发现这是由于用于计算或估计转子有效风速的测量束被阻挡或遮挡(在本说明书的上下文中，与叶片遮挡可互换且等同地使用)，尤其是被涡轮转子叶片阻挡或遮挡。只有通过根据本发明的对测量信号或测量值的动态考虑，才能注意到测量(尤其是例如激光雷达测量)与转子旋转的动态干扰。特别地，以前没有认识到这也可能会导致塔架振动的激励。相反地，如上所述的“叶片阻挡”或测量束被转子叶片遮挡的问题仅在激光雷达测量设备的可用性分析中提及。
在风力涡轮机舱上的激光雷达系统中，取决于测量频率和转子转速，各个激光雷达束被转子叶片阻挡。这被激光雷达系统识别到，并且测量数据通常在风场重构中被忽略。作为本发明的一部分，已经示出叶片遮挡与这种常规的风场重构共同导致转子有效风速信号中的共振。这些共振处于对于调节而言很关键的频率范围内，并且因此，如果从中产生控制信号以控制涡轮，则可能会导致涡轮的负载增加。
目前，将针对每个测量平面j和测量周期k的转子有效风速v0L,jk确定为如下的经校正的测量值的移动平均值：
Figure BDA0002715083170000071
这里，nP是每个测量周期的测量点的数目，xi是取决于测量配置的校正值，vijk是来自测量点i、测量平面j和测量周期k的视距风速(测量值)。在下一时间步长中，省略最早的测量值并添加最新的测量值，然后针对最近的nP个测量点重复风场重构。
例如，如果使用具有四个激光雷达束的测量系统，如当前商业设备的情况，则在第一测量周期之后，对每个测量平面的值(v1j1；v2j1；v3j1；v4j1)执行求平均。如果在下一时间步长中(第二测量周期的开始)，再次在点1测量，则省略v1j1并用新的测量值v1j2替换。因此，对(v1j2；v2j1；v3j1；v4j1)执行求平均。
如果在测量周期期间由于叶片遮挡而省略一个或多个测量值，则通常对剩余的测量点执行求平均。如果在上述示例中，第二测量点在第二测量周期内被阻挡或遮挡，则此时对三个测量(v1j2；v3j1；v4j1)执行求平均。如果该测量值在第三测量点再次可用，则对(v1j2；v3j2；v4j1)执行求平均。表1示例性地示出其它步骤。
表1：在四束激光雷达系统情况下的先前方法的示例
Figure BDA0002715083170000081
然而，在大气条件不利的情况下(例如，在风切变期间)，会发生周期性波动。例如，如果四束设备在表2(见下表)的点测量，并且存在0.04(m/s)/m的竖直线性风切变，则两个上部点的测量值为17.2m/s，并且两个下部点中的测量值为14.8m/s。如果像之前一样，例如尤其是由于叶片遮挡，省略每第六个测量，则存在在1/3Hz处的共振。
表2：针对四束激光雷达系统的示例性测量点
Figure BDA0002715083170000082
作为本发明的一部分，发现共振是周期性地缺少测量数据和测量点的不同平均值的结果。根据权利要求1所述的控制系统有利地使得能够在不发生周期性地缺少测量数据的情况下控制涡轮，并且从而能够防止发生上述共振。
特别地，至少一个确定单元可以设计为：基于至少一个测量信号来检测测量值中的错误，尤其是由于相应测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡而引起的错误。优选地，至少一个确定单元可以设计为检测阻挡的特性，例如阻挡的周期性或反射率。
优选地，至少一个测量单元可以设计为：与至少一个测量信号并行地输出和/或输出至少一个质量信号，尤其是信噪比。这里，至少一个质量信号可以是电磁信号和/或声信号。至少一个确定单元可以设计为：基于至少一个质量信号来检测测量值中的错误，尤其是由于相应测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡而引起的错误。优选地，至少一个确定单元可以设计为：基于至少一个质量信号来检测阻挡的特性，例如阻挡的周期性或反射率。
优选地，至少一个控制单元可以包括至少一个确定单元。作为结果，可以集中地提供用于至少一个确定单元的功能和至少一个控制单元的功能的必要计算力。备选地，至少一个测量单元可以优选地包括至少一个确定单元。备选地，至少一个控制单元和至少一个测量单元可以分别包括至少一个确定单元的一部分。例如，至少一个确定单元的补偿错误测量值的部分可以被包含在至少一个测量单元内，从而无需传送错误测量值，而至少一个确定单元的、基于测量值来确定至少一个参数的部分可以被包含在至少一个控制单元内。这实现了控制系统的功能划分。优选地，例如，由于相应单元的当前利用，至少一个确定单元的功能可以由控制系统动态地分配给至少一个测量单元和至少一个控制单元。
优选地，至少一个测量单元设计为激光雷达系统。这里，激光雷达系统的至少一个测量信号可以包括至少一个测量束，优选是四个测量束。
优选地，至少一个确定单元设计为：基于测量点的集合，尤其是预定测量点的集合，确定流场的至少一个参数。这里，测量点的集合可以包括至少一个测量单元测量测量值的所有测量点，或者至少一个测量单元测量测量值的测量点的子集。
优选地，至少一个确定单元设计为：通过利用测量点集合中的另一测量点的测量值替换错误测量值，优选地利用最邻近测量点集合中的相应错误测量点的另一测量点的测量值替换错误测量值，来补偿流场的至少一个参数的错误确定。特别地，通过错误测量值的这种直接替换，可以执行错误测量值的快速且有效的替换。特别地，最邻近的另一测量点可以是在测量错误测量点时具有最小空间距离的测量点和/或具有最小时间距离的测量点。
优选地，至少一个确定单元优选地设计为：通过利用基于测量点集合中的至少两个其它测量点的测量值估计的测量值替换错误测量值，来补偿流场的至少一个参数的错误确定。这里，至少一个确定单元可以形成至少两个其它测量值的平均值。然而，至少一个确定单元并不限于这种设计。相反地，至少一个确定单元可以通过基于至少两个其它测量值的任何数学计算来计算估计的测量值。在具有四个独立测量点的控制系统中，至少一个确定单元例如可以以如下方式计算估计值：使得沿四边形的第一对角线的测量点的测量值之和等于沿四边形的第二对角线的测量点的测量值之和，该四边形的四个角对应于四个测量点。
优选地，至少一个确定单元设计为：通过利用各一个测量点的先前测量值、尤其是最近的先前测量值替换错误测量值，来补偿流场的至少一个参数的错误确定。各一个测量点的先前测量值尤其可以是相应测量点在时间上的先前测量值或最近测量值。特别地，如下面的表3所示，这产生了良好的风场重构，其中表3示出将这种风场重构应用于表1的值。
表3：在四束激光雷达系统的情况下的经改进的方法的示例
Figure BDA0002715083170000101
特别地，至少一个测量单元和/或至少一个控制单元和/或至少一个确定单元可以包括至少一个存储元件，这些存储元件设计为以可检索的方式存储每个测量点的至少一个先前(尤其是时间上的先前)测量值。至少一个存储元件优选地设计为以可检索的方式存储每个测量点的至少三个先前(尤其是时间上的先前)测量值。
优选地，至少一个确定单元设计为：通过利用基于各一个测量点(1、2、3、4)的至少两个先前测量值内插的测量值、尤其是线性内插的测量值替换错误测量值，来补偿流场的至少一个参数的错误确定。在已经检测到阻挡之后，可以直接从例如至少一个存储元件中检索相应测量点的至少两个先前测量值、优选是至少三个先前测量值。虽然线性内插使得能够有效地替换错误测量值，但是还可以使用其它内插，例如，样条内插。特别地，至少一个确定单元并不限于一种类型的内插，而是可以设计为使用任何类型的内插。
优选地，至少一个确定单元设计为：通过利用基于各一个测量点的至少一个先前测量值和一个下一测量值内插的测量值、尤其是线性内插的测量值替换错误测量值，来补偿流场的至少一个参数的错误确定。基于测量点的先前测量值和后续测量值或下一测量值的这种内插使得能够高效地替换错误测量值，而不会使生成测量点的测量值的后续剧烈波动。
优选地，控制单元包括反馈控制器，反馈控制器基于涡轮的测量信号，尤其是基于涡轮的转子转速和/或涡轮的发电机转速，来生成用于控制涡轮的至少一个反馈控制信号。优选地，控制单元包括前馈控制器，该前馈控制器至少基于流场的至少一个特定参数来生成用于控制涡轮的至少一个前馈控制信号。
优选地，至少一个确定单元还设计为：检测涡轮的电磁干扰和/或振动和/或测量单元支架的振动，并且补偿流场的至少一个参数的由此产生的错误确定。特别地，涡轮的电磁干扰和/或振动和/或测量单元支架的振动可能会导致测量单元不在预定测量点处测量测量值，尤其是周期性地不在预定测量点处测量测量值，因此测量到相应测量点的错误测量值。特别地，至少一个确定单元可以设计为利用替代测量值来替换这样的错误测量值，特别地，替代测量值借助于上述重构方法中的至少一种重构方法被确定。控制系统尤其可以具有至少一个电磁传感器和/或至少一个运动传感器和/或至少一个陀螺仪元件。
因此，特别地，本文所公开的解决方案基于对测量(尤其是激光雷达测量)的空间分辨率和时间分辨率之间关系的理解，并且基于对以下项的相互作用的理解：遮挡、切变和数据处理以及例如由塔架振动的激励引起的、尤其是对基于激光雷达的控制的影响，从而提供了一种用于控制涡轮的控制系统，以改进转子转速控制并降低结构载荷。
本公开的另一优点在于：可以避免在涡轮的操作期间或在在线应用中使用或设置陷波滤波器，其中陷波滤波器仅潜在地能够减少问题而无法解决问题。然而，特别地，这种陷波滤波器会引起信号或控制信号的额外的不期望由的相移，和/或可能会导致信号或控制信号对于涡轮的控制而言太迟。
另一方面涉及一种风力涡轮，该风力涡轮包括控制系统和至少一个转子叶片。这里，控制系统可以具有本文所描述的特征的任意组合。
另一方面涉及一种用于控制涡轮的方法，该方法包括从至少一个测量单元向在涡轮上游的流场中的各一个测量点发射至少一个测量信号；基于至少一个测量信号，尤其是在相应测量点中测量关于流场的至少一个参数的至少一个测量值；检测错误测量值，尤其是由于至少一个测量信号在至少一个测量单元和相应测量点之间被阻挡而引起的错误测量值，尤其是被涡轮转子叶片阻挡而引起的错误测量值；基于至少一个所测量的测量值来确定流场的至少一个参数，其中流场的至少一个参数的错误确定被补偿；以及基于流场的至少一个参数来控制涡轮。
这里，涡轮尤其可以是风力涡轮，流场是风场。然而，如上所述，本方法不限于风力涡轮的应用。特别地，涡轮例如可以设计为至少部分地在水下的流发电设备，和/或设计为可以由任意介质的流场驱动。涡轮尤其可以具有三个转子叶片，但是具有一个、两个或不止三个转子叶片的涡轮也是可能的。
流场的至少一个参数可以是流场的物理参数，流场的至少一个参数包括转子有效风速和/或风切变和/或风向。然而，至少一个参数并不限于这些变量，而是可以是流场的任何物理参数。流场描述了在空间区域内输送材料特性或其它特性(诸如力效应(相互作用))的流或流动。
特别地，至少一个测量信号可以由至少一个发射装置发射或发出。至少一个测量信号尤其可以是电磁波和/或声波。这里，尤其可以将至少一个测量信号发射至各一个测量点，以便在相应测量点处测量关于至少一个参数的至少一个测量值。测量至少一个测量值尤其可以包括接收至少一个测量信号的至少一个反射，其中至少一个所接收的反射可以被转换为至少一个数据信号。
对阻挡的检测尤其可以包括对周期性的错误测量值与非周期性的错误测量值的区分，周期性的错误测量值诸如是由于周期性的阻挡，例如由于涡轮转子叶片的旋转的阻挡，非周期性的错误测量值诸如是由于非周期性的阻挡，例如由于动物飞过。在这种情况下，检测例如包括对被反射的、被阻挡的测量信号的信噪比的分析，和/或对阻挡与至少一个测量单元的距离测量。
特别地，至少一个参数的确定包括：当检测到错误测量值，例如由于这种阻挡而引起的错误测量值时，补偿错误测量值，以避免或防止在特定参数中或在基于特定参数的控制信号中形成共振。为此，如上文所述，补偿尤其可以包括应用至少一种重构方法来替换由于阻挡而具有错误的测量值。
该方法还可以包括本说明书中所描述的特征的任意组合。
另一方面涉及一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括指令，当指令由计算机或处理器执行时，该指令使得计算机或处理器执行上述方法的步骤。
附图说明
下面将参考附图中示例性地示出的实施例和曲线图来解释本发明。附图中示出的实施例不应解释为限制性的。其中：
图1示出了具有四个测量束的示例性测量单元；
图2示出了基于表2的值和图1的转子有效风速的图形表示；
图3示出了具有测量单元的示例性风力涡轮；
图4示出了常规风场重构与根据本发明的示例性风场重构的图形比较；
图5针对图4所示的常规风场重构与根据本发明的示例性风场重构示出了功率密度谱。
具体实施方式
图1示出示例性的测量单元10，该测量单元10测量四个测量点1、2、3、4中的一个测量点处的流场的测量值。特别地，测量单元10从测量单元10分别发射一个测量束到相应的测量点1、2、3、4。这里，特别地，测量点1、2、3、4的数据和坐标对应于上面的表2中所示的数据。在这种情况下，测量单元10从测量点1到测量点4连续地测量流场的测量值，由此限定测量单元10的测量周期。
图2示出基于表2的值和图1的转子有效风速的图形表示。特别地，表2的数据表示具有竖直风切变的流场。例如，如果如图1所示的四束测量单元10在表2的点处测量，并且存在0.04(m/s)/m的竖直线性风切变，则在两个上部点中的测量值为17.2m/s，并且在两个下部点中的测量值为14.8m/s。例如，如果由于测量束被阻挡(例如由于叶片遮挡)而省略每第六个测量，则如图2所示，所确定的转子有效风速在1/3Hz处存在共振。如果所确定的转子有效风速用于控制涡轮，则这种共振会导致涡轮上的负载增加。
图3示出具有测量单元10的示例性风力涡轮。如图1所示，测量单元10测量四个测量点1、2、3、4中的一个测量点处的流场的测量值。特别地，测量单元10从测量单元10分别发射一个测量束到对应的测量点1、2、3、4。
这里，测量单元10被布置在风力涡轮的机舱20上。然而，这里，测量单元10的所示布置应当仅被解释为示例性的。相反，测量单元10可以被布置在机舱20的任何点处，只要测量单元10的测量束S1、S2、S3、S4仍然可以至少暂时地检测测量点1、2、3、4。这里，还可以在机舱20上布置多个测量单元10，例如在背离风力涡轮支脚的上侧和在面向风力涡轮支脚的下侧。
特别地，图3示出风力涡轮的构造，其中测量束S1、S3和S4可以以不被测量单元10阻挡的方式来检测相应的测量点1、3和4。从测量单元10发射到测量点2的测量束S2在点A撞击风力涡轮的转子叶片30并被其阻挡。因此，测量单元10测量到测量点2的错误测量值，而控制系统(未示出)检测到转子叶片30的阻挡并补偿错误测量值。
图4示出常规风场重构与根据本发明的示例性风场重构的图形比较。特别地，图4的曲线图针对具有表2的测量点1、2、3、4的四束激光雷达系统示出了湍流风场模拟中的转子有效风速的图示。图5针对图4所示的常规风场重构与根据本发明的示例性风场重构示出了功率谱密度(PSD)。
这里，生成具有10m/s的平均风速和6％的湍流强度的风场，并且利用四束激光雷达系统扫描该风场。如图2所示，针对每第六个数值模拟叶片遮挡。先前的方法生成在1/3Hz处的共振和谐波(2/3Hz、4/3Hz和5/3Hz)。如果该信号用于基于激光雷达的控制，则会在这些频率处激励风能设备的振动。这可能会导致负载增加而不是负载降低。
结果清楚地显示新方法不与叶片遮挡产生任何共振。由于这里在整个1s的测量周期上执行求平均，在1Hz和2Hz处导致频谱的典型减少。然而，这些对于基于激光雷达的控制(例如，基于激光雷达的先导控制)而言是不相关的。
说明书中描述的实施例不应解释为限制性的。相反，可以实现说明书和附图中描述的任意数量特征的任意组合。
附图标记说明
1、2、3、4 测量点
10 测量单元
20 机舱
30 转子叶片
S1、S2、S3、S4 测量束
A 点(转子叶片上的撞击点)

Claims (17)

1.一种用于涡轮的控制系统，包括：
控制单元，其中所述控制单元设计为：基于在所述涡轮上游的流场的至少一个特定参数，生成用于控制所述涡轮的控制信号；
至少一个测量单元，其中所述至少一个测量单元设计为：基于至少一个测量信号，测量关于所述流场的所述至少一个参数的至少一个测量值，其中每个测量信号能够被发射至所述风场的各一个测量点(1、2、3、4)；
至少一个确定单元，其中所述至少一个确定单元设计为：基于所测量的所述至少一个测量值，确定所述流场的所述至少一个参数，
其中所述至少一个确定单元设计为：检测错误测量值，尤其是由于至少一个测量信号在所述至少一个测量单元和相应的所述测量点(1、2、3、4)之间被阻挡而引起的错误测量值，尤其是被所述涡轮的转子叶片(30)阻挡而引起的错误测量值，并且补偿所述流场的所述至少一个参数的、从所述错误测量值中产生的错误确定。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述涡轮是风力涡轮，并且其中所述流场是风场。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述风场的所述至少一个特定参数包括转子有效风速和/或风切变和/或风向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个控制单元包括所述至少一个确定单元，或者
其中所述至少一个测量单元包括所述至少一个确定单元。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，
其中所述至少一个测量单元设计为：与所述至少一个测量信号并行地输出至少一个质量信号，尤其是信噪比，并且
其中所述至少一个确定单元设计为：基于所述至少一个质量信号，检测所述测量值的错误，尤其是由于相应的所述测量信号在所述至少一个测量单元和相应的所述测量点(1、2、3、4)之间被阻挡而引起的错误。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个测量单元设计为激光雷达系统。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其中所述激光雷达系统的所述至少一个测量信号包括至少一个测量束(S1、S2、S3、S4)，优选地四个测量束(S1、S2、S3、S4)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：基于测量点(1、2、3、4)的集合、尤其是预定测量点(1、2、3、4)的集合，确定所述流场的所述至少一个参数。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：通过利用所述测量点(1、2、3、4)的集合中的另一测量点(1、2、3、4)的测量值，优选地利用所述测量点(1、2、3、4)的集合中的、最邻近相应的所述测量点(1、2、3、4)的另一测量点(1、2、3、4)的测量值替换错误测量值，来补偿所述流场的所述至少一个参数的所述错误确定。
10.根据权利要求8或9所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：通过利用基于所述测量点(1、2、3、4)的集合中的至少两个其它测量点(1、2、3、4)的测量值估计的测量值替换错误测量值，来补偿所述流场的所述至少一个参数的所述错误确定。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：通过利用各一个所述测量点(1、2、3、4)的先前测量值、尤其是最近的先前测量值替换错误测量值，来补偿所述流场的所述至少一个参数的所述错误确定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：通过利用基于各一个所述测量点(1、2、3、4)的至少两个先前测量值内插的测量值、尤其是线性内插的测量值替换错误测量值，来补偿所述流场的所述至少一个参数的所述错误确定。
13.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元设计为：通过利用基于各一个所述测量点(1、2、3、4)的至少一个先前测量值和一个下一测量值内插的测量值、尤其是线性内插的测量值替换错误测量值，来补偿所述流场的所述至少一个参数的所述错误确定。
14.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述控制单元包括：
反馈控制器，其中所述反馈控制器基于所述涡轮的测量信号、尤其是所述涡轮的转子转速和/或所述涡轮的发电机转速，生成用于控制所述涡轮的至少一个反馈控制信号；和/或
前馈控制器，其中所述前馈控制器至少基于所述流场的所述至少一个特定参数，生成用于控制所述涡轮的至少一个前馈控制信号。
15.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中所述至少一个确定单元还设计为：检测所述涡轮的电磁干扰和/或振动和/或所述测量单元的支架的振动，并且补偿所述流场的所述至少一个参数的由所述涡轮的电磁干扰和/或振动和/或所述测量单元的支架的振动产生的错误确定。
16.一种风力涡轮，包括根据前述权利要求中任一项所述的控制系统和至少一个转子叶片(30)。
17.一种用于控制涡轮的方法，包括：
从至少一个测量单元向在所述涡轮上游的流场中的各一个测量点(1、2、3、4)发射至少一个测量信号；
基于所述至少一个测量信号，测量关于所述流场的所述至少一个参数的至少一个测量值；
检测错误测量值，尤其是由于至少一个测量信号在所述至少一个测量单元和相应的所述测量点(1、2、3、4)之间被阻挡而引起的错误测量值，尤其是被所述涡轮的转子叶片阻挡而引起的错误测量值；
基于所测量的所述至少一个测量值，确定所述流场的所述至少一个参数，其中所述流场的所述至少一个参数的错误确定被补偿；以及
基于流场的所述至少一个参数，控制所述涡轮。
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