风力涡轮机是一种用于将风动能转换为机械能的机械。如果该机 械能直接由机器用来例如抽水或碾磨小麦，那么该风力涡轮机可称为 风车。类似地，如果该机械能进一步转换为电能，那么该涡轮机可称 为风力发电机或风力发电站。
风力涡轮机使用采用“叶片”形式的一个或多个翼型件(airfoil)， 以产生升力(lift)并且从流动的空气中获取动力，然后将该动力传给转 子。各个叶片通常在其“根部”端固定，然后沿径向“向外侧”“跨” 到自由的“梢”端。叶片的前部或“前缘”连接叶片最前点，该叶片 最前点首先接触到空气。被前缘分隔开的气流在经过叶片的抽吸和压 力表面后，在叶片的后部或“后缘”处重新汇合。“弦线”沿着经过 叶片的的典型气流的方向连接叶片的前缘和后缘。该弦线的长度简称 为“弦长”。
风力涡轮机通常根据叶片旋转所围绕的垂直轴线或水平轴线来 分类。一种称为水平轴线风力发电机的风力涡轮机示意性地显示在图 1中，并且可以从美国乔治亚州亚特兰大的GE能源公司(GE Energy of Atlanta，Georgia UAS)获得。用于风力涡轮机2的特定构造包括对具有 转子8的传动系6进行支撑的塔架4，转子8由称为“吊舱”的保护 性壳体覆盖。在吊舱外侧，叶片10布置在转子8的一个端部上，以 用于驱动连接到发电机14的变速箱12，该发电机14在吊舱中的传动 系6的另一端并且具有控制系统16。
为了防止损坏叶片，控制系统16通常构造成以便在大约为8英 里每小时至16英里每小时的最小风速下自动启动风力涡轮机，然后 在大约为55英里每小时的最大风速下停止风力涡轮机。此外，控制 系统16还可以构造成以便响应风速和/或其它控制系统输入对风力涡 轮机运行的各个其它方面进行控制，诸如功率输出、功率曲线测量、 吊舱偏转和叶片倾斜。控制系统16的这些方面和/或其它方面通常在 两类宽泛的且通常交迭的控制系统下实施，这两类控制系统具有很多 变化和结合：逻辑控制或顺序控制，以及反馈控制或线性控制。然而， 所谓的模糊逻辑也可以用来将逻辑控制系统的一些设计简便性和线 性控制系统的实用性相结合，反之亦然。
反馈控制系统通常包括具有传感器、控制算法和执行器的控制 环，该控制环通常设置成以便调整设置点处的操作参数变量或者基准 值。所谓的“PID控制”是可应用在风力涡轮机中的一种通用型反馈 控制系统。在另一方面，“开环”控制系统被用来以不使用反馈的预 先设定的方式来控制风力涡轮机运行。
用于风力涡轮机2的现代控制系统16通常由常作为本地嵌入式 控制系统和/或范围更宽的分布式控制系统的一部分的本地计算机和/ 或远程计算机来实施。这些计算机通常配置成以便通过测量开关输 入、根据这些测量值计算逻辑函数且然后将结果发送到电子控制的开 关，来模拟逻辑设备。虽然逻辑控制系统和反馈控制系统都由可编程 逻辑控制器来针对风力涡轮机实施，但是控制系统16也可以由其它 非计算机技术来实施，如由电子继电器或机械继电器、真空管道、电 子、液压和/或汽动系统、甚至简单的周期性手动调整来实施。
如上所述，对控制系统16的输入通常包括各种风力特性，例如 由具有风向标的风速计所获得的风速和风向。如图1所示，风速计18 可安装在风涡轮机2的吊舱上或附近。例如，所显示的杯式风速计包 括臂端部处的杯，在吹风时这些杯进行旋转。然而，也可以使用其它 类型的风速计，包括叶片式风速计、压力管式风速计、热线式风速计 和声波风速计。
使用这些仪器来实施的“吊舱风力特性测量”受到导致错误的各 种影响，包括叶片10的紊流效应，其旋入或旋出风速计18的流体流 动通道和/或吊舱上的风向标。因此，如图2所示，有时在风力涡轮机 2的逆风方向的适当距离D处布置另外的气象桅杆20，以便于对“自 由流”或“自由气流”的风速和风向进行测量，该风速和风向近似于 若不存在涡轮机时在涡轮机位置处测到的“真实的”风速和风向。实 际上，这样的风速和风向测量值对国际电工委员会标准(International Electrotechnical Commission Standard)“IEC61400-12”所述的“Power performance measurements of electricity producing wind turbines”特别重 要。
美国专利公开No.2007/0125165(来自编号No.11/295,275的申 请)披露了一种用于修正由基于舱的风速计所产生的数据中的测量值 误差以及用于利用下述的根据经验获得的公式来确定自由流风速的 技术：

其中，Cp为功率系数，并且a，b和c表示与涡轮机及其运行方面相关 的值。然而，如果没有气象桅杆20，这些和其它传统的吊舱风速误差 修正技术不足以解决叶片10的紊流效应，其旋进和旋出在吊舱上的 风速计18的流体流动通道。在涡轮机吊舱上的该测得的风速和实际 自由流风速之间的关系有时称为“吊舱-自由流转换函数”，或者简称 为“转换函数”。
发明内容
本申请通过在各个实施例中提供针对具有转子的风力涡轮机的 自由流风力特性进行估算的系统来解决这些传统方法的这些方面和 其它方面，其包括：对涡轮机估算吊舱风速；根据该估算出的吊舱风 速来确定转子的至少一个角位置，以用于对涡轮机测量吊舱风力特 性；以及在转子的、经确定的角位置处测量吊舱风力特性。
附图说明
现在将参考下列附图(“图”)来描述本技术发明的各个方面，这 些附图不一定是按比例绘制的，但是在若干视图的各个附图中，使用 相同的参考标号来表示相应部件。
图1为传统风力涡轮机的示意性侧视图；
图2为具有气象桅杆的、图1中的风力涡轮机的示意性侧视图；
图3为轴向吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图4为侧向吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图5为向上吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图6为水平吊舱风速-转子位置的关系曲线；
图7为桅杆风速-吊舱风速的关系曲线；
图8为斜率及确定系数-转子位置的关系曲线；
图9为吊舱风速与桅杆风速之差-轴向吊舱风速的关系曲线；
图10示意性地显示了对具有转子的风力涡轮机的自由流风速进 行估算的方法。
部件列表：
2.风力涡轮机
4.塔架
6.传动系
8.转子
10.叶片
12.变速箱
14.发电机
16.控制系统
18.风速计
20.气象桅杆
30.斜率相关线
32.r-平方相关线
40.曲线线条
42.曲线线条
44.曲线线条
46.曲线线条
48.曲线线条
50.估算自由流风力特性的方法和系统
52.第一步
54.第二步
56.第三步

图3是对于9米每秒和10秒每秒之间的平均轴向风速的、沿着 图2所示的转子轴线“U”的吊舱风速曲线。更具体地讲，对于沿着 图2的转子轴线“U”的、落入在9米每秒(“m/s”)和10米每秒之间 的“范围(bin)”值的测量值，该图显示了由三维声波记录风速计测量 的、作为转子角位置的函数的沿转子轴线的吊舱风速。然而，也可以 使用其它风速计和/或其它空间定向。对于相同的9m/s至10m/s的轴 向风速“U”范围，图4和图5显示了沿着图2所示的侧向轴“V”和 向上轴“W”的平均风速测量值的类似曲线。因为转子轴线“U”可 以自水平倾斜，所以图6还显示了对于所测得的、9m/s至10m/s范围 中的轴向风速“U”的水平风速测量值“H”。
对于转子的全部角位置，图7是显示了对于9m/s至10m/s范围的、 气象桅杆20处的测得水平风速“M”对于来自图6的水平的测得吊舱 风速“H”的散点图。在本示例中，桅杆水平风速“M”用来指代真 实风速。然而，对真实风速的其它指代也可以使用。优选但并不是必 要地，将以这样一种方式来获得真实风速测量值，以降低测量装置和 /或其它外部因素对读数的影响。
图7还显示了转子定向的两个角度范围以及针对这些角范围的 “M”和“H”之间的相应的相关性。参考线30显示了“M”/“H” 的斜率值大约为0.15，此处，转子的角位置在59度与61度之间。 参考线32显示了“M”对“H”的回归确定系数“R平方”值大约为 0.55，此处，转子的角位置在119度和121度之间。为了找出和/或等 级划分对于转子各种角度定向范围的测得风速和真实风速之间的关 系，还可以使用其它相关性，包括但不限于加权最小二乘方，卡方 (Chi-square)，点二列相关性，皮尔森积矩和/或相关性系数，Spearman′s ρ、Kendall′sτ、多项相关性、交叉相关性、自相关性和/或联合函数 (copulas)。
图8为以上关于图7所述的对于各种转子角位置的的斜率和确定 系数的曲线。图8显示出“M”与“H”的确定系数和斜率的最大值 出现在大约20°、140°和260°转子角位置处，其中，零度角是叶片之 一大体垂直地布置时测得的角度。然而，也可以使用用于确定转子角 位置的其它起始位置。
上述各种测量和计算也可以针对风向和/或与除上面讨论的9m/ 至10m/s范围外的其它风速“范围”相联系来进行。当考虑其它风速 范围时，对于在转子的其它角位置处的真实风速与测得吊舱风速之间 的最大(确定系数)相关性的角位置如下所示：
  风速范围(m/s)   第一位置(度)   第二位置(度)   第三位置(度)   3-4   50   170   290   4-8   40   160   280   8-9   30   150   270   9-10   20   140   260   10-11   10   130   250   11-13   0   120   240
  13-14   350   110   230   14-16   340   100   220
对于高风速，上述表格显示了测得风速与真实风速之间的最大相 关性的角位置是如何减小的(朝向零度旋转)。这样，真实风速与测得 吊舱风速之间的最佳相关性可以在某个角位置处找到，对于所测得的 吊舱风速的不同范围，该角位置会变化。对于真实风速和测得的吊舱 风速之间的并不一定是最强相关的相关性，也可以确定任何可接受限 度内的其它位置和/或位置的范围。也可以针对各个风力涡轮机叶片构 造来重新计算这些角位置，并且/或者对于任何风力涡轮机叶片构造， 上面所指出的位置也可以用作最佳估算。针对真实风向和测得的吊舱 风向之间、和/或其它风力特性之间的最佳相关性，对于确定转子的角 位置也预期有类似的结论。
在另一方面，测得吊舱风速和风向与真实风速最不可能相关的角 位置可以由下面的几何计算来确定：
d*360*Nr/(v*60)，
其中，“d”为转子平面和风速计之间的距离，“Nr”为转子速 度(以每分钟转数来表示)，并且“v”是吊舱风速的时间平均测量值。 那么测得吊舱风速至少与真实风速最不可能相关的其它两个“受影响 位置”为在由该公式所指出的位置之后的120°和240°。相反，因此也 能够确定测得吊舱风速与真实风速最可能相关的角位置出现在上述 公式给出的受影响位置之前(或之后)的60°。或者，对于所有风速，也 可以粗略地确定测得吊舱风速与真实风速最可能相关的角位置出现 在60°、180°和300°转子位置，在该位置，叶片10定位成距离通向风 速计18的风力流动通道最远。
图9为吊舱风速与桅杆风速之差-轴向吊舱风速的关系曲线。在 图9中，对于上表列出的转子位置，曲线线条40绘出了测得吊舱风 速与真实风速之间的差值“Δ”与测得轴向吊舱风速“U”之间的关系。 因为240°位置的一些数据看起来是错误的，所以图9还显示了若干个 另外的数据筛选。曲线线条42显示了忽略240°位置的特例。曲线线 条44显示了对数据应用了一分钟移动平均的另外一个特例。曲线线 条46是对数据应用了一分钟移动平均并且忽略240°位置的另一个特 例。曲线线条48显示了对于各个角位置仅仅利用单一测量值的又一 个特例。
图10示意性地显示了对具有转子的风力涡轮机的自由流风力特 性进行估算的系统和方法50。例如，吊舱风力特性可以选自但不限于 包括风速、速度和方向的组。图10的流程图示出了系统和方法50的 许多可行实施方案中的一种实施方案的大体架构、功能和操作。例如， 图10所示的用于系统和方法50的步骤的其中一些或所有步骤可以在 包括用于实施逻辑功能的可执行指令有序序列的软件、固件和/或硬件 中实施。当在作为图1所示的控制系统16的一部分的软件中实施时， 各个方块可代表模块、片段或代码的一部分，其包括用于实施特定逻 辑功能的一个或多个可执行指令。应该注意的是，在各个备选实施方 案中，方块所说明的功能可以不按图10所示的顺序发生。例如，根 据所涉及的功能，图10中连续地显示的两个方块实际上可以大体上 同时执行，并且/或者方块有时可以以相反的顺序或者其它顺序来执 行。
这些指令可以写入在任何计算机可读介质中，以通过或者连接指 令执行系统、装置或设备(例如基于计算机的系统、包括处理器的系 统、可编程逻辑控制器和/或能够从该指令执行系统、装置或设备中获 取指令并执行该指令的其它系统)来使用。该“计算机可读介质”可以 是能容纳、存储、通信、传播或传输程序的任何器件，以通过或连接 指令执行系统、装置或设备来使用。例如，该计算机可读介质可以是 电子的、磁的、光学的、电磁的、红外线的或半导体的系统、装置、 设备或传播介质。该计算机可读介质的其它非穷举性的示例可包括以 下：具有一个或多个线路的电连接(电子的)、便携式计算机软盘(磁的)、 随机存储器(RAM)(电子的)、只读存储器(ROM)(电子的)、可擦可编程 序只读存储器(EPROM或闪存)(电子的)、光纤(光学的)以及便携式光 盘只读存储器(CDROM)(光学的)。注意该计算机可读介质甚至可以是 纸张或程序打印在其上的其它适合介质，因为可以通过例如对纸张或 其它介质进行光扫描来以电子方式获取程序，然后编译、解释或者如 有必要以适合的方式进行其它处理，然后存储在计算机存储器中。
在图10所示的非限定性示例中，系统和方法50包括用于对涡轮 机进行吊舱风速和/或其它吊舱风力特性进行估算的步骤52。例如， 可以在涡轮机运行的预定期间将吊舱风速隐含地或明确地估算为大 致恒定的值。然后可根据特定原因、天气状况和/或其它本地变量来修 改该值。对吊舱风速的这种定期估算甚至可以由操作人员手动进行。
备选地，或者另外，可以通过随时间测量实际吊舱风速来估算吊 舱风速，例如通过测量多个角位置和/或转子多周旋转的平均吊舱风速 来估算吊舱风速。例如，可以通过实际吊舱风速的一个或多个较早测 量值(包括针对上面表格所示的转子角位置中的一个或多个角位置所 获得的测量值)来估算当前的吊舱风速。
估算吊舱风速的另一个可选步骤包括测量涡轮机的功率输出，然 后根据涡轮机功率曲线来输入风速。估算吊舱风速的另一个选择步骤 包括，根据对于给定转子位置的转子速度“Nr”的测量值以及转子平 面与风速计之间的距离“d”，使用上面讨论的公式d*360*Nr/(v*60) 和/或其它计算来计算风速“v”。
图10中的系统和方法50的步骤52包括根据估算出的吊舱风速 来确定转子的至少一个角位置，以用于测量涡轮机吊舱风力特性。例 如，如以上所讨论的那样，该确定步骤可包括对于转子若干角位置中 的各个角位置，使真实风速和吊舱风速相关；并且基于该相关性来选 择该至少一个角位置。可以使用包括上面讨论的任何最强相关性的任 何可接受的相关性等级。特别是，对于落入表格左栏中列出的范围的 其中一个范围内的任何估算出的风速，可根据上面显示的表格来确定 用于测量吊舱风速和/或风向的三个角位置。除了使用这样的查询表格 外，类似信息能够以函数或图表的形式来获得和/或利用。备选地，或 者另外，角位置可根据上面讨论的公式d*360*Nr/(v*60)来确定。
图10中的系统和方法50的步骤54包括在确定了的角位置处测 量吊舱风力特性。例如，可以使用声波风速计来测量吊舱风速和/或风 向。然而，也可以使用其它合适的快速风速计和/或风向标。
图10中的系统和方法50的步骤56包括选择性地对测得的吊舱 风力特性进行补偿，以得出自由流或其它风力特性。例如，该补偿可 包括设立对吊舱风速的修正因数，并且用该修正因数来调整吊舱风 速。特别是，可以使用图9中的任何曲线线条来使“Δ”值与测得的 吊舱风速相关联。然后，可将该关联的“Δ”值加到测得的吊舱风速 上以得到自由流风速。除了使用图9中的曲线线条外，类似信息可以 以查询表或函数的形式来获取和/或利用。备选地，或者另外，也可以 实施包括上面讨论的、于美国专利公开No.2007/0125165所披露的关 系在内的其它线性和/或非线性关系，以用于使测得的风力特性与补偿 的风力特性相关。也可以使用相似类型的曲线、查询表和/或函数，以 将测得的吊舱风力特性转换成其它有用的形式。未经补偿的测得吊舱 风力特性可直接用于进行功率性能测量和/或通过对那些系统的其它 方面进行补偿来控制涡轮机。
对于风力技术的任何方面，包括上面讨论的对发电风力涡轮机的 功率性能测量，该经调整的吊舱风速可作为对自由流风速的估算值或 代替值来使用。上述各种技术容许确定例如速度和/或方向的自由流风 力特性而无需气象桅杆20，而其它技术需要气象桅杆20以解决旋入 和旋出吊舱上的风速计18的流动流动通道的叶片10的紊流效应。此 外，由于很多风力装置不设有气象桅杆20，所以本申请所述的技术容 许对现有的发电风力涡轮机或其它装置进行较简单的修改而取得更 精确的功率性能(和/或其它)测量。
应该强调的是，上述实施例，特别是任何“优选的”实施例，仅 仅是本申请提出的各种实施方案的示例，以供清楚地理解本技术的各 个方面。在没有实质上脱离仅由所附权利要求的适当解释所限定的保 护范围的情况下，对这些实施例中的许多实施例进行改变是可行的。