具体实施方式

现在，将参照附图详细地描述根据本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的组件。

本发明的主要构思在于：在导流罩的罩头上开设测压孔，并且利用传感器测量测压孔的压力值，基于测量到的压力值确定外部来风的风速和风向角，以改善风力发电机组的对风和变桨性能。与使用设置在机舱的顶部的风向标和风速仪相比，由于测压孔开设在导流罩的罩头上，因此基于测压孔的压力值所确定的外部来风的风速和风向角不受叶轮的影响，从而可提高外部来风的风速和风向的测量的准确度。

下面，将具体描述根据本发明的风力发电机组的测风系统的构成。

根据本发明的测风系统可包括多个测压孔和压力传感器。多个测压孔中的一个测压孔沿中空回转体的导流罩的旋转轴线形成在导流罩的罩头上，多个测压孔中的其余测压孔以预定角间隔围绕该一个测压孔形成在罩头上。压力传感器可沿导流罩的旋转轴线设置在导流罩内部，用于测量外部来风对多个测压孔产生的压力值，以使风力发电机组利用基于压力值来确定的外部来风的风向角进而确定外部来风的风速。

测压孔的数量可以为三个或更多个，该数量可基于设计而改变。下面，将以三个测压孔为例来具体描述根据本发明的测风系统。

如图1至图4所示，风力发电机组的塔架上部的机头组合结构中，包括叶轮，叶轮上安装有多个叶片，叶轮直接面向外部来风的部分为导流罩结构，导流罩的前部为罩头结构，其可以为包括一定弧形结构的中空回转体，也可以是包括平面结构的中空回转体。本申请的测风系统可包括形成在导流罩10的罩头上的第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13。第一测压孔11与第三测压孔13可关于导流罩10的旋转轴线对称，第二测压孔12可沿导流罩10的旋转轴线形成在导流罩10的罩头上。第一测压孔11的中心线、第二测压孔12的中心线和第三测压孔13的中心线可处于同一平面上。

压力传感器20可用于测量第一测压孔11的压力值、第二测压孔12的压力值和第三测压孔13的压力值。作为示例，压力传感器20可包括多路压差传感器，其不仅可测量第一测压孔11的压力值、第二测压孔12的压力值和第三测压孔13的压力值，而且还可计算第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13中的每两个测压孔之间的压力差值。

测风系统还可包括控制器30，控制器30可被配置为确定第一测压孔11至第三测压孔13中的每两个测压孔之间的压力差值，并且基于确定的压力差值来确定风向角，从而基于所确定的风向角来确定外部来风的风速。

基于压力传感器20的类型，控制器30可从压力传感器20直接接收每两个测压孔之间的压力差值，或者，从压力传感器20接收第一测压孔11至第三测压孔13的压力值，并且基于接收到的第一测压孔11至第三测压孔13的压力值而获得压力差值。优选地，第一测压孔11至第三测压孔13的压力值为第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13所在的平面处于水平面时测得的压力值。

作为示例，压力传感器20可设置在导流罩10的旋转轴线上并位于导流罩内部，并且可分别通过连接气管21与第一测压孔11至第三测压孔13连通。压力传感器20与第一测压孔11的连线以及压力传感器20与第三测压孔13的连线可分别与导流罩10的旋转轴线呈锐角。如图3所示，第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13的中心线的连线的交点可以为压力传感器20的设置位置。压力传感器20和第一测压孔11的连线与导流罩10的旋转轴线所成的角为α，压力传感器20和第三测压孔13的连线与导流罩10的旋转轴线所成的角为β，α和β可以相等并且可以为锐角。例如，α和β可以为45度角，第一测压孔11和第三测压孔13在此布局下对外部来风的方向变化比较敏感。当然，α和β的角度不限于45度，按照需要，其还可以为其他角度。对于弧形的罩头结构，压力传感器20可以设置在弧心位置处，以使多个测压孔可相对于压力传感器20均匀布置。

此外，测风系统还可包括温度传感器，温度传感器用于测量风力发电机组所处的外部环境的温度值。基于温度传感器所感测的温度值以及第一测压孔11至第三测压孔13的压力值，控制器30可确定外部来风的风速。

在本实施例中，作为示例，控制器30可包括轮毂控制柜31和主控制柜32，轮毂控制柜31可从压力传感器20接收第一测压孔11至第三测压孔13的压力值，然后将其发送给主控制柜32。主控制柜32可基于测量得到的压力值来确定风向角，进而基于所确定的风向角、第一测压孔11至第三测压孔13的压力值和温度传感器所感测的温度值来确定风速。主控制柜32可基于所确定的风向角发送控制指令至轮毂控制柜31，以使轮毂控制柜31选择性地控制风力发电机组执行变桨等操作。此外，轮毂控制柜31从角度传感器40接收导流罩10的旋转角度，来确定第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13所在的平面是否处于水平面，当确定其处于水平面时，将第一测压孔11至第三测压孔13的压力值发送至主控制柜32，主控制柜32可基于此时的压力值确定外部来风的风向角。当然，控制器30不限于包括轮毂控制柜31和主控制柜32，例如，控制器30可仅包括主控制柜32，主控制柜32可直接从压力传感器20接收第一测压孔11至第三测压孔13的压力值以及导流罩10的旋转角度，或者控制器30可包括一个集成控制柜。

可选地，为了避免第一测压孔11至第三测压孔13被堵塞或为了避免外部来风中含有的水气等污染压力传感器20等部件，每个测压孔上可设置有防水透气阀50。

另外，测风系统还可包括风向标60，风向标60设置在风力发电机组的机舱70的顶部上，用于在风力发电机组的测风初始寻找外部来风的来流方向以及对第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13的安装位置进行初始标定。

下面，将以图3中示出的三个测压孔的布局为例具体描述基于本发明的测风系统进行测风的方法，以便于深入理解本发明的技术构思。

基于本发明的测风系统进行测风的方法可包括：从压力传感器20接收第一测压孔11、第二测压孔12以及第三测压孔13的压力值；基于压力值确定外部来风的风向角；基于所确定的风向角确定外部来风的风速。

在测风过程中，当风力发电机组启动后，可通过风向标60快速寻找外部来风的方向，并启动偏航系统进行初始对风，随后使用本申请的测风系统进行精确对风；当然，也可以不使用风向标60进行初始对风，直接用本申请的测风系统进行对风和偏航控制。压力传感器20所测量的第一测压孔11、第二测压孔12以及第三测压孔13的压力值随着实时变化，主控制柜32基于所测量的压力值可实时确定外部来风的风向角和风速，并且基于实时确定的风向角控制风力发电机组的偏航动作，并实时记录得到的风速。即，在测风过程中，第一测压孔11的压力值和第三测压孔13的压力值中的一个可能会变大，主控制柜32可控制偏航系统朝向压力值大的一侧转动，直到第一测压孔11的压力值与第三测压孔13的压力值之间的压力差值为零为止。当第一测压孔11的压力值与第三测压孔13的压力值之间的压力差值为零时，可视为风力发电机组的叶轮满足对风需求，此时主控制柜32可控制风力发电机组停止偏航动作，对风结束。测量得到的准确风速用于风力发电机组的风速记录和进一步控制，例如，可用于风力发电机组的功率曲线的绘制和验证。

下面，将描述主控制柜32基于第一测压孔11、第二测压孔12以及第三测压孔13的压力值获得外部来风的风向角和风速的方法和/或原理。

这里，定义从压力传感器20接收到的第一测压孔11的压力值为P1，第二测压孔12的压力值为P2，第三测压孔13的压力值为P3，则主控制柜32可基于压力值P1、P2以及P3确定外部来风的风向角。

具体地，可通过下式(1)来计算角度系数K1，并且可利用预先存储的角度系数K1与风向角之间的映射关系，基于计算出的角度系数K1来确定相应的风向角。例如，角度系数K1与风向角为如图5中示出的关系曲线，从而在计算出角度系数K1之后，利用插值法来获得当前相应的风向角。

在获得当前的风向角之后，可基于风力发电机组所处的外部环境的温度值t以及压力值P1、P2和P3来确定外部来风的风速。

具体地，在确定当前风向角之后，可基于预先存储的总压系数K2与风向角的映射关系，来确定总压系数K2。例如，总压系数K2与风向角为如图6中示出的关系曲线，从而在获得当前风向角之后，利用插值法来获得相应的总压系数K2，然后通过下式(2)来计算总压力值P*(总压力值：气流某点上速度等熵滞止到零时所达到的压力值，又称滞止压力值)。

在确定了总压力值P*后，可利用风向角基于预先存储的速度系数K3与风向角之间的映射关系，获得速度系数K3。例如，速度系数K3与风向角为如图7中示出的关系曲线，从而在获得当前风向角之后，利用插值法来获得相应的速度系数K3，然后基于所计算的总压力值P*和速度系数K3通过下式(3)来计算静压力值P(静压力值：在静止气体中，由于不存在切向力，故这个表面力与所取面积的方向无关，该压力值称为静压力值)。

然后，可基于获得的静压力值P和总压力值P*以及计算得到的空气密度ρ，通过下(4)来计算外部来风的风速V。

其中，空气密度ρ可通过下式(5)来计算。

其中，T＝t+273.15，R为空气的气体常数，287J/kg·K。

通过上式(1)-(5)以及图5至图7，可确定外部来风的风向角和风速。需说明的是，图5至图7中示出的角度系数K1、总压系数K2和速度系数K3与风向角的关系曲线仅是示例性的，其可预先存储在主控制柜32内。例如，关系曲线可通过例如模拟仿真软件模拟风力发电机组的测风过程绘制或者可在风力发电机组的实际测风过程中绘制，由此可基于上式(1)-(5)以及相应的关系曲线来确定外部来风的风向角和风速。

在测量外部来风的风向角和风速的过程中，为了测量的准确性，可基于角度传感器40测量的导流罩10的旋转角度来确定第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13所在的平面是否处于水平面，当确定其处于水平面时，基于此状态下的第一测压孔11至第三测压孔13的压力值来计算外部来风的风向角和风速。

具体地，压力传感器20可以以预定的频率扫描并测量第一测压孔11至第三测压孔13的压力值，压力传感器20将实时测量的压力值转化为电信号传输到轮毂控制柜31。轮毂控制柜31可基于从角度传感器40接收的导流罩10的旋转角度，判断当第一测压孔11至第三测压孔13所在的平面处于水平面时，将第一测压孔11至第三测压孔13的压力值发送至主控制柜32，主控制柜32可通过上式(1)-(5)以及图5至图7中的特性曲线来计算外部来风的风速和风向角，并且基于获得的风速和风向角控制风力发电机组的变桨和偏航动作。

当然，也可在第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13所在的平面处于非水平面时，基于第一测压孔11至第三测压孔13的压力值来计算外部来风的风向角和风速，其只需在上述第一测压孔11、第二测压孔12和第三测压孔13所在的平面处于水平面的计算方法的基础上相应地做出修正(例如，增加修正系数)即可。

在图1中示出的实施例中，测风系统的第一测压孔11至第三测压孔13形成在导流罩10的圆弧状罩头上，但根据本发明的实施例不限于此，测风系统的测压孔还可形成在其他形状的导流罩上。

例如，在图8以及图9示出的实施例中，导流罩10’的罩头的前端形成为平坦的表面，第一测压孔11’、第二测压孔12’和第三测压孔13’可形成在导流罩10’的罩头上。可选地，可仅第二测压孔12’形成在罩头的平坦的表面上，而第一测压孔11’和第三测压孔13’形成在罩头的平坦表面外周的其他部分上。

另外，与图1中示出的实施例类似，压力传感器20和第一测压孔11’的连线与导流罩10的旋转轴线所成的角α’与压力传感器20和第三测压孔13’的连线与导流罩10的旋转轴线所成的角β’可以相等并且为锐角。优选地，α’和β’可以为45度角。

图8中示出的实施例的其他构造与图1中示出的实施例的构造大体相同，因此这里将省略其他构造的描述。此外，基于图8中的测风系统进行测风的方法大体与基于图1中的测风系统进行测风的方法相同，因此这里不再描述。

根据本发明的实施例的测风系统，可实时准确测量外部来风的风速和风向角，因此风力发电机组能够基于所测量的风向角和风速而准确地执行偏航等动作。此外，根据本发明的实施例的测风系统，结构简单，可批量化生产，一套测风系统可应用于外形相同的多个导流罩。此外，根据本发明的实施例的测风系统，可靠性高，受外部环境因素影响小。

虽然上面已经详细描述了本发明的实施例，但本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明的实施例做出各种修改和变形。但是应当理解，在本领域技术人员看来，这些修改和变形仍将落入权利要求所限定的本发明的实施例的精神和范围内。