CN102165187A - 用于估计和控制风轮机效率的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于估计风轮机(3)的输出的系统，风轮机(3)的控制系统包括用于测量分别位于风轮机(3)中和气象塔(5)中的气象参数M1、M2的测量装置(11、15)和用于测量其定向方向β及产生的功率Pr的测量装置(13)，还包括连接到前述测量装置(11，13，15)的计算机化单元(21)，该单元具有第一计算模块(23)，其基于第一运行阶段期间获得的数据按所述参数的函数获得典型功率Pc；及第二计算模块(25)，其根据第一计算模块(23)在一个或多个数据序列的集合中获得的函数确定实际产生的功率Pr和典型功率Pc之间存在的平均偏差Dm。

Description

用于估计和控制风轮机效率的系统
技术领域
本发明涉及用于估计和控制风场中风轮机的输出的系统，着眼于优化可从每一风轮机获得的发电。
背景技术
风轮机的输出的分析涉及精确地了解空气密度、落在其转子上的流动气流的速度及其他特性。然而，关于落在叶片上的风的速度及特性的数据不可能精确测量，因而必须使用多种估计方法来获得风轮机产生的功率和落在叶片上的风之间的关系。
在科学范围内提出的方法的有效性在气象塔离开风轮机一定距离的情形下尚未得到证明。此外，几个气象塔用于控制相对小量风轮机如7台风轮机的发电。
为该任务开发的最新方法如MADE Tecnologías Renovables的专利ES2198212中所述，其题为“Method for the control of production in electric wind turbines”，发明人为M.Sanz-Badía、F.J.Val、A.Llombart。如果在至少8周的时间段期间保持，该方法已成功检测约2％的异常，但也具有多个缺点，如：
-其经来自气象桅杆的速度和风向数据表征风场中的所有风轮机的发电，这并不代表实际落在风轮机上的风，因为桅杆可能位于距离风轮机相当距离的位置处。
-其没有考虑风速或相对湿度的标准偏差的可能影响。
-其不提供风轮机输出的估计量。
-(根据方向)分为狭窄和固定形式的扇区(每一个优选5°)意味着许多扇区不能被表征。
-可能检测的最大误差约为2％。
-风轮机表征过程不是自动过程。
本发明意于解决这些问题。
发明内容
本发明的目标是提供用于估计和控制风场中风轮机的发电的自动系统，其使能有效地检测风轮机产生的功率的任何异常偏差，使得可采取适当的措施以使因不可利用性引起的可能发电损失最小化并将风轮机的运行特性保持在最佳范围内。
本发明的另一目标是提供用于估计和控制风场中风轮机的发电的自动系统，其使能自动向风轮机的控制系统提供指示以根据风轮机产生的功率的主要异常偏差的检测结果改变其运行。
这些及其他目标通过提供用于估计和控制位于风场中的风轮机的输出的系统实现，其包括：
-用于测量位于风轮机中的气象参数M1的第一测量装置。
-用于测量风轮机的定向方向β及风轮机实际产生的功率Pr的第二测量装置。
-用于测量位于上面提及的风场中的气象塔中的气象参数M2的第三测量装置。
-连接到上面提及的第一、第二和第三测量装置的计算机化单元，其包括：
-第一计算模块，基于在风轮机的第一运行阶段期间由上面提及的第一、第二和第三测量装置定期提供的数据至少按气象参数M1和M2及风轮机的定向方向β的函数获得风轮机典型功率Pc；
-第二计算模块，基于在风轮机正常运行期间由上面提及的第一、第二和第三测量装置定期提供的数据获得在风轮机实际产生的功率Pr和对应于连同功率值Pr提供的参数M1和M2及风轮机的定向方向β的值的典型功率Pc之间存在的平均偏差Dm，在对应于预定的多个时间段的一个或多个数据序列集合中应用第一计算模块获得的函数。
在本发明的优选实施例中，气象参数M1至少包括风速v和风向α和/或源自它们的统计参数，及气象参数M2至少包括空气的压强Pa、温度T和相对湿度Hr和/或源自它们的统计参数。从而，一方面可获得用于估计和控制风轮机的输出的系统，其使可能使用位于风轮机的机舱中的风速计和风向标并在这些仪器仪表提供的测量中充分考虑风轮机引起的扰动；另一方面，可获得用于估计和控制风轮机的输出的系统，其使能借助于风轮机输出的数值估计自动估计发电。
在本发明的另一优选实施例中，上面提及的第二计算模块包括连接到风轮机的控制系统的子模块以在上面提及的序列之一的平均偏差Dm超出一些预定阈值时直接向其传送将由上面提及的控制系统执行的指令。从而获得具有与控制系统直接通信的装置的、用于估计和控制风轮机输出的系统，这使能在引起风轮机输出的特定异常偏差的任何情况出现时立即采取行动。
在本发明的另一优选实施例中，上面提及的第一测量装置，通常为位于风轮机机舱中的风速计和风向标，成双从而包括主装置和辅助装置，及上面提及的第二计算模块包括另外的计算装置以基于来自上面提及的主装置和上面提及的辅助装置的气象参数M1提供的数据获得上面提及的平均偏差Dm从而基于获得的结果之间的差异检测这些装置的任何故障。从而实现使能自动检测上面提及的成双测量装置中的任何装置的任何故障的、用于估计和控制风轮机输出的系统，在检测到故障的情形下，指示控制系统使用从另一装置提供的数据。
本发明的其他特性和优点可从下面关于附图的详细描述看出。
附图说明
为补充在此给出的描述及帮助更好地理解本发明的特性，在本发明的实际优选实施例的基础上，作为本说明书的组成部分，提供一组用于说明但非限制目的的图，其中：
图1为根据本发明的用于估计和控制风轮机的系统的框图。
图2和3中的每一个示出了任何两bin(i和k)的方向数据的分组结果的示意性表示。从这些表示可以看出，笼统地，分区不均匀，最窄的扇区处于主风向，及方向中的较宽方向具有更低的频率。
图4示意性地示出了表征风轮机的运行的过程。从原始历史数据开始，执行数据过滤以获得过滤后的历史数据。随后，该数据根据气象变量分为n个子组。这些子组遵循先前部分中提出的规则组合从而形成m个数据组，这样，使功率与每一数据组的气象参数有关的函数组fg-j表征风轮机的运行。
图5示出了针对特定时间框架确定风轮机的输出的过程。以可在前述框架中获得的数据开始并考虑哪些数据有效。根据它们所属的控制组使数据相关。对于每一组数据，使用表征函数fg-j，由此及基于校准技术，获得风轮机的输出。
具体实施方式
众所周知，风轮机的控制系统通常按两个层次运行。在第一层次，控制系统使用经适当的测量装置获得的气象参数数据如风速并采取必要的措施以使风轮机的运行反映相应气象条件并提供在这些工作条件下需要的功率，前述工作条件如叶片节距角的改变或机舱定向的改变。另一方面，在第二层次，风轮机的控制系统在涉及到连接和断开连接操作时及在涉及到能量产生和提供给电网络的能量质量时控制风轮机到电网络的连接，为此，其使用内部测量装置提供的数据如发电机或后者的RPM产生的瞬时功率。
图1中所示的、本发明涉及的风轮机3，位于同一风场1中的类似风轮机3’、3”，一方面具有一些位于风轮机本身中的气象参数测量装置11，具体地，风速计和风向标，以测量风向和风速；另一方面，具有一些测量机舱的定向方向和风轮机产生的功率的测量装置13。显然，风轮机3具有其他测量装置，而且提及的这样的装置为本发明系统目标中使用的装置。如上所述，这些测量装置11、13连接到风轮机3的控制系统。
对于其部分，服务于风场1的风轮机3、3’、3”的气象塔5具有一些不同于风速和风向的气象参数的测量装置15，具体地前述气象参数如气压、温度和相对湿度。这些测量装置15可以也可不连接到风轮机的控制系统。
根据本发明的用于估计和控制风轮机3的输出的系统包括连接到上面提及的测量装置11、13、15的估计单元21，实施在计算机中的两个计算模块23和25在下面描述，包括但不限于通过将本发明方法应用于GAMESA G58风轮机获得的真实数据的一些表。
第一计算模块23
第一计算模块23在风轮机的第一运行阶段期间获得风轮机的典型功率Pc，如下结合图4所述。
风轮机的运行的表征使来自转子和机舱的扰动能在收集风轮机机舱中的风数据期间减轻，因而使能获得风轮机产生的功率和气象变量之间的准确关系。该过程包括下述步骤：
a)过滤(33)表征过程基于其的初始数据31。
优选地，以下述初始数据31开始：
P：风轮机产生的功率
V：在风轮机机舱中测得的风速模量
σv：风速标准偏差
α：在风轮机机舱中测得的水平风向
β：风轮机机舱的定向方向
Pa：在气象塔中测得的气压
T：在气象塔中测得的气温
Hr：在气象塔中测得的相对湿度
所有这些数据指优选每10分钟进行的测量的结果，显然除标准偏差之外，其对应于考虑风速的测量的样本的标准偏差。优选数据采样方法在标准IEC 61400-12中提出。
在该步骤中，检查所记录的数据的质量，从而丢弃对应于数据捕获差错或系统的任何组件的不正确运行的统计异常。所使用的过滤技术将为风力扇区中通常使用的技术及鲁棒的过滤技术。
b)将在先前步骤中获得的功率和风速数据35归一化(37)为密度的函数。为此目的，优选地，将使用在标准IEC 61400-12中提出的方法。为简化表达，在本说明书中，术语实际产生的功率Pr必须理解为实际产生并校正为密度的函数的功率。
c)按先前步骤中获得的风速和风向的函数对数据39分组(41)，从而形成具有小量数据点的子组43以使能精确地统计表征，针对每一子组获得最佳适合每一子组的数据的类型P＝fs-i的函数(气象参数，β)及针对每一数据子组(i)使用提及的函数将每一子组的功率数据归一化到其中心点并获得统计函数，统计函数最佳地表示对应于每一子组的归一化数据的变率。
由于自由风(来自风轮机上游)和机舱中记录的风之间的关系取决于山岳形态，功率和定义风的参数之间的关系随后者的方向变化。因此，获得最狭窄扇区(例如5°)的功率的表征似乎合理。然而，该方法的问题在于许多扇区由于缺乏数据而尚待定义。为此，已开发分组数据的方法以使没有表征曲线的区域减到最少。
按风速的函数对数据进行分组，优选地，使用bin(温频)方法(IEC 61400-12)，之后，它们按方向的函数分组，这样，在每一最终的子组中有10和30之间的数据点和/或所得集合的宽度至少为4°，目标是使小的子组具有足够大数量的数据从而能够精确校准函数。获得n个数据子组。
对于每一子组(n中的i)，将获得下述形式的调节函数，优选基于最小二乘，Pi＝f(v，σv，α，β，，P，T，Hr)。使用该函数，所有功率数据将归一化到每一子组的中心点，这样，从该归一化可获得多个数据点相对于中心点的变率。该变率优选借助于普通分布函数表征。
表1示出了在该步骤中对8m/s速度bin获得的数据的例子，也就是说，速度落在7.75和8.25m/s之间时获得的数据。
表1a
Figure BPA00001277583700071
表1b
Figure BPA00001277583700081
表1的第一部分中的每一行示出了，对于方向的70个扇区(Sec)中的每一扇区，考虑分组结果的数据点数量(n)，其针对所述方法之后指出的变量获得。
表1的第二部分中的每一行示出了，对于方向的70个扇区中的每一扇区，产生的实际平均功率Pmr和与平均数Dm的偏差。
d)针对先前步骤中获得的每一bin对数据子组进行分组(45)使得最终的组47均匀且精确定义，及为每组数据47获得最佳适合该组数据的类型为P＝fg-j的函数(气象参数，β)。
该步骤导致通常方向不连续的数据组。也就是说，一组数据例如可由bin i的子组1、4、8和10形成。
获得表征生产数据的变率的统计函数使能将不同的子组组合为更大的组47，每一组47为具有类似特性的子组的合并。为此，在步骤45中，组合平均功率在+/-10％内的那些子组使得所得的组具有30和100之间的数据点及扇区的宽度大于8°，假定所得的组的标准偏差不大于该组由其形成的子组的最小标准偏差的两倍，从而获得m个数据组，其中m＜n。最后，对于每一数据组(m中的j)，计算上面提及类型的调节函数fg-j。
表2示出了怎样分组表1中的数据点。
表2
Figure BPA00001277583700091
在安装风场时，没有生产数据可用于其任何风轮机，因而不可能以已阐释的方式表征它们。当历史数据开始变得可用时，可开始进行表征测试。随着更多的数据变得可用，该过程变得更准确，但另一方面，所使用的数据量越大，该过程所需要的时间越多。
需要使能自动确定风轮机在哪一点可被看作得以足够精确地表征的规则。
理想情形是引入控制系统中的在生产速度范围(通常在4和25m/s之间)内的每一数据项属于控制组。为实现此，学习时间段趋于无穷大，因为，对于每一风场，有具有非常低概率的风向，这使非常难对每一速度间隔均至少取得10个数据点。
为确定表征过程已结束的时间，下述步骤是必要的：
a)计算输入控制系统的任何数据项属于控制组的概率。
首先，提出优选基于历史数据从风场的性能估计时间段计算每一组的有关频率。一旦获得每一组的有关频率，输入系统的数据项属于控制组的概率将由到计算时已形成的多个控制组的有关频率的和给出。有关频率意味着在研究时间段属于特定组的数据项数量和同一时间段取得的数据项总数之间的商。
b)计算数据项属于控制组的最大概率。
本发明方法必须考虑太高或太低的风速将不引起功率的产生，因此，可渴求的最大功率是包含在用于发电的最大和最小风速内的所有扇区的有关频率的和，对应于风轮机的启动和停止速度。
c)确定表征已结束的时刻。
对于计算学习程度，在第一情形下，必须计算参数Fp＝属于概率/最大属于概率。
属于概率理解为在正验证风轮机是否被表征时已形成的每一控制组的有关频率的和。
另一方面，必须决定该产生需要的值。为此，考虑参数Fp的值取在0.55和0.95之间。因此，当达到该值时，可以推断表征已成功。
表3示出了动态表征过程，从其可看出，一旦已处理40000个数据项，可看作已结束，因为累计概率达到在指出的范围内的58.06％。
表3
Figure BPA00001277583700101
简言之，第一计算模块23获得的最终结果为使能获得所涉及风轮机在特定气象条件下的典型功率Pc的函数，即风轮机在这些气象条件下预期产生的功率，其用作估计风轮机的运行的基准。
第二计算模块25
第二计算模块25首先及首要获得预定时间段实际产生的功率Pr，如下结合图5所述。该过程包括下述步骤：
a)数据收集
一旦风轮机产生的功率和每一子组考虑的其他变量之间的关系已知，在风轮机运行的同时连续收集数据。从收集的数据项之中选择风轮机的运行尚未遭受可能影响发电的任何事件如停止、启动和维护操作时的数据项。
使用下述选择条件：
-选择控制组：当估计风轮机的输出时仅考虑具有较低变率的组。
-选择将跨其计算风轮机输出的时间范围。
对于特定组，如果数据在相对于中心点归一化之后的变率非常高，则子组中的数据的处理对输出估计方法增加相当的干扰。这也是本发明方法仅考虑其变率落在所确定范围内的那些组的原因。
对于在控制方法下要考虑的一组数据，认为其必须包含30个以上的数据点，且其变率必须小于30％。
另一方面，本发明方法需要分析一组数据，使得必须考虑跨所确定时间段的生产数据，其可由数据点总数和有效数据点的数量很好地定义。这样，时间段越短，获得结果越快，但通常获得的估计量的不确定性越大。因此，需要对多个时间范围进行输出估计，基于此可确定风轮机是否正确运行。优选地，使用由100和20000之间的多个控制数据项定义的三个时间范围。
b)为研究分开的控制子组65而对数据点61进行分组(63)。
c)使用每一控制组(j)的函数fg-j获得每一数据点61的典型功率。
d)计算实际功率数据69相对于典型功率的变率，这使能获得每一研究时间段中每一数据子组69的变率。从每一子组的变率数据及优选使用用于处理装置的校准技术，可获得(71)所考虑的每一时间范围内风轮机的输出估计量73。
三个报警水平确定为与不同时间范围估计的平均输出的偏差的函数。为确定报警阈值，按上面提及的输出偏差的函数对故障概率进行统计估计。优选地，使用75％、95％和99％的故障功率阈值。
如果在任何风轮机中在任何时间检测到异常变化，控制系统产生相应的报警和警告。
输出估计过程和风场中风轮机的运行特性的确定必须定期执行。优选地，这些应每10分钟执行一次，即每当系统从风轮机之一接收新数据项时。其他有效时间范围可在10分钟和1小时之间。
表4示出了使用本发明提出的方法获得的最终结果的例子。
表4a
Figure BPA00001277583700121
表4b
Figure BPA00001277583700122
表4的第一部分的每一行示出了由相应测量装置在给定时间间隔(每10分钟)接收的所指出变量的值。未示出整个数据序列，而是仅提取编号从4000到4520的数据点。
表4的第二部分的每一行示出了。对于序列中的最后300、1000和4000数据点的组，对应于所涉及数据点的实际产生的功率Pr的值及实际产生的功率值Pr和对应于相同气象参数值(使用从计算模块23确定的对应于风轮机表征过程的函数获得)的典型功率值Pc之间的平均偏差Dcor300、Dcor1000、Dcor4000。之后，对于所考虑序列中的每一数据点，提供实际产生的功率值Pr(例如对于数据点4030，Pr＝111.53)和相对于来自最后300、1000和4000数据点的组的典型功率Pc的平均偏差(-6.46％、-2.42％、-0.76％)。
可以看出，实际产生的功率值Pr和从典型功率Pc导出的值之间的差越小，所考虑的数据组越大，在所有情形下，即使对于300数据点的组，获得足够窄的偏差带以在检测到该带外面的偏差时考虑为异常。
如上所述，在本发明的优选实施例中，第二计算模块25包括连接到风轮机3的控制系统的子模块27以在如下所述的特定情形下向其直接传输从上面提及的风轮机功率估计得到的指令。
a)如果检测到输出减少大于先前建立的量，第二计算模块以预防方式向风轮机3的控制系统发送信号以避免可能的更大的损害。
b)通常对于目前安装的大部分风轮机，如果风轮机3具有成对的主和辅助风速计和风向标，本发明系统从这两对仪器仪表提供的数据估计风轮机的发电，即同样的计算进行两次。
使用主风速计/风向标对提供的数据，如果检测到大于预计输出的情形，则出现下述情形：
-如果从辅助仪器仪表对提供的数据获得的结果未确认该更大的输出，而是表明该输出与预期一致，这意味着主仪器仪表对的组成部分之一未正确运行，因而指令风轮机3的控制系统使用来自辅助对的数据。
-如果两个结果一致，则产生相应的报警。
如本领域技术人员将理解的那样，本发明中提出的用于估计和控制风轮机的系统的估计单元21可位于风场1处的控制中心或位于远处的中心处，及可估计和控制大量风轮机，具体地，估计和控制风场处的所有风轮机。
尽管本发明已结合优选实施例进行描述，很显然在其范围内可进行修改。本发明不限于前述实施例，而是由所附权利要求的内容限定。

Claims (9)

1.用于估计和控制位于风场(1)中的至少一风轮机(3)的输出的系统，风轮机(3)具有用于控制其组件的装置，所述装置包括用于测量位于风轮机(3)中的气象参数M1的第一测量装置(11)和用于测量风轮机(3)的定向方向β及风轮机(3)实际产生的功率Pr的第二测量装置(13)，风场(1)具有用于测量位于其气象塔(5)中的气象参数M2的第三测量装置(15)，其特征在于所述系统包括连接到第一、第二和第三测量装置(11，13，15)的计算机化单元(21)，所述计算机化单元包括：
a)第一计算模块(23)，基于在风轮机(3)的第一运行阶段期间由所述第一、第二和第三测量装置(11，13，15)定期提供的数据至少按气象参数M1和M2及风轮机(3)的定向方向β的函数获得风轮机(3)的典型功率Pc；
b)第二计算模块(25)，基于在风轮机(3)正常运行期间由所述第一、第二和第三测量装置(11，13，15)定期提供的数据获得在风轮机(3)实际产生的功率Pr和对应于连同功率值Pr提供的参数M1和M2及风轮机(3)的定向方向β的值的典型功率Pc之间存在的平均偏差Dm，在对应于预定的多个时间段的一个或多个数据序列集合中应用第一计算模块(23)获得的函数。
2.根据权利要求1的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于所述气象参数M1至少包括风速v和风向α和/或源自它们的统计参数，及所述气象参数M2至少包括气压Pa、温度T和相对湿度Hr和/或源自它们的统计参数。
3.根据权利要求1-2任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：在第一计算模块(23)中，典型功率Pc是与气象参数M1和M2及风轮机的定向方向β的预定间隔有关的离散函数。
4.根据权利要求1-3任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：当已获得基于风场(1)的历史数据预先建立的风速v和风向α的间隔的子组的代表性数据时，在其期间至少按气象参数M1和M2及风轮机(3)的定向方向β的函数获得典型功率Pc的第一运行阶段终止。
5.根据权利要求1-4任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：由所述第一、第二和第三测量装置(11，13，15)提供的数据的周期落在10-60分钟之间。
6.根据权利要求1-5任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：获得所述平均偏差Dm的最小数据序列覆盖100个周期。
7.根据权利要求1-6任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：获得至少300、1000和4000个周期的三个序列的平均偏差Dm。
8.根据权利要求1-7任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：所述第二计算模块(25)包括连接到风轮机(3)的控制系统的子模块(27)以在所述序列之一的平均偏差Dm超出某一预定阈值时向其传送将由所述控制系统执行的指令。
9.根据权利要求1-8任一所述的用于估计和控制至少一风轮机(3)的输出的系统，其特征在于：所述第一测量装置(11)包括成双的主装置和辅助装置，及所述第二计算模块(25)包括另外的用于从所述主装置和所述辅助装置提供的气象参数M1数据获得所述平均偏差Dm的装置，从而基于获得的结果之间的差异检测任何故障。
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