CN102305875B - 风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置 - Google Patents

Abstract

风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置，属于风力发电技术领域。它解决了现有对风力发电机组的有效风速值的测量不能兼顾准确性和快速性的问题。它采用风速计测量风力发电机组叶轮上的风速测量信号S4，同时采用发电机参数采集传感器测量风力发电机组的发电机测量信号S1，将该发电机测量信号S1与当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6经第一减法器作差，得到修正的发电机测量信号S2，修正的发电机测量信号S2经特性为K(s)的计算函数计算得到风速修正信号S3，风速修正信号S3与风速测量信号S4经第二减法器作差后，获得的信号为风力发电机组有效风速的测量信号S5。本发明适用于风力发电机组有效风速的测量。

Description

风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置，属于风力发电技术领域。

背景技术

风力发电机组是将风能转换成为电能的设备。由于在将风能转换成电能的过程中，只降低了气流的速度，没有给大气造成任何污染，因此采用风力发电机组发电对保护环境、改善能源结构具有重要意义。

风能是一种不稳定的能源，其速度和方向一直处于变化之中，为了保证发电机组发出的电能质量，机组的控制系统需要时时根据机组所受风力和风向的变化，调整机组的输出，以满足电网的需求，因此控制系统的控制技术成为风力发电机组安全高效运行的关键，而实现对风速的精确测量成为设计控制系统的前提条件。

风力发电机组处于三维时变的风场环境中，它同时受到紊流、塔架、风剪差及地表粗糙度等因素的影响，因此风速在整个风力发电机组叶轮旋转平面上的分布具有很大的差异，在风力发电技术领域，将产生相同气动转矩的叶轮扫风面的平均风速，或者风力发电机组实际捕获的风能所对应的风速的有效值作为有效风速而应用于风力发电机组的控制技术中。所述的风力发电机组的有效风速不能直接测量获得，只能采用间接的方法进行估计。

在传统的风力发电机组中，采用位于机舱顶部的风速计测量风速，所述的风速计包括叶片式风速计或者转杯式风速计等，由于此类风速计的尺寸很小，只能测量极小范围的风速，即所谓点风速。这样获得的风速与整个风力发电机组叶轮旋转平面所受到的风速有较大差别，因此测量结果难以反映出叶轮旋转平面真实捕获的风能的大小，同时由于易受紊流、塔架、风剪差、地表粗糙度等因素的影响的干扰，风速计测量的结果无法准确反映有效风速的大小，准确度较差。所以基于风速计的测量获得的有效风速，及进而得到的风速调节转速和功率是不精确的。但同时由于风速计的尺寸和惯性一般较小，因此它测量的风速信号又存在对有效风速变化的响应较快的优点，能够反映有效风速的动态变化。

另一方面，如果不考虑风力发电机组的机械损失和发电机损失，风力发电机组的叶轮所捕获的风能将全部转换成发电机的电能输出，因此发电机的电能信号的稳态值能准确表征风力发电机组实际捕获的风能的稳态值，进而准确表征了叶轮捕获的有效风速(有效风能)的稳态值。因此可以通过测量风力发电机组发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等能反映出发电机的输出电能的信号，来估计风力发电机组叶轮的有效风速，其所涉及的方法包括系统辨识技术，状态观测器技术，模糊控制技术及数据挖掘技术等，这些方法的实质是将叶轮转子当作了一个巨型的风速计。但是由于风力发电机组的叶轮转子具有非常大的惯性，因此发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等信号对有效风速变化的响应较慢，无法反映风速的动态变化，对于有效风速测量的高频误差较大，可以认为是在有效风速信号上叠加了一个高频噪声信号。

总之，目前的风力发电机组有效风速的测量方法不能兼顾准确性和快速性：风速计测量的风速信号对有效风速变化的响应较快，但是易受紊流、塔架、风剪差、地表粗糙度等因素的影响的干扰，准确度较差；发电机的转速、电功率或者电磁扭矩等信号稳态时能够准确反映有效风速变化的稳态值，但是其响应较慢，无法反映风速的动态变化。因此需要提供一种简单有效的风力发电机组有效风速的估计方法，以便能够既准确又快速地估计风力发电机组的有效风速。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有对风力发电机组的有效风速值的测量不能兼顾准确性和快速性的问题，提供一种风力发电机组有效风速的测量方法及实现该方法的测量装置。

本发明所述风力发电机组有效风速的测量方法，所述测量方法为：

采用风速计测量风力发电机组叶轮上的风速，得到风速测量信号S4；

同时采用发电机参数采集传感器测量风力发电机组的发电机信号，得到发电机测量信号S1，将该发电机测量信号S1与当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6经第一减法器作差，得到修正的发电机测量信号S2，该修正的发电机测量信号S2经特性为K(s)的计算函数计算得到风速修正信号S3，该风速修正信号S3与风速测量信号S4经第二减法器作差后，获得的信号为风力发电机组有效风速的测量信号S5。

本发明所述实现上述方法的风力发电机组有效风速的测量装置，它包括发电机参数采集传感器、风速计和广义滤波器，

发电机参数采集传感器用于测量风力发电机组的发电机信号，发电机参数采集传感器的发电机测量信号S1输出端连接广义滤波器的发电机测量信号S1输入端；

风速计用于测量风力发电机组叶轮上的风速，风速计的风速测量信号S4输出端连接广义滤波器风速测量信号S4输入端，广义滤波器的输出端输出风力发电机组有效风速的测量信号S5。

本发明的优点是：本发明为对具有转子的风力发电机组叶轮的有效风速进行测量的方法，它通过风速计测量风力发电机组叶轮上的风速，发电机传感器测量风力发电机机组的发电机信号，再经过计算，得到风力发电机组的有效风速。本发明将现有技术中直接采用风速计测量获得风力发电机组的风速与采用发电机的电能信号获得风力发电机组叶轮的有效风速的方法相结合，在保障有效风速结果的准确性的同时，又能保障对风速变化的响应的快速性，使最终获取的风力发电机组的有效风速值快速，准确的反映了风力发电机组有效风速的变化，具有简单有效的优势。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为权函数W₁(s)和W₃(s)的特性曲线图，图中W₁为权函数W₁(s)的特性曲线，W.₃为权函数W₃(s)的特性曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述风力发电机组有效风速的测量方法，所述测量方法为：

采用风速计6测量风力发电机组叶轮上的风速，得到风速测量信号S4；

同时采用发电机参数采集传感器1测量风力发电机组的发电机信号，得到发电机测量信号S1，将该发电机测量信号S1与当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6经第一减法器2作差，得到修正的发电机测量信号S2，该修正的发电机测量信号S2经特性为K(s)的计算函数3计算得到风速修正信号S3，该风速修正信号S3与风速测量信号S4经第二减法器5作差后，获得的信号为风力发电机组有效风速的测量信号S5。

本实施方式中所述的发电机参数采集传感器1是发电机上安装的传感器，可根据需要测量风力发电机组的发电机信号来选择功率传感器或者转速传感器等。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6的获得方法基于特性为G₀(s)的计算函数4实现，将当前风力发电机组有效风速的测量信号S5经特性为G₀(s)的计算函数4转换为当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述发电机测量信号S1为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述发电机测量信号S1为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号及发电机传动轴转速信号四种发电机信号中任意几种信号的组合。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一至四的进一步说明，特性为K(s)的计算函数3的特性为：

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}{S}_0\left(s\right)W_1\left(s\right)\\ T_0\left(s\right)W_3\left(s\right)\end{array}\right]\left|\right|}_{\∞}\≤1,$

其中，S₀(s)＝[1+G₀(s)K(s)]^-1，T₀(s)＝G₀(s)K(s)[1+G₀(s)K(s)]^-1，W₁(s)为S₀(s)的权函数，W₃(s)为T₀(s)权函数。

所述特性为G₀(s)的计算函数4为所测量的风力发电机组的名义动态模型，可由风力发电机组生产厂家提供，或者通过对风力发电机组进行系统辨识获得，或者通过对风力发电机组进行机理分析获得。具体实施方式六：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为实现所述实施方式一至六所述的风力发电机组有效风速的测量方法的风力发电机组有效风速的测量装置，它包括发电机参数采集传感器1、风速计6和广义滤波器7，

发电机参数采集传感器1用于测量风力发电机组的发电机信号，发电机参数采集传感器1的发电机测量信号S1输出端连接广义滤波器7的发电机测量信号S1输入端；

风速计6用于测量风力发电机组叶轮上的风速，风速计6的风速测量信号S4输出端连接广义滤波器7风速测量信号S4输入端，广义滤波器7的输出端输出风力发电机组有效风速的测量信号S5。

本实施方式中所述的广义滤波器7用于对风速计6的风速测量信号S4和发电机测量信号S1进行融合，得到所述的风力发电机组有效风速的测量结果。

本实施方式中所述的发电机参数采集传感器1是发电机上安装的传感器，可根据需要测量风力发电机组的发电机信号来选择功率传感器或者转速传感器等。

具体实施方式七：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式六的进一步说明，所述广义滤波器7由第一减法器2、特性为K(s)的计算函数3、特性为G₀(s)的计算函数4和第二减法器5组成，

广义滤波器7的发电机测量信号S1输入端为第一减法器2的发电机测量信号S1输入端，第一减法器2的当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6输入端连接特性为G₀(s)的计算函数4的当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6输出端，第一减法器2的修正的发电机测量信号S2输出端连接特性为K(s)的计算函数3的修正的发电机测量信号S2输入端，特性为K(s)的计算函数3的风速修正信号S3输出端连接第二减法器5的风速修正信号S3输入端，广义滤波器7风速测量信号S4输入端为第二减法器5的风速测量信号S4输入端，第二减法器5的风力发电机组有效风速的测量信号输出端连接特性为G₀(s)的计算函数4的风力发电机组有效风速的测量信号输入端。

本实施方式所述特性为K(s)的计算函数3的特性K(s)通过求解如下方程得到，方程为：

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}{S}_0\left(s\right)W_1\left(s\right)\\ T_0\left(s\right)W_3\left(s\right)\end{array}\right]\left|\right|}_{\∞}\≤1,$

其中W₁(s)为S₀(s)的权函数，W₃(s)为T₀(s)的权函数，S₀(s)＝[1+G₀(s)K(s)]^-1，T₀(s)＝G₀(s)K(s)[1+G₀(s)K(s)]^-1，其特性见图2中说明。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式六或七的进一步说明，所述发电机参数采集传感器1用于测量风力发电机机组的发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式六、七或八的进一步说明，所述风速计6为叶片式风速计、压力管式风速计、热线式风速计或声波风速计。

Claims (6)

1.一种风力发电机组有效风速的测量方法，其特征在于，所述测量方法为：

采用风速计（6）测量风力发电机组叶轮上的风速，得到风速测量信号S4；

同时采用发电机参数采集传感器（1）测量风力发电机组的发电机信号，得到发电机测量信号S1，将该发电机测量信号S1与当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6经第一减法器（2）作差，得到修正的发电机测量信号S2，该修正的发电机测量信号S2经特性为K(s)的计算函数（3）计算得到风速修正信号S3，该风速修正信号S3与风速测量信号S4经第二减法器（5）作差后，获得的信号为风力发电机组有效风速的测量信号S5；

所述当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6的获得方法基于特性为G₀(s)的计算函数（4）实现，将当前风力发电机组有效风速的测量信号S5经特性为G₀(s)的计算函数（4）转换为当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6；

特性为K(s)的计算函数（3）的特性为：

${\left|\right|\left[\begin{array}{c}{S}_0\left(s\right)W_1\left(s\right)\\ T_0\left(s\right)W_3\left(s\right)\end{array}\right]\left|\right|}_{\∞}\≤1,$

其中，S₀(s)=[1+G₀(s)K(s)]^-1，T₀(s)=G₀(s)K(s)[1+G₀(s)K(s)]^-1，W₁(s)为S₀(s)的权函数，W₃(s)为T₀(s)权函数。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组有效风速的测量方法，其特征在于：所述发电机测量信号S1为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组有效风速的测量方法，其特征在于：所述发电机测量信号S1为发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号及发电机传动轴转速信号四种发电机信号中任意几种信号的组合。

4.一种实现权利要求1所述风力发电机组有效风速的测量方法的风力发电机组有效风速的测量装置，其特征在于：它包括发电机参数采集传感器（1）、风速计（6）和广义滤波器（7），

发电机参数采集传感器（1）用于测量风力发电机组的发电机信号，发电机参数采集传感器（1）的发电机测量信号S1输出端连接广义滤波器（7）的发电机测量信号S1输入端；

风速计（6）用于测量风力发电机组叶轮上的风速，风速计（6）的风速测量信号S4输出端连接广义滤波器（7）风速测量信号S4输入端，广义滤波器（7）的输出端输出风力发电机组有效风速的测量信号S5；

所述广义滤波器（7）由第一减法器（2）、特性为K(s)的计算函数（3）、特性为G₀(s)的计算函数（4）和第二减法器（5）组成，

广义滤波器（7）的发电机测量信号S1输入端为第一减法器（2）的发电机测量信号S1输入端，第一减法器（2）的当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6输入端连接特性为G₀(s)的计算函数（4）的当前反馈的发电机测量信号的修正信号S6输出端，第一减法器（2）的修正的发电机测量信号S2输出端连接特性为K(s)的计算函数（3）的修正的发电机测量信号S2输入端，特性为K(s)的计算函数（3）的风速修正信号S3输出端连接第二减法器（5）的风速修正信号S3输入端，广义滤波器（7）风速测量信号S4输入端为第二减法器（5）的风速测量信号S4输入端，第二减法器（5）的风力发电机组有效风速的测量信号输出端连接特性为G₀(s)的计算函数（4）的风力发电机组有效风速的测量信号输入端。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组有效风速的测量装置，其特征在于：所述发电机参数采集传感器（1）用于测量风力发电机机组的发电机功率信号、发电机电磁转矩信号、发电机转速信号或发电机传动轴转速信号。

6.根据权利要求5所述的风力发电机组有效风速的测量装置，其特征在于：所述风速计（6）为叶片式风速计、压力管式风速计、热线式风速计或声波风速计。

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