CN103557117A - 风力发电机组功率曲线获取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组功率曲线获取装置，包括：第一均值模块，每隔预定时间间隔T对风速仪测量的风速值和功率测量装置测量的输出功率值分别计算平均值；第二均值模块，以1m/s为步长对每个步长段内的平均风速值和平均输出功率值再求平均值，得到每个步长段内的一个二次平均风速值及其所对应的二次平均输出功率值；功率曲线生成模块，建立风速值-风力发电机输出功率值坐标系，在该坐标系中作出多个二次平均风速值及其所对应的二次平均输出功率值数据点并顺序连线后得到风力发电机组功率曲线。本发明提供的该装置能根据实时风速和实际输出功率得到风力发电机组的功率曲线图。

Description

风力发电机组功率曲线获取装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是指一种风力发电机组功率曲线获取装置。

背景技术

风能是一种清洁的可再生能源。作为风能利用的主要形式，风力发电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。由于风力发电机组的功率曲线是衡量风电机组经济技术水平的最佳标尺，所以对风电机组功率曲线的分析研究十分重要，它与风电场的经济效益密切相关。

在风力发电机组的整体参数设计阶段,可以利用功率曲线来检验风轮性能的优劣，预测机组的总体性能,而且发电机的选择、传动系统的效率以及控制系统的设计都将围绕功率曲线来进行，功率曲线的设计是机组整体设计的基础环节，它确定了机组的主要运行参数——切入风速、切出风速、额定功率和额定风速；额定风速太高，机组将很少达到额定功率，传动系统和发电机的成本将会偏高，提高了发电成本；额定风速过低,风轮及其相关部件的成本相对于发电量也会显得过高。同时，功率曲线还体现了机组的的运行方式和控制策略，可以根据不同的运行条件来调整控制策略，使机组的功率曲线得到优化，实现发电量最大的目的。

按照IEC61400-12标准的定义，风力发电机组的功率曲线是机组输出功率随10min平均风速变化的关系曲线，通过实际测试的方式得到。这种测试得到的功率曲线具有地域性，是针对具体的风场而言，即：当将同一风力发电机组用于其他位置的风场时，需要对其在上一风场所测得的功率曲线进行修正。由于自然风风速、风向变化的不确定性，尤其是山区地形的复杂性，使得准确测试风力发电机组功率曲线有较多困难。目前，风电场缺少对实际功率曲线的计算分析方法，大多采用风机监控自带的功能，而监控后台显示的功率曲线大多不准确，精度较低。此外，目前也没有能够根据实际风速得知风力发电机组理论发电量的计算方法。

因此，需要一种能够有效获取当前风电场的风力发电机组的功率曲线的方案。

发明内容

本发明提供一种风力发电机组功率曲线获取装置，用于解决现有技术中无法有效获取当前风电场的风力发电机组的实际功率曲线的问题。本发明提供的风力发电机组功率曲线获取装置能够根据当前风电场的实时风速和实际功率得到风力发电机组的功率曲线图。

本发明提供的一种风力发电机组功率曲线获取装置，包括：风速仪，用于实时测量风速值并将其实时发送至第一均值模块；功率测量装置，用于实时测量风力发电机组的输出功率值并将其实时发送至第一均值模块；第一均值模块，存储收到的实时风速值和风力发电机组的输出功率值，并每隔预定时间间隔T对最近一次时间间隔T内收到的若干个风速值和风力发电机组的输出功率值分别计算平均值，得到最近一次时间间隔T内的平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值并将其发送给第二均值模块；第二均值模块，用于存储收到的每个平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值，将当前自身所存储的所有平均风速值从0至M以1m/s为步长分为M组，并将每组中的所有平均风速值求平均值得到M个二次平均风速值，同时将每组的所有平均风速值分别对应的风力发电机组的平均输出功率值求平均值得到M个分别对应于每个二次平均风速值的风力发电机组的二次平均输出功率值；所述第二均值模块还将得到的每个二次平均风速值及其所对应的风力发电机组的二次平均输出功率值发送给功率曲线生成模块；其中，所述M为预先设置的平均风速值取值上限；功率曲线生成模块，用于以“风速值”和“风力发电机输出功率值”分别为横、纵坐标建立风速值-风力发电机输出功率值坐标系，将收到的每个二次平均风速值及其所对应的风力发电机组的二次平均输出功率值作为所述风速值-风力发电机输出功率值坐标系中的一个数据点作出，并将作出的M个数据点按风速大小顺序连线后得到风力发电机组功率曲线。

优选地，所述时间间隔T为10分钟。

优选地，所述风速仪实时测量大于等于3m/s的风速值。

优选地，所述功率测量装置实时测量的风力发电机组的输出功率值为风力发电机组的输出有功功率值。

优选地，风力发电机组功率曲线获取装置还包括功率一致性系数计算模块，所述功率一致性系数计算模块分别与所述第一均值模块和所述功率曲线生成模块连接；所述第一均值模块将一定时间间隔内得到的n个平均风速值及其所对应的n个风力发电机组的平均输出功率值

发送给所述功率一致性系数计算模块；所述功率曲线生成模块向所述功率一致性系数计算模块提供当前生成的风力发电机组功率曲线；所述功率一致性系数计算模块根据所述第一均值模块提供的n个平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值，确定出所述第一均值模块提供的每个平均风速值在所述风力发电机组功率曲线上对应的曲线功率P(t)_j′，并将功率一致性系数α定义为：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|P{{\left(t\right)}_j}^{\′}-{\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}}_j|}{P{{\left(t\right)}_j}^{\′}}}{n}\×100\%$

其中，所述

为所述第一均值模块提供的

对应的风力发电机组的平均输出功率值；j=1，…，n。

本发明基于风力发电机组功率曲线的定义，给出了风力发电机组功率曲线获取装置，该装置可以实时根据风电机组的实际运行数据，绘制出每台风机的实际功率曲线，为衡量风电机组在不同风场中的实际风能转换能力提供了重要的依据，该装置结构简单、操作方便、成本低且具有很大的实用性。此外，本发明中还给出了常用的UP82型和UP86型风机的理论功率和风速之间的函数关系，采用该关系可根据实际风速，计算出对应机型风机的应发电量，直观的与实际电量进行对比，为风机的实际发电量预估提供了理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的风力发电机组功率曲线获取装置结构示意图；

图2为采用图1所示装置所获取的某风电场602号风机的实际功率曲线图；

图3为采用图1所示装置所获取的某风电场107号风机和308号风机的实际功率曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对技术中无法有效获取当前风电场的风力发电机组的实际功率曲线的问题，提供一种风力发电机组功率曲线获取装置，如图1所示，本发明的实施例提供的风力发电机组功率曲线获取装置包括：风速仪1、功率测量装置2、第一均值模块3、第二均值模块4和功率曲线生成模块5；第一均值模块3分别于风速仪1、功率测量装置2、第二均值模块4相连接，第二均值模块4和功率曲线生成模块5相连接。

风速仪1用于实时测量风速值V(t)并将其实时发送至第一均值模块3。

功率测量装置2用于实时测量风力发电机组的输出功率值P(t)并将其实时发送至第一均值模块3。

第一均值模块3存储收到的实时风速值V(t)和风力发电机组的输出功率值P(t)，并每隔预定时间间隔T对最近一次时间间隔T内收到的若干个风速值V(t)和风力发电机组的输出功率值P(t)分别计算平均值，得到最近一次时间间隔T内的平均风速及其所对应的风力发电机组的平均输出功率

并将每隔预定时间间隔T计算所得到的每对

数据发送给第二均值模块4。

第二均值模块4用于存储收到的每个平均风速及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值

并在每次收到

数据时，将当前自身所存储的所有平均风速值从0至M以1m/s为步长分为M组，并将每组平均风速值中的所有

值求平均值得到M个二次平均风速值：

同时将每组平均风速值中的所有

值分别对应的

值求平均值得到M个分别对应于每个二次平均风速值的风力发电机组的二次平均输出功率值：

第二均值模块4还将得到的M对

数据发送给功率曲线生成模块5。其中，i从1取值到M，M为预先设置的平均风速值取值上限。

功率曲线生成模块5用于以“风速值”和“风力发电机输出功率值”分别为横、纵坐标建立风速值-风力发电机输出功率值坐标系（即V-P坐标系），并将收到的每对

数据作为所述V-P坐标系中的一个数据点，在所述V-P坐标系中作出收到的M个数据点并将所述M个数据点按风速大小顺序连线后得到风力发电机组功率曲线。

优选地，第一均值模块3计算平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值的时间间隔T为10分钟。

优选地，风速仪1仅实时测量大于等于3m/s的风速值。

优选地，功率测量装置2实时测量风力发电机组的输出有功功率值。

图2为采用本发明提供的风力发电机组功率曲线获取装置所获取的某风电场602号风机的实际功率曲线图。可见，采用本发明提供的风力发电机组功率曲线获取装置确实能够得到风机的实际功率曲线。此外，功率曲线生成模块5也可以如图3所示将不同风机的功率曲线生成于同一幅图中，以方便管理人员对其进行对比查看。

由于紊流、湍流和风向迂回的综合作用以及测量点和风机之间出现平均值时间误差，可能导致风速仪测得的风速数据与风轮所接受的实际来风不一致，造成测量绘制的功率曲线失真，因此，优选地，为了便于管理人员衡量采用上述装置所测得的功率曲线的优良性，图1所示装置还包括功率一致性系数计算模块，所述功率一致性系数计算模块分别与第一均值模块3以及功率曲线生成模块5连接。使用功率一致性系数计算模块时，通过风速仪1和功率测量装置2采集一段时间（T2-T1）的风速和风力发电机组的输出功率数据，然后功率曲线生成模块5向功率一致性系数计算模块提供当前生成的风力发电机组功率曲线，同时第一均值模块3将（T2-T1）时间间隔内得到的n对平均风速及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值数据：

数据发送给功率一致性系数计算模块。功率一致性系数计算模块根据第一均值模块3提供的n对

数据，确定出每个

值（j=1,…n）在风力发电机组功率曲线上对应的曲线功率P(t)_j′，并将功率一致性系数α定义为：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|P{{\left(t\right)}_j}^{\′}-{\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}}_j|}{P{{\left(t\right)}_j}^{\′}}}{n}\×100\%---\left(1\right)$

功率一致性系数α的高低可反映出风机的实际功率与标准功率曲线的吻合度，同时可以体现出一台风机发电效率的高低。当功率一致性系数α的值越接近100%时，代表风机的实际功率与标准功率曲线的吻合度越高，反之，当功率一致性系数α的值与100%的差值越大，表明风机的实际功率与标准功率曲线的吻合度越低。功率一致性系数α的值越大表明该风机发电效率越高，但是，当风机发电效率超过105%时表明该风机是超负荷运行的，这种运行状态对风机有损害，当功率一致性系数α的值为105%时表明该风机在正常工作情况下达到最大发电效率。功率一致性系数α的高低可以方便管理人员直接对风机的发电情况进行管理。

由于影响风力发电机组功率曲线的因素主要有：叶片零点刻度的准确度与叶片校零准确性，传动链的同轴性和润滑性，风向标朝向的准确性和固定牢固性，风电机组自动对风的及时性，风电机组切入风速、开桨角度、叶轮转速的设计以及发电机、变流器的力矩控制算法等。因此在采用本发明提供的风力发电机组功率曲线获取装置获取功率曲线之前需要调整风机的各部件以减小上述因素所带来的功率曲线误差，本发明提供的对风电机组的优化调整方案主要包括：

（1）由于叶片零点及校零准确可保障风机叶片的迎风面积最大，获得最大的风能。因此，需要预先检查及纠正风机叶片零点刻度位置，并在叶片零点准确的前提下，对3个叶片分别重新进行校零，确保校零的准确性。

（2）检查与校正高速轴机械对中；并确保主轴、发电机补充润滑脂按规定进行补充。

（3）由于风向标固定牢靠，N朝向准确可确保风机对风的准确性，因此需提前检查风向标的螺栓固定情况，正确调整风向标N朝向后，紧固螺栓。

（4）调整程序中自动对风时偏航的等待时间。但是频繁偏航对偏航刹车钳磨损会很大，因此根据试验测试情况调整相应参数。

（5）通过调整风电机组切入风速、叶片开桨角度和叶轮转速的参数，找到最优的配置。较佳地，可以通过调整风电机组切入风速（3m/s）、叶片开桨角度（50°）、叶轮转速（1.5rpm）的参数，测试找到最优的配置。

（6）调整风电机组发电机、变流器的力矩控制算法，提高变流器的功率输出。

采用本发明的实施例提供的风力发电机组功率曲线获取装置经过多次实地测试，最终得到目前市场上常用的UP82型风机的理论功率计算公式为：

P_UP82＝-0.0547V⁶+2.0456V⁵-31.099V⁴+246.6V³-1053V²+2338.4V-2117.2  （2）

UP86型风机的理论功率计算公式为：

P_UP86＝-0.1191V⁶+4.5049V⁵-69.428V⁴+557.48V³-2430V²+5487.2V-5006.8  （3）

公式（2）和（3）中，V为风速，P为风机的理论功率。

本文基于风力发电机组功率曲线的定义，给出了风力发电机组功率曲线获取装置，该装置可以实时根据风电机组的实际运行数据，绘制出每台风机的实际功率曲线。研究分析表明,实测功率曲线能较好地反映动态过程中风电机组的功率特性，应对功率曲线较差的风机进行及时修正，以充分发挥风电机组的发电效率。此外，考虑到适用于不同风场的需要，分析了影响功率曲线的各种因素，并给出了功率曲线影响因素的优化调整方案，可有效的提高发风机电效率。此外，本发明中还给出了常用的UP82型和UP86型风机的理论功率和风速之间的函数关系，采用该关系可根据实际风速，计算出对应机型风机的应发电量，直观的与实际电量进行对比，为风机的实际发电量预估提供了理论依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种风力发电机组功率曲线获取装置，其特征在于，包括：

风速仪，用于实时测量风速值并将其实时发送至第一均值模块；

功率测量装置，用于实时测量风力发电机组的输出功率值并将其实时发送至第一均值模块；

第一均值模块，存储收到的实时风速值和风力发电机组的输出功率值，并每隔预定时间间隔T对最近一次时间间隔T内收到的若干个风速值和风力发电机组的输出功率值分别计算平均值，得到最近一次时间间隔T内的平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值并将其发送给第二均值模块；

第二均值模块，用于存储收到的每个平均风速值及其所对应的风力发电机组的平均输出功率值，将当前自身所存储的所有平均风速值从0至M以1m/s为步长分为M组，并将每组中的所有平均风速值求平均值得到M个二次平均风速值，同时将每组的所有平均风速值分别对应的风力发电机组的平均输出功率值求平均值得到M个分别对应于每个二次平均风速值的风力发电机组的二次平均输出功率值；所述第二均值模块还将得到的每个二次平均风速值及其所对应的风力发电机组的二次平均输出功率值发送给功率曲线生成模块；其中，所述M为预先设置的平均风速值取值上限；

功率曲线生成模块，用于以“风速值”和“风力发电机输出功率值”分别为横、纵坐标建立风速值-风力发电机输出功率值坐标系，将收到的每个二次平均风速值及其所对应的风力发电机组的二次平均输出功率值作为所述风速值-风力发电机输出功率值坐标系中的一个数据点作出，并将作出的M个数据点按风速大小顺序连线后得到风力发电机组功率曲线。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组功率曲线获取装置，其特征在于，所述预定时间间隔T为10分钟。

3.如权利要求2所述的一种风力发电机组功率曲线获取装置，其特征在于，所述风速仪实时测量大于等于3m/s的风速值。

4.如权利要求3所述的一种风力发电机组功率曲线获取装置，其特征在于，所述功率测量装置实时测量的风力发电机组的输出功率值为风力发电机组的输出有功功率值。

5.如权利要求4所述的一种风力发电机组功率曲线获取装置，其特征在于，该装置还包括功率一致性系数计算模块，所述功率一致性系数计算模块分别与所述第一均值模块和所述功率曲线生成模块连接；

所述第一均值模块将一定时间间隔内得到的n个平均风速值

及其所对应的n个风力发电机组的平均输出功率值

发送给所述功率一致性系数计算模块；

所述功率曲线生成模块向所述功率一致性系数计算模块提供当前生成的风力发电机组功率曲线；

所述功率一致性系数计算模块根据所述第一均值模块提供的n个平均风速值，确定出所述第一均值模块提供的每个平均风速值

在所述风力发电机组功率曲线上对应的曲线功率P(t)_j′，采用下式计算将功率一致性系数α：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|P{{\left(t\right)}_j}^{\′}-{\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}}_j|}{P{{\left(t\right)}_j}^{\′}}}{n}\×100\%$

其中，所述

为所述第一均值模块提供的

对应的风力发电机组的平均输出功率值；j=1，…，n。

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