CN103699804B - 一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，包括以下步骤：依据计算得出的标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj，得出两者之间的线性关系式；依据该线性关系式，计算风电机组运行时的电功率Pi对应的风电机组迎风风速Vi；绘制出风电机组运行时的电功率Pi与其对应的风电机组迎风风速Vi的二维散点图，同时叠加风电机组出厂功率－风速设计曲线；计算出每一散点处风电机组运行时的电功率Pi与电功率设计值Ps,i的实时功率出力偏差Sp,i。本发明通过比较得出的实时功率出力偏差Sp,i与功率出力偏差规定值的大小，当实时功率出力偏差Sp,i小于功率出力偏差规定值时，即该风电机组运行性能良好。

Description

一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法

【技术领域】

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法。

【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。风力发电机组投产发电后，其出力是否能达到风电机组的标称出力，运行是否稳定，是风电场运营单位最为关心的问题，也是决定风电场运营经济指标的重要因素。

传统的考核测试方法是在某一段时间内记录风电机组轮毂高度处的风速和在该风速下机组的输出功率，在按照标准计算可取的风向扇区内，记录相关数据。最后利用Bin分析的方法计算出功率曲线，进而分析该台机组发电性能的优劣。在整个测试过程中，存在以下几个问题。

1、需要对机组的运行性能、风电机组的实时净功率和其周围气象情况进行长时间的数据采集。且由于这种方法由于机组给定功率曲线涉及切入风速和切出风速，因此这种考核方法所用的时间较长。有时可能由于当地风速较低或风速频率分布较集中，绘制一个完整的功率曲线图可能要花几年的时间，用人工的方法费时费力。

2、按照考核标准的定义，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独特性,是针对具体的风场而言,当适用于其他的风场时,仍然需要进行修正。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,使得准确测试风力发电机组功率曲线有较多困难。

3、随风电机组提供的技术规范和用户手册，都会描述该机型在标准空气密度下的功率曲线，这个功率曲线通常是通过计算得到的理论功率曲线，或者是在一定的模拟环境下通过试验而绘制出来的。

4、由于需统计风速的地方多、时间长等原因，致使风速数据具有海量、存储困难等特征，因此很多地方只保留每小时风速的均值和方差，以及统计当年的实际风速数据，而不会保留所有实际的风速数据。当统计得到新的风速数据时，则更新风速均值和方差。因数据的不足而造成评估模型常失真。

5、存在空气密度随温度的变化而变化所造成的影响问题。

从以上分析可知：目前这些方法在精度、实时性及数据的完整性上都存在一定的问题，对风机实际特性监测都有一定的影响，如何针对具体的风场条件，实时对风机性能数据进行采集、管理和修正、分析，并制定一套有效的技术方案是目前计算和监测风机运行特性的技术突破点。

【发明内容】

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，包括以下步骤：

1）采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj，并将采集的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj分别折算为标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj，其折算公式如下：

$V_{b,\mathrm{cf}}=V_{\mathrm{cf}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(1\right)$

$V_{b,\mathrm{fj}}=V_{\mathrm{fj}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(2\right)$

式中：P_sj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；

t_sj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；

T_b——标准绝对气温，℃；

P_b——标准大气压强，kPa；

2）根据步骤1）得出的若干组标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：

V_b,cf=K·V_b,fj+B （3）

3）采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速V_fj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速V_b,fj,i，再根据步骤2）得出的线性系数K和B，计算与电功率P_i相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速V_i，其计算公式如下：

V_i=K·V_b,fj,i+B （4）

式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i=1,2，…，n；

4）绘制出风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i的二维散点图，同时叠加风电机组出厂功率－风速设计曲线；

5）采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i对应的电功率设计值P_s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与电功率设计值P_s,i的实时功率出力偏差S_p,i，其计算公式如下：

$S_{p,i}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{(P_i-P_{s,i})}^2}{n-1}}---\left(5\right)$

式中：S_p,i——实时功率出力偏差，kW。

本发明进一步改进在于：步骤1）中，至少采集50组风电机组运行时的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，该方法基于风电机组实时/历史数据库，实时采集风电场相关生产数据，包括实时风速、机组实时功率、大气压力以及环境温度，然后将这些数据换算成标准条件下的环境工况值，通过自动绘制功率风速特性曲线，结合电功率设计值，对结果数据进行在线离散度偏差比较，从而实时监测出风电机组在这一段时间内和当前时期内运行性能是否良好；本发明所有的计算过程都是计算机自动完成，避免人为的输入干扰，保证数据的客观性和可靠性。

【附图说明】

图1为某型号1.25MW风电机组实时运行中的功率风速特性曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，包括以下步骤：

1）采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj，并将采集的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj分别折算为标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj，其折算公式如下：

$V_{b,\mathrm{cf}}=V_{\mathrm{cf}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(1\right)$

$V_{b,\mathrm{fj}}=V_{\mathrm{fj}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(2\right)$

式中：P_sj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；

t_sj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；

T_b——标准绝对气温，取288.15℃；

P_b——标准大气压强，取1013kPa；

参见表1，为采集并折算后的若干组风电机组运行时的标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj。

表1：

Vb,cf	Vb,fj	Vb,cf	Vb,fj	Vb,cf	Vb,fj
						1.909	1.828	7.026	6.896	10.086	8.740
2.294	2.279	7.129	7.046	10.337	9.266
						3.153	3.133	7.387	6.768	10.455	10.143
3.582	3.539	7.415	7.263	10.808	10.269
						3.690	3.647	7.512	6.863	10.817	10.143
3.959	3.777	7.634	6.194	11.196	10.139
						4.272	4.105	7.714	7.209	11.270	11.087
4.514	4.344	7.811	6.841	11.825	11.009
						4.707	4.428	8.000	7.917	12.025	11.960
5.165	5.139	8.033	7.793	12.261	10.310
						5.329	5.240	8.120	7.177	12.392	11.942
5.410	5.138	8.220	8.040	12.526	10.802
						5.504	5.087	8.318	7.487	12.762	11.125
5.806	5.192	8.355	7.048	12.947	11.646

5.858	5.217	8.406	7.884	13.014	11.650
						5.900	5.604	8.453	7.447	13.206	11.532
5.931	5.774	8.581	8.432	13.485	12.443
						5.958	5.852	8.753	8.660	13.529	11.341
6.036	5.492	8.753	8.652	13.767	11.572
						6.185	5.394	8.924	8.188	13.808	12.386
6.206	5.569	8.924	7.891	13.971	13.440
						6.307	5.472	8.965	8.404	14.065	13.580
6.525	5.930	8.977	7.608	14.511	12.691
						6.618	6.294	9.216	8.944	14.738	13.253
6.637	6.003	9.237	8.202	14.824	13.588
						6.732	6.148	9.411	8.711	14.962	14.464
6.879	6.538	9.615	8.594	15.031	14.833
						6.949	6.709	9.792	9.011	15.682	15.228
6.962	6.898	9.850	8.723	15.812	15.732
						6.987	6.458	9.972	9.066	16.158	15.911

2）根据步骤1）得出的若干组标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：

V_b,cf=K·V_b,fj+B （3）

经过对表1中的标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj进行线性拟合后，得出线性系数K=1.065564426和B=0.113149149。

3）采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速V_fj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速V_b,fj,i，再根据步骤2）得出的线性系数K和B，计算计算与电功率P_i相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速V_i，其计算公式如下：

V_i=K·V_b,fj,i+B （4）

式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i=1,2，…，n；

参见表2，为实时采集并计算后的与电功率P_i相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速V_i。

表2：

Vi	Pi	Vi	Pi	Vi	Pi
						8.318	570.250	11.942	1261.900	15.788	1250.400
10.360	926.460	13.971	1256.700	10.236	775.500
						12.976	1254.300	15.682	1296.000	11.185	974.670
10.325	1007.800	12.628	1235.100	10.808	965.440
						7.821	392.500	10.443	1021.600	10.654	921.750
12.261	1264.200	16.158	1289.000	10.430	921.000
						8.602	562.250	14.824	1272.100	13.206	1243.400
10.283	890.800	11.188	1163.000	12.583	1213.000
						9.935	737.600	10.440	1034.100	11.483	1068.400
11.835	1282.400	14.391	1282.200	13.485	1223.200
						10.423	981.000	14.793	1224.600	11.299	1243.000
11.196	945.500	14.870	1271.300	12.947	1269.000
						13.596	1311.000	12.577	1275.600	12.467	1093.300
8.210	437.000	12.648	1246.000	12.645	1236.300
						13.529	1276.700	12.762	1264.900	12.400	1224.500
13.649	1277.600	14.443	1267.100	12.155	1212.700
						10.198	749.640	12.770	1231.500	10.183	949.000
14.387	1267.500	13.014	1195.500	10.161	903.500
						12.444	1267.000	11.948	1044.000	11.772	963.330
14.962	1254.800	14.738	1197.300	5.981	192.750
						11.958	1072.400	9.292	621.670	11.825	992.030
14.449	1250.100	11.772	1048.000	12.392	1191.000
						15.812	1272.500	11.976	1245.100	8.831	568.500
11.456	1100.600	12.060	1183.000	10.633	861.140
						14.794	1285.300	15.031	1278.100	8.916	623.710
10.854	1128.300	9.920	837.300	8.511	503.250
						14.511	1275.100	12.860	1218.000	10.337	885.500
12.839	1261.600	12.848	1256.400	12.499	1220.400
						12.478	1088.300	12.608	1055.000	13.767	1274.100
13.677	1173.900	9.216	737.000	8.474	542.000

4）绘制出风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i的二维散点图，同时叠加风电机组出厂功率－风速设计曲线，如图1所示。

5）采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i对应的电功率设计值P_s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与电功率设计值P_s,i的实时功率出力偏差S_p,i，其计算公式如下：

$S_{p,i}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{(P_i-P_{s,i})}^2}{n-1}}---\left(5\right)$

式中：S_p,i——实时功率出力偏差，kW。

依据表2的风电机组运行时的电功率P_i与电功率设计值P_s,i，计算得出实时功率出力偏差S_p,i为：59.14958kW。

本发明通过比较步骤5）得出的实时功率出力偏差S_p,i与功率出力偏差规定值的大小，当实时功率出力偏差S_p,i小于功率出力偏差规定值时，即该风电机组运行性能良好。

在线监测风电机组运行性能有两个方面。

a.历史工况运行监测

即用历史一段时间内的功率风速运行数据进行偏差统计，该结果表明该段时间内的风机总体运行出力特性，根据统计结果，风电机组运行时的正常区间为0‐100，其偏差值越大，表明数据离散度越大，代表其出力控制特性越差，如上面结果为59.15，属合理范围，无须进行人工干预。

b.实时工况运行监测

将当前实时的功率和风速引入到功率特性曲线中，实时计算当前偏差，根据统计结果，风电机组运行时的正常区间为0-100，实时计算的偏差值越大，表明当前工况离规定值越大，代表其出力控制特性越差。当该值超过偏差界限时，我们可分析当前机组出现异常工况，需要进一步进行分析和处理。

Claims (2)

1.一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj，并将采集的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj分别折算为标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj，其折算公式如下：

$V_{b,\mathrm{cf}}=V_{\mathrm{cf}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(1\right)$

$V_{b,\mathrm{fj}}=V_{\mathrm{fj}}\·\sqrt[3]{\frac{T_b\·P_{\mathrm{sj}}}{(273+t_{\mathrm{sj}})\·P_b}}---\left(2\right)$

式中：P_sj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；

t_sj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；

T_b——标准绝对气温，℃；

P_b——标准大气压强，kPa；

2）根据步骤1）得出的若干组标准空气密度的测风塔风速V_b,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速V_b,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：

V_b,cf=K·V_b,fj+B （3）

3）采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速V_fj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速V_b,fj,i，再根据步骤2）得出的线性系数K和B，计算与电功率P_i相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速V_i，其计算公式如下：

V_i=K·V_b,fj,i+B （4）

式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i=1,2，…，n；

4）绘制出风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i的二维散点图，同时叠加风电机组出厂功率－风速设计曲线；

5）采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与其对应的风电机组迎风风速V_i对应的电功率设计值P_s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的电功率P_i与电功率设计值P_s,i的实时功率出力偏差S_p,i，其计算公式如下：

$S_{p,i}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_1^n{(P_i-P_{s,i})}^2}{n-1}}---\left(5\right)$

式中：S_p,i——实时功率出力偏差，kW。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测风电机组运行时的功率出力偏差的方法，其特征在于，步骤1）中，至少采集50组风电机组运行时的历史测风塔风速V_cf和历史风机机舱顶风速V_fj。