CN103742360B - 风电机组等时间片切换重组验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机组等时间片切换重组验证方法，确定参与对比验证的控制策略集合，控制策略集合包括各种控制策略，设计等时间片切换逻辑，将包含控制策略集合及等时间片切换逻辑的主控软件编译、下载至风电机组，风电机组投入运行并进行数据采集。数据采集完成后，进行数据处理和重组，根据风资源数据进行一致性评估，若一致性未达到设定值，则继续采集数据，若一致性达到设定值，则结束数据采集。对采集到的数据进行对比验证，得到各种控制策略对应的量化性能指标，完成定量对比和验证。本发明能够克服现有技术无法有效剔除风资源变化或模型误差的影响，导致验证结果量化程度不足，难以准确反映控制策略优化设计实际应用效果的技术缺陷。

Description

风电机组等时间片切换重组验证方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其是涉及一种应用于风力发电机组控制策略优化设计验证的等时间片切换重组验证方法。

背景技术

在实物风电机组上开展控制策略优化设计验证时，由于自然风资源条件不可控，风速、空气密度、风频分布、湍流强度、风切变、上洗角等因素在多次实验中几乎不可能复现，这些因素将对所测得的量化性能指标构成影响。另一方面，单个优化设计项点所能带来的性能指标变化（如发电性能提升、载荷降低、电能质量改善等）往往又是极为有限的，与风资源条件变化的影响可能处于一个数量级甚至更低，导致验证结果极易受到干扰。

控制策略（包括控制逻辑及控制参数）对于风电机组发电性能及载荷的影响是长期而深远的，为实现风电项目运营收益的最大化，原则上须考虑特定场址风资源在时间、空间维度上的分布特点并有针对性地开展控制策略优化设计，以挖掘机组性能潜力、优化机组运行状况。随着产业规模的增长和技术水平的提升，目前，针对特定风资源开展个性化、定制化的设计正逐渐成为一种共性需求，在此背景下，对机组控制策略优化设计的验证方法也提出了较以往更高的要求。

采用常规方法，如：选择多台临近机组作对比、或将优化设计实施后采集的连续运行数据与早期历史数据作对比，都难以深度排除风资源变化所带来的影响。纯数值仿真或硬件在环仿真技术能提供可精确复现的模拟风资源条件，但又存在机组模型与机组实物的偏差问题，故仅适用于方案设计及定性验证。因此，上述方法都难以为风电机组控制策略优化设计提供较准确的实测、定量验证结果。

关于控制策略优化设计的验证，目前普遍采用两种方式：一是选择多台临近机组作对比、或将优化设计实施后采集的连续运行数据与早期历史数据作对比，这种方式得到的对比验证结果中包含了风资源时、空变化的影响，二是利用纯数值仿真或硬件在环仿真技术进行评估，这种方式得到的对比验证结果仅对应机组模型，无法完全取代实测。

因此，上述两种方式均难以提供较准确的定量验证结果，不利于机组控制策略的精细调整和深度优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种风电机组等时间片切换重组验证方法，能够克服现有技术无法有效剔除风资源变化或模型误差的影响，导致验证结果量化程度不足，难以准确反映控制策略优化设计的实际应用效果的技术缺陷。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种风电机组等时间片切换重组验证方法的技术实现方案，一种风电机组等时间片切换重组验证方法，包括以下步骤：

S10：根据先验信息和验证目标，确定参与对比验证的控制策略集合，所述控制策略集合包括各种控制策略；

S11：设计等时间片切换逻辑；

S12：将包含控制策略集合及等时间片切换逻辑的主控软件编译、下载至风电机组，所述风电机组投入运行，进行控制策略切换，并持续进行数据采集；

S13：数据采集完成后，对所述数据进行处理和重组；

S14：根据风资源数据进行一致性评估，若一致性数据未达到设定值，则返回步骤S12继续采集数据，若一致性数据达到设定值，则结束数据采集；

S15：对采集到的所述数据进行对比验证，根据所述数据计算、统计得到各种控制策略对应的量化性能指标，并据此完成定量对比和验证。

优选的，所述等时间片切换逻辑包括以下要素：

（A）参数化的时间片长度ΔT；

（B）循环计时及切换触发逻辑，用于按照设定的时间片长度ΔT触发控制策略轮转切换动作；

（C）切换标志，所述切换标志的取值集合与所述控制策略集合形成一一映射，并严格地随所述控制策略同步切换；

（D）切换顺序。

优选的，所述时间片长度ΔT在大于所述风电机组控制响应时间的前提下，尽可能取小值，以便在较短的验证期内使统计学规律得到充分体现，使各种控制策略所处的风资源数据尽可能相同。

优选的，在所述控制策略切换过程中，采用变化率限幅为控制参数进行切换，在所述控制策略切换时规划一定的过渡过程，避免由所述控制策略切换导致的所述风电机组输出跳变。

优选的，当两个控制策略分别为控制策略一和控制策略二，所述控制策略一和控制策略二均包括积分器时，则所述风电机组由控制策略一切换至控制策略二时，令控制策略一的积分器停止计算，以避免在控制策略二使能期间控制策略一的输出发生大范围飘移；当控制策略二与控制策略一的输出差异较大时，根据控制策略一的当前输出值对控制策略二的输出值及积分值进行重置。

优选的，所述切换顺序采用固定正序或正逆序交替或随机顺序，以尽可能避免所述切换顺序与所述风资源数据在特定时间尺度上的规律性变化发生耦合。

优选的，所述采集到的数据至少包括切换标志、包括风速和风向在内的风资源数据，以及用于计算量化性能指标的变量。

优选的，当关注所述风电机组的发电性能时，采用功率曲线作为量化性能指标，采集的数据至少包括切换标志、风速及电功率；当关注所述风电机组的振动情况时，采集的数据至少包括切换标志、风速、发电机转速和机舱加速度。

优选的，在每一个所述时间片长度ΔT内采集的数据对应于一个相应的数据片段，在所述步骤S13中，对所述数据进行处理和重组的过程包括根据各个不同的控制策略将相同控制策略对应的数据片段合并重组为新的数据集。

优选的，在所述步骤S14中，根据风资源数据进行一致性评估的过程包括根据风资源数据计算风速、风向分布，并利用包括均方差在内的指标评估各个所述数据集所对应的风速、风向分布的一致性。

通过实施上述本发明提供的风电机组等时间片切换重组验证方法，具有如下技术效果：

（1）本发明通过构造时间片及切换机制，使同一台风电机组以轮转方式运行在不同的控制策略下，利用统计学原理逐渐削弱或消除风资源变化的影响，使不同控制策略的本质差异得到较准确的量化呈现；

（2）本发明具有验证结果精确程度高、对风资源条件敏感程度低、易于实现等优点，能够准确反映控制策略优化设计的实际应用效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明风电机组等时间片切换重组验证方法一种具体实施方式的程序流程图；

图2是本发明风电机组等时间片切换重组验证方法一种具体实施方式等时间片切换逻辑为固定正序时的数据结构示意图；

图3是本发明风电机组等时间片切换重组验证方法一种具体实施方式等时间片切换逻辑为正逆序交替时的数据结构示意图；

图4是本发明风电机组等时间片切换重组验证方法一种具体实施方式等时间片切换逻辑为随机顺序时的数据结构示意图；

图5是本发明风电机组等时间片切换重组验证方法一种具体实施方式的实现原理框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图5所示，给出了本发明风电机组等时间片切换重组验证方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图1所示，一种风电机组等时间片切换重组验证方法的具体实施例，主要由以下环节构成：确定并实现参与对比验证的控制策略集合、设计等时间片切换逻辑、运行数据采集、数据后处理及重组、风资源一致性评估、对比验证。具体包括以下步骤：

S10：根据设定的先验信息和验证目标，确定参与对比验证的多项控制策略集合（例如：新/旧控制逻辑、控制参数的不同取值），控制策略集合包括各种控制策略，并在风电机组主控软件中实现所有控制策略，为便于描述，将控制策略集合记为A={a₁，a₂，…，a_n}；

先验信息包括：风电机组的机型参数、风电机组所在场址风资源参数、基于前期设计及仿真分析得到的候选控制策略及控制参数；验证目标包括：验证新策略在特定指标（发电性能、载荷等）下是否优于常规策略（即：不同控制策略之间的对比），验证既定控制策略的参数优化设计方法和设计结果是否符合预期（即：不同控制参数之间的对比）；

S11：设计等时间片切换逻辑；

S12：将包含控制策略集合及等时间片切换逻辑的主控软件编译、下载至风电机组，风电机组投入运行，进行多项控制策略之间的切换，并持续进行数据采集；

S13：数据采集完成后，对数据进行处理和重组；

S14：根据风资源数据进行一致性评估，若一致性数据未达到设定值，则返回步骤S12继续采集数据，若一致性数据达到设定值，则结束数据采集；

S15：对采集到的数据进行对比验证，根据数据计算、统计得到各种控制策略对应的量化性能指标，并据此完成定量对比和验证。

在每一个时间片长度ΔT内采集的数据对应于一个相应的数据片段，在步骤S13中，对数据进行处理和重组的过程包括根据各个不同的控制策略将相同控制策略对应的数据片段合并重组为新的数据集。在步骤S14中，根据风资源数据进行一致性评估的过程包括根据风资源数据计算风速、风向分布，并利用包括均方差在内的指标评估各个数据集所对应的风速、风向分布的一致性。

本发明具体实施例描述的风电机组等时间片切换重组验证方法技术方案通过构造时间片及切换机制，使同一台风电机组以轮转方式运行在不同的控制策略下，利用统计学原理逐渐削弱或消除风资源变化的影响，使不同控制策略的本质差异得到较准确的量化呈现。此外，该方法也不依赖于仿真环境，可在实物风电机组上较方便地开展验证，有效规避了模型误差问题。

等时间片切换逻辑进一步包括以下要素：

（A）参数化的时间片长度ΔT；作为本发明一种较佳的具体实施例，时间片长度ΔT在大于风电机组控制响应时间的前提下，尽可能取小值，以便在较短的验证期内使统计学规律得到充分体现，使各种控制策略所处的风资源数据尽可能相同；

（B）循环计时及切换触发逻辑，用于按照设定的时间片长度ΔT触发控制策略轮转切换动作；值得注意的是，当控制策略的切换可能给风电机组运行带来一定冲击或可能引起其他功能、逻辑的误触发时，须作适当处理以确保切换的平滑性；例如：利用变化率限幅为控制参数切换规划适当的过渡过程；针对风电机组主控制器中的控制器、滤波器、积分器等特殊计算单元的输出，设计并实现适当的存储、重置、旁路操作，避免切换导致的输出跳变；作为本发明一种较佳的具体实施例，在控制策略切换过程中，采用变化率限幅为控制参数进行切换，在控制策略切换时规划一定的过渡过程，避免由控制策略切换导致的风电机组输出跳变；当两个控制策略分别为控制策略一和控制策略二，控制策略一和控制策略二均包括积分器时，则风电机组由控制策略一切换至控制策略二时，令控制策略一的积分器停止计算，以避免在控制策略二使能期间控制策略一的输出发生大范围飘移；当控制策略二与控制策略一的输出差异较大时，根据控制策略一的当前输出值对控制策略二的输出值及积分值进行重置；

（C）切换标志，切换标志的取值集合与控制策略集合形成一一映射，并严格地随控制策略同步切换；风电机组主控制器在触发逻辑切换过程中，在完成控制策略切换的同时，设定对应的切换标志；例如，风电机组在两套控制策略之间切换时，切换标志f取0和1，即可确保两者同步，以便后续根据切换标志f对运行数据进行重组；

（D）切换顺序；如附图2、附图3和附图4所示，控制策略的切换顺序进一步采用固定正序或正逆序交替或随机顺序，以尽可能避免切换顺序与风资源数据在特定时间尺度上的规律性变化发生耦合；一般情况下采用形如a₁，a₂，…，a_n，a₁，a₂，…，a_n…的固定正序即可，特殊情况下，例如时间片长度ΔT较大或控制策略数目n较多时，须考虑采用正逆序交替（例如：a₁，a₂，…，a_n，a_n，a_n-1，…，a₁…）或随机顺序，以尽可能避免切换顺序与风资源在特定时间尺度（如：小时、天、周）上的规律性变化发生一定程度的耦合，影响统计学规律的体现，导致对比验证期显著延长。

采集到的数据至少包括切换标志、包括风速和风向在内的风资源数据，以及用于计算量化性能指标的变量。作为本发明一种较佳的具体实施例，当关注风电机组的发电性能时，采用功率曲线作为量化性能指标，采集的数据至少包括切换标志、风速及电功率。当关注风电机组的振动情况时，采集的数据至少包括切换标志、风速、发电机转速和机舱加速度。

如附图5所示，数据采集完成后，根据切换标志f区分各时间片，必要时可将各时间片首部的固定长度数据（对应于风电机组的调节或响应过程）剔除，以提高验证结果的精确性。根据切换标志f对数据进行重组，将相同控制策略对应的数据片段合并重组为数据集d₁，d₂，…，d_n；进一步，根据风资源数据计算风速、风向分布，并利用均方差等指标评估各数据集所对应的风速、风向分布的一致性，进行对比验证，若一致性较差，则继续采集数据，若一致性较好，则可结束数据采集。

对比验证过程包括，根据数据计算、统计得到各控制策略对应的量化性能指标，据此完成定量对比和验证。具体过程为：根据切换标志对风速、风向的时间片数据进行重组，对每组数据统计其风速分布、风向分布，并采用特定的度量指标进行对比。

例如，假定有3个数据集X、Y和Z，记各数据集的风速分布分别为：

X=(x₁,x₂,...,x_n)

Y=(y₁,y₂,...,y_n)

Z=(z₁,z₂,...,z_n)

记平均风速分布A为：

A=(A₁,A₂,...,A_n)=((x₁+y₁+z₁)/3,(x₂+y₂+z₂)/3,...,(x_n+y_n+z_n)/3)

则3个分布的均方差E为：

$E=\sqrt{{(x_1-A_1)}^2+{(y_1-A_1)}^2+{(z_1-A_1)}^2...+{(x_n-A_n)}^2+{(y_n-A_n)}^2+{(z_n-A_n)}^2}$

理论上，该值将随数据量的增大而持续减小，当该值减小到一定程度且趋于收敛时可判定数据集一致性符合要求。

本发明具体实施例描述的风电机组等时间片切换重组验证方法技术方案利用等时间片切换及统计学规律，使参与对比的不同控制策略在统计意义下处于近似的风资源条件，从而深度排除风资源变化所带来的影响，为风电机组控制策略优化设计的定量验证提供一种简单、有效的方法。针对切换顺序与风资源在特定时间尺度的规律性变化之间可能存在的一定程度的耦合，提拱了采用正逆序、随机等切换顺序的技术方案。通过构造时间片及切换机制，使同一台机组以轮转方式运行在不同的控制策略下，利用统计学原理逐渐削弱或消除风资源变化的影响，使不同控制策略的本质差异得到较准确的量化呈现，因此具有验证结果精确程度高、对风资源条件敏感程度低、易于实现等优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：根据先验信息和验证目标，确定参与对比验证的控制策略集合，所述控制策略集合包括各种控制策略；

S11：设计等时间片切换逻辑；

S12：将包含控制策略集合及等时间片切换逻辑的主控软件编译、下载至风电机组，所述风电机组投入运行，进行控制策略切换，并持续进行数据采集；

S13：数据采集完成后，对所述数据进行处理和重组；

S14：根据风资源数据进行一致性评估，若一致性数据未达到设定值，则返回步骤S12继续采集数据，若一致性数据达到设定值，则结束数据采集；

S15：对采集到的所述数据进行对比验证，根据所述数据计算、统计得到各种控制策略对应的量化性能指标，并据此完成定量对比和验证。

2.根据权利要求1所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于，所述等时间片切换逻辑包括以下要素：

（A）参数化的时间片长度ΔT；

（B）循环计时及切换触发逻辑，用于按照设定的时间片长度ΔT触发控制策略轮转切换动作；

（C）切换标志，所述切换标志的取值集合与所述控制策略集合形成一一映射，并严格地随所述控制策略同步切换；

（D）切换顺序。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：所述时间片长度ΔT在大于所述风电机组控制响应时间的前提下，尽可能取小值，以便在较短的验证期内使统计学规律得到充分体现，使各种控制策略所处的风资源数据尽可能相同。

4.根据权利要求2或3所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：在所述控制策略切换过程中，采用变化率限幅为控制参数进行切换，在所述控制策略切换时规划一定的过渡过程，避免由所述控制策略切换导致的所述风电机组输出跳变。

5.根据权利要求4所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：当两个控制策略分别为控制策略一和控制策略二，所述控制策略一和控制策略二均包括积分器时，则所述风电机组由控制策略一切换至控制策略二时，令控制策略一的积分器停止计算，以避免在控制策略二使能期间控制策略一的输出发生大范围飘移；当控制策略二与控制策略一的输出差异较大时，根据控制策略一的当前输出值对控制策略二的输出值及积分值进行重置。

6.根据权利要求2、3、5中任一权利要求所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：所述切换顺序采用固定正序或正逆序交替或随机顺序，以尽可能避免所述切换顺序与所述风资源数据在特定时间尺度上的规律性变化发生耦合。

7.根据权利要求6所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：所述采集到的数据至少包括切换标志、包括风速和风向在内的风资源数据，以及用于计算量化性能指标的变量。

8.根据权利要求7所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：当关注所述风电机组的发电性能时，采用功率曲线作为量化性能指标，采集的数据至少包括切换标志、风速及电功率；当关注所述风电机组的振动情况时，采集的数据至少包括切换标志、风速、发电机转速和机舱加速度。

9.根据权利要求2、3、5、7、8中任一权利要求所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：在每一个所述时间片长度ΔT内采集的数据对应于一个相应的数据片段，在所述步骤S13中，对所述数据进行处理和重组的过程包括根据各个不同的控制策略将相同控制策略对应的数据片段合并重组为新的数据集。

10.根据权利要求9所述的一种风电机组等时间片切换重组验证方法，其特征在于：在所述步骤S14中，根据风资源数据进行一致性评估的过程包括根据风资源数据计算风速、风向分布，并利用包括均方差在内的指标评估各个所述数据集所对应的风速、风向分布的一致性。