CN103758700B - 一种校准风机对风偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种校准风机对风偏差的方法，所述风机为水平轴风力发电机，包括如下步骤：（1）通过安装激光雷达测风仪测得运行风机的风轮前方实时风向，安装时激光雷达测风仪的中轴线与风机机舱的中轴线方向需保证一致；（2）根据测得的多个实时风向，经统计分析得到风机的实际对风偏差量α；（3）调整风机机舱上的风向标初始零位的安装方位，使风向标初始零位与风机机舱水平轴线由平行变为夹角为α，实现风机准确对风，调整的风机可依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入。本发明通过上述校准方法实现了风机的准确对风，可用于提升现运行风机的发电性能，并降低了额外载荷，且不增加风机的生产成本，适于推广应用。

Description

一种校准风机对风偏差的方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体地，涉及一种校准风机对风偏差的方法，该方法适用于水平轴风力发电机。

背景技术

目前偏航系统在大型的风力发电机（风机）中广泛使用，准确的对风可以使风机的风轮捕获更多的风能，从而在发电功率上得到客观的效益。如图1所示，传统的水平轴风力发电机由风轮1、机舱2、塔架3等部分组成，风轮1通过主轴与机舱2连为一体，机舱2安装在塔架3的顶部，可以通过偏航系统4绕塔架3轴线转动，使风轮面更为准确对风，该过程称为偏航。当风轮面正对风时，风机可以获得最大电能，同时降低由于风轮受力不平衡带来额外载荷作用。机舱的实际轴向与风向之间的夹角称为偏航误差。

风机设计是按照平均偏航误差为0度（即长期统计稳态平均对风偏差等于0度），长时间对风不准将对风机的结构产生力学损伤，同时影响风机的发电性能。

如图1所示，传统的水平轴风力发电机偏航动作基于风向标5测量的风向值，风向标5安装于风轮1后方的机舱2上方，由于风轮1的转动以及其它外界条件的影响，使得风向标5测量的风向值与实际风向值之间存在偏差，即对风偏差量为α（如图2所示）。

因此急需对运行风机的对风偏差量进行测量与调整。

中国专利申请CN102797629A（一种风电机组的控制方法、控制器及其控制系统）及CN103061980A（基于激光测风雷达的风力发电机组的前馈控制系统及其控制方法）均针对传统风速风向仪测量值的准确性差的问题，提供了一种采用激光雷达测风仪得到风况信号传送给主控系统用于风电机组的变桨控制的方法，通过变桨控制来实现风机最大风能的捕获，改善了测量准确性差的现象。

上述方法仅通过变桨控制实现了风机最大风能的捕获，但是风机的对风偏差仍然存在，并不能消除由于长时间对风不准对风机的结构产生的力学损伤，进而也会影响风机的发电性能，同时单台风机安装一套激光雷达测风系统长时间用于机组控制会明显加大整机的成本

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，是提供一种校准风机对风偏差的方法，以降低风机额外载荷并提高发电性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种校准风机对风偏差的方法，所述风机为水平轴风力发电机，包括如下步骤：

（1）通过安装激光雷达测风仪测得运行风机的风轮前方实时风向，安装时激光雷达测风仪的中轴线与风机机舱的中轴线方向需保证一致；

（2）根据测得的多个实时风向，经统计分析得到风机的实际对风偏差量α；

（3）调整风机机舱上的风向标初始零位的安装方位，使风向标初始零位与风机机舱水平轴线由平行变为夹角为α，实现风机准确对风，调整的风机可依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入。

进一步地，所述步骤（2）中风机的实际对风偏差量α的获得方法为：

以步骤（1）中的风机实时风向为测试对象，测试数据量需保证10分钟平均偏航误差的均值趋于稳定，10分钟平均偏航误差满足正态分布，在置信概率95%条件下的不确定度低于0.5度的精度。

进一步地，所述步骤（2）具体为：

当{x₁,x₂,…,x_n}为测得的一系列10分钟平均偏航误差样本，

对风偏差量α为

$a=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i---\left(1\right)$

样本不确定度ζ满足如下条件

$\mathrm{\ξ}=\frac{1.96\mathrm{\σ}}{\sqrt{n-1}}\≤0.5---\left(2\right)$

其中n为样本数量，

σ为样本标准偏差，

$\mathrm{\σ}={\left[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

进一步地，所述步骤（3）中，通过风向标安装扳手调整风机机舱上的风向标初始零位的安装方位。

进一步地，在所述步骤（3）后进行效果评估，通过比较调整前后对风偏差以及风机的功率曲线，衡量风机对风准确性与发电性能的改善效果。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明通过安装激光雷达测风仪测得风轮前方实时风向，经统计分析得到风机的实际对风偏差量（图2中α），调整风向标的零位安装方位，消除风向标测量值存在的偏差量，从而实现风机的准确对风，提升了风机的发电性能，并降低了额外载荷。

2、本发明的风机对风偏差校准方法，可针对不同风场的不同机位，利用激光雷达测风仪逐台测量，确定各台风机的对风偏差量，设备利用率高；通过风向标安装扳手调整风向标零位安装方位，方法简单，不用更改风机主控程序便能完成对风偏差的调整，用于现运行风机的性能提升，不增加风机的生产成本，调整的风机可依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入；特别有利于优化我国中东部地区的低风速风场与超低风速风场风机。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为传统的水平轴风力发电机的整体结构示意图；

图2为校准对风偏差前的水平轴风力发电机的俯视结构示意图；

图3是校准对风偏差后的水平轴风力发电机的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

风机对风角度偏差校准方法的实施过程分四个阶段进行。

第一阶段是激光雷达测风仪的安装阶段。通过安装激光雷达测风仪测得运行风机的风轮前方实时风向，安装时激光雷达测风仪的中轴线与风机机舱的中轴线方向需保证一致，以保证采集的实时风向数据的准确性。

第二阶段是测试与数据分析阶段，确定风机对风偏差量α。测试对象是风机实时风向，测试数据量需充足，保证10分钟平均偏航误差值的均值趋于稳定，10分钟平均偏航误差满足正态分布，在置信概率95%条件下的不确定度低于0.5度的精度。

实例如下：

当{x₁,x₂,···,x_n}为测得的一系列10分钟平均偏航误差样本，

对风偏差量α（如图2）为

$a=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i---\left(1\right)$

样本不确定度ζ满足如下条件

$\mathrm{\ξ}=\frac{1.96\mathrm{\σ}}{\sqrt{n-1}}\≤0.5---\left(2\right)$

其中n为样本数量，

σ为样本标准偏差，

$\mathrm{\σ}={\left[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\right]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

第三阶段是对风偏差调整阶段。通过机械扳手（风向标安装扳手）调整风向标的零位安装方位，使风向标初始零位与风机机舱水平轴线由平行变为夹角为α，实现风机准确对风，调整的风机可依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入。调整方案如图2所示，其中风向标处的旋转箭头为调整方向，调整后效果如图3所示。

第四阶段是效果评估阶段。通过比较调整前后对风偏差以及风机的功率曲线，评判风机的性能改善程度。

综上所述，本发明主要是利用遥感设备激光雷达测风仪测量风机实际风向，以及修正风机的对风偏差，通过机械工具转动风向标初始零位的安装方位实现对风机控制系统的风向采集值的更改。该对风偏差修正方法适用于水平轴风力发电机；调整的风机依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入；依据调整前后风机对风偏差量和风机的功率曲线，衡量风机对风准确性与发电性能的改善效果。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种校准风机对风偏差的方法，所述风机为水平轴风力发电机，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过安装激光雷达测风仪测得运行风机的风轮前方实时风向，安装时激光雷达测风仪的中轴线与风机机舱的中轴线方向需保证一致；

(2)根据激光雷达测风仪测得的多个实时风向及安装在风机机舱上的风向标所测得的多个风向之间的偏差，经统计分析得到风机的实际对风偏差量α；

(3)调整风机机舱上的风向标初始零位的安装方位，使风向标初始零位与风机机舱的中轴线由平行变为夹角为α，实现风机准确对风，调整的风机可依靠风向标测量值作为风机偏航系统的输入。

2.根据权利要求1所述的校准风机对风偏差的方法，其特征在于，所述步骤(2)中风机的实际对风偏差量α的获得方法为：

以步骤(1)中的风机实时风向为测试对象，测试数据量需保证10分钟平均偏航误差的均值趋于稳定，10分钟平均偏航误差满足正态分布，在置信概率95％条件下的不确定度低于0.5度的精度。

3.根据权利要求2所述的校准风机对风偏差的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

当{x₁,x₂,…,x_n}为测得的一系列10分钟平均偏航误差样本，

对风偏差量α为

$\mathrm{\α}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i---\left(1\right)$

样本不确定度ζ满足如下条件

$\mathrm{\ζ}=\frac{1.96\mathrm{\σ}}{\sqrt{n-1}}\≤0.5---\left(2\right)$

其中n为样本数量，

σ为样本标准偏差，

$\mathrm{\σ}={\[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-\stackrel{\‾}{x})}^2\]}^{\frac{1}{2}}---\left(3\right)$

4.根据权利要求1所述的校准风机对风偏差的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过风向标安装扳手调整风机机舱上的风向标初始零位的安装方位。

5.根据权利要求1-4任一项所述的校准风机对风偏差的方法，其特征在于，在所述步骤(3)后进行效果评估，通过比较调整前后对风偏差以及风机的功率曲线，衡量风机对风准确性与发电性能的改善效果。