CN103994022A - 用于改善风电场功率产生效率的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于改善风电场功率产生效率的方法和系统。提供了用于在具有多个空间分布的风力涡轮机的风电场上改善功率产生效率的方法和系统。该方法包括：接收包括冲击在涡轮机（20）上的风向的风测量，确定风力涡轮机相对于风向的非对准，以及激活针对风力涡轮机（20）的尾流转向控制，以实施风力涡轮机（20）与风向的非对准，使得该非对准被适配成使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机（30）。风力涡轮机布置包括机舱、偏航控制器，并且还提供了偏航驱动器。

Description

用于改善风电场功率产生效率的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于改善风电场的功率产生效率的方法和系统。

背景技术

能够经由风电场生成风力，其中风力涡轮机将风中的功率转换为电。当为了生成大量电力的目的将多个风力涡轮机置于相同地理区域中时，创建了风电场。每个风力涡轮机的功率输出随风速而变化并可能受上游涡轮机的尾流影响，由此影响风电场的总体功率产生。

在常规方式中，如图1中所示，组装风力涡轮机1包括塔2、机舱3和转子，该转子包括轮毂4与转子叶片5。机舱３围绕偏航轴（未示出）可旋转地安装在塔2上。偏航控制电动机（未示出）位于塔２和机舱３之间，以基于风向使机舱偏航。典型地，通过利用风向标或通过利用声波风传感器（未示出）来测量风向。为了实现风力到电力的最优转换，将转子轴与风向对准。

位于其他风力涡轮机的下游的风力涡轮机受上游涡轮机的尾流影响。如图2中所示，基于传入的风15a，靠近前面的涡轮机20将尾流35a投掷到下游涡轮机30上，从而影响冲击在该下游涡轮机上的风15b。结果，在风15b中存在较少能量供下游涡轮机30提取，使其相对于上游涡轮机20更不高产。对于风向中的较小变化，存在对下游涡轮机30的功率产生的函数形式。当风15a与涡轮机20、30之间的定向方向完美地对准时，产生最小量的功率；并且随着风向向左或向右变化，产生更多功率。示出了尾流扩张的延森（Jensen）理论，其中已知风力涡轮机尾流35a轻微地扩张（大约10度角）。

鉴于由上游涡轮机的尾流引起的消极影响，现有技术中需要通过使这样的尾流的影响变窄来提高风电场的功率产生效率的系统和方法。

附图说明

鉴于附图，在下文的描述中解释本发明，附图示出了：

图1是描绘典型的组装风力涡轮机的示意图。

图2是描绘上游涡轮机对下游涡轮机的尾流影响的示意图。

图3是图示有向流的图。

图４是描绘非对准的上游涡轮机对下游涡轮机的变窄的尾流影响的示意图。

图５是描绘在具有和不具有转向的情况下上游涡轮机对下游涡轮机的尾流影响的图。

图6a-6b图示在不具有转向和具有转向的情况下涡轮机的功率产生曲线图。

图7a-7d图示针对近的和远的涡轮机的尾流转向控制。

图８是图示风电场布置的示意图。

图９图示在不具有尾流转向控制的情况下图８的风电场布置的功率产生曲线图。

图10图示图８的风电场布置的示例控制方案。

图11图示在具有尾流转向控制的情况下图８的风电场布置的功率产生曲线图。

图12图示用于三个情形的示例非对准方案。

图13是本发明的实施例的流程图。

具体实施方式

提供了一种用于改善风电场的功率产生效率的方法和系统。该方法包括：接收包括冲击在涡轮机上的风向的风测量，确定风力涡轮机相对于风向的非对准，以及激活针对风力涡轮机的尾流转向控制，以实施风力涡轮机与风向的非对准，使得该非对准被适配成使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机。风力涡轮机布置包括机舱、偏航控制器，并且还提供了偏航驱动器。

本发明能够以许多方式实施，包括被实施为系统、风力涡轮机布置、设备/装置、计算机实施的方法、或包含实施该方法的指令的非瞬变计算机可读介质。作为一种系统，本发明的实施例包括存储器、输入/输出设备、处理器单元和可选的显示设备和/或数据库。

该方法和系统使用尾流转向控制方案来系统地使涡轮机相对于传入风流的定向偏航，以便将由上游涡轮机投掷的尾流导向为远离邻近的（例如，下游）涡轮机，由此允许它们从风产生更多功率。用这样的方式，该方法和系统在风电场中起作用，以将通过它们的操作产生的尾流导向为远离该场内的邻居以及在几何学上使它们的尾流的影响变窄。在系统地完成的情况下，这将增大风电场的总体功率产生。

图3图示有向流的构思。类似于通过将流导向为向下而生成升起的飞机（或风力涡轮机）的机翼（airfoil），风力涡轮机20使穿过它的风15b的流转向——如果该风力涡轮机20成角度以与传入的风15a非对准的话。涡轮机20能够使流转向的量受限于它对风进行的减慢的量（被称为轴向感应）。

促动盘理论预言：涡轮机20的尾流将被导向与（a）涡轮机对风感应的轴向感应（轴向感应a）和（b）涡轮机的角度非对准（偏航角θ）成比例的量。于是，结果得到的涡轮机的尾流的角偏转（尾流偏转角φ）能够被近似为φ = 0.6aθ。在变速操作期间，轴向感应a大约是1/3，并且涡轮机能够实现的转向的量相对于涡轮机的角度非对准大约是1:5（0.6*1/3=1/5）的量。

返回参考图2，靠近前面的涡轮机20将尾流35a投掷到下游涡轮机30上。结果，在风15b中存在较少能量供下游涡轮机30提取，使其相对于上游涡轮机20更不高产。现在转到图４，根据本发明的与传入的风15a非对准的涡轮机20将使其尾流35b从下游涡轮机30偏转，由此与上游涡轮机20没有经历尾流转向的情况相比，允许下游涡轮机30从冲击在下游涡轮机30上的风15b制造明显更多的功率。

图５中图示出对于上游涡轮机20和下游涡轮机30的、与传统的迎面尾流35a相比较的转向的变窄尾流35b。在图6a和6b的曲线图中分别图示出图2的在没有尾流转向控制的情况下与图４的转向的尾流相比较的功率产生的比较。具体地，图6b图示出：与图6a相比，在实施尾流转向控制的情况下，存在功率产生量值的增加。

图7a-7d图示对于与上游涡轮机20接近和远离地定位的涡轮机，用于在下游涡轮机30处产生更多功率的示例尾流转向控制方案。这里示出了尾流扩张的延森理论，其中已知风力涡轮机尾流随着远离的距离增加而轻微地扩张（大约10度角）。图7a-7d图示通过本发明的实施例的偏航非对准来使涡轮机的尾流变窄的效果。该效果应当会减小涡轮机的下游影响。如本文所示的，非对准的涡轮机20使它的尾流转向为远离邻近的下游涡轮机30。

在相对非常接近于彼此的邻近涡轮机的情况下，图7a示出使尾流转向为远离下游涡轮机30所需的转向的量的示例。图7b中图示出针对近的涡轮机的情况的尾流转向控制方案，示出上游涡轮机20的大的偏航角。该控制方案被图示为分段的曲线图以考虑风向是以轻微的负角还是正角冲击上游涡轮机。在该示例中，如果风向以轻微的负角冲击上游涡轮机，则涡轮机将以正的角度使它本身偏航，以便适当地偏转尾流。然而，如果风以轻微的正角冲击，则涡轮机将沿负的方向偏航。在x轴上示出风向的角度，并且在y轴上示出用于实现期望转向（计划的涡轮机定向）的偏航的量。如本文所示的，曲线图图示出到0o（直接冲击）的任一侧的风向的范围，风向实现了在其中涡轮机与风非对准（这里，其中该曲线图显现为曲线的）的尾流转向控制。在该范围外，没有尾流转向控制被应用并且涡轮机与风对准（这里，其中该曲线图显现为线性的）。

类似地，在彼此进一步分离的邻近涡轮机的情况下，图7c示出使尾流转向为远离下游涡轮机30所需的转向的量的示例。图7d中图示出针对远的涡轮机的情况的尾流转向控制方案，示出上游涡轮机20的较小的偏航角。直接地比较这两种情况，可以看出，如果下游涡轮机30非常接近于上游涡轮机20，则与下游涡轮机30进一步远离时相比，上游涡轮机20将需要更大的偏航来使尾流转向。

风向的范围和尾流控制的程度取决于涡轮机的空间布置（接近度、角度和放置）。特定控制方案的确定将在转向太多（对上游涡轮机的消极效果）与转向不充分（下游丢失功率）之间最优地平衡。

图８示出场上的风力涡轮机的示例布置，其中，多个涡轮机（30a、30b、30c、30d、30e）位于与所关注的涡轮机20相距不同距离（转子直径D）和角度处。在该示例中，所关注的涡轮机20具有分别位于3.5D75o、7D98o、4D120o、6D145o和3D180o处的、布置在晶格图案中的、在它的附近的五个涡轮机。

当风以所有角度冲击（或许在月的期间内）时，图９示出在不具有任何尾流转向控制的情况下的、所关注的涡轮机20的基于风向的示例功率产生。

图10图示用于使涡轮机20偏航以通过风电场总体上产生更多功率的尾流转向控制方案。这个用曲线图表示的控制方案示出了对于接近的涡轮机的较大的转向以及对于更远离地定位的涡轮机的较小的转向。可以由例如考虑空间布置（风向/角度和接近度二者）的函数的阵列来用函数表示针对尾流转向控制方案的角度非对准。用这样的方式，对于给定的风向，尾流转向控制方案根据阵列中的正确的函数来实施预定的偏航控制。如现有技术中已知的，可以例如通过公式、算法、表格和函数曲线图来定义尾流转向控制方案的操作。

在图11的功率产生曲线图中示出实施用于对涡轮机20有影响的其他涡轮机的尾流转向控制方案的结果，图11示出作为该方案的结果产生了更多的功率。如果跨越风电场而实施，则不仅每个下风涡轮机产生更多的功率，而且影响区域（在角度方面）也可以被减小。这个方案的进一步优势是：如果风切变存在于大气中，则从风向中偏航出来的涡轮机能够降低疲劳载荷（随着偏航在某种程度上减小循环推力负荷）。

为了实施用于使风电场的涡轮机偏航的尾流转向控制方案，使用风电场布局，以便确定空间布置，即，农场上的涡轮机之间的距离（例如，以转子直径D表示的距离）和各个角度（α）。布局信息可以存储在与控制器/处理器进行通信以实施该控制的非瞬变计算机可读介质上。通过这个布局信息，能够对于该农场设计特定尾流转向控制方案，其考虑冲击风向和涡轮机的空间布置（例如，角度和距离D）。最优控制方案可以包括诸如何时开始控制（用于激活控制的风向角的范围，诸如偏离平行线+/-20、+/-15或+/-10度）、转向的方向（例如，正冲击=负偏航/负冲击=正偏航）、转向/偏航的量（例如，对于接近的涡轮机来说较大，并且对于远的涡轮机来说较小）和用于实施的任何阈值之类的因素。

控制方案能够基于布局而预先确定并且被存储以用在风电场的操作中。如实施最优方案所需的那样或当对风电场作出改变（诸如添加或移除涡轮机，或可能影响功率产生的其他因素）时，能够更新控制方案。可以基于过去的数据或当前的数据、使用计算机仿真或计算机建模来对控制方案进行建模。此外，在操作期间能够监测风电场的功率产生，并且能够随时间最优地调整控制方案。例如，学习算法或神经网络或者其他信息或信号处理系统能够在操作期间监测功率产生，并学习要在方案中实施的最优控制器设置。可以使用其他已知优化方法来确定用于这个方案的最佳控制器设置。

图13中示出了操作的方法100。首先，获取风测量120（例如，风冲击角）并且将风测量用作对系统的输入以实施偏航非对准。典型的直接风测量仪器包括例如风速计、风向标、温度计和气压计。例如，风向标可以用于测量风冲击角。这些风测量仪器安装在典型地位于轮毂高度的涡轮机上或者安装在位于附近的一个或多个气象桅杆上。风测量仪器通常是较大测量系统的一部分，该测量系统进一步包括例如换能器、信号调节器、记录器和/或通信设备。该仪器典型地以能够作为数据记录和收集系统的函数的预定采样率来测量信号。典型的数据记录和收集系统包括使用计算机的数据记录仪或数据获取。对由数据记录和收集系统产生的数据进行分析，以针对风电场的操作提供多个有用的结果。

使用这个所测量的风向以基于场的布局和涡轮机的空间布置来确定偏航非对准130。所测量的风向将确定偏航将是正的还是负的。其还将确定何时开始激活偏航非对准控制。对于预定范围外的风向，将不实施尾流转向控制，并且涡轮机将保持与风对准。对于预定范围内的风向，可以激活用于使涡轮机非对准的尾流转向控制方案。延迟可以被编程到系统中，以避免基于间歇性风向转变及其他因素来实施对偏航非对准的改变，以便提供平滑操作。根据风向、风速和/或风力涡轮机的转子的转速的、所定义的最大界限和/或所定义的最小界限也可以被综合到方案中。

非对准的量可以被实施为冲击风向和涡轮机的空间布置（距离和角度）的函数。控制方案能够在实现非对准时应用较大的偏航非对准角度和/或可以针对较大范围的冲击风向而激活。类似地，控制方案能够在实现非对准时应用较小的偏航非对准角度和/或可以针对较小范围的冲击风向而激活。出于安全或出于其他功能或操作原因，非对准的量可以由阈值来限制。

控制方案的实施方式可以具有由与涡轮机通信且能够实现偏航控制的处理器或控制器执行的一个或多个控制功能的形式。例如，可以提供函数的阵列，该函数的阵列成比例地提供用于远的涡轮机的小的避免以及用于近的涡轮机的大的避免。非对准的量例如可以被表示为例如线性函数、指数函数或幂函数，其中对函数进行适当的功能转变、成形和反映以实施期望的非对准。

通过产生被适配成实施风力涡轮机与风向的非对准的控制信号来激活140针对风力涡轮机的尾流转向控制。通过发送控制信号以使涡轮机偏航由控制方案确定的偏航量，来针对该涡轮机实施偏航非对准。

风冲击角的连续或周期性监测能够被用于尾流转向控制，并且偏航非对准能够随着风向改变而被系统地更新（连续地或周期性地）。一旦冲击在上游涡轮机上的风向改变为不再影响下游涡轮机的方向，或者不再处于被预先确定以实施控制的范围内，尾流转向控制就能够被停止，并且涡轮机能够被返回到正常的操作对准。

图12示出用于三个情形（4D、6D和10D）的示例控制方案，其中D指的是以直径（D）为单位的、偏航涡轮机与避免尾流的涡轮机之间的距离。在这个图中，X轴表示风向（度），并且Y轴表示涡轮机偏航（度）。对于最近的涡轮机间隔（4D），在该示例中，当风向为偏离平行线+/-15度时，偏航涡轮机尾流转向控制“激活”。当风向与涡轮机一致（0度WD）时，控制方案将使涡轮机偏航70度。如所示，在0和15度之间，偏航方向与风向成线性关系。在该示例中，对于6D和10D情况，偏航涡轮机为了避免下风涡轮机而将偏航到的度较小，如所示，分别偏航到50度和30度。

因为对传入风向偏航70度的涡轮机可能不产生足够的功率，所以可以实施较不激进的转向量。图中的虚线表示使得涡轮机不偏航超过35度（左右）以避免尾流情形的阈值。对于控制方案，正风向侧与负侧成镜像。

针对完全尾流避免而设计上述情形。因此，它能够被视为极端示例。在许多情况下，较小尾流转向（<100%避免）将足够，其中涡轮机操作低于额定功率。一旦涡轮机命中额定功率，涡轮机能够通过偏航而进行的转向的量就变得显著更糟糕，几乎不存在。在该示例中，图中的线将更陡峭且将大大地限制转向能力。

基于上述说明书，可以使用包括计算机软件、固件、硬件或其任何组合或子集的计算机编程或工程技术来在计算机或计算/处理设备上实施本发明。可以在一个或多个计算机可读介质内体现或提供其上具有计算机可读代码的任何这样的得到的程序，从而制造计算机程序产品，即根据本发明的制造品。计算机可读介质例如可以是固定的（硬）驱动器、磁盘、光盘、磁带、诸如只读存储器（ROM）之类的半导体存储器等等。

计算机科学领域技术人员将能够容易地将如所描述的那样创建的程序代码与适当的通用或专用计算机硬件组合，以创建体现本发明的方法的计算机系统或计算机子系统。用于制造、使用或售卖本发明的装置可以是一个或多个处理系统，包括但不限于传感器、中央处理单元（CPU）、存储器、存储设备、通信链路和设备、服务器、I/O设备、或者一个或多个处理系统的任何子部件，包括体现本发明的软件、固件、硬件或其任何组合或子集。可以从键盘、鼠标、笔、语音、触摸屏、或人类能够借以（包括通过诸如应用程序之类的其他程序）将数据输入至计算机中的任何其他装置来接收用户输入。可以从多种传感器或与其进行有线或无线通信的数据输入设备中的任一种接收数据输入。输出可以包括计算机监视器、电视、LCD、LED或用于将信息传达到用户的任何其他装置。输出可以进一步包括被适配成对与其进行有线或无线通信的诸如风力涡轮机之类的外部设备进行控制的数据。

尽管已经在本文中示出和描述了本发明的各个实施例，但将明显的是，提供这样的实施例仅仅作为示例。在不脱离本文的本发明的情况下，可以进行许多的变化、改变和置换。相应地，意图是，本发明仅仅由所附权利要求的精神和范围来限制。

Claims (20)

1.一种为了改善功率产生效率而在具有多个空间分布的风力涡轮机的风电场上实施的方法，包括：

接收包括冲击在涡轮机上的风向的风测量；

由处理器确定风力涡轮机相对于风向的非对准，其中该非对准被适配成使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机；以及

通过产生被适配成实施风力涡轮机与风向的非对准的控制信号来激活针对风力涡轮机的尾流转向控制。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定风力涡轮机的非对准包括：基于风向确定风力涡轮机的尾流是否冲击在邻近的风力涡轮机上。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定风力涡轮机的非对准包括：基于风向确定冲击在邻近的风力涡轮机上的风力涡轮机的尾流的量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述非对准被适配成基于风电场的布局使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机，该布局包括多个空间分布的风力涡轮机的空间关系。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：存储包括多个空间分布的风力涡轮机的空间关系的风电场的布局。

6.根据权利要求1所述的方法，其中风力涡轮机相对于风向的非对准的量取决于该风力涡轮机和邻近的风力涡轮机之间的空间关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该风力涡轮机和邻近的风力涡轮机之间的空间关系包括角度和距离。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所确定的风力涡轮机相对于风向的非对准的量与该风力涡轮机和邻近的风力涡轮机之间的接近距离成反比。

9.根据权利要求8所述的方法，其中非对准的量包括对于较小接近距离的较大的偏航角以及对于较大接近距离的较小的偏航角。

10.根据权利要求1所述的方法，其中激活针对风力涡轮机的尾流转向控制是基于冲击在涡轮机上的风向的预先确定的角度范围来开始的。

11.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当风向处于冲击在涡轮机上的风向的预先确定的角度范围之外时，将风力涡轮机相对于风向重新对准。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，尾流转向控制被适配成产生控制信号，该控制信号在风向以负角冲击时导向风力涡轮机以沿正的方向偏航，并且在风向以正角冲击时导向风力涡轮机以沿负的方向偏航。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：通过旋转风力涡轮机的机舱而导致风力涡轮机与风向的非对准来实施非对准，从而在几何学上使尾流对邻近的涡轮机的影响变窄。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，机舱的旋转由连接到偏航驱动器的偏航控制器来实施，该偏航驱动器接收控制信号并基于控制信号使风力涡轮机与风向非对准。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，风测量是从安装在风力涡轮机上或附近的风测量仪器获取的。

16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：制定用于风力涡轮机相对于风向的非对准的、不要被超过的最大阈值偏航角。

17.一种用于在具有多个空间分布的风力涡轮机的风电场上改善功率产生效率的系统，包括：

数据处理设备，用于：接收包括冲击在涡轮机上的风向的风测量；确定风力涡轮机相对于风向的非对准，其中该非对准被适配成使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机；以及通过产生被适配成实施风力涡轮机与风向的非对准的控制信号来激活针对风力涡轮机的尾流转向控制。

18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括非瞬变存储设备，其用于存储包括多个空间分布的风力涡轮机的空间关系的风电场的布局，其中所述非对准被适配成基于风电场的布局使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机，所述非对准包括对于该风力涡轮机和邻近的风力涡轮机之间的较小接近距离的较大的偏航角以及对于该风力涡轮机和邻近的风力涡轮机之间的较大接近距离的较小的偏航角。

19.根据权利要求17所述的系统，进一步包括连接到偏航驱动器的偏航控制器，该偏航驱动器接收控制信号，并且当冲击在风力涡轮机上的风向处于预先确定的角度范围内时，基于控制信号使风力涡轮机与风向非对准，以及，当风向处于预先确定的角度范围外时，将风力涡轮机相对于风向重新对准。

20.一种包含指令的非瞬变计算机可读介质，所述指令在由处理器执行时执行包括下述各项的动作：

接收包括冲击在涡轮机上的风向的风测量；

确定风力涡轮机相对于风向的非对准，其中该非对准被适配成使风力涡轮机的尾流转向为远离邻近的风力涡轮机；以及

通过产生被适配成实施风力涡轮机与风向的非对准的控制信号来激活针对风力涡轮机的尾流转向控制。