CN104314759A

CN104314759A - 一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法

Info

Publication number: CN104314759A
Application number: CN201410570400.6A
Authority: CN
Inventors: 蒋说东; 霍连文
Original assignee: INNER MONGOLIA GEOHO ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: INNER MONGOLIA GEOHO ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2015-01-28

Abstract

本发明属于风力发电系统控制技术领域，特别涉及一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法。其具体步骤为：设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间t，得出风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的偏航角误差数组W_d；设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的加权系数：得出加权滤波后的偏航角误差值，根据加权滤波后的偏航角误差值，对风力发电机组进行偏航控制。

Description

一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法

技术领域

本发明属于风力发电系统控制技术领域，特别涉及一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法。

背景技术

风力发电机组在风向发生变化并超过设计值时，机组要进行自动偏航进行对风，尽可能吸收风能，减少功率损失。在现有风力发电机组的偏航控制系统中，为了减少偏航动作次数，降低偏航机构的疲劳载荷，对风向进行判断主要采用一段时间内的平均值，这样可以避免瞬时风向变化引起的偏航误动作，但时间选择非常重要，时间选择过长，偏航动作不及时导致很大的功率损失，时间选择过短，偏航动作太频繁，偏航机构承受很大疲劳应力，严重缩短其使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法，可以有效提高偏航对风准确性，偏航机构也能及时动作，减少了因偏航引起的功率损失。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法包括以下步骤：

步骤1，设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间t，得出风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的偏航角误差数组W_d：

W_d＝{W_d[T],W_d[2T],...,W_d[(k-1)T],W_d[kT]}

其中，T表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的风向采样时间间隔，k＝t/T；W_d[nT]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序排列的第n个偏航角误差值，n为自然数且n取1至k；

步骤2，按照以下公式设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的加权系数：

Σ_{n = 1}^{k} a [nT] = 1

其中，a[nT]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序排列的第n个偏航角误差值的加权系数，n为自然数且n取1至k；当n大于1时，a[nT]>a[(n-1)T]；

然后，得出加权滤波后的偏航角误差值W_ave：

W_ave＝a[T]*W_d[T]+a[2T]*W_d[2T]+...+a[(k-1)T]*W_d[(k-1)T]+a[kT]*W_d[kT]；

步骤3，根据加权滤波后的偏航角误差值，对风力发电机组进行偏航控制。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤2中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c1，c1为设定的常数，0<c1<1。

在步骤2中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c2*A²，其中，c2为设定的常数，0<c2<1，A为设定的大于1的常数。

在步骤1中，将风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个风向采样值减去第n个风力发电机组偏航角采样值，得出风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个偏航角误差值。

本发明的有益效果为：本发明所提自动偏航优化控制方法可以避免时间选择的难题，可有效提高偏航对风准确性，减小发电量损失，又能避免偏航误动作。

附图说明

图1为本发明的一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法的原理图；

图2为本发明中采用线性比例滤波方案得出的偏航角误差值的加权系数与采样点的关系示意图；

图3为本发明中采用非线性平方滤波方案得出的偏航角误差值的加权系数与采样点的关系示意图；

图4a为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组偏航角变化示意图；

图4b为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组输出功率曲线对比示意图；

图4c为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组发电量累积曲线以及风力发电机组理想偏航状态得出的风力发电机组发电量累积曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法的原理图。在本发明实施例中，首先通过采样得到多个风向采样值(变现为角度数据)，同时通过采样得到对应的多个风力发电机组偏航角数据。将每个风向采样值减去对应时刻得到的风力发电机组偏航角(风力发电机组风轮轴线方向的角度)采样值，从而得到对应时刻偏航角误差值。然后将多个偏航角误差值通过本发明进行加权滤波，从而得出加权滤波后的偏航角误差值。将加权滤波后的偏航角误差值输入至偏航控制器(偏航控制器用于根据给定的输入信号控制偏航驱动系统(偏航驱动系统用于在偏航控制器的控制下控制风力发电机组的偏航角)，可以通过可编程逻辑控制器(PLC)实现)，偏航控制器根据加权滤波后的偏航角误差值来控制偏航驱动系统的运行状态，从而，偏航驱动系统使风力发电机组的偏航角发生改变。

本发明实施例中，基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法包括以下步骤：

W_d＝{W_d[T],W_d[2T],...,W_d[(k-1)T],W_d[kT]}

其中，T表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的风向采样时间间隔，k表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的偏航角误差值得个数，k＝t/T；W_d[nT]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序排列的第n个偏航角误差值，n为自然数且n取1至k，W_d[nT]通常为角度值，单位为度。W_d[kT]与当前时刻相对应，W_d[T]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序第一个得出的偏航角误差值。

具体地说，风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的设定过程为：将风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个风向采样值减去第n个风力发电机组偏航角采样值，得出风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个偏航角误差值。

步骤2，设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的加权系数，得出加权滤波后的偏航角误差值W_ave。

在现有技术中，通常采用平均值滤波方法得出偏航角误差值W_ave，此时，W_ave为：

W_{ave} = \frac{1}{k} (W_{d} [T] + W_{d} [2 * T] + . . . + W_{d} [(k - 1) T] + W_{d} [kT])

而在本发明中，加权滤波后的偏航角误差值W_ave为：

W_ave＝a[T]*W_d[T]+a[2T]*W_d[2T]+...+a[(k-1)T]*W_d[(k-1)T]+a[kT]*W_d[kT]

其中，a[nT]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序排列的第n个偏航角误差值的加权系数；

本发明实施例中，按照以下公式设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的加权系数：

Σ_{n = 1}^{k} a [nT] = 1

其中，a[nT]表示风力发电机组偏航控制系统的选择时间内按时间顺序排列的第n个偏航角误差值的加权系数，n为自然数且n取1至k；当n大于1时，a[nT]>a[(n-1)T]。

具体地，可以采用两种方法来设定风力发电机组偏航控制系统的选择时间内每个偏航角误差值的加权系数。第一种方法称为线性比例滤波方案，在线性比例滤波方案中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c1，c1为设定的常数，0<c1<1。例如，c1＝0.02，a[T]＝0.02。第二种方法称为非线性平方滤波方案，在非线性平方滤波方案中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c2*A²，其中，c2为设定的常数，0<c2<1，A为设定的大于1的常数。

步骤3，根据加权滤波后的偏航角误差值，对风力发电机组进行偏航控制。在得出加权滤波后的偏航角误差值之后，将其输入值偏航控制器中。此后，偏航控制器对风力发电机组进行偏航控制的过程为本领域技术人员公知，在此不再详述。

本发明的效果可以通过以下实验进行进一步说明：

在该实验中，风力发电机组偏航控制系统的选择时间t为20s，风力发电机组偏航控制系统的选择时间内的风向采样时间间隔T为0.02s，也就是说，在风力发电机组偏航控制系统的选择时间内，共得到1000个偏航角误差值，这1000个偏航角误差值与1000个采样点相对应，当前时刻的采样点为第1个采样点(与a[kT]对应)。

在该实验中，在得到1000个偏航角误差值之后，分别采用平均值滤波方法(现有技术)、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出每个偏航角误差值的加权系数。在线性比例滤波方案中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c1，c1的数值为1.6×10^-7，a[T]＝1.6×10^-7。

参照图2，为本发明中采用线性比例滤波方案得出的偏航角误差值的加权系数与采样点的关系示意图。图2中，横轴表示采样点，纵轴表示偏航角误差值的加权系数，单位为10^-4。参照图3，为本发明中采用非线性平方滤波方案得出的偏航角误差值的加权系数与采样点的关系示意图。图3中，横轴表示采样点，纵轴表示偏航角误差值的加权系数，单位为10^-6。由图2和图3可知，在本发明获取偏航角误差值的加权系数，当前时刻对应的偏航角误差值的的加权系数最大，离当前时刻越远的采样点其对应的加权系数越小

参照图4a，为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组偏航角变化示意图。图4a中，横轴表示时间，单位为秒，纵轴表示风向，单位为度。实线表示风向变化曲线，其余三条曲线分别表示采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组偏航角变化曲线。从图4a中看出，风向在5s时突变到25°，三种方法的风力发电机偏航角改变速度明显不一样，非线性平方滤波方案对应的风力发电机偏航角改变最为迅速，在第16s时偏航系统开始动作(对应采用非线性平方滤波方案得出的风力发电机组偏航角变化曲线的最高点)。线性比例滤波方案中，在第20s时偏航系统开始动作(对应采用线性比例滤波方案得出的风力发电机组偏航角变化曲线的最高点)。而现有技术的平均值滤波方法中，在第24s偏航系统才开始动作(对应采用平均值滤波方法得出的风力发电机组偏航角变化曲线的最高点)。风向在第45s突然回到零度，此时，由图4a看出，三种方法得出的偏航系统的反应速度与风向第一次改变时(风向在5s时突变到25°)保持一致。

参照图4b，为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组输出功率曲线对比示意图。图4b中，横轴表示时间，单位为秒，纵轴表示采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组输出功率，单位为kW。从图4b看出，机组运行在800kW时，风向突变，非线性平方滤波方案最早回归到800kW，其功率损失最小，相比现有技术的平均值滤波方法，发电量提高了1.29％左右。

参照图4c，为风向突变时采用平均值滤波方法、线性比例滤波方案、非线性平方滤波方案得出的风力发电机组发电量累积曲线以及风力发电机组理想偏航状态得出的风力发电机组发电量累积曲线示意图。图4c中，横轴表示时间，单位为秒，纵轴表示多种方法得出的风力发电机组累积发电量。采用几种方法经过一段时间后得出的风力发电机组发电量累积曲线可以用表1进行说明：

表1

风向滤波方案	累计发电量(kWh)	发电量损失(kWh)	功率损失(％)
				理想偏航状态	18.89	0	0
非线性平方滤波	18.30	0.59	3.12％
				线性比例加权滤波	18.21	0.68	3.62％
平均值滤波	18.06	0.83	4.41％

由图4c和表1可以看出，采用非线性平方滤波方案得出的风力发电机组累积发电量最接近于理想偏航状态，而线性比例滤波方案得出的风力发电机组累积发电量。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

W_d＝{W_d[T],W_d[2T],...,W_d[(k-1)T],W_d[kT]}

Σ_{n = 1}^{k} a [nT] = 1

然后，得出加权滤波后的偏航角误差值W_ave：

W_ave＝a[T]*W_d[T]+a[2T]*W_d[2T]+...+a[(k-1)T]*W_d[(k-1)T]+a[kT]*W_d[kT]；

2.如权利要求1所述的一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法，其特征在于，在步骤2中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c1，c1为设定的常数，0<c1<1。

3.如权利要求1所述的一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法，其特征在于，在步骤2中，当n大于1时，a[nT]-a[(n-1)T]＝c2*A²，其中，c2为设定的常数，0<c2<1，A为设定的大于1的常数。

4.如权利要求1所述的一种基于风向加权滤波的风力发电机组自动偏航控制方法，其特征在于，在步骤1中，将风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个风向采样值减去第n个风力发电机组偏航角采样值，得出风力发电机组偏航控制系统的选择时间内第n个偏航角误差值。