CN104454381A - 一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法 - Google Patents

Abstract

<b/>本发明根据风力机发电效率原理与实际程序实现，提出了一种根据现场环境优化风力机风能捕获过程实现功率增发的方法，本方法对风机所在区域进行基本气象划分，根据区域内现场安装的气象测试站点，对风场的温度与气压数据进行测试，将所测试的数据，在气象站点主控系统中对空气密度和K_opt值进行实时计算，最后通过风机环网，传给相应对应的风机，对风机中计算参数进行实时更新；该方法能适应现场天气变化，提高风机最优功率跟踪精度，提高风机发电能力。

Description

一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法

技术领域

本发明涉及风机风能的捕获跟踪方法，特别是一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法。

背景技术

一般都采用改进风机的结构来提高捕风效率，例如公开号为CN203067172U，公开时间为20130717的中国专利文献，公开了一种提高风机捕风效率的装置，该装置包括环形扩压管和扩压管支撑结构，所述扩压管安装在风机的风轮外周，所述环形扩压管截面为任意升力翼型。进一步地，所述环形扩压管喉部面积与扩压管出口面积比值为1∶1.5—3；扩压管支撑结构为风机塔筒。该方案可以使风机捕风效率突破贝兹极限0.593的限制，但是该方案只限于从具体的设备结构上去提高捕风能力，没有考虑环境等多项因素。

其实风机主要依赖空气流动发电，在一年四季随着温度，气压的变化，风场的空气密度与风况也发生季节性的变化。不同的风况情况下，风机捕风能力会发生变化。所以需要根据空气密度调整风机的最大最优转矩增益系数的方法来实现提高风场功率输出。

发明内容

本发明为了提高现场风机对环境的适应性，提供了一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，根据现场测风塔的温度与气压数据对风场空气密度进行计算，根据现场的空气密度对控制算法参数进行调整，以适应现场天气变化，提高风机发电能力，使得风力发电机的功率优化提升上。

本发明技术方案如下：

一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，其特征在于：

首先，在风场的不同地区进行全面的大气压力和温度的测试；

其次，将测试数据进行记录并进行分析，计算最优转矩增益系数K_opt值；

最后，对风场进行区域划分，在空气密度相对相近的区域，常年设置空气密度检测站点，并且将空气密度检测站点检测到的数据传输到风机环网上，对风机内部运行的空气密度参数进行实时更新，保证风机随时都运行在功率最优捕获状态下，提高风机出力，使得风电场电量增发。

当风场的空气密度一定，扭矩与转速的平方成正比时，风机则为最大程度靠近最优曲线C_p运行，最优转矩增益系数K_opt的计算公式如下：

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；C_pmax为最大风能利用系数，λ为叶尖速比；G为齿轮箱变速比；π为圆周率。

所述空气密度可根据计算公式计算，其中：P为单位容积的空气质量，单位为kg/m³；R为空气的比气体常数，对干燥空气而言，R=287.04J／℃*kg。

当风机在3-11米期间运行时，都使用风能最大跟踪算法；当风场的全年平均风速在7-9米期间运行时，一直采用上述优化方案。全年有70%以上的时间都运行低中风速区，因此优化方案全年无休，风场在此基础上将获得良好的经济效益。

    本发明的有益效果如下：

本发明通过对气象情况进行精细测试，获得风机最优转矩增益系数，使得风机运行在最大风能捕获的状况下，从而提高风场功率输出，提高全年发电量。

附图说明

图1为本发明涉及的77型风机叶尖速比对应的风能利用系数C_p—λ曲线示意图；

图2为本发明实施例中的测试站点与环网连接示意图。

具体实施方式

当风机在低风速下运行时，风机没有达到满发的情况下，根据Betz定律（贝兹定律），风机的运行会根据风速的变化存在最优的效率，如图1所示，图1为所生产的77型风机叶尖速比对应的风能利用系数，其中最优风能利用系数是0.4807。

当风场的空气密度一定时，根据公式推导出，当扭矩与转速的平方成正比时，风机则为最大程度靠近最优曲线C_p运行，最优转矩增益系数表示为K_opt，其计算公式如下：

              （1）

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；C_pmax为最大风能利用系数，λ为叶尖速比；G为齿轮箱变速比；π为圆周率。

只是由于执行机构风轮与传动链具有惯性，风机的转速变化肯定滞后于风速的变化，在使用这一策略时，使得实际的C_p总是围绕最优C_p运行，实现最大功率捕捉和转化。

由此可知，要实现最大功率跟踪和转换，必须提供准确的K_opt值。从公式（1）可以看出K_opt值的计算依赖于当地的空气密度和风机的基本参数。风机一旦设计制造完成，它的风轮半径，最大风能利用系数，齿轮箱变速比都是定值。而叶尖速比也是实时求出的。只有当地的空气密度，一般为前期气象测量的三年期平均值。

但是在一年四季中，空气密度总是随着温度，气压的变化，风况的变化发生变化。特别是中高海拔地区，即使在一个风场，也会因为海拔高度，昼夜温差，四季气压变化，而出现不同的空气密度的变化。因此空气密度的计算是优化K_opt,进行风机功率优化的重要手段。

现在根据某风场的现实情况，可以使用以下三种实施方案。

1．根据测风塔数据每月更新风机K_opt

某地区分两期设置风机，各期自根据各测风塔的数据每月计算K_opt，开放手动输入接口，由风场人员进行手动更新。

修改量小，需要人工更新。

2．拟合K_opt函数

单台风机根据测风塔的数据拟合出K_opt关于温度变化的函数，而其他参数采取默认值，风机根据自身测试的温度数据实时计算K_opt。

存在拟合函数跟不上天气变化的风险，但是节约人力和仪器成本。

3．每台都安装气压测试计

每台风机根据自身测试的气压和温度数据实时计算空气压力情况，进行K_opt的自动更新。

上述三种方案对比表如下：

从上表中对比的结果可以看出，使用专用的气象仪器可以准确而实时的对转矩增益系数进行更新，取得更优的效果。下面将着重对此方案进行详细说明：

风机的安装地点是当地风资源情况来确定的，因此即使是同一个环网的风机之间，都可能相隔几公里。在中高海拔的山区，即使同一高度山的阴面和阳面气象条件都迥异。因此实施的步骤主要如下：

1.对风机所在区域进行基本气象划分，安插温度气压测试站点。将站点测试数据进行记录。可安装在离风机不远处，方便通讯记录。

2.收集站点记录数据，将数据进行对比处理。把数据非常相近的站点挑选出来，并且将这些站点所在区域的风机，统一划归到一个气象区域，可拆除重复的站点。

3.根据站点所测试的数据，在离气象站点最近的主控中对空气密度和K_opt值进行实时计算更新，通过风机环网，传给相应对应的风机，如图2所示。

从图2中可以看出，#10，#01，#02，#03四台风机都是属于气象站点B所在的监控范围内；而#04，#05，#06，#07，#08，#09这六台风机则都是属于气象站点A所在的监控范围内。

测量信号通过传感器接口传递到气象站附近主控制器上进行计算，再从主控制器发往风机环网，风机自动根据传输协议取得各自对应的空气密度值。

根据某风场现场2011年的年报，了解到此风场每月的发电量和风速，该风场全年平均风速正好为7米，而功率C_p最优算法正是运行在低风区3米到11米区间。该风场一期风机在修改完参数以后功率提高千分之九到千分之四之间；而二期风机则因为前期没有对K_opt进行校验，提高的空间更大一些，在百分之一以上。由于现场风速70%以上是9米以下的风，而从统计的平均风速也可看出，该风场风机大部分都在小风区运行。在修改参数以后，风场全年增发超过150万度发电量。 

Claims (4)

1.一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，其特征在于：

首先，在风场的不同地区进行全面的大气压力和温度的测试；

其次，将测试数据进行记录并进行分析，计算最优转矩增益系数K_opt值；

最后，对风场进行区域划分，在空气密度相对相近的区域，常年设置空气密度检测站点，并且将空气密度检测站点检测到的数据传输到风机环网上，对风机内部运行的空气密度参数进行实时更新，保证风机随时都运行在功率最优捕获状态下，提高风机出力，使得风电场电量增发。

2.根据权利要求1所述的一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，其特征在于：当风场的空气密度一定，扭矩与转速的平方成正比时，风机则为最大程度靠近最优曲线C_p运行，最优转矩增益系数K_opt的计算公式如下：

式中：ρ为空气密度；R为风轮半径；C_pmax为最大风能利用系数，λ为叶尖速比；G为齿轮箱变速比；π为圆周率。

3.根据权利要求2所述的一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，其特征在于：所述空气密度可根据计算公式计算，其中：P为单位容积的空气质量，单位为kg/m³；R为空气的比气体常数，对干燥空气而言，R=287.04J／℃*kg。

4.根据权利要求1所述的一种优化风力机风能捕获过程的功率增发的方法，其特征在于：当风机在3-11米期间运行时，都使用风能最大跟踪算法；当风场的全年平均风速在7-9米期间运行时，一直采用上述优化方案。