CN104794347B - 一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，包括：S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；在步骤S4中，包括：S4‑1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；S4‑2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。通过对机舱风速进行修正，获得风力发电机组风轮中心位置的自由流风速，能更加客观反映机组性能的功率曲线。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组性能评估与功率特性测试技术领域，尤其是一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法。
背景技术
机组实际功率曲线是对风力发电机组进行性能评估与优化时的重要工具和手段。通过分析机组实际功率曲线并与理论曲线相比较，可以得到机组在各风速段实发功率与理想功率的差别情况，从而指导机组的性能评估与优化。目前绘制机组功率曲线时采用的风速主要为机组风速计的实测风速，因风速计安装在被测风力发电机组机舱上或附近，风速计在这个位置上测得的风速被称为“机舱风速”。由于机舱风速受到风轮和机舱的严重影响，并不能准确反应轮毂处的实际来流风速。因此采用机舱风速对机组性能进行评估并不客观。为获得叶轮扫风面前方的自由流风速,需要首先对机舱风速进行修正。
目前对于机舱风速的修正，许多风电研究者基于风轮空气动力学理论，利用某些机组运行数据通过理论计算修正机舱风速，但在实际中存在计算偏差较大，不易应用等问题，其主要原因如下：
(1)如图1的流管模型，其中设通过风轮的气流其上游截面积为A1，下游截面积为A2，风轮截面积为A,V1、V2、V分别为上述三个位置对应的风速，计算中需要采用机舱风速，风速计的测量精度往往对计算影响较大，如果风速计测量误差较大则修正风速必然存在偏差；
(2)流管模型修正计算中一般将机舱风速等同于V2，由于机舱风速计距离风轮较近，受节流效应的影响，气流的经过风轮的能量损失还未完全体现出来，其值并不等于V2；而且机舱风速计处于风轮后的扰流区，受风轮尾流旋转和机舱类型等因素的影响严重，该区域的平面内风速情况较为复杂，风速计测量的是点风速而不是平面的平均风速V2；
(3)计算中不使用机舱风速的计算方法，虽然规避了以上问题，但很多需要使用风能利用系数Cp，而Cp的计算往往采用一些经验公式或机组厂家提供的Cp数据表，前者由于机型不同而不具一般性，后者则是机组设计值，由此推算出来的风速无法评估机组实际发电性能；
(4)还有一些研究者利用所建风电场风速时空模型进行实际风速计算，不仅需要风电场各机组和测风塔所处的详细地理条件，而且计算模型参数过多，由于机型的差别和风电场的地理环境的复杂性，这些参数不易确定和获得，模型参数的不准确势必会带来较大计算偏差；
(5)这些计算中的理论模型均有理想化假设，实际情况的多样性往往与假设条件不符，造成了计算的偏差。
《基于机舱风速计的风力发电机组功率特性测试》(IEC61400-12-2：2013)中给出了这种确定和应用合适的修正来解决上述问题的具体方法。该标准指出：“风速由装在机舱顶部或前部的风速计测量，这个位置与风力发电机组风轮中心相对较近，所以周围地形和障碍物对风在理想测量位置和实际测量位置之间的畸变影响较小。然而，风轮和机舱使风严重畸变，因此需要量化这种畸变并在测试中予以考虑。该方法通过机舱传递函数(NTF)描述了这一畸变，NTF由该文件附录D所述的试验方法确定。一旦获得传递函数，用机舱风速计建立机舱功率曲线(NPC)的方法与《风力发电机组功率特性测试》IEC61400-12-1：2005的方法相同。”这种方法可概括为利用测风塔测风数据与机舱风速的相关性进行传递函数拟合，然后通过传递函数进行机舱风速修正。其修正时不需复杂的理想化数学模型及机组性能参数，同时规避了机舱风速测量精度等实际测量因素的影响，具有简单易用，准确性较高的优点。由于国家能源局已发布《风电功率预测系统功能规范》，这便于获取拟合时所需测风塔数据，非常适合该方法的大量应用。
应用该方法绘制的传递函数曲线有多段折线构成，每段直线为每两个风速区间的线性差值，为了使传递函数与实测数据间总体误差较小，风速区间划分时间隔较小(一般取0.5米/秒)，这样总的区间数较多。在实际应用该传递函数进行修正时，需要对数据进行分区间处理和计算，由于分区太多，数学模型形式复杂而导致计算繁琐，实用性较差。因此，目前一种简化的线性拟合方法被广为采用，即将整个工作风速范围作为一个区间进行线性拟合，从而得到传递函数来进行风速修正。此简化方法计算过程简单，容易实现，可以应用在一些对风速修正精确度要求不高的场合。但由于采用一阶线性拟合又没有分区，难免带来一定的拟合误差，这对于绘制精确度要求较高或要进行机组性能评价和优化功率曲线而言，该方法则不适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于测风塔测风数据的风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该传递函数可对机舱风速进行修正，获得风力发电机组风轮中心位置的自由流风速，能更加客观反映机组性能的功率曲线。并且在保证获得较高准确度的前提下解决了IEC61400-12-2:2013标准方法确定的传递函数(NTF)由于风速分区太多导致计算相对繁杂、实用性较差的问题。
本发明提出一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该方法包括：
S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；
S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；
S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；
S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；
优选的，在步骤S4中，包括：
S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；
S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。
优选的，在步骤S2中利用风剪切方法计算，即
优选的，
其中，α为风剪切系数；VH为测风塔在轮毂高度H处的平均风速；Vz为高度z处的平均风速；Vz1为高度测风塔z1高度通道风速，Vz2为高度测风塔z2高度通道风速。
优选的，所述计算目标机组机舱的传递函数通过高阶多项式得到，即
y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)；
优选的，多项式的系数a0～an采用最小二乘法计算得到，即
其中，m为有效数据点(xi,yi)的总数，(xi,yi)为经过剔除后相同时间机舱风速xi、及测风塔风速yi构成的有效数据点；n为多项式阶数。
优选的，所述的多项式阶数n的取值通过计算各阶次传递函数的拟合优度和IEC标准中的传递函数的拟合优度进行比较得到，在满足准确度要求的前提下n值应尽量小；即n的取值为各阶次传递函数的拟合优度大于等于IEC标准中的传递函数的拟合优度的最小值的阶次。
优选的，所述传递函数通过计算低风速区和高风速区的拟合函数阶数，得到的传递函数公式为：
其中，X为机舱风速，Y为测风塔在轮毂高度H处的风速，j、k分别为低风速区和高风速区拟合函数阶数，Vin为切入风速，Vout为切出风速，Ve为额定风速。
优选的，所述非正常运行数据包括目标机组和测风塔共同无效扇区数据、目标机组发电机并网转速以下的数据以及目标机组限功率数据。
优选的，所述的运行数据至少包括风速、有功功率、发电机转速。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明着眼于实际需求，针对风力发电机组性能评估过程中机舱风速不能准确反映风轮前自由流风速的问题，提出了一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，应用该方法拟合的分区NTF可用以绘制客观反映机组发电能力的功率曲线，为性能评估和优化提供指导，具有很强的实用价值。
2)本发明根据IEC标准基于测风塔测风数据进行机舱传递函数分区拟合，在保证获得较高准确度的前提下解决了IEC61400-12-2：2013标准方法中由于风速分区太多导致计算相对繁杂、实用性较差的问题。
3)本发明采用分区高次多项式拟合算法，能够兼顾风力发电机组两种运行方式下NTF的变化，拟合优度高于在整个风速区间进行简单线性拟合。
附图说明
图1是现有技术中用于描绘风轮流管模型的示意图；
图2是现有技术IEC标准中的机舱传递函数结果图；
图3是现有技术线性拟合机舱传递函数结果图；
图4是本发明分区高次多项式拟合机舱传递函数结果图；
图5是本发明实施例中测风塔与周围机组分布地形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明基于测风塔测风数据的风电机组机舱传递函数分区拟合方法，用于对机舱风速进行修正，从而绘制客观反映机组发电能力的功率曲线及进行性能评估作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
风电机组机舱传递函数分区拟合方法包括：
S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；
首先根据机组位置图或地理坐标计算测风塔与周围机组的距离与方位角，然后根据《基于机舱风速计的风力发电机组功率特性测试》(IEC61400-12-2：2013)中对实验机组和测风塔地理条件的要求，选择风电场测风塔附近的某一台机组作为目标机组，选择的具体原则为：
(1)目标机组应为该风场距离测风塔最近机组之一，且与测风塔之间的距离应为2D-4D，其中D为风轮直径；
(2)该机组应处于测风塔下风向，且在风场主风向上；
(3)该机组与测风塔间无障碍物，且地形较平坦，满足IEC61400-12-1：2005要求。
确定目标机组后分别获取测风塔不同高度所记录风速与风向数据，同时考取目标机组SCADA系统中相同时间段记录的运行数据。数据时间跨度和间隔应满足IEC61400-12-2：2013要求。
S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；
由于测风塔和机组运行数据一般不在同一个系统内采集，因此需要对数据进行时间同步，并按照时间戳对齐二者数据。测风塔一般分不同通道分别机组不同高度处的风速及风向，如50米高度、80米高度等。但一般风力发电机组轮毂高度H不一定和这些高度相同，需要通过风剪切计算得出测风塔H高度风速数据，计算公式如下：其中，VH为轮毂高度H处的平均风速；Vz为高度z处的平均风速；α为风剪切系数，如该系数未知可由下式计算得出：
S3：利用IEC标准以及步骤S2中所计算的平均风速数据为依据剔除步骤S1中的非正常运行数据；
将对齐时间戳和高度校正后测风塔风速数据和机舱风速数据按IEC61400-12-2：2013的要求进行数据筛选并剔除无效数据，无效数据包括目标机组和测风塔共同无效扇区数据、目标机组发电机并网转速以下的数据以及目标机组限功率数据。
S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数，包括：
S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；
S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次；
由于目前大型风力发电机组普遍采用了变速变桨距控制技术，在控制策略上分为两个不同阶段，机组根据风速的高低处于不同的运行方式下：低于额定风速时进行转矩控制，通过调节风机转速实现最大风能捕获，此时风轮桨距角不变；而高于额定风速时电机转矩基本不变，通过变桨距来控制转速不变从而保证功率的恒定。因为机组在不同阶段控制策略的改变会造成机舱传递函数的变化，而采用简化方法对整个风速区间的有效数据进行拟合，拟合结果难以同时兼顾额定风速上下的两个风速区间数据分布，特别是某些风资源不佳的风场，大量有效数据处于额定风速以下，导致在高于额定风速时的线性拟合效果严重偏离SCADA原始数据分布。因此本发明提出一种同样利用测风塔数据和目标机组机舱风速数据获取该机型NTF的计算方法，该方法将整个风速区间依据机组运行状态的不同分为两个区间进行拟合，即低于额定风速区间和高于额定风速区间，同时为了提高拟合的准确性，本方法在每个区间内采用高阶多项式进行拟合逼近以减小分区较少所带来的拟合误差，机舱传递函数的高阶多项式采用如下形式：y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)。
对于多项式的系数a0～an，采用最小二乘法计算得到，即对以下方程组求解得到：
其中m为有效数据点(xi,yi)的总数；n为多项式阶数，由于采取分区拟合，所以n值一般不高。对于n的取值可计算各阶次NTF的拟合优度(R2 n)和IEC标准中的传递函数的拟合优度(R2)，在满足准确度要求的前提下n值应尽量小，即n的取值为R2 n≥R2的最小值的阶次；这样得到的NTF数学模型形式简单，修正计算误差小。
由于本发明是分区拟合，所以需要将筛选后数据以额定风速为分界点分为高风速区和低风速区，分别进行拟合，最后目标机组的机舱传递函数为：
其中，X为机舱风速，Y为测风塔轮毂高度风速，j、k为两个风速区间拟合函数阶数，Vin为切入风速，Vout为切出风速，Ve为额定风速。需要说明的是，该NTF仅适用于该实验风场相同机型的其它机组，其它风场相同机型机组或该风场其它机型机组需要单独确定。
实施例一：
如图5所示为某风场测风塔附近机组分布情况为：测风塔位于16#东南侧132.45度，距离为726.48米；测风塔位于17#东南侧101.12度，距离为491.94米；测风塔位于18#东北侧45.59度，距离为594.8米；测风塔位于19#东北侧18.55度，距离为1625.17米。选择17#机组作为目标机组，其原因为：
1)该机组为该风场距离测风塔最近机组；
2)该机组处于测风塔下风向，且在风场主风向上；风场主风向可以从风场前期风资源数据中获得，还可以由测风塔风向数据做出的风向玫瑰图判断得到；然后根据机组与测风塔的相对位置可知其处于测风塔下风向，且在风场主风向上。
3)该机组与测风塔间无障碍物，且地形较平坦，满足IEC-61400-12-1：2005要求；从测风塔与周围机组的分布地形图中可知机组与测风塔间无障碍物且地形平坦。
从17#机组SCADA系统获取某年10min运行数据，包括风速、有功功率、发电机转速等。从测风塔记录数据库同样提取相同时间段记录数据，包括50米风速、风向和80米风速、风向。目标机组轮毂高度为65m，而测风塔风速数据只有50m、80m通道，需要通过风剪切计算得出测风塔65m高度风速数据，计算公式如下：
式中，V65为轮毂高度处的平均风速；该风场风剪切系数α为0.134。将高度校正后测风塔风速数据和机舱风速数据按IEC61400-12-2：2013的要求进行数据筛选，剔除无效数据后，应用IEC61400-12-2：2013所述方法可计算IEC标准机舱传递函数(NTF)，如图2所示为所建目标机组NTF通过IEC标准得到的结果图。由于风速区间划分较多，在实际应用该传递函数进行修正时，需要对数据进行分区间处理和计算，计算相对繁杂，实用性较差。如图3所示为采用在整个风速范围内进行线性拟合方法对目标机组的处理结果示意图，其机舱传递函数NTF为：Y＝0.8583X+1.0007(R2＝0.88)，其中公式中的数值0.8583、1.0007是根据有效数据点(xi，yi)通过n＝1带入上述公式(一)后计算得到的；而R2＝0.88是拟合优度，通过以下计算过程得到：
通过上述计算后带入y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)即可得到。通过上述进一步还得到拟合误差为：由于以上公式属于公知常识，且计算所需数据较多，是采用计算机编程计算得到，因此在此省略了计算过程。
通过此简化方法计算过程简单，容易实现，可以应用在一些对风速修正精确度要求不高的场合。但由于采用一阶线性拟合又没有分区，难免带来一定的拟合误差，这对于绘制精确度要求较高或要进行机组性能评价和优化功率曲线而言，该方法则无优越性。因此，采用本发明提出方法进行机舱传递函数拟合，具体计算步骤如下：
1)测风塔风速高度修正：通过风剪切由50m风速计算得出测风塔65m高度风速数据；在上述中已提到通过得到；
2)测风塔与机组数据同步：将机组时间戳与测风塔数据时间戳对齐；
3)剔除无效扇区数据：基于测风塔80m风向数据根据IEC IEC-61400-12-1：2005剔除机组与测风塔共同无效扇区包括在(22.9°，153.1°)之间的数据；
4)剔除停机数据：筛选17#机组发电机并网转速975rpm以上数据；
5)剔除限功率数据：根据机组运行记录剔除17#机组限功率数据；
6)分区拟合：将筛选后数据以额定风速为界分为高风速区和低风速区，分别进行拟合计算；也就是分别计算高风速区和低风速区1至5阶次各阶次的拟合传递函数系数a0～an，包括：
(6-1)将机舱风速小于额定风速的数据筛选出来作为低风速区的数据，与对应的测风塔风速组成数据点(xi，yi)，然后利用上述公式(一)计算出1至5阶次各阶次的拟合传递函数系数a0～an；
(6-2)将机舱风速大于等于额定风速的数据筛选出来作为高风速区的数据，与对应的测风塔风速组成数据点(xi，yi)，然后利用上述公式(一)计算出1至5阶次各阶次的拟合传递函数系数a0～an。
7)确定拟合多项式阶次：比较各阶次拟合结果，确定两个分区拟合函数阶次。
(7-1)计算IEC标准传递函数(NTF)和拟合优度R2；特别的，IEC标准NTF是利用公式计算得到，式中，Vfree相当于y，Vnacelle相当于x，如用公式的形式描述应为：其中， 式中，Vnacelle,i和Vnacelle,i+1为区间i和区间i+1中机舱风速平均值；Vfree,i和Vfree,i+1为区间i和区间i+1中测风塔风速平均值；Vnacelle为机舱风速的实测值，用于估算自由流风速；Vfree为采用实测机舱风速和测风塔风速修正后的自由流风速。得到每一个分区的NTF后，把每个分区的所有机舱风速xi应用该分区NTF公式计算得到该分区的然后再利用整个风速范围内所有测风塔风速yi和机舱风速xi通过上述公式的(02)至(05)计算得到拟合优度R2＝0.89。
(7-2)计算低风速区1至5阶次各阶次的拟合优度为R2 1＝R2 2＝R2 3＝0.88，R2 4＝R2 5＝0.89，因此根据n的取值为R2 n≥R2的最小值的阶次，确定低风速区拟合传递函数NTF阶次n＝4；
(7-3)计算高风速区1至5阶次各阶次的拟合优度R2 1＝0.88，R2 2＝R2 3＝R2 4＝R2 5＝0.89，因此根据n的取值为R2 n≥R2的最小值的阶次，确定高风速区拟合传递函数NTF阶次n＝2；
同理，R2 n也是根据上述方式计算得到。
8)给出最终拟合NTF：以机舱风速为横坐标，测风塔65m高度风速为纵坐标，目标机组机舱传递函数NTF为：(将上述通过计算后确定的系数a0～an和阶次n的取值带入上述的公式(二)得到以下函数；)
通过上述进一步还得到拟合误差为：
如图4所示为使用本发明提出的分区高次多项式拟合方法对目标机组数据的处理结果图。分区NTF的拟合误差平方和(RSS)的算术平方根为107.9，而线性拟合NTF的拟合误差平方和(RSS)的算术平方根为111.3。因此，本发明提出方法不仅在拟合优度上高于未分区间的简单线性拟合方法，而且拟合误差也低于简单线性拟合方法。应用该分区NTF进行风速修正时，X为机舱风速，Y为修正风速。
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该方法包括：
S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；
S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；
S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；
S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；
其特征在于，在步骤S4中，包括：
S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；
S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。
2.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，在步骤S2中利用风剪切方法计算，即
优选的，
其中，α为风剪切系数；VH为测风塔在轮毂高度H处的平均风速；Vz为高度z处的平均风速；Vz1为高度测风塔z1高度通道风速，Vz2为高度测风塔z2高度通道风速。
3.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述计算目标机组机舱的传递函数通过高阶多项式得到，即
y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)；
优选的，多项式的系数a0～an采用最小二乘法计算得到，即
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其中，m为有效数据点(xi,yi)的总数，(xi,yi)为经过剔除后相同时间机舱风速xi、及测风塔风速yi构成的有效数据点；n为多项式阶数。
4.根据权利要求3所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述的多项式阶数n的取值通过计算各阶次传递函数的拟合优度和IEC标准中的传递函数的拟合优度进行比较得到，在满足准确度要求的前提下n值应尽量小；即n的取值为各阶次传递函数的拟合优度大于等于IEC标准中的传递函数的拟合优度的最小值的阶次。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述传递函数通过计算低风速区和高风速区的拟合函数阶数，得到的传递函数公式为：
其中，X为机舱风速，Y为测风塔在轮毂高度H处的风速，j、k分别为低风速区和高风速区拟合函数阶数，Vin为切入风速，Vout为切出风速，Ve为额定风速。
6.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述非正常运行数据包括目标机组和测风塔共同无效扇区数据、目标机组发电机并网转速以下的数据以及目标机组限功率数据。
7.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述的运行数据至少包括风速、有功功率、发电机转速。
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