CN105298745A - 一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，步骤包括：1)实时采集目标风电机组所处环境下的空气密度，得到当前空气密度值，转入执行步骤2)；2)计算当前空气密度值与目标风电机组当前的控制参数所对应的空气密度值之间的变化量，若计算到的变化量大于预设阈值，则根据当前空气密度值调整目标风电机组当前的控制参数，得到调整后的控制参数，转入执行步骤3)，否则返回执行步骤1)；3)由调整后的控制参数控制目标风电机组运行，返回执行步骤1)。本发明能够实时跟踪空气密度变化来动态调整风电机组的控制参数，从而有效提升风电机组的发电量，具有实现方法简单、所需成本低且提升效率高的优点。

Description

一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法

技术领域

本发明涉及风电机组发电技术领域，尤其涉及一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法。

背景技术

对发电量提升工作的研究已经形成一种潮流，针对特定风资源、场址机位优化来提升发电量的设计方案也形成一种显性需求。风力发电机组控制策略主要是针对机组安全性、载荷控制和能量捕获等方面，其中对发电性能提升的控制关乎经济效益的评估和实现风电场收益最大化的关键。风力发电机组的发电性能一般是以功率曲线或发电量来进行衡量，也是风电场中所高度关注的指标。实际上发电量的核算是通过功率曲线来获得，功率曲线即是风电机组中风速与输出功率相对应的性能曲线，输出功率与环境条件下的风速和空气密度强相关，因而发电量与风电机组所处环境的空气密度强相关。

外界环境条件下在任意时刻的风速和空气密度决定了空气动能的大小，风电机组能从这一部分空气动能中转换多少能量成为电能，即是机组整机机电性能优劣的体现。风电机组设计的初衷是实现捕获能力的最大化，对于风速的因素，由于风速的随机性非常强，在以一分钟计的时间片段内均有可能出现很大波动，所以在风电机组设计运行中通常有一套完善的针对随机性极大的风速的控制方法，通常是需要对机组承受载荷和发电性能获取进行平衡，即对于风速音色，常规设计考虑是为了机组安全性需要牺牲发电量产出。

而对于空气密度因素，在特定的地区内，空气密度在短时间内通常并不会有很强的随机变化性，但是随着季节变化、或在较大时间跨度范围内，空气密度则会存在一定的量值变化。目前风电机组运行中通常并不考虑空气密度的影响，只以风电场在可研阶段所获得空气密度作为单一固定值的设计条件来形成静态控制参数，由该静态控制参数控制风电机组运行，由于该静态控制参数不能够响应全年空气密度的变化，风电机组在空气密度的变化的同时不能适应性的调整与之相关的控制参数，因而在大时间跨度下风电机组无法实现最大化电量输出。综上所述，现有技术中的以空气密度为设计条件的静态控制参数设计方法，对外界环境条件下的空气密度不敏感，不利于追踪并响应空气密度的变化，无法实现最大化的将风能转化为有效电能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能具有实现方法简单、所需成本低且提升效率高的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，能够实时跟踪空气密度变化来动态调整风电机组的控制参数，从而有效提升风电机组的发电量。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，步骤包括：

1)实时采集目标风电机组所处环境下的空气密度，得到当前空气密度值，转入执行步骤2)；

2)计算当前空气密度值、与目标风电机组当前的控制参数所对应的空气密度值之间的变化量，若计算到的所述变化量大于预设阈值，则根据当前空气密度值调整目标风电机组当前的控制参数，得到调整后的控制参数，转入执行步骤3)，否则返回执行步骤1)；

3)由所述调整后的控制参数控制目标风电机组运行，返回执行步骤1)。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)中采集目标风电机组所处环境下的空气密度的具体步骤为：实时采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，根据采集到的气压和温度信号计算当前空气密度值。

作为本发明的进一步改进，所述采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，具体通过在目标风电机组的机舱上分别设置气压计和温度传感器实现。

作为本发明的进一步改进，所述根据采集到的气压和温度信号具体按照下式计算平均空气密度值，得到当前空气密度值；

$\mathrm{\ρ}=\frac{1.293\×P}{p_0}\×\frac{273.15}{T}$

其中，ρ为平均空气密度值，P为实际测量到的平均气压，p₀为标准大气压，T为实际测量到的绝对温度值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中控制参数为控制风电机组运行转矩的模态增益参数。

作为本发明的进一步改进，所述模态增益参数具体根据空气密度值按照下式计算得到；

$K_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^3{C}_{p-max}/\left({\mathrm{\λ}}_{opt}^{3}N\right)$

其中，ρ为平均空气密度值，R为风轮直径，C_p-max为与风力机叶片相关的最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，N为风电机组齿轮箱速比。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)还包括空气密度容差控制步骤，具体步骤为：采集与目标风电机组相邻的多台风电机组所处环境的参考空气密度值，以及获取目标风电机组的历史空气密度值，根据所述参考空气密度值、历史空气密度值对所述步骤1)采集到的空气密度值进行容差互验判别，并根据通过所述容差互验判别得到的空气密度值得到最终空气密度值输出，以使得输出的最终空气密度值的测量误差在预设允许范围内。

作为本发明的进一步改进，所述进行容差互验判别的具体步骤为：将对应多台风电机组的多个参考空气密度值分别与所述步骤1)采集到的空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则将所述步骤1)采集到的空气密度值、以及对应的参考空气密度值分别作为有效空气密度值；将各个所述有效空气密度值与所述历史空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则根据各个所述有效空气密度值计算最终空气密度值输出。

作为本发明的进一步改进，所述最终空气密度值具体通过对各个所述有效空气密度值取均值得到。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，通过实时采集风电机组所处环境下的空气密度，并在空气密度差值大于预设阈值时调整对于的风电机组控制参数，因而可以实时、智能的跟踪空气密度变化，同时基于实时空气密度变化在线动态调整风电机组控制参数，通过最优控制参数来控制风电机组运行，使得风电机组能够实时响应空气密度的变化获取更多的发电量，从而有效的提升风力发电机组将空气动能转化为电能的发电能力；

2)本发明基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，能够有效实现风电机组发电量提升的同时，不需要依赖额外的硬件条件，因而不会对风电机组本身造成额外超出设计负载，也不存在发电性能与载荷需要平衡取舍的问题；

3)本发明基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法中，控制参数进一步的采用模态增益参数，基于空气密度的变化来动态调整模态增益参数，实现最优模态增益参数的自适应调整，能够充分考虑影响发电量的影响因素中空气密度，实现基于空气密度变化的动态调节特征，从而有效的提升风电机组的发电量；

4)本实施例基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法中，进一步还包括容差控制步骤来保证获得空气密度值的精度，一方面通过与临近风电机组的参考空气密度进行容差互验判别，另一方面和历史空气密度值的样本数据进行容差互验判别，由容差互验判别的结果得到最终空气密度值，使得最终空气密度值的误差在允许误差范围内。

附图说明

图1是本实施例基于空气密度变化的提升风电机组发电量的方法的实现流程示意图。

图2是本实施例中实现空气密度采集的安装原理示意图。

图3是本实施例步骤2)中控制参数调整的实现原理示意图。

图4是本实施例中空气密度容差控制步骤的实现原理示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，步骤包括：

1)实时采集目标风电机组所处环境下的空气密度，得到当前空气密度值；

2)计算当前空气密度值与目标风电机组当前的控制参数所对应的空气密度值之间的变化量，若计算到的变化量大于预设阈值，则根据当前空气密度值调整目标风电机组当前的控制参数，得到调整后的控制参数，转入执行步骤3)，否则返回执行步骤1)；

3)由调整后的控制参数控制目标风电机组运行，返回执行步骤1)。

本实施例基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，通过实时采集风电机组所处环境下的空气密度，并在空气密度差值大于预设阈值时调整对于的风电机组控制参数，因而可以智能跟踪空气密度变化，同时基于实时空气密度变化在线动态调整风电机组控制参数，得到最优控制参数来控制风电机组运行，使得风电机组能够实时响应空气密度的变化获取更多的发电量，从而有效的提升风力发电机组将空气动能转化为电能的发电能力。

本实施例基于空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，能够有效实现风电机组发电量提升的同时，不需要依赖额外的硬件条件，因而不会对风电机组本身造成额外超出设计负载，也不存在发电性能与载荷需要平衡取舍的问题。

本实施例中，步骤1)中采集目标风电机组所处环境下的空气密度的具体步骤为：实时采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，根据采集到的气压和温度信号计算当前空气密度值。本实施例通过实时采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，计算得到空气密度值，能够记录并跟踪风电场空气密度的变化，以在空气密度变化超过预设阈值(本实施具体取1％)时调整对应的控制参数。当然在其他实施例中，空气密度变化对应的预设阈值还可根据实际需求进行设定。

本实施例中，根据采集到的气压和温度信号具体按照下式(1)计算平均空气密度值，得到当前空气密度值；

$\mathrm{\ρ}=\frac{1.293\×P}{p_0}\×\frac{273.15}{T}---\left(1\right)$

其中，ρ为平均空气密度值，P为实际测量到的平均气压，p₀为标准大气压，T为实际测量到的绝对温度值。

本实施例中，采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，具体通过在目标风电机组的机舱上分别设置气压计和温度传感器实现，如图2所示，气压计、温度传感器的具体安装在风速仪支架上。本实施例由机舱上分别设置的气压计和温度传感器实时采集气压、温度信号并输出给主控装置作为储备信号，由采集到的气压、温度信号来计算目标风电机组所处环境的空气密度值，确保获取的空气密度值的准确性。

本实施例中，步骤2)中控制参数为控制风电机组运行转矩的模态增益参数，通过不断调整模态增益参数可以调节风电机组的运行性能，以达到最优运行曲线。

本实施例模态增益参数具体根据空气密度值按照下式计算得到；

$K_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^3{C}_{p-max}/\left({\mathrm{\λ}}_{opt}^{3}N\right)---\left(2\right)$

其中，ρ为平均空气密度值，R为风轮直径，C_p-max为与风力机叶片相关的最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，N为风电机组齿轮箱速比。

由式(2)可知，模态增益参数仅与外界环境的空气密度直接相关，也即空气密度的取值将直接影响对风电机组执行控制的模态增益参数，改变空气密度值即可调整模态增益参数，从而相应的调整风电机组的运行状态。本实施例基于空气密度的变化来动态调整模态增益参数，动态调整即是随着时间推移或季节变化带来空气密度变化时，由空气密度的变化来进行最优模态增益参数的自适应调整，以得到最优模态增益参数来控制风电机组的运行。如图3所示，本实施例基于空气密度进行最优模态增益计算后得到控制参数y，能够充分考虑影响发电量的影响因素中空气密度，实现基于空气密度变化的动态调节特征，保证实时由最优模态增益参数控制风电机组运行，从而有效的提升风电机组的发电量。

如图4所示，本实施例中步骤1)还包括空气密度容差控制步骤，具体步骤为：采集与目标风电机组相邻的多台风电机组所处环境的参考空气密度值，以及获取目标风电机组的历史空气密度值，根据参考空气密度值、历史空气密度值对步骤1)采集到的空气密度值进行容差互验判别，并根据通过容差互验判别得到的空气密度值得到最终空气密度值输出，以使得输出的最终空气密度值的测量误差在预设允许范围内。本实施例容差互验判别即是根据相邻多台风电机组的参考空气密度值、历史空气密度值来对采集到的空气密度值进行判断，若参考空气密度值、历史空气密度值与采集到的空气密度值之间误差均在预设允许范围内，则判定为有效空气密度值，由有效空气密度值确定最终空气密度值输出；否则判定为无效空气密度值，需要重新采集空气密度值进行下一次容差互验判别。如图3所示，本实施例在进行最优模态增益参数计算的过程中，由临近机组对空气密度进行容差互验判别，保证最优模态增益参数计算的有效性。

为了防止采集的空气密度值误差大(如目标风电机组上气压计和温度传感器失效，使得空气密度估计偏离实际空气密度较大值)，本实施例通过容差控制的容差机制来保证获得空气密度值的精度。本实施例空气密度容差控制中，一方面通过与临近风电机组的参考空气密度进行对比；另一方面和历史空气密度值的样本数据进行对比，特别是可研阶段统计的数据进行对比，判断对比结果在允许的误差范围内时，再由上述两方面获取的临近多台风电机组的参考空气密度值来得到最终的空气密度值输出，以使得最终输出的空气密度值的误差在允许范围内。

本实施例中，进行容差互验判别的具体步骤为：将对应多台风电机组的多个参考空气密度值分别与步骤1)采集到的空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则将步骤1)采集到的空气密度值、以及对应的参考空气密度值分别作为有效空气密度值；将各个有效空气密度值与历史空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则根据各个有效空气密度值计算最终空气密度值输出。如图4所示，本实施具体取目标风电机组两侧临近的机组1～4，分别以临近机组(1、2)、(2、3)、(3、4)为一组，分别与目标风电机组采集的空气密度值进行容差互验判别，若差值在预设允许范围内，且在可研阶段空气密度范围内，则由各临近机组1～4和目标风电机组的空气密度值来确定最终空气密度值。

本实施例中，最终空气密度值具体通过对各个有效空气密度值取均值得到，即取目标风电机组采集到的当前空气密度、对应各台临近风电机组的参考空气密度的平均值作为最终空气密度值输出。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于步骤包括：

1)实时采集目标风电机组所处环境下的空气密度，得到当前空气密度值，转入执行步骤2)；

2)计算当前空气密度值、与目标风电机组当前的控制参数所对应的空气密度值之间的变化量，若计算到的所述变化量大于预设阈值，则根据当前空气密度值调整目标风电机组当前的控制参数，得到调整后的控制参数，转入执行步骤3)，否则返回执行步骤1)；

3)由所述调整后的控制参数控制目标风电机组运行，返回执行步骤1)。

2.根据权利要求1所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述步骤1)中采集目标风电机组所处环境下的空气密度的具体步骤为：实时采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，根据采集到的气压和温度信号计算当前空气密度值。

3.根据权利要求2所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述采集目标风电机组所处环境的气压、温度信号，具体通过在目标风电机组的机舱上分别设置气压计和温度传感器实现。

4.根据权利要求3所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述根据采集到的气压和温度信号具体按照下式计算平均空气密度值，得到当前空气密度值；

$\mathrm{\ρ}=\frac{1.293\×P}{p_0}\×\frac{273.15}{T}$

其中，ρ为平均空气密度值，P为实际测量到的平均气压，p₀为标准大气压，T为实际测量到的绝对温度值。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述步骤2)中控制参数为控制风电机组运行转矩的模态增益参数。

6.根据权利要求5所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述模态增益参数具体根据空气密度值按照下式计算得到；

$K_{opt}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^3{C}_{p-max}/\left({\mathrm{\λ}}_{opt}^{3}N\right)$

其中，ρ为平均空气密度值，R为风轮直径，C_p-max为与风力机叶片相关的最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，N为风电机组齿轮箱速比。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述步骤1)还包括空气密度容差控制步骤，具体步骤为：采集与目标风电机组相邻的多台风电机组所处环境的参考空气密度值，以及获取目标风电机组的历史空气密度值，根据所述参考空气密度值、历史空气密度值对所述步骤1)采集到的空气密度值进行容差互验判别，并根据通过所述容差互验判别得到的空气密度值得到最终空气密度值输出，以使得输出的最终空气密度值的测量误差在预设允许范围内。

8.根据权利要求7所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述进行容差互验判别的具体步骤为：将对应多台风电机组的多个参考空气密度值分别与所述步骤1)采集到的空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则将所述步骤1)采集到的空气密度值、以及对应的参考空气密度值分别作为有效空气密度值；将各个所述有效空气密度值与所述历史空气密度值进行差值计算，并判断计算得到的差值结果是否在预设允许范围内，如果是，则根据各个所述有效空气密度值计算最终空气密度值输出。

9.根据权利要求8所述的基于实时空气密度变化的提升风电机组发电量的方法，其特征在于，所述最终空气密度值具体通过对各个所述有效空气密度值取均值得到。