CN105484938A - 风力发电机组的偏航控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种风力发电机组的偏航控制方法及装置。所述风力发电机组的偏航控制方法包括：按照预设时间长度实时获取风况参数；对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。通过本发明的风力发电机组的偏航控制方法及装置，为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高了机组偏航的准确性，从而提高了风能利用率。

Description

风力发电机组的偏航控制方法及装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组的偏航控制方法及装置。

背景技术

偏航控制系统是风力发电机组(以下简称机组)控制系统的重要组成部分，用于控制机组的对风方位，实现正面迎风，增大风能吸收效率，并有效降低由于叶轮没有正对风而造成的不对称载荷。偏航控制的目标是使得机组尽可能地运行在风能吸收效率较高的风向区域内。

通常，现有的偏航控制方式具有以下两种，一种是通过风向标反馈的风向进行偏航，如风向标检测的风向偏差9度持续90秒，或者偏差15度持续50秒，以及偏差达到25度持续20秒则开始偏航。另一种是通过在风机叶轮前方设置多个虚拟截面，然后测量各时刻位于叶轮前方N个不同截面的截面风向和截面风速，并将截至到当前时刻t测量的各时刻对应的不同截面的截面风向与风速进行等效处理，生成当前时刻t对应的等效测量风向θt并作为机组偏航控制的依据。

然而，上述两种方式具有以下不足之处，一是易受风切变效应的作用而无法进一步提高风能利用率；二是等效处理过程中由于风向以风速值为权重的线性平均，因此引入的紊流效应误差会变大；三是对风机叶轮前方位于不同距离的虚拟截面上风速风向的等效，然后以一延时系数进一步等效到风机叶轮上的风速风向，这一过程会放大风切变带来的误差。由此，通过现有技术提供给风力发电机组偏航的依据准确率较低，从而降低了机组偏航的准确性，也就无法提高风能利用率。

发明内容

本发明实施例的目的在于，提供一种风力发电机组的偏航控制方法及装置，以实现为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高机组偏航的准确性，从而提高风能利用率。

为实现上述发明目的，本发明的实施例提供了一种风力发电机组的偏航控制方法，所述方法包括：按照预设时间长度实时获取风况参数；对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

本发明的实施例还提供了一种风力发电机组的偏航控制装置，所述装置包括：参数获取模块，用于按照预设时间长度实时获取风况参数；方向角生成模块，用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；偏航控制模块，用于根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

本发明的实施例还提供了一种风力发电机组的偏航控制装置，所述装置包括：获取装置，用于按照预设时间长度实时获取风况参数；处理器，用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；控制器，用于根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

本发明实施例提供的风力发电机组的偏航控制方法及装置，通过实时获取预设时间长度内风力发电机组所处环境下的风况参数，进一步对获取的风况参数进行矢量分析确定主风能方向角，实现了为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高了机组偏航的准确性，从而提高了风能利用率。

附图说明

图1为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的流程示意图；

图3为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中矢量分解运算的示例性示意图；

图4为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中矢量合成运算的示例性示意图；

图5为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的另一流程示意图；

图6为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的又一流程示意图；

图7为本发明实施例二的风力发电机组的偏航控制装置的结构示意图；

图8为本发明实施例三的风力发电机组的偏航控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例风力发电机组的偏航控制方法及装置进行详细描述。

实施例一

图1为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法的流程示意图，如图1所示，风力发电机组的偏航控制方法包括：

步骤11：按照预设时间长度实时获取风况参数。

需要说明的是，风况参数可包括风向角和风速。例如，通过例如风速风向仪的测风设备实时测量风况参数并存储，如t_j时刻的风向角θ_i和相应的风速v_ij。

在实际应用中，采用风速风向仪可以降低风力发电机组的偏航控制的成本。除风速风向仪外，还可采用激光雷达或超声波等其它可以获得风况参数的设备进行数据测量。

步骤12：对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角。

在实时获取到上述风况参数如t_j时刻的风向角θ_i和相应的风速v_ij之后，根据从0s开始到t_j时刻这一时间段内各时刻的风向角和风速做矢量分析，计算主风能方向角。

步骤13：根据主风能方向角控制风力发电机组偏航。

根据本发明示例性的实施例，步骤13包括：获取当前时刻风力发电机组的机舱方位角，计算主风能方向角与机舱方位角之间的差值，根据主风能方向角与机舱方位角之间的差值控制风力发电机偏航。

在获取得到主风能方向角与机舱方位角之间的差值后，可通过这一差值进行判断以控制偏航系统采取相应偏航操作，本实施例对具体判断方法以及执行偏航的操作不作限定。

具体地，本实施例提供一种根据主风能方向角与机舱方位角之间的差值控制风力发电机组偏航的具体实现方式，如下：在预设的偏航偏差阈值增益调度表中查找与当前风速相对应的偏航偏差阈值；其中，上述偏航偏差阈值增益调度表中预先存储有根据仿真以及实际控制偏航的经验数据整理获得的用于判断调度偏航的偏航偏差阈值。若上述主风能方向角与机舱方位角之间的角度差值大于查找到的偏航偏差阈值，则确定指示机组触发偏航操作。机组可以根据预设的偏航操作流程完成偏航。

本发明的风力发电机组的偏航控制方法，通过实时获取预设时间段内风力发电机组所处环境下的风况参数，进一步对获取的风况参数进行矢量分析确定主风能方向角，实现了为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高了机组偏航的准确性，从而提高了风能利用率。

在上述实施例的基础上，图2为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的流程示意图，参照图2，根据本发明示例性的实施例，步骤12可包括：

步骤1221：计算预设时间内每个时刻对应的风速的立方值。

步骤1222：基于每个时刻的风向角分别对与其对应的风速的立方值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速立方值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量。具体地，对v_ij ³在地理坐标系下进行矢量分解运算，图3为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中矢量分解运算的示例性示意图，参照图3，假设0°方向为X正方向，相反为X负方向，90°方向为Y正方向，相反为Y负方向，采用下式(1)和式(2)对前述时间段内的所有风况参数进行分解运算：

$x=v_{ij}^3{\mathrm{cos\θ}}_i$ ……………………………………………………………式(1)

$y=v_{ij}^3{\mathrm{sin\θ}}_i$ ……………………………………………………………式(2)

步骤1223：分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值。

具体地，在数据采集频率为h，单位为赫兹的前提下，则前述时间段内采集到的数据总量为

N＝h*t_j………………………………………………………………式(3)

在将从0s开始到t_j时刻这一时间段内风况参数分解到如图2所示的坐标轴上之后，进而采用下式(4)和式(5)计算每个坐标轴的分量的和：

$x_j=\underset{t=0}{\overset{t=t_j}{\Σ}}{v}_{ij}^3{\mathrm{cos\θ}}_i$ …………………………………………………………式(4)

$y_j=\underset{t=0}{\overset{t=t_j}{\Σ}}{v}_{ij}^3{\mathrm{sin\θ}}_i$ …………………………………………………………式(5)

步骤1224：基于和值分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的平均值以及0度坐标轴分量的平均值。

具体地，采用下式(6)和式(7)计算每个坐标轴分量之和的平均值：

${\stackrel{\‾}{x}}_j=\frac{x_j}{N}$ …………………………………………………………………式(6)

${\stackrel{\‾}{y}}_j=\frac{y_j}{N}$ …………………………………………………………………式(7)

步骤1225：基于90度坐标轴分量的和值的平均值和0度坐标轴分量的和值的平均值进行矢量合成运算，得到主风能方向角。

图4为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中矢量合成运算的示例性示意图，参照图4，将前述两个坐标轴分量之和的平均值进行矢量合成运算，得到合成后的矢量v_ij ³，进而计算可得v_ij ³对应的角度θ_j，其中角度θ_j可利用下式(8)计算得到：

${\mathrm{\θ}}_j=arctan\frac{\stackrel{\‾}{y_j}}{{\stackrel{\‾}{x}}_j}$ …………………………………………………………式(8)

最后，由矢量合成运算的性质可知，合成后的矢量v_ij ³是风能量最高的方向，即得出主风能方向角θ_j，并利用下式(9)将得到的主风能方向角θ_j与当前机舱方位角θ做算术运算：

Δθ＝θ_j-θ……………………………………………………………式(9)

由此，角度差Δθ为偏航提供依据，通过此依据进行偏航动作实现精确对风的目的，最终有效提高风能利用率。

除上述先对风速的立方值进行矢量分解外，可替代的是，先对速度进行矢量分解，再进行立方及平均运算，最后矢量合成得出方向角，或者先对速度进行矢量分解，然后求各坐标轴分量之和，求和之后求平均值再做立方运算，最后做矢量合成运算得出方向角。

相应地，图5为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的另一流程示意图，参照图5，根据本发明另一示例性的实施例，步骤12可包括：步骤1251：基于预设时间内每个时刻的风向角分别对与其对应的风速值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；步骤1252：计算每个时刻对应的风速值的90度坐标轴分量的立方值和0度坐标轴分量的立方值；步骤1253：分别计算风速值的90度坐标轴分量的立方值的和值以及风速值的0度坐标轴分量的立方值的和值；步骤1254：基于和值分别计算风速值的90度坐标轴分量的立方值的和值的平均值以及风速值的0度坐标轴分量的立方值的和值的平均值；步骤1255：基于90度坐标轴分量的立方值的和值的平均值和0度坐标轴分量的立方值的和值的平均值进行矢量合成运算，得到主风能方向角。

图6为本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法中步骤12的又一流程示意图，参照图6，根据本发明另一示例性的实施例，步骤12可包括：步骤1261：基于预设时间内每个时刻的风向角分别对与其对应的风速值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；步骤1262：分别计算风速值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值；步骤1263：基于和值分别计算风速值的90度坐标轴分量的和值的平均值以及0度坐标轴分量的和值的平均值；步骤1264：基于平均值分别计算风速值的90度坐标轴分量的和值的平均值的立方值以及风速值的0度坐标轴分量的和值的平均值的立方值；步骤1265：基于90度坐标轴分量的和值的平均值的立方值和0度坐标轴分量的和值的平均值的立方值进行矢量合成运算，得到主风能方向角。

可见，矢量分解、求立方值、求和、求平均这几个步骤的顺序可以不同，图2中详细说明了各个步骤的具体计算公式，图5及图6是将步骤顺序进行了调整以适应不同的计算需求，计算公式可参照针对图2的相关说明，在此不做累述。在实际应用中，可根据现场的情况选择上述示例性的三种数据处理过程中的一种。此外，还可采用现有的速度矢量运算测风设备进行风况参数的收集，再进一步利用本发明实施例的构思进行数据的处理分析，最终为偏航提供依据。

在上述实施例的基础之上，还具有如下技术效果：一方面，由矢量合成的运算机理可知，有效地滤除了瞬时干扰气流的影响，实现机组精确对风目的；另一方面，通过适当选取数据采集时间段并做均值运算有效提高了气流特性测试稳定性，进而缩减误差；再一方面，本发明实施例简单实用，易于推广，且无需增加设备费用。

实施例二

图7为本发明实施例二的风力发电机组的偏航控制装置的结构示意图。可用于执行本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法步骤。

参照图7，该风力发电机组的偏航控制装置包括参数获取模块710、方向角生成模块720和偏航控制模块730。

参数获取模块710用于按照预设时间长度实时获取风况参数。

这里，风况参数可包括风向角和风速。

方向角生成模块720用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角。

根据本发明示例性的实施例，方向角生成模块720可具体包括：

立方运算单元(图中未示出)用于计算所述预设时间内每个时刻对应的风速的立方值；

矢量分解单元(图中未示出)用于基于每个时刻的风向角分别对与其对应的风速的立方值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速立方值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；

求和单元(图中未示出)用于分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值；

平均值运算单元(图中未示出)用于基于和值分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的平均值以及0度坐标轴分量的平均值；

矢量合成单元(图中未示出)用于基于所述90度坐标轴分量的和值的平均值和所述0度坐标轴分量的和值的平均值进行矢量合成运算，得到所述主风能方向角。

偏航控制模块730用于根据主风能方向角控制风力发电机组偏航。

具体地，偏航控制模块730可以包括：

方位角获取单元(图中未示出)用于获取当前时刻风力发电机组的机舱方位角。

差值计算单元(图中未示出)用于计算主风能方向角与机舱方位角之间的差值。

偏航控制单元(图中未示出)用于根据差值控制风力发电机偏航。

本发明的风力发电机组的偏航控制装置，实时获取预设时间长度内风力发电机组所处环境下的风况参数，进一步对获取的风况参数进行矢量分析确定主风能方向角，实现了为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高了机组偏航的准确性，从而提高了风能利用率。

实施例三

图8为本发明实施例三的风力发电机组的偏航控制装置的结构示意图。可用于执行本发明实施例一的风力发电机组的偏航控制方法步骤。

参照图8，该风力发电机组的偏航控制装置包括获取装置810和处理器820和控制器830。

获取装置810用于按照预设时间长度实时获取风况参数。

需要说明的是，获取装置可具体为，但不限于，测风传感器、风速风向仪，或者其他的风况参数的接收装置。这里，风况参数的接收装置是指从测风传感器，或者风速风向仪测量风况参数后，接收测风传感器，或者风速风向仪测量的风况数据。

处理器820用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角。

控制器830根据主风能方向角控制风力发电机组偏航。

也就是说，由偏航控制装置中的处理器820根据获取的风况参数，分析计算出主风能方向角，最终由偏航控制装置本身根据主风能方向角控制风力发电机组偏航。在具体的实现方式中，该风力发电机组的偏航控制装置还可以是独立于风力发电机组主控制系统的装置。具体地，由风力发电机组的偏航控制装置获取风况参数，并对风况参数进行矢量分析得到主风能方向角，将最后的主风向角发送给风力发电机组主控制系统，由风力发电机组主控制系统发出偏航指令以完成偏航的相应操作。

本发明的风力发电机组的偏航控制装置，实时获取预设时间长度内风力发电机组所处环境下的风况参数，进一步对获取的风况参数进行矢量分析确定主风能方向角，实现了为风力发电机组偏航提供了较为准确的数据基础，提高了机组偏航的准确性，从而提高了风能利用率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种风力发电机组的偏航控制方法，其特征在于，所述方法包括：

按照预设时间长度实时获取风况参数；

对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；

根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述风况参数包括风向角和风速。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角具体包括：

计算所述预设时间内每个时刻对应的风速的立方值；

基于每个时刻的风向角分别对与其对应的风速的立方值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速立方值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；

分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值；

基于和值分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的平均值以及0度坐标轴分量的平均值；

基于所述90度坐标轴分量的和值的平均值和所述0度坐标轴分量的和值的平均值进行矢量合成运算，得到所述主风能方向角。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角具体包括：

基于所述预设时间内每个时刻的风向角分别对与其对应的风速值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；

计算每个时刻对应的风速值的90度坐标轴分量的立方值和0度坐标轴分量的立方值；

分别计算风速值的90度坐标轴分量的立方值的和值以及风速值的0度坐标轴分量的立方值的和值；

基于和值分别计算风速值的90度坐标轴分量的立方值的和值的平均值以及风速值的0度坐标轴分量的立方值的和值的平均值；

基于所述90度坐标轴分量的立方值的和值的平均值和所述0度坐标轴分量的立方值的和值的平均值进行矢量合成运算，得到所述主风能方向角。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角具体包括：

基于所述预设时间内每个时刻的风向角分别对与其对应的风速值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；

分别计算风速值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值；

基于和值分别计算所述风速值的90度坐标轴分量的和值的平均值以及0度坐标轴分量的和值的平均值；

基于平均值分别计算风速值的90度坐标轴分量的和值的平均值的立方值以及风速值的0度坐标轴分量的和值的平均值的立方值；

基于所述90度坐标轴分量的和值的平均值的立方值和所述0度坐标轴分量的和值的平均值的立方值进行矢量合成运算，得到所述主风能方向角。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航的处理包括：

获取当前时刻所述风力发电机组的机舱方位角；

计算所述主风能方向角与所述机舱方位角之间的差值；

根据所述差值控制风力发电机偏航。

7.一种风力发电机组的偏航控制装置，其特征在于，所述装置包括：

参数获取模块，用于按照预设时间长度实时获取风况参数；

方向角生成模块，用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；

偏航控制模块，用于根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述风况参数包括风向角和风速。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述方向角生成模块具体包括：

立方运算单元，用于计算所述预设时间内每个时刻对应的风速的立方值；

矢量分解单元，用于基于每个时刻的风向角分别对与其对应的风速的立方值在地理坐标系下进行分解运算，得到每个时刻的风速立方值的90度坐标轴分量和0度坐标轴分量；

求和单元，用于分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的和值以及0度坐标轴分量的和值；

平均值运算单元，用于基于和值分别计算风速立方值的90度坐标轴分量的平均值以及0度坐标轴分量的平均值；

矢量合成单元，用于基于所述90度坐标轴分量的和值的平均值和所述0度坐标轴分量的和值的平均值进行矢量合成运算，得到所述主风能方向角。

10.根据权利要求7～9中任一项所述的装置，其特征在于，所述偏航控制模块包括：

方位角获取单元，用于获取当前时刻所述风力发电机组的机舱方位角；

差值计算单元，用于计算所述主风能方向角与所述机舱方位角之间的差值；

偏航控制单元，用于根据所述差值控制风力发电机偏航。

11.一种风力发电机组的偏航控制装置，其特征在于，所述装置包括：

获取装置，用于按照预设时间长度实时获取风况参数；

处理器，用于对获取的风况参数进行矢量分析，得到该预设时间内的主风能方向角；

控制器，用于根据所述主风能方向角控制所述风力发电机组偏航。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述获取装置具体为：测风传感器或风速风向仪。