CN105569922A - 一种基于风速影响的风速风向仪的角度测量误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风速影响的风速风向仪的角度测量误差补偿方法，包括以下步骤：在学习周期进行数据预处理并通过最小二乘拟合法形成角度测量误差函数；在运行周期将角度测量误差函数用于风速风向仪的角度测量误差补偿，风速风向仪将补偿后的风向偏差角度θ₁发送给主控系统，主控系统根据风向偏差角度θ₁将风机叶轮正对风向。由于本发明在风机运行期间，能够根据实时的风速，将风速风向仪所测得的风向数据进行误差补偿，进而提高了对风机叶轮处风向的测量精度，同时也提高了风机的发电效率。如对河北某风场某风机使用本发明后，获得其角度测量误差曲线的均值在5°左右，进而可以将其发电量提升1.14％。

Description

一种基于风速影响的风速风向仪的角度测量误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种风速风向仪，特别是一种风速风向仪的角度测量误差补偿方法。

背景技术

风力发电机将风动能转化为电能，目标是在保持风机承受较低机械载荷的同时尽可能多的发电。要成功实现以上目标，关键是要让风机叶轮精确的对准风向。

如图1-2所示，根据风机动力学理论，当风速恒定且发电机转速低于额定转速时,风机的发电功率与风向偏差角度θ的余弦的三次方成正比。设风向无偏差时，风机叶轮获得的功率为Power1；当风速不变而风向偏差角度为θ时，风机叶轮获得的功率为Power2，则二者满足如下公式：

Power2＝Power1×cos³θ

因此，当风向偏差角度θ为15度时，会带来约10％的发电量损失。另外，叶轮的偏离会导致在叶轮乃至整个风机的机械载荷不平衡。这类载荷相比其他载荷会大得多，如果能降低，就能延长风机使用寿命，或者让现有风机带动更大的叶轮。

目前，在大多数风机上，风向偏差角度由安装在机舱上方的风速风向仪决定。但在风机的实际运行过工程中，风速风向仪所测量的风向偏差角度与叶轮处的实际风向偏差角度之间存在误差。

如图3所示，因为风速风向仪测量的是风机机舱尾部的风向偏差角度θ₂，而风机主控系统需要的是风机叶轮处的实际风向偏差角度θ₁，即两者间的角度测量误差表示为：

δ_θ＝θ₂-θ₁

导致风向偏差的因素有很多，其中，不同的风速就是影响风速风向仪的角度测量误差的主要因素之一。

目前，主控系统根据风向风速仪测量的风向偏差角度θ₂控制风机机舱对风(偏航控制)，而实际需要被修正的风向偏差角度是θ₁。即对角度测量误差δ_θ的测量与补偿可以提高风机叶轮对准风向的精度(如图4所示)。

关于不同的风速对风速风向仪的角度测量误差的影响研究，目前还未见相关报道。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够考虑不同风速影响，并能提高风机叶轮对准风向精度的风速风向仪的角度测量误差补偿方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于风速影响的风速风向仪的角度测量误差补偿方法，包括学习周期和运行周期两部分，具体包括以下步骤：

A、通过学习周期获得角度测量误差函数

A1、数据预处理

在学习周期内，对风速风向仪所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i统计风速风向仪的实测风向偏差角度与叶轮处获得的功率之间的分布曲线，并在曲线最高点处获得风速段V_i对应的角度测量误差δ_i，式中，i表示风速段的序号，i＝1、2、3、…，m，m代表所分风速段总数；所述的数据包括风速、风速风向仪的实测风向偏差角度和叶轮处功率；

A2、形成角度测量误差函数

A21、设n＝1

A22、采用最小二乘拟合法，对步骤A1中的各风速段V_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

式中，ɑ₀、ɑ₁、…、ɑ_n为常数，v为实时风速；

A23、如果拟合后的总体相对误差优于0.01％，则转步骤B；否则令n＝n+1，转步骤A22；

B、在运行周期将角度测量误差函数用于风速风向仪的角度测量误差补偿

B1、风速风向仪即根据角度测量误差函数δ＝f(v)和此时的风速v对风速风向仪实测的风向偏差角度θ₂进行误差补偿，公式如下：

θ₁＝θ₂-δ＝θ₂-f(v)

B2、风速风向仪将补偿后的风向偏差角度θ₁发送给主控系统，主控系统根据风向偏差角度θ₁将风机叶轮正对风向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于本发明在风机运行期间，能够根据实时的风速，将风速风向仪所测得的风向数据进行误差补偿，进而提高了对风机叶轮处风向的测量精度，同时也提高了风机的发电效率。如对河北某风场某风机使用本发明后，获得其角度测量误差曲线的均值在5°左右，进而可以将其发电量提升1.14％。

附图说明

本发明共有附图10张，其中：

图1是风机机舱正对风向示意图。

图2是风机机舱偏航示意图。

图3是实际风速和实测风速示意图。

图4是角度测量误差补偿示意图。

图5是风向偏差角度与风机叶轮功率的关系曲线示意图。

图6是数据预处理流程示意图。

图7是实施例一的角度测量误差曲线示意图。

图8是实施例二的角度测量误差曲线示意图。

图9是实施例二的最小二乘拟合后的角度测量误差函数(曲线)示意图。

图10是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图重点阐述如何测量叶轮处的实际风向偏差角度与风速风向仪的实测风向偏差角度之间的角度测量误差δ_θ：

当风力发电机处于正常发电状态，且风速和机舱位置保持恒定，若此时风机叶轮处无风向偏差，则风机叶轮处吸收的功率为PowerStandard；若此时风机叶轮处的风向偏差角度为θ₁，则风机叶轮处吸收的功率PowerRotor可以表示为：

PowerRotor＝PowerStandard×cos³θ₁

则在恒定风速下(图5中以10m/s为例)，风机叶轮处的风向偏差角度θ₁与风机叶轮处吸收的功率PowerRotor之间的关系可以表示为图5中的实线曲线，且该曲线会在风向偏差角度θ₁＝0°时取得最大值A₁。

与此同时，风速风向仪所测量到的风向偏差角度θ₂与风机叶轮处吸收的功率PowerRotor之间的关系可以表示为图6中的虚线曲线，因为风向偏差角度θ₂与实际风向偏差角度θ₁之间存在角度测量误差δ_θ，所以风向偏差角度θ₂与PowerRotor之间的函数关系为：

PowerRotor＝PowerStandard×cos³(θ₂-δ_θ)

即图5中虚线曲线将在θ₂＝δ_θ处取得最大值A₂，其取得最大值A₂时所对应的风向偏差角度θ₂即为风速风向仪的角度测量误差δ_θ。(图5中的曲线表示此风机在10m/s风速时，风速风向仪的角度测量误差为5°)。

根据风机的空气动力学原理，当风速发生变化时，会使风机尾流等一系列参数发生变化，导致风速风向仪的角度测量误差变化。且实际工况中，风速和风向偏差角度都是时刻变化的，为此风速风向仪将会以一定频率统计风机的风向偏差角度、风速和功率等数据。

如图6所示，风速风向仪将所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i都会计算出对应的角度测量误差δ_i。

实施例一：

如图7所示，某风机模型在不同风速下，风速风向仪具有不同的角度测量误差，当风速为4.0m/s时，风速风向仪的角度测量误差为-10°；当风速为6.5m/s时，风速风向仪的角度测量误差为0°；当风速为9.0m/s时，风速风向仪的角度测量误差为10°。

按照图10所示流程，对各风速段V_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，可以得到角度误差补偿函数为：

δ＝f(v)＝4v-36

此函数表明，n＝1的最小二乘拟合结果的相对误差优于0.01％，即该角度测量误差函数为风速的一次函数。若此时风向风速仪的实测风向偏差角度为θ₂＝10°，而风速为v＝5m/s，则可以计算出此时的角度测量误差为δ＝f(v)＝4*5-36＝4°，即此时风机叶轮处的实际风向偏差角度为θ₁＝θ₂-δ＝10°-4°＝6°，进而风速风向仪发给主控系统的风向偏差角度为θ₁＝6°。

实施例二：

将河北某风场某台风机的所有风速段V_i下的角度测量误差δ_i进行汇总，如图8所示，按照图10所示流程使用最小二乘法对其进行拟合，进而获得角度测量误差函数为：

δ＝f(v)＝0.1v²+1.5v-10

此函数表明，在拟合过程中，当n＝2时，最小二乘拟合结果的总体相对误差优于0.01％，即该角度测量误差函数为风速的二次函数(如图9所示)。

风速风向仪即根据角度测量误差函数δ＝f(v)和此时叶轮处的风速v对风速风向仪实测的风向偏差角度θ₂进行误差补偿，公式如下：

θ₁＝θ₂-δ＝θ₂-f(v)

进而风速风向仪会将补偿后的风向偏差角度θ₁发送给主控系统，主控系统将风机叶轮正对风向。

Claims (1)

1.一种基于风速影响的风速风向仪的角度测量误差补偿方法，其特征在于：包括学习周期和运行周期两部分，具体包括以下步骤：

A、通过学习周期获得角度测量误差函数

A1、数据预处理

在学习周期内，对风速风向仪所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i统计风速风向仪的实测风向偏差角度与叶轮处获得的功率之间的分布曲线，并在曲线最高点处获得风速段V_i对应的角度测量误差δ_i，式中，i表示风速段的序号，i＝1、2、3、…，m，m代表所分风速段总数；所述的数据包括风速、风速风向仪的实测风向偏差角度和叶轮处功率；

A2、形成角度测量误差函数

A21、设n＝1

A22、采用最小二乘拟合法，对步骤A1中的各风速段V_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

式中，ɑ₀、ɑ₁、…、ɑ_n为常数，v为实时风速；

A23、如果拟合后的总体相对误差优于0.01％，则转步骤B；否则令n＝n+1，转步骤A22；

B、在运行周期将角度测量误差函数用于风速风向仪的角度测量误差补偿

B1、风速风向仪即根据角度测量误差函数δ＝f(v)和此时的风速v对风速风向仪实测的风向偏差角度θ₂进行误差补偿，公式如下：

θ₁＝θ₂-δ＝θ₂-f(v)

B2、风速风向仪将补偿后的风向偏差角度θ₁发送给主控系统，主控系统根据风向偏差角度θ₁将风机叶轮正对风向。