CN106014878A - 风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法及系统，其中，方法包括：将一测风仪通过支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方，调整测风仪测量方向，使得测风仪的测量方向平行于叶片法线；偏航系统动作结束后，利用测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；根据测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算来流相对机舱的风向；判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d‑0|＜δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。本发明具有结构简单，便于实施的特点，能够准确的测试风力发电机组偏航系统的动作误差。

Description

风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法及系统

技术领域

本申请属于风电偏航控制领域，特别涉及一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法及系统。

背景技术

偏航系统是水平轴风力发电机组控制系统的重要组成部分，其控制性能直接决定着风力发电机组的安全性和经济性。

偏航系统性能主要受两方面的影响，第一方面为风向、风速传感器输出的信息是否准确；第二方面为偏航控制器策略的有效性，其控制参数设置是否有效实现偏航系统的正确动作，保证其对风性能与偏航系统的可靠性。

现有技术中，风力发电机组投入运行后，没有有效的方法验证偏航系统是否存在动作误差。

发明内容

本发明提供了一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法及系统，用于解决现有技术中没有有效的方法验证偏航系统是否存在动作误差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的一技术方案为提供一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，该方法包括：

将一测风仪通过支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方，调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线；

偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；

根据所述测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算来流相对机舱的风向；

判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|<δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。

本发明另一技术方案为提供一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试系统，包括：测风仪、支撑工装及控制器；

所述测风仪通过所述支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方；

所述控制器连接所述测风仪，用于调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线；

所述控制器还连接偏航系统，用于在偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；根据测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向；判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|<δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。

本发明通过在风力发电机组的机舱上设置一测风仪，该测风仪能够测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向，与测风仪相连的控制器根据测风仪测得的相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向，根据来流相对机舱的风向确定偏航系统动作是否存在动作误差及动作误差的具体取值。本发明具有结构简单，便于实施的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法流程图；

图2为本发明一实施例的支撑工装的俯视图；

图3为本发明一实施例的支撑工装的正视图；

图4为本发明一实施例的底板支撑结构图；

图5为本发明一实施例的测风仪安装校准流程图；

图6为本发明一实施例的测风仪安装校准示意图；

图7为本发明一实施例的风力发电机组偏航系统动作误差的测试系统结构图。

具体实施方式

为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。

如图1所示，图1为本发明一实施例的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法流程图。本实施例通过在现有的风力发电机组机舱上设置一测风仪，该测风仪能够测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向，与测风仪相连的控制器根据测风仪测得的相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向，根据来流相对机舱的风向确定偏航系统动作是否存在动作误差及动作误差的具体取值。

具体的，该方法包括：

步骤101：将一测风仪通过支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方，调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线。

测风仪可以为激光雷达测风仪，当然，也可以为其他能够测量前方一定距离范围内的测风仪，本发明对测风仪的具体类型及型号不做限定。

步骤102：偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向，如测量距离为叶轮前1D(D为叶轮直径)1.5D、2D、2.5D、3D、3.5D、4D，本发明对测量距离的具体取值不做限定。

步骤103：根据所述测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算来流相对机舱的风向。

步骤104：判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|<δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值(δ为接近0的值)，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差，偏航系统动作结束后计算得到的来流相对机舱的风向即为动作误差。

详细的说，本申请所述的测风仪与风力发电机组机舱位置处的风向标不同，风力发电机组机舱位置处的风向标测得的机舱处的风向，本申请所述的测风仪测得的是机舱前预定测量距离相对机舱的风向，计算得到的来流相对机舱的风向为动作误差，当来流相对机舱的风向值在0上下浮动时，风力发电机组的叶片能够跟踪来流风向。

具体的，支撑工装可设置于机舱顶端的出舱口附近，以便减少测风仪数据连接线与机舱内其他通信设备的距离。如图2、3所示，支撑工装包括支架201、底板203及多个底板支撑202。底板203设置于支架201上，用于为测风仪提供安装平台。支架201为一长方体，设置于风力发电机组机舱的上面，用于固定底板203。底板支撑202为L形形状，一边固定设置于支架201的侧面，另一边固定设置于底板203的下侧面。支架201两侧面分别设置有底板支撑202(如图3所示)，两侧设置底板支撑的方式能够提高支撑工装整体的牢靠与稳定。

复请参阅图2，为了减少底板支撑的尺寸与重量，便于安装及运输，支撑工装包括四块底板支撑202，对称设置于支架的两侧。

实施时，底板203上设置有测风仪的固定点205，用于固定测风仪，这些固定点位置可根据测风仪支架的结构而定。支架201、底板203及多个底板支撑202由刚性较大的金属材料制成，底板支撑202的两边上设置有安装孔204，底板支撑202的一边通过高强度螺栓与支架201紧固，同时底板支撑202的另一边通过高强度螺栓与底板203紧固。

如图3、4所示，底板支撑202的两边长度不同，以短边朝下的方式进行安装，也就是说短边固定设置于支架201上，长边设置于底板203上，多个底板支撑202配合使底板保持水平，降低测风仪的调平难度。

测风仪的安装精度对测得的相对风向精度有较大影响，本发明通过支撑工装将测风仪安装于风力发电机组的上方，能够在避免在机舱罩上打孔的情况下提高测风仪的安装精度，降低安装难度。

本发明一实施例中，如图5所示，步骤101调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线的过程进一步包括：

步骤501：在底板上划定一条与叶片法线平行的标准线。

实施时，可采用GPS定位或者采用固定工装的方式划定与叶片法线(即机舱中心线)平行的标准线，该标准线尽可能靠近测风仪，并延伸至测风仪安装位置的后方。

步骤502：在测风仪的机头及机尾分别朝底板发射激光束，激光束构成的平面垂直于底板，如图6所示，判断激光束与底板的交点a、b到标准线601的距离是否相等，即d₁与d₂是否相等，如不相等，则调整测风仪602的机头，直至交点a、b到标准线601的距离相等为止。

本实施例能够保证测风仪机头的测量方向与标准线平行，精确测得来风的相对角度。

本发明一实施例中，在步骤102之前还包括：确定待测风力发电机组的有效扇区，当叶片法线在有效扇区时才利用测风仪测量机舱前多个测量距离的相对风向。

实施时，待测风力发电机组的有效扇区的确定方法包括如下两个步骤：

1)确定风电场主风向，将确定的有效扇区建议位于风电场的主风向，能够缩短测试周期。风电场的主风向可依据历史气象数据及风电场运行记录进行确定。

2)根据地形勘察数据确定相邻机组、大型障碍物尾流对待测机组的影响，若待测风力发电机组在相邻机组或大型障碍物的尾流中，此扇区应予排出。

通过地形勘察数据确定待测机组一定范围内(如20D)的地形变化，确定地形变化最小且地形变化趋势一致的区域。

3)取步骤1)和2)得到区域的交集，得到有效扇区。

本发明一实施例中，安装好所述测风仪后，还包括对测风仪测量准确度进行校验的步骤。具体的，测风仪安装好后，在风力发电机组的偏航主控程序中设定一偏航修正值(该偏航修正值应大于偏航系统启动的最小角度，本发明对其具体取值不做限定)，利用测风仪测得的数据计算来流相对机舱的风向，若计算得到的来流相对机舱风向等于所述偏航修正值，则无需调整测风仪的机头位置，若计算得到的来流相对机舱风向不等于所述偏航修正值，则调整测风仪的机头位置，直至使计算得到的来流相对机舱风向等于所述偏航修正值为止。

本发明一实施例中，测风仪测得的相对机舱的风向为在风力发电机组正常运行状态下采集的数据，排除风力发电机组故障、检修等状态下影响。

为了减少测试结果的不确定性，根据测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离的相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向(步骤103)进一步包括：

通过如下公式计算得到来流相对机舱的风向：

$Yawerrorki=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{ki}}_{jT},Yawerrork=\frac{1}{m}\&times;\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}Yawerrorki,$

其中，ki_jT为第j次采样、测量距离编号为i的相对风向，T为采样时间间隔，nT为预定时间，Yaw error ki为测量距离编号为i的相对风向连续采样n次的平均值，Yaw error k为计算得到来流的相对风向，m为测量距离的个数；

满足如下公式时，计算得到的来流相对机舱的风向有效：

$RMSk=\sqrt{\frac{1}{m-1}\&times;\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{(Yawerrorki-Yawerrork)}^2}<D,$

Yaw error k∈[-30°,30°]，

其中，D为预定阈值。

若计算得到的来流相对机舱的风向无效，则利用测风仪继续测量机舱前多个测量距离的相对机舱的风向，直至计算得到的来流相对机舱的风向有效为止。

本发明在具体实施时，除了由测风仪采集风向外，还利用偏航系统中的传感器还采集偏航角度、机舱位置风速及相对风向、输出电功率、扭缆角度、变桨角度、温度、气压，各数据量的采集频率大于等于1Hz，将预定时间内采集到的各变量瞬时数据计算平均值，得到各变量的统计值。从而为风力发电机组偏航控制性能优化与提升提供数据依据，保证风力发电机组安全稳定运行的同时保证机组的经济性。

本发明一实施例中，若测试结果为偏航系统存在动作误差，则将所述测风仪接至偏航控制系统的输入上。实施时，测风仪接入后，测量的来流相对机舱的风向应满足公式|d-0|<δ，如果不满足以上条件，应进行重新测试。

实施时，将所述测风仪测得的风向与风力发电机组机舱原有风向标测得的风向做差，在差值大于第二预定阈值时，偏航系统不根据所述测风仪测得的风向动作，在差值小于等于第二预定阈值时，偏航系统根据所述测风仪测得的风向动作。

如图7所示，图7为本发明一实施例的风力发电机组偏航系统动作误差的测试系统结构图。具体的，所述系统包括：测风仪701、支撑工装702及控制器(图未示)。

所述测风仪701通过所述支撑工装702安装于待测风力发电机组机舱703上方。

所述控制器连接所述测风仪701，用于调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片711的法线；

所述控制器还连接偏航系统，用于在偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；根据测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向；判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|<δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。

详细的说，所述支撑工装包括支架、底板及多个底板支撑；

所述底板设置于所述支架上，所述支架设置于风力发电机组机舱的上面；

所述底板支撑为L形，一边固定设置于支架侧面，另一边固定设置于底板朝下的侧面，所述支架两侧面分别设置有所述底板支撑。

测风仪的校准、来流相对机舱的风向计算过程已在方法实施例中进行了说明，此处不再赘述。

本发明提供的风力发电机组偏航系统动作误差的测试系统通过在风力发电机组的机舱上设置一测风仪，该测风仪能够测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向，与测风仪相连的控制器根据测风仪测得的相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向，根据来流相对机舱的风向确定偏航系统动作是否存在动作误差及动作误差的具体取值。本发明具有结构简单，便于实施的特点。

以上所述仅用于说明本申请的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (10)

1.一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，包括：

将一测风仪通过支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方，调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线；

偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；

根据所述测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算来流相对机舱的风向；

判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|＜δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。

2.如权利要求1所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，所述支撑工装包括支架、底板及多个底板支撑；

所述底板设置于所述支架上，所述支架设置于风力发电机组机舱的上面；

所述底板支撑为L形，一边固定设置于支架侧面，另一边固定设置于底板朝下的侧面，所述支架两侧面分别设置有所述底板支撑。

3.如权利要求2所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线包括，

在所述底板上划定一条与所述叶片法线平行的标准线；

在测风仪的机头及机尾分别朝所述底板发射激光束，所述激光束构成的平面垂直于所述底板，判断激光束与底板的交点到标准线的距离是否相等，如不等，则调整所述测风仪的机头，直至所述交点到标准线的距离相等为止。

4.如权利要求1所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，所述测风仪安装好后还包括：

在风力发电机组的偏航主控程序中设定一偏航修正值，利用所述测风仪测得的数据计算来流相对机舱的风向，若计算得到的来流相对机舱的风向等于所述偏航修正值，则无需调整测风仪的机头位置，若计算得到的来流相对机舱风向不等于所述偏航修正值，则调整测风仪的机头位置。

5.如权利要求1所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，根据所述测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向进一步包括：

通过如下公式计算得到来流相对机舱的风向：

$Yawerrorki=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{ki}}_{jT},Yawerrork=\frac{1}{m}\&times;\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}Yawerrorki,$

其中，ki_jT为第j次采样、测量距离编号为i的相对机舱的风向，T为采样时间间隔，nT为预定时间，Yaw error ki为测量距离编号为i的相对机舱的风向连续采样n次的平均值，Yawerror k为来流相对机舱的风向，m为测量距离的个数。

6.如权利要求5所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，计算得到来流相对机舱的风向后还包括：

判断计算得到的来流相对机舱的风向是否有效，如果无效，则重新利用测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；

其中，满足如下公式时，计算得到的来流相对机舱的风向有效：

$RMSk=\sqrt{\frac{1}{m-1}\&times;\underset{i=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}{(Yawerrorki-Yawerrork)}^2}<D,$

Yaw error k∈[-30°,30°]，

其中，D为预定阈值。

7.如权利要求1所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向前还包括：

确定待测风力发电机组的有效扇区，当叶片法线在有效扇区时才利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向。

8.如权利要求1所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：

若测试结果为偏航系统存在动作误差，则将所述测风仪接至偏航控制系统的输入上。

9.如权利要求8所述的风力发电机组偏航系统动作误差的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括：

将所述测风仪测得的风向与风力发电机组机舱原有风向标测得的风向做差，在差值大于第二预定阈值时，偏航系统不根据所述测风仪测得的风向动作，在差值小于等于第二预定阈值时，偏航系统根据所述测风仪测得的风向动作。

10.一种风力发电机组偏航系统动作误差的测试系统，其特征在于，包括：测风仪、支撑工装及控制器；

所述测风仪通过所述支撑工装安装于待测风力发电机组机舱上方；

所述控制器连接所述测风仪，用于调整所述测风仪测量方向，使得所述测风仪的测量方向平行于叶片法线；

所述控制器还连接偏航系统，用于在偏航系统动作结束后，利用所述测风仪测量机舱前多个测量距离相对机舱的风向；根据测风仪预定时间内测得的机舱前多个测量距离相对机舱的风向计算得到来流相对机舱的风向；判断来流相对机舱的风向是否满足公式|d-0|＜δ，其中，d为来流相对机舱的风向，δ为第一预定阈值，若满足上述公式，则偏航系统不存在动作误差，若不满足上述公式，则偏航系统存在动作误差。