CN106894950A - 一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，通过获取一定时间段的机组运行数据，构建能量传输模型进行功率特性验证，本发明为以机组能量传输过程为研究对象，基于各部件能量传输过程中的损耗，建立一个通用的能量传输模型，计算推导风速，拟合实际功率曲线，将实际曲线与机组设计时的理论曲线进行对比，通过一定的方法定量计算两条曲线的差异，形成一整套机组功率曲线验证方法和技术路线，为机组性能评价提供了一个评价准确、可行性高、实用性强的方法。

Description

一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组功率评价方法，特别是一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法。

背景技术

目前国内外有关研究机构已经开展了风电机组功率特性测试的相关研究，2005年IEC发布了IEC 61400-12-1标准，规定了风力发电机组功率特性测试的相关标准，包括测试准备、测试程序、后期数据处理等，2012年该标准被引入中国并作为国家标准施行，标准号为GB/T 18451.2-2012《风力发电机组功率特性测试》。由于标准的相关实施条件要求较高，比如要求在机组前某些特定扇区、位置树立测风塔连续测量一定时段的风资源，很难满足现场需求。

目前国内在进行功率曲线验证时，较通用的是采用一机一验证的办法，具体就是用超声波或激光雷达测风仪参照IEC和行业的有关标准测定轮毂前一定距离的来风风速，同时读取机组相同时段的功率，经过一定数据处理后进行曲线拟合，同时参考机组历史数据进行一定的修正。该方法具有简单灵活、实施条件简单的优点，但其不足也很明显，比如：

1)未考虑风电机组空气密度的影响，曲线不够准确；

2)用历史数据修正功率曲线，使曲线带有机组运行特性，降低可信度和推广度；

3)一机一测定增加工作量，加大了工作量，不利于大面积推广；

4)在具体测量手段、数据处理方面难以实现完全共识。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以机组能量传输过程为研究对象，基于各部件能量传输过程中的损耗，建立一个通用的能量传输模型，计算推导风速，拟合实际功率曲线，将实际曲线与机组设计时的理论曲线进行对比，通过一定的方法定量计算两条曲线的差异，形成一整套机组功率曲线验证方法和技术路线，为机组性能评价提供了一个评价准确、可行性高、实用性强的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，包括如下步骤：

S1)获取一定时间段的机组运行数据，包括机组出力、发电机转速、叶轮转速和桨距角；

S2)能量传输模型构建，所述能量传输模型构建依次包括风轮捕捉机械功率的计算、推导风速的计算和模型修正；

S21)风轮捕捉机械功率的计算：根据变流器、发电机、齿轮箱的效率曲线，寻取某一功率输出情况下，各传动部件的工作效率，得到风轮捕捉的机械功率；

S22)推导风速的计算：计算出风轮捕捉的机械功率后，利用风能利用系数和风速之间关系，推导实际空气密度下功率对应的风速，再将该风速换算到标准大气密度条件下；

S23)模型修正：架设测风仪器，同步获取测定的风速V₂和机组出力P₀，根据步骤S21和S22计算机组出力P₀下的推导风速V₁，比较V₁和V₂差异并调整传输模型，直至差异缩小到设定范围，完成能量传输模型构建；

S3)功率特性验证，所述功率特性验证包括实际功率曲线拟合、偏差计算和机组功率评价；

S31)实际功率曲线拟合：以传输模型为基础，输入P₀得到V₁，拟合V₁-P₀的对应实际功率曲线；

S32)偏差计算：将实际功率曲线与机组设计时的理论功率曲线放在一个坐标轴下，计算曲线的偏差e；

S33)根据偏差e对机组功率进行评价。

进一步地，所述步骤S1中还包括如下步骤：

S11)对采集的数据源进行甄别，利用网格法筛选机组正常运行状态时刻的有功功率。

作为优选，所述步骤S1中还包括如下步骤：

S12)所述机组运行数据还包括温度和压强，通过四分位法将温度和压强中的异常数据剔除，利用空气密度与温度和压强的函数关系求出空气密度。

进一步地，所述步骤S21中通过折半查找法确定变流器的效率和其输入功率，变流器的输入功率作为发电机的输出功率，通过折半查找法确定发电机的效率和其输入功率，发电机的输入功率作为主轴联轴器的输出功率，通过折半查找法确定主轴联轴器的效率和输入功率，主轴联轴器的输入功率作为齿轮箱的输出功率，通过折半查找法确定齿轮箱的效率和其输入功率，齿轮箱的输入功率即为风轮捕捉的机械功率。

作为优选，其特征在于：

所述步骤S21的具体计算过程如下：

网侧变流器输出功率为P_r ^wc、发电机定子输出功率为P_s、机侧变流器输出功率为P_r ^jc，P_r ^jc＝sP_s，其中s为转差率、机组出口功率为P_CK，P_CK＝P_r+P_s、发电机输出功率为P_G、联轴器输出功率为P_LZQ、齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率为P，齿轮箱、联轴器、发电机、变频器效率参数为η₁、η₂、η₃、η₄；

机组出口功率与发电机定子、网侧变流器输出功率之间的关系可由下面的公式表示：P_CK＝P_r ^wc+P_s；

发电机组有两种运行方式，当转子转速小于同步转速时s＜0，转子侧馈入来自电网的功率，此时P_r ^jc＜0；转子转速大于同步转速时s≥0，转子向电网馈出功率，此时P_r ^jc≥0；

若P_r ^jc≥0，根据发电机转速ω，求得转差率s，再假设P_s ⁰，机侧变流器输入功率为sP_s，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(sP_s ⁰)计算出网侧变流器输出功率P_r ^wc＝η(sP_s ⁰)·sP_s ⁰，则机组出力比较实测机组出力P_CK与二者之间的差距，差距过大重新假设P_s ⁰，采用相同的步骤计算直至P_CK二者接近到设定范围，求得P_s，发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s；

若P_r ^jc＜0，先假设P_s ⁰，机侧变流器输出至发电机转子的功率为sP_s ⁰，假设网侧变流器输入功率P_r ^wc0，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(P_r ^wc0)，返回计算机侧变流器输入功率sP_s ⁰′，比较sP_s ⁰、sP_s ⁰′差异，差异设定范围，重新假设P_r ^wc0，直至在设定范围内，迭代计算出η⁰以及网侧变流器输入功率P_r ^wc0后，计算机组出力比较实测P_CK、差异，差异过大，重新假设P_s ⁰，过程与P_r ^jc≥0相同，求得P_s，发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s；

再推算发电机输入机械功即联轴器输出功率P_LZQ，假设联轴器输出功率初始值为P_LZQ ⁰，求得发电机此出力下的效率则发电机输出功率比较迭代与已知的P_G之间的差异，差异过大重新假设P_LZQ ⁰，直至在设定范围内；根据同样的方法，推算出齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率P。

作为优选，其特征在于：

所述步骤S22的具体计算过程如下：

机械功率P与风能捕捉系数C_P和推导风速V₁有如下关系：

机械功率P与风能捕捉系数C_P和推导风速V₁有如下关系：其中，P为风轮捕捉的机械功率、C_P为风能捕捉系数、ρ为空气密度、A为扫风面积、V₁为推导风速、θ为错风角；

C_P与λ和β有关，λ与V₁有关，将P转换为V₁的唯一函数，计算出V₁。

作为优选，其特征在于：

所述步骤S23的具体修正过程如下：

测风仪器数据覆盖从机组切入至满功率风速段；根据传输模型计算推导风速V₁，比较V₁、V₂，计算相对误差为ε＝(V₁-V₂)/V₂，计算其均方误差为n为运行数据总组数，σ大于设定值时，在齿轮箱效率基础上加上一个调整系数α，即齿轮箱传动效率为α·η₂，重新进行步骤S21至S23直至σ小于等于设定值。

作为优选，其特征在于：所述步骤S31中通过多项式拟合方法绘制出V₁-P₀的对应实际功率曲线。

作为优选，其特征在于：所述步骤S32中以切入风速为起始，切出风速为终止，1m/s的风速为步长，对比每点理论曲线和实际曲线的差值，计算曲线各点的平均差值e。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：本发明以机组能量传输过程为研究对象，基于各部件能量传输过程中的损耗，建立一个通用的能量传输模型，计算推导风速，拟合实际功率曲线，将实际曲线与机组设计时的理论曲线进行对比，通过一定的方法定量计算两条曲线的差异，形成一整套机组功率曲线验证方法和技术路线，为机组性能评价提供了一个评价准确、可行性高、实用性强的方法。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为风电机组功率转化及流向示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

本实施例包括如下步骤：

步骤101：按照一定比例均匀抽取对象机组，从SCADA系统中导出对象机组的风速、功率、压力、温度、发动机转速、错风角、变桨角度和机组运行状态以及测风塔导出的气压、温度、湿度等数据。根据需要确定抽取比例，一般的对于同型号、同配置、同期投役的风电机组，随机抽取一台机组作为研究机组；导出SCADA运行数据及测风数据，要求覆盖从切入风速至满功率风速所有运行段。

步骤102：通过四分位法将温度和压强中的异常数据剔除，利用空气密度与温度和压强的函数关系求出某时刻的空气密度；利用网格法将机组状态中的正常运行状态时刻的有功功率筛选出来。

所谓四分位法是一种数据分组方法，将全部数据按由小到大的顺序排列，分成四等份，处于前25％的数据称为第一四分位数，处于25％～50％的数据称为第二四分位数，处于50％～75％的数据称为第三四分位数，最后25％的数据称为第四分位数。

步骤201：风轮捕捉机械功率的计算：首先确定变流器的效率和其输入功率，再确定发电机的效率和其输入功率，以此类推，确定主轴联轴器、齿轮箱的效率和其输入功率，齿轮箱的输入功率即为风轮捕捉到的机械功率。计算过程的关键是通过部件输出功率迭代计算其效率和输入功率，最终得出齿轮箱的输入功率，具体过程如下：

设网侧变流器输出功率为P_r ^wc(定经网侧变流器流进电网方向为功率正向，反之为负向)、发电机定子输出功率为P_s、机侧变流器输出功率为P_r ^jc(P_r ^jc＝sP_s，其中s为转差率，方向定义与网侧变流器相同)、机组出口功率为P_CK(P_CK＝P_r+P_s)、发电机输出功率为P_G、联轴器输出功率为P_LZQ、齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率为P，设齿轮箱、联轴器、发电机、变频器效率参数为η₁、η₂、η₃、η₄。

机组出口功率与发电机定子、网侧变流器输出功率之间的关系可由下面的公式表示：

P_CK＝P_r ^wc+P_s (1)

双馈发电机组有两种运行方式，当转子转速小于同步转速时(s＜0)，转子侧馈入来自电网的功率，此时P_r ^jc＜0；转子转速大于同步转速时(s≥0)，转子向电网馈出功率，此时P_r ^jc≥0。以下阐述两种不同运行方式下发电机输出功率的计算方法。

若P_r ^jc≥0，通过SCADA系统，获取某一时刻一组运行数据，数据类型如步骤101所述。先根据发电机转速ω，求得转差率s，再假设P_s ⁰，则转子侧对应的输出功率(即机侧变流器输入功率)为sP_s，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(sP_s ⁰)计算出网侧变流器输出功率P_r ^wc＝η(sP_s ⁰)·sP_s ⁰，则机组出力比较实测机组出力P_CK与二者之间的差距，差距过大重新假设P_s ⁰，采用相同的步骤计算直至P_CK二者接近到接受范围内(边界根据具体情况确定，一般可定为0.1‰)。求得P_s，发电机转子输出功率也求得，则发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s。

若P_r ^jc＜0，同样的，先假设P_s ⁰，求得机侧变流器输出至发电机转子的功率为sP_s ⁰，再假设网侧变流器输入功率P_r ^wc0，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(P_r ^wc0)，返回计算机侧变流器输入功率sP_s ⁰′，比较sP_s ⁰、sP_s ⁰′差异，差异超过边界(一般可定为0.1‰)，重新假设P_r ^wc0，直至在边界范围内，迭代计算出η⁰以及网侧变流器输入功率P_r ^wc0后，计算机组出力比较实测P_CK、差异，差异过大，重新假设P_s ⁰，过程与P_r ^jc≥0相同。求得P_s，发电机转子输出功率也求得，则发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s。

再推算发电机输入机械功即联轴器输出功率P_LZQ，假设联轴器输出功率初始值为P_LZQ ⁰，求得发电机此出力下的效率则发电机输出功率比较迭代与已知的P_G之间的差异，差异过大重新假设P_LZQ ⁰，直至在边界范围内(一般定0.1‰)。

根据同样的方法，推算出齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率P。

步骤202：推导风速的计算：由于机舱对风与来风风向不是实时一致的，实际叶轮输出的机械功率P与风能捕捉系数C_P和推导风速V₁有如下关系：

其中，P为风轮捕捉的机械功率、C_P为风能捕捉系数、ρ为空气密度、A为扫风面积、V₁为推导风速、θ为错风角。

C_P与λ和β有关，而λ又与V₁有关，因此在做一定数学处理后将P转换为V₁的唯一函数，从而计算出V₁。计算过程如下：

1)先初始假设一个V₁′，计算相应的λ′，再根据机组叶片的实时桨距角，按照公式(3)计算基于当前V₁′下的C_P′。

2)将C_P′带入公式(2)中，计算V₁″，比较初始假设值V₁′和计算输出值V₁″，差距大于设定值(一般定0.1‰)，重新假设V₁′，计算V₁″，再计算二者差值，直至其小于设定值，得出满足条件的V₁′，定其为对应于机械功率P的自由来流风速。

由于风速与密度有关，同样的机械功，密度越大，轮毂前风速越小，因此应将实际空气密度带入公式对风速进行修正。

步骤203：模型修正：架设激光雷达测风仪等测风仪器，同步获取雷达测风仪测定的风速V₂和机组出力P₀，要求数据覆盖从机组切入至满功率风速段。对获取的数据进行一定处理，根据传输模型计算V₁，比较V₁、V₂，计算相对误差为ε＝(V₁-V₂)/V₂，计算其均方误差为(n为运行数据总组数)，σ过大时分析传输模型的原因，调整传输模型，直至差异缩小到可接受范围，完成能量传输模型的构建。调整过程如下，在齿轮箱效率基础上加上一个调整系数α，即齿轮箱传动效率为α·η₂，重新进行步骤201至203直至满足结束条件为止(一般的，结束条件定σ＜0.1％)。

步骤301：功率曲线拟合:以传输模型为基础，输入P₀得到V₁，通过多项式拟合方法绘制出V₁-P₀拟合曲线。

步骤302：偏差计算:将实际曲线与理论功率曲线放在一个坐标轴下，以切入风速为起始，切出风速为终止，1m/s的风速为步长，对比每点理论曲线和实际曲线的差值，计算曲线各点的平均差值e。

步骤303：差异评价：将e按三个等级进行分级，分界点分别是ε₁、ε₂，ε₁＝0.02，ε₂＝0.05。定e≤ε₁机组功率特性优秀、ε₁<e≤ε₂合格、e>ε₂不合格。对于不合格机组，可以按照先软件后硬件的思路，从控制系统控制变量调节特性着手，再分析机组叶片、齿轮箱散热等方面分析曲线偏低的原因。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，包括如下步骤：

S1)获取一定时间段的机组运行数据，包括机组出力、发电机转速、叶轮转速和桨距角；

S2)能量传输模型构建，所述能量传输模型构建依次包括风轮捕捉机械功率的计算、推导风速的计算和模型修正；

S21)风轮捕捉机械功率的计算：根据变流器、发电机、齿轮箱的效率曲线，寻取某一功率输出情况下，各传动部件的工作效率，得到风轮捕捉的机械功率；

S22)推导风速的计算：计算出风轮捕捉的机械功率后，利用风能利用系数和风速之间关系，推导实际空气密度下功率对应的风速，再将该风速换算到标准大气密度条件下；

S23)模型修正：架设测风仪器，同步获取测定的风速V₂和机组出力P₀，根据步骤S21和S22计算机组出力P₀下的推导风速V₁，比较V₁和V₂差异并调整传输模型，直至差异缩小到设定范围，完成能量传输模型构建；

S3)功率特性验证，所述功率特性验证包括实际功率曲线拟合、偏差计算和机组功率评价；

S31)实际功率曲线拟合：以传输模型为基础，输入P₀得到V₁，拟合V₁-P₀的对应实际功率曲线；

S32)偏差计算：将实际功率曲线与机组设计时的理论功率曲线放在一个坐标轴下，计算曲线的偏差e；

S33)根据偏差e对机组功率进行评价。

2.根据权利要求1所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：所述步骤S1中还包括如下步骤：

S11)对采集的数据源进行甄别，利用网格法筛选机组正常运行状态时刻的有功功率。

3.根据权利要求2所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括如下步骤：

S12)所述机组运行数据还包括温度和压强，通过四分位法将温度和压强中的异常数据剔除，利用空气密度与温度和压强的函数关系求出空气密度。

4.根据权利要求1所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：所述步骤S21中通过折半查找法确定变流器的效率和其输入功率，变流器的输入功率作为发电机的输出功率，通过折半查找法确定发电机的效率和其输入功率，发电机的输入功率作为主轴联轴器的输出功率，通过折半查找法确定主轴联轴器的效率和输入功率，主轴联轴器的输入功率作为齿轮箱的输出功率，通过折半查找法确定齿轮箱的效率和其输入功率，齿轮箱的输入功率即为风轮捕捉的机械功率。

5.根据权利要求4所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：

所述步骤S21的具体计算过程如下：

网侧变流器输出功率为P_r ^wc、发电机定子输出功率为P_s、机侧变流器输出功率为P_r ^jc，P_r ^jc＝sP_s，其中s为转差率、机组出口功率为P_CK，P_CK＝P_r+P_s、发电机输出功率为P_G、联轴器输出功率为P_LZQ、齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率为P，齿轮箱、联轴器、发电机、变频器效率参数为η₁、η₂、η₃、η₄；

机组出口功率与发电机定子、网侧变流器输出功率之间的关系可由下面的公式表示：P_CK＝P_r ^wc+P_s；

发电机组有两种运行方式，当转子转速小于同步转速时s＜0，转子侧馈入来自电网的功率，此时P_r ^jc＜0；转子转速大于同步转速时s≥0，转子向电网馈出功率，此时P_r ^jc≥0；

若P_r ^jc≥0，根据发电机转速ω，求得转差率s，再假设P_s ⁰，机侧变流器输入功率为sP_s，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(sP_s ⁰)计算出网侧变流器输出功率P_r ^wc＝η(sP_s ⁰)·sP_s ⁰，则机组出力比较实测机组出力P_CK与二者之间的差距，差距过大重新假设P_s ⁰，采用相同的步骤计算直至P_CK二者接近到设定范围，求得P_s，发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s；

若P_r ^jc＜0，先假设P_s ⁰，机侧变流器输出至发电机转子的功率为sP_s ⁰，假设网侧变流器输入功率P_r ^wc0，根据变流器运行效率曲线η₄ ⁰＝η(P_r ^wc0)，返回计算机侧变流器输入功率sP_s ^0′，比较sP_s ⁰、sP_s ^0′差异，差异设定范围，重新假设P_r ^wc0，直至在设定范围内，迭代计算出η⁰以及网侧变流器输入功率P_r ^wc0后，计算机组出力比较实测P_CK、差异，差异过大，重新假设P_s ⁰，过程与P_r ^jc≥0相同，求得P_s，发电机输出功率为P_G＝P_s+sP_s；

再推算发电机输入机械功即联轴器输出功率P_LZQ，假设联轴器输出功率初始值为P_LZQ ⁰，求得发电机此出力下的效率则发电机输出功率比较迭代与已知的P_G之间的差异，差异过大重新假设直至在设定范围内；根据同样的方法，推算出齿轮箱输出功率为P_CLX、叶轮输出功率P。

6.根据权利要求4所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：

所述步骤S22的具体计算过程如下：

机械功率P与风能捕捉系数C_P和推导风速V₁有如下关系：

$P=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\&rho;}A{\left(V_{1}cos\mathrm{\&theta;}\right)}^3$

机械功率P与风能捕捉系数C_P和推导风速V₁有如下关系：其中，P为风轮捕捉的机械功率、C_P为风能捕捉系数、ρ为空气密度、A为扫风面积、V₁为推导风速、θ为错风角；

C_P与λ和β有关，λ与V₁有关，将P转换为V₁的唯一函数，计算出V₁。

7.根据权利要求4所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：

所述步骤S23的具体修正过程如下：

测风仪器数据覆盖从机组切入至满功率风速段；根据传输模型计算推导风速V₁，比较V₁、V₂，计算相对误差为ε＝(V₁-V₂)/V₂，计算其均方误差为n为运行数据总组数，σ大于设定值时，在齿轮箱效率基础上加上一个调整系数α，即齿轮箱传动效率为α·η₂，重新进行步骤S21至S23直至σ小于等于设定值。

8.根据权利要求1所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：所述步骤S31中通过多项式拟合方法绘制出V₁-P₀的对应实际功率曲线。

9.根据权利要求1所述的基于风电机组传动特性的功率特性验证方法，其特征在于：所述步骤S32中以切入风速为起始，切出风速为终止，1m/s的风速为步长，对比每点理论曲线和实际曲线的差值，计算曲线各点的平均差值e。