CN108757310B - 一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置，包括风速区间的划分、风速区间内不同风向偏置下的平均功率计算、初始寻优区间、收敛精度设置、初始内分点的选取、收敛方向判断和风向偏置值的计算。本发明针对偏航零位偏差和尾流偏转造成的偏航对风不准问题，可按照设定步骤，进行在线或者离线计算，计算效率高，计算得到的偏航偏置角对风向仪测量值补偿校正后送到偏航控制器，进行偏航对风的校准，本发明安全稳定、计算速度快、结果精确，有利于风力发电机组提升能量捕获，提高发电效率。

Description

一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制领域，具体涉及一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置。

背景技术

全球范围内风能的蕴藏量巨大，且为绿色能源，风能的利用越来越受到世界各国的重视，于是风力发电技术在全世界范围内得到了快速的发展。近几年，随着相关专家学者对风力发电技术的研究愈发深入，风力发电控制也越发精确和精准。风能能否得到高效的利用很大程度上取决于偏航对风的精确程度。偏航对风是靠偏航系统来实现的，一般是由偏航驱动装置、偏航传动装置、偏航制动器、偏航计数器、风速风向仪、偏航轴承、纽缆保护装置等组成。偏航系统的工作过程如下：风速风向仪感应风向的变化，将风向信号传输到偏航电机控制回路控制器中，控制器经过处理将偏航指令发送到偏航电机，偏航电机通过变速箱带动偏航大齿轮运动，机舱随大齿轮运动，即对风动作，对风满足偏航停止条件后偏航随即停止，制动器锁紧，对风过程结束。

目前常用的偏航对风策略完全依赖于风速风向仪的测量结果，偏航控制器根据此信号来控制偏航动作，当风向偏差太大时偏航控制器便会发出偏航指令，执行偏航矫正动作，使机舱准确对风，以获取最大发电功率。但需要考虑偏航零位是否存在偏差和尾流偏转对风向测量的影响，若偏航零位存在偏差，加之尾流偏转的影响，风速风向仪的测量值就会存在误差，进而导致偏航对风精度降低，造成发电量的损失。而在现场很难判断风向偏差的偏差方向和角度，若人为进行调整将耗费大量人力物力，并且很难找出合适的偏置角度，因此需要一种可以自动对机组可能存在的偏航零位偏差和尾流偏转角进行补偿校正的策略，降低传统偏航策略对风速风向仪的过度依赖性，以提高偏航对风精度，提升风能捕获效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置，利用黄金分割法，计算出一个风向偏航值，该方法应用于风力发电机组的偏航控制，能很好的提高偏航对风的精度，提升机组对风能的捕获效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种风力发电机组偏航对风校准方法，该方法包括：

(1)划分风速区间，设定初始寻优区间和收敛精度；

(2)判断风速区间是否满足收敛精度要求，若满足，则进入步骤(7)；若不满足，进入步骤(3)；

(3)初始化每个风速区间的两个风向偏置，采用寻优算法计算每个风速区间的两个风向偏置的平均功率值；

(4)比较风速区间的两个风向偏置的平均功率值的大小；

(5)根据比较结果判断收敛方向；

(6)计算收敛方向所对应的风速区间的上下限、风向偏置及其平均功率值，判断该风速区间是否满足收敛精度要求，若满足，则进入步骤(7)；若不满足，则将该风向偏置的平均功率值与前一次计算得到的风向偏置的最大平均功率值相比较，返回步骤(5)，依次循环，直至满足收敛精度要求；

(7)计算偏航偏置角，将偏航偏置角与风向测量值叠加并进行偏航对风校准。

进一步的，所述步骤(1)中，风速区间的划分是考虑到不同风速下的尾流偏转角度不同，进行风速区间的划分；初始寻优区间是根据偏航零位的偏差和尾流偏转角度来确定。

进一步的，所述步骤(2)中，判断风速区间是否满足收敛精度要求的方法为：

若风速区间[a_k,b_k]的长度不大于收敛精度，即b_k-a_k≤L，则满足收敛精度要求；若大于收敛精度，即b_k-a_k>L，则不满足收敛精度要求。

进一步的，所述步骤(3)中，初始化每个区间的风向偏置的方法为：

在初始寻优区间内，按照黄金分割原理初始化每个区间的两个风向偏置μ₁和λ₁，采用这两个风向偏置μ₁和λ₁对寻优区间进行分割和取舍。

进一步的，所述步骤(3)中，寻优算法选用黄金分割算法。

进一步的，采用黄金分割算法对每个风速区间的风向偏置的平均功率值的计算方法为：

按照一定间隔将对每个风速区间划分成若干个小区间，当每个风速区间内的小区间的点数达到设定点数时，计算在该小区间在风向偏置下的平均功率；

计算每个风速区间内所有小区间在风向偏置下的平均功率的和，并求取平均值，得到每个风速区间在风向偏置下的平均功率值。

进一步的，所述步骤(5)中，收敛方向的判断方法为：

根据风速区间的两个风向偏置的平均功率值f(λ_k)和f(μ_k)，利用黄金分割原理判断收敛方向，即若f(λ_k)>f(μ_k)，则判断向其中一个方向收敛，计算风向区间的的上下限、风向偏置值λ_k+1及其平均功率值f(λ_k+1)，其中，k＝1,2,3…；若f(λ_k)≤f(μ_k)，则判断向另一个方向收敛，计算风向区间的的上下限、风向偏置值μ_k+1及其平均功率值f(μ_k+1)。

进一步的，所述步骤(6)中，收敛方向所对应的风向偏置的平均功率值的计算方法为：

根据判断出的收敛方向，采用黄金分割算法重新计算该收敛方向所对应的风向偏置值以及该风向偏置的平均功率值。

进一步的，所述偏航偏置角的计算方法为：

根据当前收敛的风速区间的上限和下限计算偏航偏置角；

基于偏航偏置角进行偏航对风校准。

一种风力发电机组偏航对风校准装置，该装置包括：

偏航偏置角计算模块，用于采用上述的风力发电机组偏航对风校准方法计算偏航偏置角，传输至叠加模块；

风速风向仪，用于测量风向，将风向测量值传输至叠加模块；

叠加模块，用于将偏航偏置角与风向测量值叠加，对风向测量值进行补偿校正，将校准后的风向测量值传输至偏航控制器；

偏航控制器，用于根据校准后的风向测量值控制偏航电机进行对风校准。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用利用单峰函数求极值的典型方法-黄金分割法，可以比较准确、高效的找出由上述原因导致的偏航对风问题，计算出风向偏置并将偏置值送给控制器，提高控制精度，提升机组发电量；

(2)本发明中风速区间的划分，充分考虑了不同风速下的尾流偏转会不同，对风速风向仪的测量值的影响也不同，区间划分后的风向偏置计算结果更为精确；

(3)本发明中区间划分后每个风速区间点数的统计和优化过程并行进行，大大缩短现场试验、测试时间，避免因现场某风速长时间不出现导致的程序运行时间过长问题；

(4)本发明中将每个区间分为多个小区间，对每个小区间均最小达到设定点数时，进行该风速区间的平均功率值计算，减小某个大风速区间因风速均偏大或偏小导致的平均功率统计值偏大或偏小问题；

(5)本发明在同一风速大区间的两个风向偏置进行寻优交替，尽量保证每次交替完成后工况不会发生较大变化，此交替过程也是三个大风速区间并行进行，互不干扰；

(6)本发明可在不增加外部设备的条件下在线计算或离线分析，便于实现且开发成本低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是风力发电机组偏航对风校准方法流程图一；

图2是风力发电机组偏航对风校准方法流程图二；

图3是风力发电机组偏航对风校准装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，为了弥补现有偏航控制策略的不足，本申请提出了一种风力发电机组偏航对风校准方法及装置，利用寻优算法，计算出一个偏航偏置值，该策略应用于风力发电机组的偏航控制，能很好的提高偏航对风的精度，提升机组对风能的捕获效率。。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-2所示，提供了一种风力发电机组偏航对风校准方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：划分风速区间。

风速区间的划分，考虑到不同风速下的尾流偏转角度不同，进行风速区间的划分。在本实施例中划分了三个区间，分别是[5,7]、[7,9]、[9,11]，可视情况而定。

步骤二：设定初始寻优区间和收敛精度。

初始寻优区间是根据偏航零位的可能偏差和尾流偏转角度来确定的，将该初始寻优区间作为初始偏航偏置范围。本实施例令初始寻优区间为[a₁,b₁]、收敛精度为L，其与偏航对风校准停止条件相对应，可根据需要进行调整。

在本实施例中，设置初始寻优区间范围[-10deg,10deg]，收敛精度L为0.02rad，k＝1。

步骤三：判断风速区间的长度是否满足收敛精度的要求；若满足，则进入步骤十；若不满足，则进入步骤四。

根据实际需要，按照事先设定的收敛精度来判断是否令寻优程序结束运行。在本实施例中，收敛精度的要求为：b_k-a_k≤L。

对于风速区间[a_k,b_k]，若b_k-a_k≤L则停止计算，寻优过程结束，进入步骤十；若b_k-a_k>L，进入步骤四。

步骤四：初始化每个风速区间的两个风向偏置。

在初始寻优区间[a₁,b₁]内按黄金分割原理取两个风向偏置μ₁和λ₁，这两个风向偏置μ₁和λ₁用来对寻优区间进行分割和取舍。该风向偏置μ₁和λ₁也称为内分点。

步骤五：采用寻优算法计算每个风速区间的两个初始风向偏置的平均功率值。

每个风速区间的两个初始风向偏置的平均功率值的计算方法相同，分别采用寻优算法计算初始风向偏置的平均功率值。风向偏差与能量的捕获呈单峰函数关系，而黄金分割算法适用于单峰函数的寻优。利用这一特点，本申请选取该黄金分割算法作为寻优算法来进行最佳偏航补偿角的寻找。寻优算法还可使用爬山算法或梯度下降法等。

针对一风速区间初始风向偏置μ₁的平均功率值f(μ₁)的计算方法为：

按照0.5m/s间隔将对该风速区间划分成4个小区间，当该风速区间内的小区间的点数达到设定点数时，计算在该小区间在风向偏置下的平均功率；计算该风速区间内所有小区间在风向偏置下的平均功率的和，并求取平均值，得到该风速区间在风向偏置下的平均功率值f(μ₁)。

针对一风速区间初始风向偏置λ₁的平均功率值f(λ₁)的计算方法为：

按照0.5m/s间隔将对该风速区间划分成4小区间，当该风速区间内的小区间的点数达到设定点数时，计算在该小区间在风向偏置下的平均功率；计算该风速区间内所有小区间在风向偏置下的平均功率的和，并求取平均值，得到该风速区间在风向偏置下的平均功率值f(λ₁)。

本发明在同一大风速区间的两个风向偏置进行寻优交替，尽量保证每次交替完成后工况不会发生较大变化，此交替过程也是三个大风速区间并行进行，互不干扰

步骤六：比较每个风速区间的两个风向偏置的平均功率值的大小，判断收敛方向。

比较风速区间的两个风向偏置的平均功率值f(μ₁)和f(λ₁)的大小，利用黄金分割的原理来判断向哪个方向收敛。

若f(λ₁)>f(μ₁)，则转入步骤七；若f(λ₁)≤f(μ₁)，则转入步骤八。

步骤七：根据比较结果判断向其中一个方向收敛，计算该收敛方向所对应的风速区间的上限a_k+1和下限b_k+1、风向偏置λ_k+1及其平均功率值f(λ_k+1)，即：

a_k+1＝a_k,b_k+1＝μ_k,μ_k+1＝λ_k，k＝1,2,3…，

λ_k+1＝a_k+1+0.382(b_k+1-a_k+1)

按照步骤五的黄金分割算法计算风向偏置λ_k+1的平均功率值f(λ_k+1)，转步骤九。

步骤八：根据比较结果判断向另一个方向收敛，计算该收敛方向所对应的风速区间的上限a_k+1和下限b_k+1、风向偏置μ_k+1及其平均功率值f(μ_k+1)，即：

a_k+1＝λ_t，b_k+1＝b_k，λ_k+1＝μ_k，k＝1，2，3...，

μ_k+1＝a_k+1+0.618(b_k+1-a_k+1)，

其中，μ_k和λ_k为风向区间[a_k，b_k]的风向偏置。

按照步骤五的黄金分割算法计算风向偏置μ_k+1的平均功率值f(μ_k+1)，转步骤九。

步骤九：判断风速区间[a_k+1，b_k+1]是否满足收敛精度要求；若b_k+1-a_k+1≤L，则满足收敛精度要求，停止计算，寻优过程结束，进入步骤十；若b_k+1-a_k+1＞L，则不满足收敛精度要求，将f(μ_k+1)或者f(λ_k+1)与上面步骤中较大的平均功率值进行比较，进行收敛方向的判断，与步骤六相同，进而转入步骤七或步骤八，依次循环，直至满足收敛精度要求，循环结束。

若b_k-a_k≤L则；若进入步骤四。

步骤十：计算偏航偏置角。

步骤十一：计算得到的偏航偏置角作为偏航偏置对风向仪测量值补偿校正后送到偏航控制器，进行偏航对风的校准。

本实施例提出的风力发电机组偏航对风校准方法，针对偏航零位偏差和尾流偏转造成的偏航对风不准问题，可按照上述步骤，进行在线或者离线计算，计算效率高；计算得到的风向偏置作为偏航偏置对风向仪测量值补偿校正后送到偏航控制器，进行偏航对风的校准，该方法安全稳定、计算速度快、结果精确，有利于风力发电机组提升能量捕获，提高发电效率。

本实施例提出的风力发电机组偏航对风校准方法的优化参数是在程序运行满足循环条件后根据寻优算法自动改变数值，然后根据该数值进行功率统计等在线计算，最终得出合适的参数。采用离线分析方法验证该风力发电机组偏航对风校准方法准确性，程序运行一段时间后，可从scada数据库里将数据导出，分析程序在运行时已经给出的不同偏置情况下的实际功率、风速、风向等参数之间的相互关系，一方面可验证风向偏差是否与经验值方向相一致，另一方面可验证优化算法的准确性。

本申请的另一种典型实施方式，如图3所示，提供了一种风力发电机组偏航对风校准装置，该装置包括：

偏航偏置角计算模块，用于采用上述步骤一至步骤十的方法计算偏航偏置角，传输至叠加模块；

风速风向仪，用于测量风向，将风向测量值传输至叠加模块；

叠加模块，用于将偏航偏置角与风向测量值叠加，对风向测量值进行补偿校正，将校准后的风向测量值传输至偏航控制器；

偏航控制器，用于根据校准后的风向测量值控制偏航电机进行对风校准。

本实施例提出的风力发电机组偏航对风校准装置，利用单峰函数求极值的典型方法-黄金分割法，可以比较准确、高效的找出由上述原因导致的偏航对风问题，计算出风向偏置并将偏置值送给控制器，提高控制精度，提升机组发电量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，包括：

(1)划分风速区间，设定初始寻优区间和收敛精度；

风速区间的划分是考虑到不同风速下的尾流偏转角度不同，进行风速区间的划分；初始寻优区间是根据偏航零位的偏差和尾流偏转角度来确定；

(2)判断风速区间是否满足收敛精度要求，若满足，则进入步骤(7)；若不满足，进入步骤(3)；

(3)初始化每个风速区间的两个风向偏置，采用寻优算法计算每个风速区间的两个风向偏置的平均功率值；

寻优算法选用黄金分割算法；

采用黄金分割算法对每个风速区间的风向偏置的平均功率值的计算方法为：

按照一定间隔将对每个风速区间划分成若干个小区间，当每个风速区间内的小区间的点数达到设定点数时，计算在该小区间在风向偏置下的平均功率；

计算每个风速区间内所有小区间在风向偏置下的平均功率的和，并求取平均值，得到每个风速区间在风向偏置下的平均功率值；

(4)比较风速区间的两个风向偏置的平均功率值的大小；

(5)根据比较结果判断收敛方向；

(6)计算收敛方向所对应的风速区间的上下限、风向偏置及其平均功率值，判断该风速区间是否满足收敛精度要求，若满足，则进入步骤(7)；若不满足，则将该风向偏置的平均功率值与前一次计算得到的风向偏置的最大平均功率值相比较，返回步骤(5)，依次循环，直至满足收敛精度要求；

(7)计算偏航偏置角，将偏航偏置角与风向测量值叠加并进行偏航对风校准。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，所述步骤(2)中，判断风速区间是否满足收敛精度要求的方法为：

若风速区间[a_k,b_k]的长度不大于收敛精度，即b_k-a_k≤L，则满足收敛精度要求；若大于收敛精度，即b_k-a_k>L，则不满足收敛精度要求。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，所述步骤(3)中，初始化每个区间的风向偏置的方法为：

在初始寻优区间内，按照黄金分割原理初始化每个区间的两个风向偏置μ1和λ1，采用这两个风向偏置μ₁和λ₁对寻优区间进行分割和取舍。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，所述步骤(5)中，收敛方向的判断方法为：

根据风速区间的两个风向偏置的平均功率值f(λ_k)和f(μ_k)，利用黄金分割原理判断收敛方向，即若f(λ_k)>f(μ_k)，则判断向其中一个方向收敛，计算风向区间的上下限、风向偏置值λ_k+1及其平均功率值f(λ_k+1)，其中，k＝1,2,3…；若f(λ_k)≤f(μ_k)，则判断向另一个方向收敛，计算风向区间的上下限、风向偏置值μ_k+1及其平均功率值f(μ_k+1)。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，所述步骤(6)中，收敛方向所对应的风向偏置的平均功率值的计算方法为：

根据判断出的收敛方向，采用黄金分割算法重新计算该收敛方向所对应的风向偏置值以及该风向偏置的平均功率值。

6.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航对风校准方法，其特征是，所述偏航偏置角的计算方法为：

根据当前收敛的风速区间的上限和下限计算偏航偏置角；

基于偏航偏置角进行偏航对风校准。

7.一种风力发电机组偏航对风校准装置，其特征是，包括：

偏航偏置角计算模块，用于采用权利要求1-6中任一项所述的风力发电机组偏航对风校准方法计算偏航偏置角，传输至叠加模块；

风速风向仪，用于测量风向，将风向测量值传输至叠加模块；

叠加模块，用于将偏航偏置角与风向测量值叠加，对风向测量值进行补偿校正，将校准后的风向测量值传输至偏航控制器；

偏航控制器，用于根据校准后的风向测量值控制偏航电机进行对风校准。

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