CN108953060B - 基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法，包括如下步骤：通过设于风电场内预定位置和预定数量的激光雷达测量相应位置的风速风向数据；处理所述风速数据以得到风电场局部单机尾流模型；通过所述局部尾流模型，得出整个风电场的尾流模型；根据整个风电场的尾流模型，计算风电机组的当前偏航角度修正因子；通过前排激光雷达测量提前风向信息，作为第一排风电机组偏航的补偿信号；基于风速风向标的风向信号和所述当前偏航修正信号及所述补偿信号进行风电机组偏航控制。该控制方法可以节约测量成本，提高风电场尾流模型的准确性，提高风电场宏观偏航控制精度和功率捕获，提高风电场的发电量，延长偏航系统的寿命。

Description

基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法。

背景技术

风力发电是可再生能源领域应用最成熟、商业化前景最好的发电方式之一。风能具有非平稳性，随机性，能量密度低等特点，这些特点导致风向风速不断变化，使风力机不能始终对风，进而降低了风能的利用效率。偏航系统是风力发电机特有的伺服系统，它的主要功能是控制风轮跟踪变化的风向，提高功率捕获。

传统的偏航控制系统通过风向风速传感器检测出风向和风速，并将检测到的风向与风速数据送到控制器处理，控制器根据处理的结果，发出命令进行相应的偏航操作。由于传统的风速风向标会受到尾流、滞后性、测量不准等因素的影响，会产生较大的偏航误差，从而造成风资源的浪费，风电机组也会受到较大的载荷。

现有的偏航控制研究主要集中在单个风力机、控制算法改进上，比如通过改进现有的偏航控制算法，改变偏航策略。或者基于历史风数据建立的风功率预测模型给定偏航误差补偿，力图提高对风精度。或者用某地长时间如一年时间内风测量数据，计算比较偏航误差，给定偏航控制器固定的补偿值，从而提高风电场的捕获效率。但上述方法都没有从根本上解决风的不确定性造成的影响，也没有考虑到风电场中尾流对偏航所造成的影响。在大型风电场中，由于风力发电机组之间的相互影响，会有尾流影响机组捕获效率。此时，为整个风电场每点收集历史测风数据建立测风塔等不现实，因为风力发电机组越来越高，且特殊安装场所如海上风力发电场等，测风塔建立后不可移动等现实因素限制其发展。

激光雷达测风仪利用多普勒频移原理来测量风资源风况参数，测量精度高达0.1m/s，风向精确度达到0.5度；工作温度范围大，可以满足-30～+45℃的范围。激光雷达有很长远的应用前景，风力发电机组配备激光雷达装备，有延长风力发电机组6年的使用寿命的潜力，运行风力发电机组中安装的激光雷达前馈控制可以减少日常操作负荷。

目前，虽然已有很多研究人员对尾流形成原因、特点等进行过研究，并有相关的尾流模型提出，但是都是基于历史测风数据。激光雷达技术的出现可以为风电场控制提供新的方法，通过计算风电场尾流的模型，宏观整体提高偏航控制的精度，优化风电场的管理。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法，该方法在现有偏航控制的基础上，通过计算风电场尾流模型，引入风力机的偏航修正和补偿信号，然后基于风速风向标信号和激光雷达修正和补偿信号进行联合偏航控制；该偏航控制方法可以节约测风成本，提高风电场尾流模型的准确性，提高风电场偏航控制精度，提高功率捕获，提高风电场的发电量，延长偏航系统的寿命。所述方法包括下述步骤：

S1、通过设于风电场内预定位置和预定数量的激光雷达测量相应位置的风速风向数据；

S2、处理所述风速数据以得到风电场局部单机尾流模型；

S3、通过所述局部尾流模型，得出整个风电场的尾流模型；

S4、根据整个风电场的尾流模型，计算风电机组的当前偏航角度修正因子；

S5、通过前排激光雷达测量提前风向信息，作为第一排风电机组偏航的补偿信号；

S6、基于风速风向标的风向信号和所述当前偏航修正信号及所述补偿信号进行风电机组场级偏航控制。

进一步的，S1中所述预定位置包括：对于海上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴，或相邻风电机组之间的海面漂浮平台上；对于陆上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴，或者相邻风电机组之间的地面上。

进一步的，S1中激光雷达测量相应位置的风速风向数据包括：位于风电机组机舱上或转轴上的激光雷达测量叶轮旋转平面中心前方或后方沿激光束方向一个或多个焦点风速信息；或者，位于地面或海面上的扫描型激光雷达测量平行于风轮平面的雷达扫截面的风速信息。

进一步的，S1中所述预定数量N为：N≤2a+b-2，其中a为风电场机组行数，b为风电场机组列数，且激光雷达数量和风电机组总数的比值K满足。

K＝N/ab

进一步的，S2具体包括，计算任意单机尾流速度衰减系数：

式中

为尾流周围平均风速；v_wake(z)为尾流下游平均风速，分别由单机前后相邻机组上的激光雷达测量得到；初始风速损失取决于风机从自由风中吸取的动量。

进一步的，S3具体包括：

计算边界列上风电机组的速度衰减系数和风电场内部任意列上所有风电机组的速度衰减系数，根据对称相关原则，即对称位置上的风电机组衰减系数＝该风电机组衰减系数*转速因子*偏航位置因子，得到：

其中，1≤i≤a，1≤m,n≤b，δ_i,n为第i行第n列的风电机组风速衰减因子；δ_i.m为第i行第m列的风电机组风速衰减因子；ω_i,n为第i行第n列的风电机组叶轮转速；ω_i,m为第i行第m列的风电机组叶轮转速；θ_i,n为第i行第n列的风电机组偏航位置；θ_i,m为第i行第m列的风电机组偏航位置。

进一步的，S4具体包括：根据整个风电场的尾流模型，计算风电机组的当前偏航角度修正因子：

σ_i,n＝1-λ_iδ_i,n

其中，λ_i为与风电机组所在行数i相关的权重因子，随i增大而增大。

进一步的，S5具体包括：

S51、根据第一排风电机组上安装的激光雷达测量到的机组前方d距离处的风向，得到第j列机组的风向变化率如下：

其中，1≤j≤b，θ_t1为t1时刻测得的风向与机组的夹角，θ_t2为t2时刻测得的风向与机组的夹角，Δt＝t2-t1。

S52、根据所述风向变化率，计算第一排风电机组偏航的补偿信号θ_补偿：

进一步的，S6具体包括，基于风速风向标的风向信号和所述当前偏航角度修正因子及所述补偿信号，给定实际偏航角度，进行偏航控制：

其中，i、j分别为风电机组所在的行数和列数，θ_y为传统风力发电机组基于风速风向标信号给定的偏航角度，θ_error为风速风向标静态安装和测量误差。

进一步的，所述风速风向标安装于风电机组机舱顶部，用于测量风向与机舱中心线的偏差角。

采用本发明具有如下有益效果：

通过在风电场相应位置设置少于风电场机组数目的激光雷达，测得风电场尾流模型所需的信息，得到风电场尾流模型。减少了激光雷达的所需数量，降低了风电场所需的测风成本，同时可以得到风电场实时尾流模型；

通过尾流模型得到的偏航补偿和修正信号，结合风电机组的风速风向仪进行联合偏航控制，可以对风电场进行统一偏航调度控制，提高宏观风电场偏航控制精度，提高功率捕获，提高风电场的发电量，延长偏航系统的寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1a、1b为本发明实例提供的两台风力机尾流叠加示意图；

图2为本发明实例提供的激光雷达测量示意图；

图3为本发明实例提供的一种风电场风力机分布图(图中圆点代表安装激光雷达的位置)；

图4为本发明实例提供的风电场各风力机基于风速风向标信号和激光雷达补偿和修正信号进行偏航联合控制框图。

具体实施方式

仅为说明的目的提出下述实施例，本实施例并不限定本发明的保护范围。

在本发明实例中，提供了一种基于激光雷达测风仪的风电场级偏航控制方法，该方法包括：

步骤101：根据地形因素、障碍物因素以及风电场的边界条件等确定激光雷达的安装位置以及安装数量；具体实施时，激光雷达的安装数目要达到最少，可以满足风电场的需要。图3是本实例采用的一种风电场风力机分布图，图中圆点代表安装激光雷达的位置。

步骤102：激光雷达测量相应位置的风信号，图2为激光雷达的测量示意图，可以测量风轮前不同距离处的风的信息，可以得出激光雷达测量范围的风变化，包括风速大小和方向；具体实施时，可以根据需要设置激光雷达的扫描模式，测量距离与测量范围。

步骤103：数据处理，得出风电场局部尾流模型。图1a、图1b是两台风力机在风电场中的尾流叠加现象，尾流叠加现象使尾流区的风速分布很复杂，具体实施时，激光雷达通过直接测量尾流区域中的若干个点，根据测量的数据进行尾流区域建模。通过对风力机的SCADA数据、风力机的历史运行数据、激光雷达和风速风向标的测量数据等进行处理，筛选排除异常值，选择合适的数据段，并结合风力机当前的偏航位置计算风力机的尾流模型；

步骤104：通过局部尾流模型，推导出整个风电场的尾流模型。

步骤105：根据风电场尾流模型，引入风力机的偏航当前修正信号；通过计算出的尾流模型，可以获得风电场中任一台风力机处的尾流，进而计算风力机的修正信号，使得前排风电机组偏航准确度降低后排偏航准确度提高，宏观提高风电场偏航控制精度；

步骤106：具体实施时，在前排激光雷达可以测量风电场前1.5D-3D(D为风力机叶轮直径)的风向变化信息，补偿前排风力机偏航位置，修正第一排风力机偏航过程，从而避免频繁的变桨动作，提高变桨系统寿命；

步骤107：基于风速风向标信号和激光雷达修正和补偿信号进行偏航控制。

图4是本发明实例提供的风电场各风力机基于风速风向标信号和激光雷达修正和补偿信号进行偏航联合控制框图。在原有的偏航控制基础上，添加了修正信号和补偿信号。具体实施时，修正信号主要是减少由于前排风力机过多吸收风能导致后排风力机吸收能量过少现象；补偿信号主要是为了优化偏航的过程，减少风力机偏航机构频繁动作。

Claims (10)

1.基于激光雷达测风仪的风电场场级偏航控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过设于风电场内预定位置和预定数量的激光雷达测量相应位置的风速风向数据；

S2、处理所述风速数据以得到风电场局部单机尾流模型；

S3、通过所述局部单机尾流模型，得出整个风电场的尾流模型；

S4、根据整个风电场的尾流模型，计算风电机组的当前偏航角度修正因子；

S5、通过前排激光雷达测量提前风向信息，作为第一排风电机组偏航的补偿信号；

S6、基于风速风向标的风向信号和所述当前偏航角度修正因子及所述补偿信号进行风电机组场级偏航控制。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，S1中所述预定位置包括：对于海上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴，或相邻风电机组之间的海面漂浮平台上；对于陆上风电场，安装位置为选定风电机组的机舱或转轴，或者相邻风电机组之间的地面上。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，S1中激光雷达测量相应位置的风速风向数据包括：位于风电机组机舱上或转轴上的激光雷达测量叶轮旋转平面中心前方或后方沿激光束方向一个或多个焦点风速信息；或者，位于地面或海面上的扫描型激光雷达测量平行于风轮平面的雷达扫截面的风速信息。

4.如权利要求1-3任一项所述的控制方法，其特征在于，S1中所述预定数量N为：N≤2a+b-2，其中a为风电场机组行数，b为风电场机组列数，且激光雷达数量和风电机组总数的比值K满足K＝N/ab。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，S2具体包括：

计算任意单机尾流速度衰减系数：

式中

为尾流周围平均风速；v_wake(z)为尾流下游平均风速，分别由单机前后相邻机组上的激光雷达测量得到；初始风速损失取决于风机从自由风中吸取的动量。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，S3具体包括：

计算边界列上风电机组的速度衰减系数和风电场内部任意列上所有风电机组的速度衰减系数，根据对称相关原则，即对称位置上的风电机组衰减系数＝该风电机组衰减系数*转速因子*偏航位置因子，得到：

其中，1≤i≤a，1≤m,n≤b，δ_i,n为第i行第n列的风电机组风速衰减因子；δ_i.m为第i行第m列的风电机组风速衰减因子；ω_i,n为第i行第n列的风电机组叶轮转速；ω_i,m为第i行第m列的风电机组叶轮转速；θ_i,n为第i行第n列的风电机组偏航位置；θ_i,m为第i行第m列的风电机组偏航位置。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，S4具体包括：根据整个风电场的尾流模型，计算风电机组的当前偏航角度修正因子：

σ_i,n＝1-λ_iδ_i,n

其中，λ_i为与风电机组所在行数i相关的权重因子，随i增大而增大。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，S5具体包括：

S51、根据第一排风电机组上安装的激光雷达测量到的机组前方d距离处的风向，得到第j列机组的风向变化率如下：

其中，1≤j≤b，θ_t1为t1时刻测得的风向与机组的夹角，θ_t2为t2时刻测得的风向与机组的夹角，Δt＝t2-t1；

S52、根据所述风向变化率，计算第一排风电机组偏航的补偿信号θ_补偿：

。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，S6具体包括：

基于风速风向标的风向信号和所述当前偏航角度修正因子及所述补偿信号，给定实际偏航角度，进行偏航控制：

其中，i、j分别为风电机组所在的行数和列数，θ_y为传统风力发电机组基于风速风向标信号给定的偏航角度，θ_error为风速风向标静态安装和测量误差。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述风速风向标安装于风电机组机舱顶部，用于测量风向与机舱中心线的偏差角。

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