CN109268215A - 能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法，包括控制器、分别安装于主风向下上游风机机舱尾部、中游风机机舱尾部及下游风机机舱尾部的第一声音发生器、第二声音发生器及第三声音发生器、以及分别安装于主风向下上游风机机舱头部、中游风机机舱头部及下游风机机舱头部的第一声音接收器、第二声音接收器及第三声音接收器，其中，控制器与第一声音发生器、第二声音发生器、第三声音发生器、第一声音接收器、第二声音接收器及第三声音接收器相连接，该装置及方法能够预测风力机尾迹风速，提高风电场的发电量。

Description

能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法
技术领域
本发明属于提高风电场发电量的技术领域，涉及一种能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法。
背景技术
目前风电场的控制主要以单机最大发电量控制为主，由于每台风机独立控制，风机的尾流影响并未被纳入优化管理，前排风机最大化捕获风能产生的强尾流可能会带来后排风机更大尾流损失和载荷增加。因此需要从多台风机甚至全风场层面研究控制优化管理技术。通过对风机尾迹进行管理可以改变上游风机尾迹的传播状态，尽管上游风力机功率有所下降，但下游风力机输出功率显著提高，风场总输出功率得以大幅增加，通过数值模拟表明，实施风机尾迹管理能提高1％的发电效率。
通常风电场分布区域很大，大型风电场的纵深可达几十公里甚至上百公里，当风况发生变化时，需要经过一定时间的延迟，下游机组传感器才能感知风况变化，并且由于受风机叶片扰流的影响，风向风速测量仪所测得的风况与作用在叶片上的风况有一定差别，风力机控制调节会产生一定的误差，加上风力机控制系统执行机构具有迟滞性，因而从一定程度上降低了风力机发电量和安全性。因此，对下游风机风速进行提前预测，通过调整上方向风力机控制策略从多台风机甚至全风场层面进行尾迹管理，可以有效提升风电场发电量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法，该装置及方法能够预测风力机尾迹风速，提高风电场的发电量。
为达到上述目的，本发明所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置包括控制器、分别安装于主风向下上游风机机舱尾部、中游风机机舱尾部及下游风机机舱尾部的第一声音发生器、第二声音发生器及第三声音发生器、以及分别安装于主风向下上游风机机舱头部、中游风机机舱头部及下游风机机舱头部的第一声音接收器、第二声音接收器及第三声音接收器，其中，控制器与第一声音发生器、第二声音发生器、第三声音发生器、第一声音接收器、第二声音接收器及第三声音接收器相连接。
本发明所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法包括以下步骤：
风机尾迹的传播过程为：来流风能首先流过上游风机，上游风机发出电量Qfront后，来流风能的风速由υfront降至υwake1，来流风能降低为上游风机尾迹风能；上游风机尾迹风能流过中游风机，中游风机发出电量Qmiddle，其中，上游风机的发电量Qfront大于中游风机的发电量Qmiddle，然后再流经下游风机，下游风机发出电量Qlatter，其中，中游风机12的发电量Qmiddle大于下游风机的发电量Qlatter；
控制器分别控制第一声音发生器及第二声音发生器以固定时间间隔发出声音，同时控制器通过第二声音接收器及第三声音接收器分别接收第一声音发生器及第二声音发生器发出的声音，然后根据上游风机与中游风机之间的间距S1及第一声音发生器发出声音与第二声音接收器接收到该声音之间的时间差T1计算流至中游风机的上游尾迹风速υwake1；同时根据中游风机与下游风机之间的距离S2及第二声音发生器发出声音与第三声音接收器接收到该声音之间的时间差T2计算流至下游风机的下游尾迹风速υwake2，然后将流至中游风机的上游尾迹风速υwake1及流至下游风机的下游尾迹风速υwake2与风机额定风速进行比较，再根据比较的结果调整风力机变桨或偏航系统，以改变风机后面的尾迹流速，进而实现提高全风场发电量的目的。
流至中游风机的上游尾迹风速υwake1的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
流至下游风机的下游尾迹风速υwake2的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
当υwake1<风机额定风速时，则通过调整上游风机变桨或偏航系统增大υwake1，直至上游风机、下游风机及中游风机的总发电量不再增加为止，此时当υwake1>风机额定风速，υwake2<风机额定风速时，则通过调整中游风机变桨或偏航系统增大υwake2，直至上游风机、下游风机及中游风机的总发电量不再增加为止。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置及方法，控制器根据上游风机与中游风机之间的间距S1及第一声音发生器发出声音与第二声音接收器接收到该声音之间的时间差T1计算流至中游风机的上游尾迹风速υwake1；同时根据中游风机与下游风机之间的距离S2及第二声音发生器发出声音与第三声音接收器接收到该声音之间的时间差T2计算流至下游风机的下游尾迹风速υwake2，然后将流至中游风机的上游尾迹风速υwake1及流至下游风机的下游尾迹风速υwake2调整风力机变桨或偏航系统，以实现提高全风场发电量的目的，操作方便简单，实用性较强。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中调节风力机变桨或偏航系统时的流程图。
其中，11为上游风机、12为中游风机、13为下游风机、21为第一声音接收器、22为第二声音接收器、23为第三声音接收器、31为第一声音发生器、32为第二声音发生器、33为第三声音发生器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置包括控制器、分别安装于主风向下上游风机11机舱尾部、中游风机12机舱尾部及下游风机13机舱尾部的第一声音发生器31、第二声音发生器32及第三声音发生器33、以及分别安装于主风向下上游风机11机舱头部、中游风机12机舱头部及下游风机13机舱头部的第一声音接收器21、第二声音接收器22及第三声音接收器23，其中，控制器与第一声音发生器31、第二声音发生器32、第三声音发生器33、第一声音接收器21、第二声音接收器22及第三声音接收器23相连接。
本发明所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法包括以下步骤：
风机尾迹的传播过程为：来流风能首先流过上游风机11，上游风机11发出电量Qfront后，来流风能的风速由υfront降至υwake1，来流风能降低为上游风机11尾迹风能；上游风机11尾迹风能流过中游风机12，中游风机12发出电量Qmiddle，其中，上游风机11的发电量Qfront大于中游风机12的发电量Qmiddle，然后再流经下游风机13，下游风机13发出电量Qlatter，其中，中游风机12的发电量Qmiddle大于下游风机13的发电量Qlatter；
控制器分别控制第一声音发生器31及第二声音发生器32以固定时间间隔发出声音，同时控制器通过第二声音接收器22及第三声音接收器23分别接收第一声音发生器31及第二声音发生器32发出的声音，然后根据上游风机11与中游风机12之间的间距S1及第一声音发生器31发出声音与第二声音接收器22接收到该声音之间的时间差T1计算流至中游风机12的上游尾迹风速υwake1；同时根据中游风机12与下游风机13之间的距离S2及第二声音发生器32发出声音与第三声音接收器23接收到该声音之间的时间差T2计算流至下游风机13的下游尾迹风速υwake2，然后将流至中游风机12的上游尾迹风速υwake1及流至下游风机13的下游尾迹风速υwake2与风机额定风速进行比较，再根据比较的结果调整风力机变桨或偏航系统，以改变风机后面的尾迹流速，进而实现提高全风场发电量的目的。
另外，参考图2，将流至中游风机12的上游尾迹风速υwake1及流至下游风机13的下游尾迹风速υwake2与风机额定风速进行比较，再根据比较的结果调整风力机变桨或偏航系统的具体操作为：当υwake1<风机额定风速时，则通过调整上游风机11变桨或偏航系统增大υwake1，直至上游风机11、下游风机13及中游风机12的总发电量不再增加为止，此时当υwake1>风机额定风速，υwake2<风机额定风速时，则通过调整中游风机12变桨或偏航系统增大υwake2，直至上游风机11、下游风机13及中游风机12的总发电量不再增加为止。
声音在标准状况空气中的音速c为固定值，约为340m/秒，由于声速在流动的空气中传播，与空气的流速叠加，声速将大于固定声速c，声音在尾迹中的传播速度为c+υwake，则流至中游风机12的上游尾迹风速υwake1的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
流至下游风机13的下游尾迹风速υwake2的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
尾迹的传播速度一般小于来流的风能速度υfront，声音接收器接收的声速范围如式(2)所示，则根据公式(2)确定上下游风机13风向的转变。
c+υwind≥c+υwake≥c+0 (2)
声音发生器的间断周期应小于风机前后的距离与音速的商的一半：
S为前后风机的距离。
已知风机的发电量与来流风速的关系为：
其中，Cp为风能利用系数，最大值为0.593，与风机叶片的变桨角度有关。

Claims (5)

1.一种能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置，其特征在于，包括控制器、分别安装于主风向下上游风机(11)机舱尾部、中游风机(12)机舱尾部及下游风机(13)机舱尾部的第一声音发生器(31)、第二声音发生器(32)及第三声音发生器(33)、以及分别安装于主风向下上游风机(11)机舱头部、中游风机(12)机舱头部及下游风机(13)机舱头部的第一声音接收器(21)、第二声音接收器(22)及第三声音接收器(23)，其中，控制器与第一声音发生器(31)、第二声音发生器(32)、第三声音发生器(33)、第一声音接收器(21)、第二声音接收器(22)及第三声音接收器(23)相连接。
2.一种能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的装置，包括以下步骤：
风机尾迹的传播过程为：来流风能首先流过上游风机(11)，上游风机(11)发出电量Qfront后，来流风能的风速由υfront降至υwake1，来流风能降低为上游风机(11)尾迹风能；上游风机(11)尾迹风能流过中游风机(12)，中游风机(12)发出电量Qmiddle，其中，上游风机(11)的发电量Qfront大于中游风机(12)的发电量Qmiddle，然后再流经下游风机(13)，下游风机(13)发出电量Qlatter，其中，中游风机(12)的发电量Qmiddle大于下游风机(13)的发电量Qlatter；
控制器分别控制第一声音发生器(31)及第二声音发生器(32)以固定时间间隔发出声音，同时控制器通过第二声音接收器(22)及第三声音接收器(23)分别接收第一声音发生器(31)及第二声音发生器(32)发出的声音，然后根据上游风机(11)与中游风机(12)之间的间距S1及第一声音发生器(31)发出声音与第二声音接收器(22)接收到该声音之间的时间差T1计算流至中游风机(12)的上游尾迹风速υwake1；同时根据中游风机(12)与下游风机(13)之间的距离S2及第二声音发生器(32)发出声音与第三声音接收器(23)接收到该声音之间的时间差T2计算流至下游风机(13)的下游尾迹风速υwake2，然后将流至中游风机(12)的上游尾迹风速υwake1及流至下游风机(13)的下游尾迹风速υwake2与风机额定风速进行比较，再根据比较的结果调整风力机变桨或偏航系统，以改变风机后面的尾迹流速，进而实现提高全风场发电量的目的。
3.根据权利要求2所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法，其特征在于，流至中游风机(12)的上游尾迹风速υwake1的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
4.根据权利要求2所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法，其特征在于，流至下游风机(13)的下游尾迹风速υwake2的表达式为：
其中，c为声音在标准状况空气下的速度，c＝340m/s。
5.根据权利要求2所述的能够预测风力机尾迹及提高风电场发电量的方法，其特征在于，当υwake1<风机额定风速时，则通过调整上游风机(11)变桨或偏航系统增大υwake1，直至上游风机(11)、下游风机(13)及中游风机(12)的总发电量不再增加为止，此时当υwake1>风机额定风速，υwake2<风机额定风速时，则通过调整中游风机(12)变桨或偏航系统增大υwake2，直至上游风机(11)、下游风机(13)及中游风机(12)的总发电量不再增加为止。
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