CN109578208B - 风力发电机组及其偏航控制方法与装置 - Google Patents

风力发电机组及其偏航控制方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种风力发电机组及其偏航控制方法与装置。该方法包括：在风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航。本发明实施例的风力发电机组及其偏航控制方法与装置，能够使叶轮停止在对准实际风向的位置，能够提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。

Description

风力发电机组及其偏航控制方法与装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组及其偏航控制方法与装置。
背景技术
偏航系统，又称对风装置，是风力发电机组的必不可少的组成系统之一。偏航系统的主要作用是与风力发电机组的控制系统相互配合，使风力发电机组机舱的叶轮始终能对准风向处于迎风状态，从而最大程度的利用风能，提高风力发电机组的发电效率。
目前，为了提高风力发电机组的发电效率，主要是利用风向标传感器采集风向角，然后对采集的风向角进行滤波处理，利用滤波处理后的风向角计算对风偏差，再基于对风偏差控制偏航。其中，风向角是风向标与偏航位置的夹角；偏航位置指机舱当前朝向与偏航0位夹角对应的位置；偏航0位为风力发电机组初始安装时机舱朝向；对风偏差为滤波处理后的风向角与180度的偏差值。
在偏航运动的过程中，风向角不仅仅取决于风向，还取决于偏航位置。此时风向角是风向波动和偏航运动的综合反映。滤波处理不仅仅作用于风向波动，还作用于偏航运动。这就导致利用滤波处理后的风向角计算得到的对风偏差不准确，造成偏航控制时叶轮不能停止在对准实际风向的位置，风能利用率低，风力发电机组的发电效率较低。
发明内容
本发明实施例提供一种风力发电机组及其偏航控制方法与装置，能够使叶轮停止在对准实际风向的位置，能够提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。
一方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组偏航控制方法，包括：
在风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；
根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；
对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；
根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，预设静止方向包括：
风力发电机组初始安装时机舱朝向；
根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角，包括：
计算第二角度与第一角度的第一差值，将第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
在本发明的一个实施例中，根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航，包括：
根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角；
根据平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角，包括：
计算偏航位置与相对平均风向角的第二差值，将第二差值作为当前风向相对于偏航位置的平均风向角。
另一方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组偏航控制装置，包括：
获取模块，用于在风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；
计算模块，用于根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；
平滑处理模块，用于对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；
偏航控制模块，用于根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，预设静止方向包括：风力发电机组初始安装时机舱朝向；
计算模块，具体用于：计算第二角度与第一角度的第一差值，将第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
在本发明的一个实施例中，偏航控制模块包括：
计算子模块，用于根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角；
偏航控制子模块，用于根据平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，计算子模块，具体用于：
计算偏航位置与相对平均风向角的第二差值，将第二差值作为当前风向相对于偏航位置的平均风向角。
在本发明的一个实施例中，风力发电机组偏航控制装置集成设置在风力发电机组的主控制器中。
再一方面，本发明实施例提供了一种风力发电机组，包括上述任意一种风力发电机组偏航控制装置。
本发明实施例的风力发电机组及其偏航控制方法与装置，平滑处理仅作用于风向波动，没有作用于偏航运动，避免了偏航运动对偏航控制的影响，能够得到准确的对风偏差，能够使叶轮停止在对准实际风向的位置，能够提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出了本发明实施例提供的风力发电机组偏航控制方法的流程示意图；
图2示出了本发明实施例提供的风向解耦变换及反变换的示意图；
图3示出了本发明实施例提供的偏航控制过程的示意图；
图4示出了本发明实施例与现有技术的对风偏差概率密度的对比图；
图5示出了本发明实施例提供的风力发电机组偏航控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
如图1所示，图1示出了本发明实施例提供的风力发电机组偏航控制方法的流程示意图。风力发电机组偏航控制方法可以包括：
S101：在风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度。
S102：根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
S103：对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角。
S104：根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航。
需要说明的是，风向标与偏航位置之间的第一角度即为风向角；机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度即为机舱当前朝向与偏航0位的夹角。通常情况下，也将机舱当前朝向与偏航0位的夹角简称为偏航位置。
在本发明的一个实施例中，获取风向角可以通过安装在机舱尾部的风向标，利用风向标传感器采集风向角。
在本发明的一个实施例中，获取偏航位置可以通过机舱位置检测传感器获取。其中，机舱位置检测传感器固定在机舱的底座上，靠近偏航轴承的外齿圈。在机舱位置检测传感器的内部有一个电位器，电位器内的划线触头随凸轮的位置进行相应的移动，电阻值也随之发生变化。电阻值的变化引起电压的变化。电压信号被输送到模拟量采集模块中进行变换即可得到偏航位置。
示例性的，每隔1秒，获取风向角和偏航位置；根据风向角和偏航位置计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
在本发明的一个实施例中，预设静止方向可以为风力发电机组初始安装时机舱朝向；还可以为相对于风力发电机组初始安装时机舱朝向逆时针或者顺时针偏差特定角度的方向，比如，相对于风力发电机组初始安装时机舱朝向逆时针顺时针偏差90度的方向。
为了提高计算效率，本发明实施例的预设静止方向优选为：风力发电机组初始安装时机舱朝向。
在预设静止方向为风力发电机组初始安装时机舱朝向时，本发明实施例的根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角，可以包括：计算第二角度与第一角度的第一差值，将第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
示例性的，假设获取的第一角度(风向角)为150度；第二角度(偏航位置)为90度，计算得到当前风向相对于预设静止方向的相对风向角为：-60度。
通过上述计算可以将风向解耦，即将当前风向相对于运动的机舱的角度转变为当前风向相对于静止方向的角度。
当计算出当前风向相对于预设静止方向的相对风向角后，可以对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角。
在本发明的一个实施例中，对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角，可以包括：对相对风向角进行低通滤波处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角。
其中，低通滤波是一种过滤方式，规则为低频信号能正常通过，而超过设定临界值的高频信号则被阻隔、减弱。但是阻隔、减弱的幅度则会依据不同的频率以及不同的滤波程序而改变。
在本发明的一个实施例中，低通滤波的计算公式为：
Yn＝t*Xn+(1-t)Yn-1 (1)
其中，Yn为本次滤波输出值，即本次得到的相对平均风向角；Yn-1为上次滤波输出值，即上次得到的相对平均风向角；Xn为本次采样值，即当前计算得到的相对风向角；t为滤波系数，且t大于0小于1。
通过低通滤波的效果可以得知，滤波系数越小，输出的灵敏度越低，输出的结果更依赖于历史数据，当前风向的随机性对输出的结果影响越小。经过上述风向解耦后，滤波处理仅作用于当前计算得到的相对风向角，且相对风向角是当前风向相对于静止方向的角度，即滤波处理仅作用于风向波动，而没有作用于偏航运动。因此，可以采取较小的滤波系数，得到更稳定的相对平均风向角，进而根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航可以提高偏航控制的精确度。
在本发明的一个实施例中，根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航，可以包括：根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角；根据平均风向角控制风力发电机组偏航。
在风力发电机组偏航控制中，偏航控制是依据当前风向相对于偏航位置的平均风向角与180之间的偏差值即对风偏差进行控制，因此需要再将当前风向相对于预设静止方向的平均相对风向角转变为当前风向相对于偏航位置的平均风向角，进而依据平均风向角计算对风偏差控制风力发电机组偏航。
在预设静止方向为风力发电机组初始安装时机舱朝向时，本发明实施例的根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角，可以包括：计算偏航位置与相对平均风向角的第二差值，将第二差值作为当前风向相对于偏航位置的平均风向角。
示例性的，假设获取的风向标与偏航位置之间的第一角度(风向角)为150度；机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度(偏航位置)为90度。
则计算得到当前风向相对于风力发电机组初始安装时机舱朝向的相对风向角为：90度-150度＝-60度。
对相对风向角度-60度进行滤波处理，得到当前风向相对于风力发电机组初始安装时机舱朝向的相对平均风向角为：-59度。
进而计算出当前风向相对于偏航位置的平均风向角为：90度-(-59度)＝149度。
机舱对风偏差＝149度-180度＝-31度。即将当前机舱左偏航31度。
图2示出了本发明实施例提供的风向解耦变化及反变化的示意图。
图2中，风向角是风向相对于运动的机舱参考系的数值表示，偏航位置是机舱相对于静止的偏航0位的数值表示，两个相减则是风向相对于静止的偏航0位的数值表示。此时，相对风向角的参考系由运动参考系转变为静止参考系。因此，相对风向角的波动大小仅包含风况波动的大小，此时进行平滑处理，比如，低通滤波处理，则可以避免偏航运行的影响。在对相对风向角进行平滑处理得到相对平均风向角后，对相对平均风向角进行反向变换，将相对平均风向角变换为运动的机舱参考系下的平均风向角。将平均风向角与180度做差，即可获得较精确的对风偏差。基于该对风偏差控制风力发电机组偏航。本发明实施例提供的偏航控制过程，如图3所示。图3示出了本发明实施例提供的偏航控制过程的示意图。
图4示出了本发明实施例与现有技术的对风偏差概率密度的对比图。本发明实施例与现有技术的对风统计如表1所示。
表1
本发明实施例 现有技术
期望均值 0.0347 0.0463
标准差 4.2586 8.2453
P5 0.7596 8.2453
P10 0.9811 0.7748
其中，表1中的P5表示对风偏差精度在5度范围内的概率统计密度；表1中的P10表示对风偏差精度在10度范围内的概率统计密度。
分别以P5和P10为评价指标，由图4和表1中可以看出，本发明实施例的对风偏差精度比现有技术的对风偏差精度有提高。进而本发明实施例提供的风力发电机组偏航控制方法，能够提高对风精度，进而能够在偏航控制时，能够选择准确的停止位置，使叶轮停止在对准实际风向的位置，能够提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。
本发明实施例的风力发电机组偏航控制方法，平滑处理仅作用于风向波动，没有作用于偏航运动，避免了偏航运动对偏航控制的影响，能够得到准确的对风偏差，能够使叶轮停止在对准实际风向的位置，能够提高风能利用率和风力发电机组的发电效率。
与上述的方法实施例相对应，本发明实施例还提供一种风力发电机组偏航控制装置。
如图5所示，图5示出了本发明实施例提供的风力发电机组偏航控制装置的结构示意图。风力发电机组偏航控制装置可以包括：
获取模块501，用于用于在风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；
计算模块502，用于根据第一角度和第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；
平滑处理模块503，用于对相对风向角进行平滑处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；
偏航控制模块504，用于根据相对平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，预设静止方向包括：
风力发电机组初始安装时机舱朝向。
在本发明的一个实施例中，计算模块502，具体用于：
计算第二角度与第一角度的第一差值，将第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
在本发明的一个实施例中，平滑处理模块503，具体用于：
对相对风向角进行低通滤波处理，得到当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角。
在本发明的一个实施例中，偏航控制模块504包括：
计算子模块，用于根据相对平均风向角以及偏航位置，计算当前风向相对于偏航位置的平均风向角；
偏航控制子模块，用于根据平均风向角控制风力发电机组偏航。
在本发明的一个实施例中，计算子模块，具体用于：
计算偏航位置与相对平均风向角的第二差值，将第二差值作为当前风向相对于偏航位置的平均风向角。
在本发明的一个实施例中，风力发电机组偏航控制装置可以集成设置在风力发电机组的主控制器中。
对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
另外，本发明实施例还提供了一种风力发电机组，包括上述任意一种风力发电机组偏航控制装置。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组偏航控制方法，其特征在于，包括：
在所述风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与所述风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；
根据所述第一角度和所述第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；
对所述相对风向角进行平滑处理，得到所述当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；
根据所述相对平均风向角控制所述风力发电机组偏航；其中，
所述预设静止方向包括：所述风力发电机组初始安装时机舱朝向；
所述根据所述第一角度和所述第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角，包括：
计算所述第二角度与所述第一角度的第一差值，将所述第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对平均风向角控制所述风力发电机组偏航，包括：
根据所述相对平均风向角以及所述偏航位置，计算所述当前风向相对于所述偏航位置的平均风向角；
根据所述平均风向角控制所述风力发电机组偏航。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述相对平均风向角以及所述偏航位置，计算所述当前风向相对于所述偏航位置的平均风向角，包括：
计算偏航位置与所述相对平均风向角的第二差值，将所述第二差值作为所述当前风向相对于所述偏航位置的平均风向角。
4.一种风力发电机组偏航控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于在所述风力发电机组偏航运动的过程中，每隔一段时间，获取风向标与偏航位置之间的第一角度以及机舱当前朝向与所述风力发电机组初始安装时机舱朝向之间的第二角度；
计算模块，用于根据所述第一角度和所述第二角度，计算当前风向相对于预设静止方向的相对风向角；
平滑处理模块，用于对所述相对风向角进行平滑处理，得到所述当前风向相对于预设静止方向的相对平均风向角；
偏航控制模块，用于根据所述相对平均风向角控制所述风力发电机组偏航；其中，
所述预设静止方向包括：所述风力发电机组初始安装时机舱朝向；
所述计算模块，具体用于：计算所述第二角度与所述第一角度的第一差值，将所述第一差值作为当前风向相对于预设静止方向的相对风向角。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述偏航控制模块包括：
计算子模块，用于根据所述相对平均风向角以及所述偏航位置，计算所述当前风向相对于所述偏航位置的平均风向角；
偏航控制子模块，用于根据所述平均风向角控制所述风力发电机组偏航。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算子模块，具体用于：
计算偏航位置与所述相对平均风向角的第二差值，将所述第二差值作为所述当前风向相对于所述偏航位置的平均风向角。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置集成设置在所述风力发电机组的主控制器中。
8.一种风力发电机组，其特征在于，包括权利要求4至7任意一项所述的风力发电机组偏航控制装置。
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