CN110307121B - 一种风力发电机组叶片桨角寻优方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组叶片桨角寻优方法，包括以下步骤：1）风电机组进入叶片桨角寻优模式；2）调整叶片桨角补偿，采集并记录风机运行数据；3）初次构建风机运行效率模型并计算最优效率对应的叶片桨角修正角度；4）依据步骤3）计算结果判断二次叶片桨角补偿方向，再次调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；5）重构风机运行效率模型并计算最优效率对应的叶片最优修正角度；6）依据步骤5）计算结果对叶片桨角进行自动修正或发出提示信息。本发明充分考虑到风力发电机组控制原理和运行特性对风电机组发电效率的影响，能使风机持续运行在最优出力状态，减少运维人员的工作强度，提高了风电机组的运行效率和发电收益。

Description

一种风力发电机组叶片桨角寻优方法

技术领域

本发明属于风力发电机领域，具体是涉及一种风力发电机组叶片桨角寻优方法。

背景技术

随着我国风电行业的迅猛发展，风电已经成为我国继火电和水电后的第三大电力来源。变速变桨风力发电机组已经成为大规模商业化应用的主要设备。叶片是风电机组获取外部动能的唯一来源，而不同叶片的气动外形差异导致风电机组在运行时叶片的工作桨角不尽相同。

风电机组控制系统在设计时，已经综合考虑了叶片气动外形与风场实际风资源环境等条件对风电机组发电效率的影响。风电机组现场叶片实际工作桨角与设计一致是保障风电机组发电性能的重要手段之一。

目前，大型风电机组通常采用叶片校零来满足机组与设计的一致性，校零方法一般通过肉眼观测或通过叶片校零工装进行校准，此种方法校零效率较低且存在一定的随机误差和安全风险，且风机在叶片校准运行一段时间后，由于传感器的系统误差和随机误差又必然导致叶片实际工作桨角偏离设计桨角，严重影响风电机组的发电效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种自动判断并修正叶片桨角，以适应现场多变的风资源和气候条件，契合风机控制系统，持续保障和提升风机发电性能的风力发电机组叶片桨角寻优方法。

本发明采用的技术方案是：一种风力发电机组叶片桨角寻优方法，包括以下步骤：

1)风电机组进入叶片桨角寻优模式，开始进行自动桨角寻优；

2)调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；

3)初次构建风机运行效率模型，并计算最优效率对应的叶片修正角度；

4)依据步骤3)计算结果判断二次桨角补偿方向，再次调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；

5)重构风机运行效率模型，并重新计算最优效率对应的叶片最优修正角度；

6)依据步骤5)计算结果进行叶片桨角修正或发出提示信息。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，步骤1)中按照指定周期T₁定期或单次执行叶片桨角寻优任务，执行叶片桨角寻优任务时，风电机组进入叶片桨角寻优模式，进行自动桨角寻优。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，所述步骤2)的具体操作如下：

2.1)将风电机组叶片桨角补偿值均置为0°；

2.2)按照给定数据采集周期T₂采集风机实时运行数据并记录至数据存储模块中；采集的数据包括：轮毂转速ω_rot、机舱风速V_w、发电机功率限幅值P_lim、风机状态K_st、叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os、偏航对风误差角θ_err及空气密度ρ；

2.3)数据计算模块将以上采集数据按给定计算周期T₃计算一次均值，并储存至数据储存模块中；

2.4)当风机的运行状态和运行环境满足要求时，记录步骤2.3)中变量并跟据风机配置和环境参数计算并记录风机发电效率至数据储存模块中；

2.5)多次重复步骤2.3)-2.4)，并记录叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os下的多组风机运行数据；

2.6)叶片桨角按照指定间隔沿第一方向分别进行叶片桨角补偿，每次补偿后均按照2.3)-2.5)所述采集并记录数据。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，步骤2.2)中，采集周期为1秒；步骤2.3)中的计算周期为10分钟；步骤2.5)中重复步骤2.3)-2.4)的次数不低于50次。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，步骤2.4)中，风机运行状态及环境要满足的要求包括：

a.风机运行阶段为最大风能跟踪段；b.风机处于自由运行状态；c.风机运行在正常为发电工况；d.叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ实际桨角补偿值与当前给定叶片桨角补偿值一致；e.偏航对风误差角在较小范围内；f.湍流强度低于A类。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，步骤2.6)中以叶片收桨方向为第一方向，进行叶片桨角补偿时，风机叶片桨角补偿区间为0°～β_fp°，单次桨角补偿间隔为β_b°，第i次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值分别为：β_1os＝β_2os＝β_3os＝β_bi,i＝1,2,3,4,...，其中：i为叶片桨角补偿次数，β_1os、β_2os、β_3os分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的叶片桨角补偿值，β_fp为给定的初次叶片桨角补偿最大值，优选的β_fp≥2。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，所述步骤4)具体操作如下：

4.1)判断二次叶片桨角的补偿方向；当-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ时，直接调优叶片桨角，叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的调优角度满足如下公式：β_1opt＝β_2opt＝β_3opt＝β_{1opt_1},-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ，其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ为给定的桨角自动修正临界值；

当β_{1opt_1}<-ξ时，叶片桨角沿第二方向补偿；

当β_{1opt_1}>ξ时，叶片桨角继续沿第一方向补偿；

4.2)若β_{1opt_1}满足β_{1opt_1}<-ξ或β_{1opt_1}>ξ时，开始二次桨角补偿，具体操作如下：

当β_{1opt_1}<-ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp′°～0°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值为：β_1os′＝β_2os′＝β_3os′＝β_b(-n),n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os′、β_2os′、β_3os′分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第二方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp′为给定的二次叶片最小补偿桨角；

当β_{1opt_1}>ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp°～β_fp″°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后的叶片桨角补偿值分别为：β_1os″＝β_2os″＝β_3os″＝β_fp+β_bn,n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os″、β_2os″、β_3os″分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第一方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp″为给定的二次叶片最大补偿桨角。

上述的风力发电机组叶片桨角寻优方法中，所述步骤6)中：依据步骤5)计算得到的叶片最优修正角度β_{1opt_2}，判断自动调优叶片桨角或发出预估偏差角度提示信息，人工调整叶片角度至最优位置；以如下公式判断自动调优叶片桨角还是发出提示信息：

其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ′为给定叶片桨角自动调优限幅值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以风电机组实时运行数据为基础，依据风机控制原理和整机设计参数，针对不同机型配置和机位点风资源环境单独优化叶片实际工作桨角，对于机组运行过程中产生的系统误差或由于安装误差引起的风机实际工作桨角和风机主控系统契合度有一定差异的机组，本发明能够优化风机发电效能，增大风电场收益，大大减少运维人员工作量，降低由于运维人员定期维护叶片桨角引起的系统和随机误差影响。

附图说明

图1为本发明方法实施流程图。

图2为本发明方法原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括如下步骤：

1)按照指定周期T₁定期或指定单次执行叶片桨角寻优任务，执行叶片桨角寻优任务时，风电机组进入叶片桨角寻优模式，开始进行自动桨角寻优；

2)调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；其具体操作如下：

2.1)将风电机组叶片桨角补偿值均置为0°；

2.2)按照给定数据采集周期采集风机实时运行数据并记录至数据存储模块中，采集周期T₂为1秒；采集的数据包括：轮毂转速ω_rot、机舱风速V_w、发电机功率限幅值P_lim、风机状态K_st、叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os、偏航对风误差角θ_err及空气密度ρ；

2.3)数据计算模块将以上采集数据按给定计算周期计算一次均值，并储存至数据储存模块中，计算周期T₃为10分钟。

2.4)当风机的运行状态和运行环境满足要求时，记录步骤2.3)中变量并跟据风机配置和环境参数计算并记录风机发电效率至数据储存模块中；风机运行状态及环境要满足的要求包括：a.风机运行阶段为最大风能跟踪段；b.风机处于自由运行状态；c.风机运行在正常发电工况；d.叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ实际桨角补偿值与当前给定叶片桨角补偿值一致；e.偏航对风误差角在较小范围内；f.湍流强度低于A类湍流强度。

2.5)多次重复步骤2.3)-2.4)，并记录该叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os下的多组风机运行数据；重复步骤2.3)-2.4)的次数不低于50次。

2.6)叶片桨角按照指定间隔沿第一方向分别进行叶片桨角补偿，第一方向为叶片收桨方向。进行叶片桨角补偿时，风机叶片桨角补偿区间为0°～β_fp°，单次桨角补偿间隔为β_b°，其中：β_b<β_fp，第i次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值分别为：β_1os＝β_2os＝β_3os＝β_bi,i＝1,2,3,4,...，其中：i为叶片桨角补偿次数，β_1os、β_2os、β_3os分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的叶片桨角补偿值，β_fp为给定的初次叶片桨角补偿最大值，优选的β_fp≥2。每次补偿后均按照2.3)-2.5)所述采集并记录数据。

3)初次构建风机运行效率模型，并计算最优效率对应的叶片修正角度β_{1opt_1}。

4)依据步骤3)计算结果判断二次桨角补偿方向，再次调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；具体操作如下：

4.1)判断二次叶片桨角的补偿方向；当-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ时，直接调优叶片桨角，叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的调优角度满足如下公式：β_1opt＝β_2opt＝β_3opt＝β_{1opt_1}-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ，其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ为给定的桨角自动修正临界值。

当β_{1opt_1}<-ξ时，叶片桨角沿第二方向补偿。

当β_{1opt_1}>ξ时，叶片桨角继续沿第一方向补偿。

4.2)若β_{1opt_1}满足β_{1opt_1}<-ξ或β_{1opt_1}>ξ时，开始二次桨角补偿，具体操作如下：

当β_{1opt_1}<-ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp′°～0°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值为：β_1os′＝β_2os′＝β_3os′＝β_b(-n),n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os′、β_2os′、β_3os′分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第二方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp′为给定的二次叶片最小补偿桨角。

当β_{1opt_1}>ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp°～β_fp″°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后的叶片桨角补偿值分别为：β_1os″＝β_2os″＝β_3os″＝β_fp+β_bn,n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os″、β_2os″、β_3os″分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第一方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp″为给定的二次叶片最大补偿桨角。

5)重构风机运行效率模型，并重新计算最优效率对应的叶片最优修正角度β_{1opt_2}；

6)依据步骤5)计算得到的叶片修正角度β_{1opt_2}，判断自动调优叶片桨角或发出预估偏差角度提示信息，人工调整叶片角度至最优位置；以如下公式判断自动调优叶片桨角还是发出提示信息：

其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ′为给定叶片桨角自动调优限幅值。

Claims (8)

1.一种风力发电机组叶片桨角寻优方法，包括以下步骤：

1)风电机组进入叶片桨角寻优模式，开始进行自动桨角寻优；

2)调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；

3)初次构建风机运行效率模型，并计算最优效率对应的叶片修正角度；

4)依据步骤3)计算结果判断二次桨角补偿方向，再次调整叶片补偿角度，采集并记录风机运行数据；

5)重构风机运行效率模型，并重新计算最优效率对应的叶片最优修正角度；

6)依据步骤5)计算结果进行叶片桨角修正或发出提示信息。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，步骤1)中按照指定周期T₁定期或单次执行叶片桨角寻优任务，执行叶片桨角寻优任务时，风电机组进入叶片桨角寻优模式，进行自动桨角寻优。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，所述步骤2)的具体操作如下：

2.1)将风电机组叶片桨角补偿值均置为0°；

2.2)按照给定数据采集周期T₂采集风机实时运行数据并记录至数据存储模块中；采集的数据包括：轮毂转速ω_rot、机舱风速V_w、发电机功率限幅值P_lim、风机状态K_st、叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os、偏航对风误差角θ_err及空气密度ρ；

2.3)数据计算模块将以上采集数据按给定计算周期T₃计算一次均值，并储存至数据储存模块中；

2.4)当风机的运行状态和运行环境满足要求时，记录步骤2.3)中变量并跟据风机配置和环境参数计算并记录风机发电效率至数据储存模块中；

2.5)多次重复步骤2.3)-2.4)，并记录叶片Ⅰ桨角补偿值β_1os、叶片Ⅱ桨角补偿值β_2os、叶片Ⅲ桨角补偿值β_3os下的多组风机运行数据；

2.6)叶片桨角按照指定间隔沿第一方向分别进行叶片桨角补偿，每次补偿后均按照2.3)-2.5)所述采集并记录数据。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，步骤2.3)中的计算周期为10分钟；步骤2.5)中重复步骤2.3)-2.4)的次数不低于50次。

5.根据权利要求3所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，步骤2.4)中，风机运行状态及环境要满足的要求包括：

a.风机运行阶段为最大风能跟踪段；b.风机处于自由运行状态；c.风机运行在正常发电工况；d.叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ实际桨角补偿值与当前给定叶片桨角补偿值一致；e.偏航对风误差角在较小范围内；f.平均湍流强度低于A类。

6.根据权利要求3所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，步骤2.6)中以叶片收桨方向为第一方向，进行叶片桨角补偿时，风机叶片桨角补偿区间为0°～β_fp°，单次桨角补偿间隔为β_b°，第i次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值分别为：β_1os＝β_2os＝β_3os＝β_bi,i＝1,2,3,4,...，其中：i为叶片桨角补偿次数，β_1os、β_2os、β_3os分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的叶片桨角补偿值，β_fp为给定的初次叶片桨角补偿最大值，β_fp≥2。

7.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，所述步骤4)具体操作如下：

4.1)判断二次叶片桨角的补偿方向；当-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ时，直接调优叶片桨角，叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的调优角度满足如下公式：β_1opt＝β_2opt＝β_3opt＝β_{1opt_1},-ξ≤β_{1opt_1}≤ξ，其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ为给定的桨角自动修正临界值；

当β_{1opt_1}<-ξ时，叶片桨角沿第二方向补偿；

当β_{1opt_1}>ξ时，叶片桨角继续沿第一方向补偿；

4.2)若β_{1opt_1}满足β_{1opt_1}<-ξ或β_{1opt_1}>ξ时，开始二次桨角补偿，具体操作如下：

当β_{1opt_1}<-ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp′°～0°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后叶片桨角补偿值为：β_1os′＝β_2os′＝β_3os′＝β_b(-n),n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os′、β_2os′、β_3os′分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第二方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp′为给定的二次叶片最小补偿桨角；

当β_{1opt_1}>ξ时，按照指定间隔β_b°在叶片桨角补偿区间β_fp°～β_fp″°内进行叶片桨角补偿，每次补偿后按照步骤2.3)-2.5)采集并记录数据；第n次二次叶片桨角补偿后的叶片桨角补偿值分别为：β_1os″＝β_2os″＝β_3os″＝β_fp+β_bn,n＝1,2,3,4,...，其中：β_1os″、β_2os″、β_3os″分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ的二次叶片桨角补偿沿第一方向的叶片桨角补偿值；n为二次叶片桨角补偿次数；β_fp″为给定的二次叶片最大补偿桨角。

8.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片桨角寻优方法，所述步骤6)中：依据步骤5)计算得到的叶片最优修正角度β_{1opt_2}，判断自动调优叶片桨角或发出预估偏差角度提示信息，人工调整叶片角度至最优位置；以如下公式判断自动调优叶片桨角还是发出提示信息：

其中：β_1opt、β_2opt、β_3opt分别为叶片Ⅰ、叶片Ⅱ、叶片Ⅲ最优桨角修正值，ξ′为给定叶片桨角自动调优限幅值。

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