CN110552849B - 一种风机偏航性能与能量转化效率评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风机偏航性能与能量转化效率评估方法及装置，该风机偏航性能评估方法获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；根据发电机的转速、发电机的电磁力矩等量，计算得到风轮吸收的风能；根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率；根据风能转化效率和风能利用系数，得到偏航品质系数；根据偏航品质系数，对风机偏航性能进行评估。本发明根据计算得到风轮吸收的风能来计算风能转化效率，而不是发电机输出的电功率，排除了电网工况和发电机效率对风能转化效率的影响，使计算出来的风能转化效率更为准确，从而使偏航品质系数更为准确。

Description

一种风机偏航性能与能量转化效率评估方法及装置

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风机偏航性能与能量转化效率评估方法及装置。

背景技术

随着风电机组技术的不断进步和风电机组整体设计的能力不断提高，风电机组的运行稳定性在不断增强，人们对于风电机组的关注重心开始由工作可靠性方面向发电量提升方面转移。目前，常常使用如图2所示的控制框图来进行风力发电机偏航控制。风向仪用来测量吹向风机的风向，偏航编码器用来测量风轮平面方位，当风轮平面方位与风向均值出现较大偏差时偏航控制器发出偏航指令驱动偏航机构使风轮平面对准风向，从而得到最大扫风面积，捕获最大风能。一方面，因为风向仪普遍安装在风轮平面后面，风向仪测量的风向与风轮平面前的风向会存在偏差；另一方面，风向仪和偏航编码器安装位置可能存在误差。这两个因素导致偏航位置和风向测量结果与实际值不一致，从而导致风机偏航性能降低，减小了风力发电机能量转化效率。

故针对风电场普遍存在个别机组发电量不高、偏航品质差的问题，亟需进一步优化提升，这就需要分析风机偏航性能，从而优化风机运行状态。目前，常常通过比较风能和发电机输出的电功率来判断风能转化效率，以评价风机偏航品质。但是，若根据发电机输出的电功率与风能来判断风能转化效率，会将发电机效率和电网工况考虑在内，使风能转化效率计算不够准确，进而使得根据该风能转化效率来评判风机偏航品质时并不准确。

发明内容

本发明提供了一种风机偏航性能与能量转化效率评估方法及装置，用以解决采用发电机输出的电功率来计算风能转化效率造成的对风机偏航品质评估不准的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明提供了一种风机偏航性能评估方法，包括如下步骤：

获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；根据发电机的转速、发电机的电磁力矩、风机齿轮箱的减速比、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数和风轮转动惯量，计算得到风轮吸收的风能；根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率；根据风能转化效率和此时风机的桨距角、叶尖速比对应的风能利用系数，得到偏航品质系数；根据偏航品质系数，对风机偏航性能进行评估。

本发明还提供了一种风机能量转化效率评估方法，包括如下步骤：

获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；

根据发电机的转速、发电机的电磁力矩、风机齿轮箱的减速比、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数和风轮转动惯量，计算得到风轮吸收的风能；

根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率。

其有益效果：本发明的风机能量转化效率评估方法根据计算得到风轮吸收的风能来计算风能转化效率，而不是发电机输出的电功率，排除了电网工况和发电机效率对风能转化效率的影响，实现了电网因素、发电机性能与风能转化效率的解耦，使计算出来的风能转化效率更为准确，从而使依据风能转化效率计算得到的偏航品质系数更为准确，对风机偏航性能评估更加准确，为优化风机偏航控制提供可靠的依据。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，所述偏航品质系数为风能转化效率与风能利用系数的比值。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，采用查表法来确定此时风机的桨距角、叶尖速比对应的风能利用系数。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，在计算风能转化效率时，还包括对风速进行第一滤波的步骤。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，所述第一滤波为均值滤波、或者二阶巴特沃斯滤波、或者均值滤波和二阶巴特沃斯滤波相结合的滤波。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，在计算风轮吸收的风能时，还包括对发电机的转速和/或发电机的电磁力矩进行第二滤波的步骤。

作为偏航性能评估方法的进一步改进，所述第二滤波为均值滤波。

本发明还提供了一种风机偏航性能评估装置，该装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述的风机偏航性能评估方法，以达到与方法相同的效果。

本发明还提供了一种风机能量转化效率评估装置，该装置包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述的风机能量转化效率评估方法。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是现有技术的风力发电机偏航系统控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

风机偏航性能评估方法实施例：

该实施例提供了一种风机偏航性能评估方法，下面结合图1，对该方法进行详细说明。

首先，通过风电场测风塔上的风速仪采集风速数据v，该风速数据v包含有不同时刻的采样值；将采集的将采集的风速数据v依次经过均值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器进行滤波，以得到第j次采样后对应的风速滤波值

具体步骤如下：

1)使用均值滤波器对风速仪采集的风速数据v进行滤波，得到的第j次采样后对应的风速均值：

式中，

表示第j次采样后对应的风速均值，v_j-i表示第j-i次风速仪采集的风速采样值，i＝0,…,4；

2)使用二阶巴特沃斯滤波器对得到的风速均值进行滤波，得到第j次采样后对应的风速滤波值：

式中，

分别表示第j、j-1、j-2次采样后对应的风速滤波值，

表示第j、j-1次采样后对应的风速均值。

然后，从发电机上安装的编码器获取发电机的旋转位置数据，通过旋转位置数据得到发电机的转速ω，从变流器上直接采集发电机的电磁力矩T，并使用均值滤波器对发电机的转速ω和发电机的电磁力矩T进行滤波，以得到第j次采样后对应的转速滤波值

和电磁力矩滤波值

式中，

表示第j次采样后对应的转速滤波值，ω_j-i表示第j-i次计算的发发电机转速采样值，i＝0,…,4；

表示第j次采样后对应的电磁力矩滤波值，T_j-i表示第j-i次采集的电磁力矩滤采样值，i＝0,…,4。

接着，根据风机齿轮箱的减速比K、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数ξ、风轮转动惯量D，以及上述计算得到的第j次采样后对应的电磁力矩滤波值

第j次采样后对应的转速滤波值

和第j-1次采样后对应的转速滤波值

计算得到第j次采样后对应的风轮旋转力矩F_j；根据第j次采样后对应的风轮旋转力矩F_j、第j次采样后对应的转速滤波值

和风机齿轮箱的减速比K，计算得到第j次采样后对应的风轮吸收的风能P_j：

式中，T表示采样周期。

其次，根据风轮吸收的风能P_j，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率η_j：

式中，ρ表示风电场空气密度，S表示风轮平面面积，

表示第j次采样后对应的风速滤波值。

最后，根据风能转化效率η_j和此时风机的桨距角、叶尖速比对应的风能利用系数C_pj，得到偏航品质系数k_j；根据偏航品质系数k_j，对风机偏航品质(即偏航性能)进行评估，以用它衡量偏航控制参数优劣，优化偏航参数。偏航品质系数k_j为：

式中，k_j为偏航品质系数，k_j越接近1表示风机偏航结果越好。

其中，风能利用系数C_pj采用以下方法获得：根据第j次采样后对应的转速滤波值

第j次采样后对应的风速滤波值

风机齿轮箱的减速比K和风轮平面半径R，计算得到第j次采样后对应的叶尖速比：

采集变桨电机上安装的编码器得到桨距角β_j；然后查询风轮厂家提供的C_pj参数列表(β_j,λ_j)，找到对应的风能利用系数C_pj。

整体来看，该方法在计算风能转化效率η_j时，风轮吸收的风能P_j不是发电机输出的电功率而是风轮获得的机械功率。P_j取风轮得到的机械功率，可以排除电网工况和发电机效率对文中功率P_j及风能转化效率的影响，实现了电网因素、发电机性能与风能转化效率的解耦。风机偏航品质系数为优化偏航性能提供了量化后的反馈信息，因为这个信息剔除了电网工况和发电机性能的影响，所以风机偏航品质系数对衡量风机偏航性能给出了更加准确的结果。

在得到偏航品质系数后，其使用方法有多种，这里仅举3例：

1、因为风向测量误差影响风机偏航精度，但风向仪一般安装在风轮后面，风经过风轮后会改变风向，从而导致风向仪测量结果出现偏差。一种风向测量结果修正方法如下：风向修正后的结果为θ＝θ_s+kω，式中，θ_s是风向仪测量的风向，ω是风轮转速，k是风向修正参数。随机生成k，让它控制偏航过程，对准风向后，利用偏航品质系数评价偏航品质，偏航品质反映了参数k的优劣，然后可以使用遗产算法结合偏航品质系数找到k的最优值。

2、同样的方法可以用来矫正风轮方位初始0点。

3、在研究风力发电机性能时，各种因素耦合在一起影响发电机功率输出，导致衡量各因素对风机发电效率的影响极为困难。风机偏航品质系数可以让偏航误差这一因素从众多因素中解耦出来，为研究其他因素对风力发电机发电功率的影响关系提供了一个条件。

该实施例中，对采集的风速数据依次经过均值滤波器和二阶巴特沃斯滤波器来对其进行滤波。作为其他实施方式，可只采用均值滤波器对其进行滤波，或者只采用二阶巴特沃斯滤波器来对其进行滤波，或者采用其他现有的滤波器来进行滤波。

该实施例中，对采集的发电机的转速和发电机的电磁力矩采用均值滤波器来对二者进行滤波。作为其他实施方式，可采用其他现有的滤波器来对其进行滤波。

该实施例中，偏航品质系数为风能转化效率与风能利用系数的比值，而且偏航品质系数越接近于1表示风机偏航效果越好。作为其他实施方式，可将风能利用系数与风能转化效率的比值作为偏航品质系数，同样是偏航品质系数越接近于1表示风机偏航效果越好，但是由于风机系统故障时(例如编码器故障)，计算出的机械功率可能为0，从而使得计算出的偏航品质系数出现除数为0的情况，导致控制系统运行过程瞬间崩溃，在系统崩溃时，后续保护动作无法完成；或者将风能转化效率与风能利用系数的差值再与风能利用系数的比值作为偏航品质系数，此时偏航品质系数越接近0表示风机偏航效果越更好。这两种偏航品质系数计算方法工程实践上不如上述实施例中偏航品质系数好。

风机偏航性能评估装置实施例：

该实施例提供了一种风机偏航性能评估装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现一种风机偏航性能评估方法，由于对该方法的介绍已足够清楚，这里不再赘述。

风机能量转化效率评估方法实施例：

该实施例提供了一种风机能量转化效率评估方法，该方法计算出风能转化为机械能的风能转化效率，以用于结合风能利用系数，对风机偏航进行评估。由于该方法已在风机偏航性能评估方法实施例中做了详细说明，这里不再赘述。

风机能量转化效率评估装置实施例：

该实施例提供了一种风机能量转化效率评估装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP，处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现上述风机能量转化效率评估方法，由于对该方法的介绍已足够清楚，这里不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种风机偏航性能评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；

根据发电机的转速、发电机的电磁力矩、风机齿轮箱的减速比、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数和风轮转动惯量，计算得到风轮吸收的风能；

根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率；

根据风能转化效率和此时风机的桨距角、叶尖速比对应的风能利用系数，得到偏航品质系数；根据偏航品质系数，对风机偏航性能进行评估；

在计算风轮吸收的风能时，还包括对发电机的转速和发电机的电磁力矩进行第二滤波的步骤；

其中，风能的计算公式为：

其中，F_j表示第j次采样后对应的风轮旋转力矩，K表示风机齿轮箱的减速比，

表示第j次采样后对应的电磁力矩滤波值，ξ表示风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数，D表示风轮转动惯量，

表示第j次采样后对应的转速滤波值，

表示第j-1次采样后对应的转速滤波值，T表示采样周期，P_j表示风轮吸收的风能；

在计算风能转化效率时，还包括对风速进行第一滤波的步骤；

其中，风能转化效率的计算公式为：

其中，η_j表示风能转化为机械能的风能转化效率，ρ表示风电场空气密度，S表示风轮平面面积，

表示第j次采样后对应的风速滤波值。

2.根据权利要求1所述的风机偏航性能评估方法，其特征在于，所述偏航品质系数为风能转化效率与风能利用系数的比值。

3.根据权利要求1所述的风机偏航性能评估方法，其特征在于，采用查表法来确定此时风机的桨距角、叶尖速比对应的风能利用系数。

4.根据权利要求1所述的风机偏航性能评估方法，其特征在于，所述第一滤波为均值滤波、或者二阶巴特沃斯滤波、或者均值滤波和二阶巴特沃斯滤波相结合的滤波。

5.根据权利要求1所述的风机偏航性能评估方法，其特征在于，所述第二滤波为均值滤波。

6.一种风机偏航性能评估装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如权利要求1～5任一项所述的风机偏航性能评估方法。

7.一种风机能量转化效率评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；

根据发电机的转速、发电机的电磁力矩、风机齿轮箱的减速比、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数和风轮转动惯量，计算得到风轮吸收的风能；

根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率；

在计算风轮吸收的风能时，还包括对发电机的转速和发电机的电磁力矩进行第二滤波的步骤；

其中，风能的计算公式为：

其中，F_j表示第j次采样后对应的风轮旋转力矩，K表示风机齿轮箱的减速比，

表示第j次采样后对应的电磁力矩滤波值，ξ表示风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数，D表示风轮转动惯量，

表示第j次采样后对应的转速滤波值，

表示第j-1次采样后对应的转速滤波值，T表示采样周期，P_j表示风轮吸收的风能；

在计算风能转化效率时，还包括对风速进行第一滤波的步骤；

其中，风能转化效率的计算公式为：

其中，η_j表示风能转化为机械能的风能转化效率，ρ表示风电场空气密度，S表示风轮平面面积，

表示第j次采样后对应的风速滤波值。

8.一种风机能量转化效率评估装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法：

获取风速、发电机的转速和发电机的电磁力矩；

根据发电机的转速、发电机的电磁力矩、风机齿轮箱的减速比、风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数和风轮转动惯量，计算得到风轮吸收的风能；

根据风轮吸收的风能、风电场空气密度、风速和风轮平面面积，计算得到风能转化为机械能的风能转化效率；

在计算风轮吸收的风能时，还包括对发电机的转速和发电机的电磁力矩进行第二滤波的步骤；

其中，风能的计算公式为：

其中，F_j表示第j次采样后对应的风轮旋转力矩，K表示风机齿轮箱的减速比，

表示第j次采样后对应的电磁力矩滤波值，ξ表示风轮传动链等效至低速轴的阻尼系数，D表示风轮转动惯量，

表示第j次采样后对应的转速滤波值，表示第j-1次采样后对应的转速滤波值，T表示采样周期，P_j表示风轮吸收的风能；

在计算风能转化效率时，还包括对风速进行第一滤波的步骤；

其中，风能转化效率的计算公式为：

其中，η_j表示风能转化为机械能的风能转化效率，ρ表示风电场空气密度，S表示风轮平面面积，

表示第j次采样后对应的风速滤波值。

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