CN110925134B - 一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统及方法，所述的系统包括传感器模块、主控制器PLC和输出功率给定值修正PLC，所述的输出功率给定值修正PLC内置空气密度计算模块和修正系数模块，所述的传感器模块实时采集风电机组外界环境变化数据并发送给空气密度计算模块，所述的空气密度计算模块计算空气密度，根据当前空气密度由修正系数模块对机组根据其实际运行功率曲线得到的输出功率给定值进行实时修正。与现有技术相比，本发明解决了不同温度、湿度和气压条件下空气密度的不同，实际功率曲线会有所变化，风电机组实际发电量无法达到最佳的问题。

Description

一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统及方法
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域，尤其是涉及一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统及方法。
背景技术
随着科技快速发展，风能作为一种可再生能源得到了人们的开发利用，风力发电的发展速度也在加快。近年来国内风电机组的装机容量增长迅速，风力发电所占的比重也越来越大，行业对风电机组的性能要求也逐渐提高。在风力发电机组的控制策略中，发电性能提升对于评估经济效益和实现风电场最大化收益有关键作用，而一般以风电机组的功率曲线来衡量其发电性能。功率曲线反映了风机转速与输出功率之间的关系，其确定了风电机组的功率特性和运行特点，而大多数制造商在选择制定风电机组的控制策略时，通常根据标准空气密度或仅以风电场年平均空气密度下的功率曲线来确定机组最优控制策略，很少考虑气压、温度和湿度等外界环境变化对风电机组输出功率造成的影响，导致风电机组的实际输出功率与理论输出功率有较大差别。此外，由于风电机组的运行环境等差异，机组实际运行功率曲线与厂商给定的理论功率曲线有所差异，机组直接采用理论功率曲线来获得功率指令会导致风能利用效果较差，而现有的实际功率曲线修正方法往往不考虑由于环境因素造成空气密度变化的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统，包括传感器模块、主控制器PLC和输出功率给定值修正PLC，所述的输出功率给定值修正PLC内置空气密度计算模块和修正系数模块，所述的传感器模块实时采集风电机组外界环境变化数据并发送给空气密度计算模块，所述的空气密度计算模块计算空气密度，根据当前空气密度由修正系数模块对机组根据其实际运行功率曲线得到的输出功率给定值进行实时修正。
优选地，所述的系统还包括分别与输出功率给定值修正PLC通信的防雷模块和信号隔离放大器，所述的传感器模块、防雷模块和信号隔离放大器组成测量模块，该测量模块安装在水平轴式风电机组机舱下方的塔筒外侧，用于对各数据进行实施采集。
优选地，所述的传感器模块包括温度传感器、气压传感器和湿度传感器。
优选地，所述的输出功率给定值修正PLC放置在风电机组塔筒内侧的主控室中，通过CAN线依次与信号隔离放大器、防雷模块和传感器模块进行实时通讯，并通过CAN线从塔底的舱门接入塔筒底部内的主控制器PLC。
优选地，所述的输出功率给定值修正PLC存储有考虑环境影响的事先修正的机组功率曲线。
优选地，所述的输出功率给定值修正PLC还包括：
变化量分析模块，用于通过求出风电机组当前的空气密度与标准空气密度之间的变化量与预设阈值做比较，用于后续环节分析；
修正系数限值模块，用于根据风电场全年历史空气密度计算出修正系数的最大值与最小值，对修正系数限定范围；
数据采集模块，用于从主控制器PLC中采集风电机组当前的发电机转速数据，用于后续环节分析；
输出功率给定值修正模块，用于根据数据采集模块中的发电机转速数据并结合修正后的机组功率曲线来求出风电机组输出功率给定值，并与修正系数计算来修正当前机组输出功率给定值。
优选地，所述的空气密度计算模块、变化量分析模块、修正系数模块、修正系数限值模块和输出功率给定值修正模块依次连接，所述的输出功率给定值修正模块分别与数据采集模块和主控制器PLC连接。
一种采用所述的风电机组的输出功率给定值实时修正系统的方法，包括以下步骤：
首先，针对风电机组的实际运行功率曲线，获取风电机组实际运行历史数据及环境数据；
然后，根据公式计算得出各风电机组输出功率对应的空气密度，并将功率值折算到标准空气密度下，进而拟合出实际运行功率曲线，该曲线保存在塔筒底部的输出功率给定值修正PLC中；
再次，在机舱下方塔筒外侧设置温度、湿度及气压传感器，对风电机组运行的相应环境数据向塔筒底部的相应计算模块输送并进行记录；
最后，在实际运行过程中，通过传感器实时采集温度、气压和湿度信号数据，由空气密度计算模块计算出风电机组外界环境实时空气密度，输出功率给定值修正PLC随后结合实时采集的发电机转速数据和实际运行功率曲线，计算出修正系数来修正当前机组输出功率给定值，并将该功率给定值输送到风电机组主控制器PLC。
优选地，所述的风电机组实际运行历史数据及环境数据包括风电机组的发电机转速、输出功率、温度、湿度和气压数据。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)解决了不同温度、湿度和气压条件下空气密度的不同，实际功率曲线会有所变化，风电机组实际发电量无法达到最佳的问题。
(2)根据风电机组历史运行数据分析得到针对每台风电机组的实际运行功率曲线，再根据风电机组周围环境变化实时修正风电机组当前输出功率给定值，优化调整风电机组控制策略，提高了风电机组对风能的捕获能力，同时提高了风电机组运行的安全性。
(3)根据全年历史空气密度的最大值与最小值计算出的修正系数为风电机组的输出功率给定值限定范围，有利于进一步保证风电机组的运行稳定性。
(4)本发明结构简单、实现容易，成本较低，有利于推广。
附图说明
图1是本发明风电机组的输出功率给定值实时修正系统结构示意图；
图2是本发明的构建安装及通讯连接图；
图3是本发明风电机组的输出功率给定值实时修正系统的机组功率曲线事先修正流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种根据风电机组历史运行数据和环境数据，考虑了密度变化影响的标准空气密度下的机组实际运行功率曲线的拟合方法，实现了功率曲线的事先修正，并且结合了机组对实际功率曲线的拟合和实时运行的机组功率给定值修正，开发一个风电机组的输出功率给定值实时修正系统。系统内置有上述事先修正的标准空气密度下的机组实际运行功率曲线，机组的功率给定值即根据该实际运行功率曲线和机组转速得到，在实际运行过程中通过在机舱下方设置传感器检测环境温度、湿度及气压数据计算实时空气密度，以能根据实时空气密度对机组的功率给定值进行实时修正。
本发明主要解决的技术问题是由于厂商给定的风电机组标准功率曲线是针对某一机型在标准空气密度下的功率曲线，一方面与某台具体的风电机组实际运行功率曲线存在一定差异，而且实际功率曲线的拟合也进一步考虑了空气密度变化的影响；另一方面在温度、湿度和气压等环境因素发生改变造成空气密度改变时，风电机组的功率曲线将发生变化，风电机组根据原标准功率曲线无法实现最大风功率追踪控制。
本发明的技术思路：首先，针对各台机组利用其历史运行数据及环境数据确定其标准空气密度下的实际运行功率曲线。其次，构建一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统，该系统主要由传感器模块、防雷模块、信号隔离放大器、风电机组主控制器PLC以及内置有空气密度计算模块、变化量分析模块、修正系数模块、修正系数限值模块、数据采集模块和输出功率给定值修正模块的风电机组输出功率给定值修正PLC组成。在实际运行过程中通过机舱下方塔筒外侧设置的传感器实时采集风电机组外界环境变化数据向位于塔筒底部的空气密度计算模块传送，通过空气密度计算模块计算空气密度，根据当前空气密度由修正系数模块对机组根据其实际运行功率曲线得到的输出功率给定值进行实时修正，优化调整风电机组的控制策略，从而提升风电机组的运行性能与发电量。
本发明的方法：首先针对风电机组的实际运行功率曲线，获得风电机组实际运行历史数据及环境数据，即风电机组的发电机转速、输出功率、温度、湿度和气压数据，对其进行筛选处理，然后根据公式计算得出各风电机组输出功率对应的空气密度，并将功率值折算到标准空气密度下，进而拟合出实际运行功率曲线，该曲线保存在塔筒底部的功率给定值修正PLC中。并在机舱下方塔筒外侧设置温度、湿度及气压传感器，对风电机组运行的相应环境数据向塔筒底部的相应计算模块输送并进行记录。在实际运行过程中，通过传感器实时采集温度、气压和湿度信号数据，由空气密度计算模块计算出风电机组外界环境实时空气密度，功率给定值修正PLC随后结合实时采集的发电机转速数据和实际运行功率曲线，计算出修正系数来修正当前机组输出功率给定值，并将该功率给定值输送到风电机组主控制器PLC。
本发明的系统：本发明提供了一种风电机组的输出功率给定值实时修正系统，主要由传感器模块、防雷模块、信号隔离放大器、主控制器PLC以及内置有空气密度计算模块、变化量分析模块、修正系数模块、修正系数限值模块、数据采集模块和输出功率给定值修正模块的风电机组输出功率给定值修正PLC组成。所述传感器模块、防雷模块和信号隔离放大器用于安装在水平轴式风电机组机舱下方的塔筒外侧处，所述风电机组输出功率给定值修正PLC安装在风电机组的塔筒底部主控室中，并与主控制器PLC相连接。
作为本发明的一种改进，所述风电机组输出功率给定值修正PLC组成包含了考虑环境影响的事先修正的机组功率曲线；所述传感器模块、防雷模块、信号隔离放大器、主控制器PLC和输出功率给定值修正PLC之间通过CAN线通讯连接，传感器模块包括温度传感器、气压传感器、湿度传感器。
具体实施方式：
请参阅图1所示，本发明风电机组的输出功率给定值实时修正系统包括传感器模块、防雷模块、信号隔离放大器、主控制器PLC及输出功率给定值修正PLC。
请参阅图2所示，本发明在具体使用时，将包含传感器模块、防雷模块和信号隔离放大器设置的测量模块在水平轴式风电机组机舱下方的塔筒外侧以对各数据信号进行实时采集，以确保数据获取的准确性与稳定性，同时防止过电压、过电流等对设备的冲击危害。将输出功率给定值修正PLC放置在风电机组塔筒内侧的主控室中，通过CAN线将传感器模块、防雷模块和信号隔离放大器与功率修正控制器PLC进行实时通讯，CAN线从塔底的舱门接入塔筒底部内的主控制器PLC。塔筒内输出功率给定值修正PLC与主控制器PLC同样通过CAN线连接。
其中，传感器模块包括温度传感器、气压传感器和湿度传感器，输出功率给定值修正PLC将修正后的风电机组输出功率给定值通过CAN线传递给主控制器PLC，以实时调整风电机组控制策略。输出功率给定值修正PLC包括空气密度计算模块、变化量分析模块、修正系数模块、修正系数限值模块、数据采集模块和输出功率给定值修正模块。
上述各模块的功能如下：
空气密度计算模块，用于采集温度、气压和湿度信号数据并计算风电机组外界环境实时空气密度；
变化量分析模块通过求出风电机组当前的空气密度与标准空气密度之间的变化量与预设阈值做比较，用于后续环节分析；
修正系数模块根据变化量分析模块结果，计算得出当前的修正系数；
修正系数限值模块根据风电场全年历史空气密度计算出修正系数的最大值与最小值，对修正系数限定范围；
数据采集模块从主控制器PLC中采集风电机组当前的发电机转速数据，用于后续环节分析；
输出功率给定值修正模块根据数据采集模块中的发电机转速数据并结合修正后的机组功率曲线来求出风电机组输出功率给定值，并与修正系数计算来修正当前机组输出功率给定值。
请参阅图3所示，图中数据预处理包括错误数据的筛选处理以及把机组输出功率历史数据折算成标准空气密度下的机组输出功率。本发明风电机组的实际功率曲线事先修正的方法包括以下步骤：
1、从风电机组的SCADA数据和测风塔环境数据中提取出机组的停机时间、发电机转速、输出功率、温度、湿度和气压等历史数据，其中对以下数据进行剔除:
①根据SCADA系统中采集得到的风机停机时间，对风机停机前后30分钟内的数据进行剔除；
②对机组输出功率为0或为负的数据进行剔除；
③对限功率情况下的数据进行剔除。
2、对于筛选后的历史数据，根据温度、湿度和气压数据计算出相应的风电机组的空气密度值，具体计算方法按照下式(1)(2)(3)所示。
Figure BDA0002300341670000061
PV＝100EV*RH (2)
Figure BDA0002300341670000071
其中ρ为风电机组的空气密度值，EV为饱和水蒸气压力，a0,a1,a2都为常数，a0＝6.1078，a1＝7.5，a2＝237.3，T为温度数据值，PV为实际水蒸气压力，RH为湿度数据值，P为气压数据值，R0为气体系数，取R0＝287.05J/(kg·K)。
3、将计算得出的风电机组空气密度与其输出功率，根据下式(4)折算成标准空气密度下的输出功率。
Figure BDA0002300341670000072
其中χ0，为历史数据中的机组输出功率值，ρ为对应的空气密度值，ρ0为标准空气密度值，χ0为折算后标准空气密度下的输出功率值。
4、根据筛选处理后的历史数据，将风机转速以0.5rad/s为区间从[0,ωrate]进行划分，计算绘制出以每个区间ωr为横坐标，χ0为纵坐标的风电机组功率曲线，并作为机组修正后的标准功率曲线。具体计算方法按照下式(5)(6)所示。
Figure BDA0002300341670000073
Figure BDA0002300341670000074
其中，ωrate为风机额定转速，ωi为第i个转速区间平均转速，ωi,j为第i个转速区间数据j转速，Pi为第i个转速区间的平均输出功率，Pi,j为第i个转速区间数据j输出功率，Ni为第i个转速区间内10分钟数据的个数。
机组修正后的实际运行功率曲线，储存于位于塔筒底部的功率修正控制器PLC，用于实施运行过程中的风电机组功率给定值修正。
本发明风电机组的输出功率给定值实时修正的方法包括以下步骤：
1、传感器模块实测的温度、湿度和压强数据通过CAN线实时输送到塔底的功率修正控制器PLC，然后通过空气密度计算模块计算得到风电机组外界环境实时空气密度值，并将该值输送到变化量分析模块。
2、变化量分析模块,通过求出风电机组当前的空气密度值ρ1与标准空气密度值ρ0之间的变化量δ与预设阈值μ做比较，用于后续环节分析。
3、修正系数模块，当空气密度变化量δ大于预设阈值μ时，求出当前空气密度值与标准空气密度的比值即为修正系数K。当空气密度变化量δ在预设阈值μ范围内时，则将修正系数K置1。具体计算方法按照下式(7)所示。
Figure BDA0002300341670000075
4、修正系数限值模块，根据风电场全年历史空气密度上下限计算出修正系数的最大值Kmax与最小值Kmin。当Kmin≤K≤Kmax时，K保持不变；当K＞Kmax时，则K＝Kmax；当K＜Kmin时，则K＝Kmin，对修正系数模块计算的系数进行限制，确保风电机组运行的稳定性。
5、上述修正系数K输送到输出功率给定值修正模块，把修正系数乘以机组修正后实际运行功率曲线下的输出功率给定值χ0，从而得出修正后的风电机组输出功率给定值χ。具体计算方法按照下式(8)所示。
χ＝Kχ0 (8)
6、进一步地，功率曲线修正PLC将修正后的风电机组功率给定值通过CAN线传递给主控制器PLC，以优化调整风电机组控制策略，达到提高机组运行性能，同时提升机组的发电量和运行的稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种采用风电机组的输出功率给定值实时修正系统的方法，其特征在于，所述的实时修正系统包括传感器模块、主控制器PLC和输出功率给定值修正PLC，所述的输出功率给定值修正PLC内置空气密度计算模块和修正系数模块，所述的传感器模块实时采集风电机组外界环境变化数据并发送给空气密度计算模块，所述的空气密度计算模块计算空气密度，根据当前空气密度由修正系数模块对机组根据其实际运行功率曲线得到的输出功率给定值进行实时修正；
所述的方法包括风电机组的实际功率曲线事先修正的子方法和风电机组的输出功率给定值实时修正的子方法；
其中所述的风电机组的实际功率曲线事先修正的子方法包括以下步骤：
101)从风电机组的SCADA数据和测风塔环境数据中提取出机组的停机时间、发电机转速、输出功率、温度、湿度和气压的历史数据；
102)对于筛选后的历史数据，根据温度、湿度和气压数据计算出相应的风电机组的空气密度值，具体计算方法按照下式(1)(2)(3)所示；
Figure FDA0003035671680000011
PV＝100EV*RH (2)
Figure FDA0003035671680000012
其中ρ为风电机组的空气密度值，EV为饱和水蒸气压力，a0,a1,a2都为常数，T为温度数据值，PV为实际水蒸气压力，RH为湿度数据值，P为气压数据值，R0为气体系数；
103)将计算得出的风电机组空气密度与其输出功率，根据下式(4)折算成标准空气密度下的输出功率；
Figure FDA0003035671680000013
其中χ0’为历史数据中的机组输出功率值，ρ为风电机组的空气密度值，ρ0为标准空气密度值，χ0为折算后标准空气密度下的输出功率值；
104)根据筛选处理后的历史数据，将风机转速以0.5rad/s为区间从[0,ωrate]进行划分，计算绘制出以每个区间ωr为横坐标，χ0为纵坐标的风电机组功率曲线，并作为机组修正后的标准功率曲线，具体计算方法按照下式(5)(6)所示；
Figure FDA0003035671680000021
Figure FDA0003035671680000022
其中，ωrate为风机额定转速，ωi为第i个转速区间平均转速，ωi,j为第i个转速区间数据j转速，Pi为第i个转速区间的平均输出功率，Pi,j为第i个转速区间数据j输出功率，Ni为第i个转速区间内10分钟数据的个数；
所述的风电机组的输出功率给定值实时修正的子方法包括以下步骤：
201)传感器模块实测的温度、湿度和压强数据通过CAN线实时输送到塔底的功率修正控制器PLC，然后通过空气密度计算模块计算得到风电机组外界环境实时空气密度值，并将该风电机组外界环境实时空气密度值输送到变化量分析模块；
202)变化量分析模块，通过求出风电机组当前的空气密度值ρ1与标准空气密度值ρ0之间的变化量δ与预设阈值μ做比较，用于后续环节分析；
203)修正系数模块，当空气密度变化量δ大于预设阈值μ时，求出当前空气密度值与标准空气密度的比值即为修正系数K；当空气密度变化量δ在预设阈值μ范围内时，则将修正系数K置1；具体计算方法按照下式(7)所示；
Figure FDA0003035671680000023
204)修正系数限值模块，根据风电场全年历史空气密度上下限计算出修正系数的最大值Kmax与最小值Kmin；当Kmin≤K≤Kmax时，K保持不变；当K大于其最大值Kmax时，令K等于Kmax；当K小于其最小值Kmin时，令K等于Kmin，对修正系数模块计算的系数进行限制，确保风电机组运行的稳定性；
205)上述修正系数K输送到输出功率给定值修正模块，对
Figure FDA0003035671680000024
进行修正，把修正系数乘以机组修正后实际运行功率曲线下的输出功率给定值
Figure FDA0003035671680000025
从而得出修正后的风电机组输出功率给定值χ，具体计算方法按照下式(8)所示；
Figure FDA0003035671680000026
206)功率曲线修正PLC将修正后的风电机组功率给定值通过CAN线传递给主控制器PLC，以优化调整风电机组控制策略，达到提高机组运行性能，同时提升机组的发电量和运行的稳定性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的系统还包括分别与输出功率给定值修正PLC通信的防雷模块和信号隔离放大器，所述的传感器模块、防雷模块和信号隔离放大器组成测量模块，该测量模块安装在水平轴式风电机组机舱下方的塔筒外侧，用于对各数据进行采集。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的传感器模块包括温度传感器、气压传感器和湿度传感器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的输出功率给定值修正PLC放置在风电机组塔筒内侧的主控室中，通过CAN线依次与信号隔离放大器、防雷模块和传感器模块进行实时通讯，并通过CAN线从塔底的舱门接入塔筒底部内的主控制器PLC。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的输出功率给定值修正PLC存储有考虑环境影响的事先修正的机组功率曲线。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的输出功率给定值修正PLC还包括：
变化量分析模块，用于通过求出风电机组当前的空气密度与标准空气密度之间的变化量与预设阈值做比较，用于后续环节分析；
修正系数限值模块，用于根据风电场全年历史空气密度计算出修正系数的最大值与最小值，对修正系数限定范围；
数据采集模块，用于从主控制器PLC中采集风电机组当前的发电机转速数据，用于后续环节分析；
输出功率给定值修正模块，用于根据数据采集模块中的发电机转速数据并结合修正后的机组功率曲线来求出风电机组输出功率给定值，并与修正系数计算来修正当前机组输出功率给定值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的空气密度计算模块、变化量分析模块、修正系数模块、修正系数限值模块和输出功率给定值修正模块依次连接，所述的输出功率给定值修正模块分别与数据采集模块和主控制器PLC连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的风电机组实际运行历史数据及环境数据包括风电机组的发电机转速、输出功率、温度、湿度和气压数据。
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