CN112145358A - 风力发电机组及其风玫瑰图的校准方法 - Google Patents

风力发电机组及其风玫瑰图的校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机及其风玫瑰图的校准方法，其中，风玫瑰图的校准方法应用于包括测风设备和机舱的风力发电机组，包括以下步骤：利用测风设备采集实际风向，并根据第一偏差角绘制风力发电机组的风玫瑰图；采集所述风力发电机组的实际发电功率，并根据同一风速下风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角；根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。本发明根据同一风速下风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算理论风向与机舱中心线的第二偏差角，并通过第二偏差角校准风力发电机组的风玫瑰图，提高了风玫瑰图的准确性和可靠性，与现有技术相比，成本低且不受现场环境影响，能够得到广泛的应用。

Description

风力发电机组及其风玫瑰图的校准方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种风力发电机组及其风玫瑰图的校准方法。
背景技术
风力发电是指把风的动能转为电能，由于风能是一种清洁的可再生能源，因此越来越受到重视。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。风力发电机组的偏航控制策略为：检测到风向变化开始偏航控制，使得风机叶片尽可能地与风向垂直正交，从而最大限度地捕捉风能，在最大功率状态下发电。为了提高风力发电机组偏航控制的准确性，通常使用风向标测量风向并控制风力发电机组按照所测得的风向进行偏航。但是如果风向标采集的风向有偏差，则会影响风力发电机组的发电功率。
风向标容易受到风机叶片的干扰，而且会受到安装位置和极端天气的影响，这些因素均会影响风向标的测量精度，因此，直接使用风向标测量的风向进行偏航控制具有一定的偏差。现有技术中存在一种针对风力发电机组风向标的校准方法，采用卫星定位定向仪对风向标的方位角度进行校准。但是这种校准方法对现场环境的要求比较高，只适合用于空旷、没有遮挡物的场合，且卫星定位定向仪的成本较高，在实际工程应用中很难大面积推广使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中利用卫星定位定向仪校准风向存在成本高和应用受限的缺陷，提供一种风力发电机组及其风玫瑰图的校准方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明的第一方面提供一种风玫瑰图的校准方法，应用于风力发电机组，所述风力发电机组包括测风设备和机舱，所述校准方法包括以下步骤：
利用所述测风设备采集实际风向，并根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角；
采集所述风力发电机组的实际发电功率，并根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角；
根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
较佳地，所述根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，具体包括：
计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差；
根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系；
根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。
较佳地，所述根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图，具体包括：
根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。
较佳地，所述根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图，具体包括：
若预设时间段内所述第二偏差角与所述第一偏差角之间的残差平方和大于预设值，则删除所述预设时间段内的第一偏差角，否则保留所述预设时间段内的第一偏差角；
根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。
较佳地，所述校准方法还包括：
若连续多个残差平方和均大于预设值，则确定所述测风设备出现故障。
本发明的第二方面提供一种风力发电机组，包括机舱以及：
测风设备，用于采集实际风向；
功率采集设备，用于采集所述风力发电机组的实际发电功率；
绘制模块，用于根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角；
计算模块，用于根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角；
校准模块，用于根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
较佳地，所述计算模块具体包括：
功率差计算单元，用于计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差；
拟合单元，用于根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系；
偏差角计算单元，用于根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。
较佳地，所述校准模块具体用于根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。
较佳地，所述校准模块具体包括：
判断单元，用于判断预设时间段内所述第一偏差角与所述第二偏差角之间的残差平方和是否大于预设值，并在是的情况下删除所述预设时间段内的第一偏差角，在否的情况下保留所述预设时间段内的第一偏差角；
更新单元，用于根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。
较佳地，所述判断单元还用于在连续多个残差平方和均大于预设值的情况下，确定所述测风设备出现故障。
本发明的积极进步效果在于：根据同一风速下风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算理论风向与机舱中心线的第二偏差角，并通过第二偏差角校准风力发电机组的风玫瑰图，提高了风玫瑰图的准确性和可靠性，与现有技术相比，成本低且不受现场环境影响，能够得到广泛的应用。另外，校准后的风玫瑰图还可以用于风力发电机组的偏航控制，从而提高风力发电机组的年发电平均功率以及年发电量。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种风玫瑰图的校准方法的流程图。
图2为本发明实施例1提供的一种计算第二偏差角的方法流程图。
图3为本发明实施例2提供的一种风力发电机组的结构框图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供一种风玫瑰图的校准方法，应用于风力发电机组，其中，风力发电机组包括测风设备、机舱、风轮和发电机，风轮中包含叶片、轮毂、加固件等，发电机设置在机舱内，叶片受风力旋转，以使风能能够换成可用的机械能，且随后由发电机转换成电能。其中，风力发电机组的风玫瑰图用于统计风力发电机组一段时期内风向和风向的频率。
如图1所示，本实施例提供的风玫瑰图的校准方法包括以下步骤：
步骤S101、利用测风设备采集实际风向，并根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角。其中，风玫瑰图的绘制过程为：根据各方向风的出现频率，以相应的比例长度(即极坐标系中的半径)表示，按风向从外向中心吹，描在多个方位所表示的极坐标图上，然后将各相邻方向的端点用直线连接起来，绘成一个形式宛如玫瑰的闭合折线。
其中，上述测风设备用于采集风力发电机组所在风电场的实际风向，具体可以为测风仪，也可以为风向标等。
步骤S102、采集所述风力发电机组的实际发电功率，并根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角。
在步骤S102的具体实施中，可以通过测量风力发电机组的电压和电流得到实际发电功率，还可以通过在风力发电机组中设置电能测量装置并通过读取电能测量装置的值得到实际发电功率。
在可选的一种实施方式中，如图2所示，步骤S102具体包括：
步骤S102a、计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差。在具体实施中，风速与额定发电功率一一对应，针对同一风速下额定发电功率与第一偏差角对应的实际发电功率计算功率差。需要说明的是，不同的风速下计算得到的功率差也是不同的。其中，可以利用上述测风设备例如测风仪采集风力发电机组的风速。
步骤S102b、根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系。其中，不同的实际风向对应不同的第一偏差角，不同的第一偏差角对应不同的功率差，根据这些第一偏差角与功率差拟合出偏差角与功率差之间的曲线关系。在一个具体的例子中，假设风速为v，风力发电机组对应的额定发电功率为Wv，t时刻第一偏差角θt对应的实际发电功率为Wt，因此，第一偏差角θt对应的功率差为Wv-Wt。
步骤S102b中拟合得到的曲线关系一般用函数表示，其中，拟合的方法有很多，例如最小二乘曲线拟合法等，在MATLAB中也可以用polyfit来拟合多项式。
步骤S102c、根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。在上述例子中，根据步骤102c拟合出的曲线关系计算与功率差Wv-Wt对应的第二偏差角为θt′。
步骤S103、根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
需要说明的是，步骤S103中校准风玫瑰图时利用的第一偏差角和第二偏差角对应的是相同的风速。在步骤S103的具体实施中，可以根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。在不同的风速下可以拟合出不同的曲线关系，进而得到不同风速下的第二偏差角。其中，利用越多风速对应的曲线关系，得到的风玫瑰图校准结果就越准确。在具体实施的一个例子中，可以对风速进行区段划分，例如将风速划分为[1m/s-10m/s]、[11m/s-20m/s]、[21m/s-30m/s]三个区段，并分别拟合三个区段中中间风速即5m/s、15m/s、25m/s对应的曲线关系，然后利用这三个风速下的曲线关系计算第二偏差角，并对风玫瑰图进行校准。
在步骤S103可选的一种实施方式中，根据第二偏差角修正偏差较大的第一偏差角，从而达到校准风玫瑰图的目的。
在步骤S103可选的另一种实施方式中，根据第二偏差角删除偏差较大的第一偏差角，从而达到校准风玫瑰图的目的。本实施方式中，步骤S103具体包括：
步骤S103a、若预设时间段内所述第一偏差角与所述第二偏差角之间的残差平方和大于预设值，则删除所述预设时间段内的第一偏差角，否则保留所述预设时间段内的第一偏差角。其中，上述预设值可以根据实际情况进行设置。
其中，残差平方和S的计算公式如下：
Figure BDA0002753514240000061
其中，t为时间，t＝1,2,……,N秒，θt为t时刻的第一偏差角，θt′为t时刻的第二偏差角。如果时间段1～N的残差平方和S大于预设值，则删除时间段1～N的所有第一偏差角，如果时间段1～N的残差平方和S小于等于预设值，则保留时间段1～N的所有第一偏差角。
步骤S103b、根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。在具体实施中，可以根据保留的所有第一偏差角重新绘制风玫瑰图。
在可选的一种实施方式中，根据上述残差平方和对测风设备进行故障判断，具体地，上述校准方法还包括步骤S104：
步骤S104、若连续多个残差平方和均大于预设值，则确定所述测风设备出现故障。在具体实施中，若连续多个残差平方和均大于预设值，认为测风设备本身出现故障导致采集的实际风向不准确，可以通过输出故障提示信号的方式提醒技术人员维修或更换测风设备，从而避免影响风力发电机组的发电功率。
其中，残差平方和连续大于预设值的个数可以根据上述预设时间段进行设置，在一个例子中，若预设时间段为1分钟，即N＝60，则设置连续5个残差平方和大于预设值的情况下确定测风设备出现故障。
在一个具体的例子中，时间段1～N的残差平方和S1、时间段N+1～2N的残差平方和S2、时间段2N+1～3N的残差平方和S3以及时间段3N+1～4N的残差平方和S4均大于上述预设值，则确定测风设备出现故障。
本实施方式中，根据同一风速下风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算理论风向与机舱中心线的第二偏差角，并通过第二偏差角校准风力发电机组的风玫瑰图，提高了风玫瑰图的准确性和可靠性，与现有技术相比，成本低且不受现场环境影响，能够得到广泛的应用。另外，校准后的风玫瑰图还可以用于风力发电机组的偏航控制，从而提高风力发电机组的年发电平均功率以及年发电量。
实施例2
本实施例提供一种风力发电机组30，如图3所示，包括机舱31、测风设备32、功率采集模块33、绘制模块34、计算模块35以及校准模块36。
测风设备用于采集实际风向。其中，上述测风设备具体可以为测风仪，也可以为风向标等。
功率采集模块用于采集所述风力发电机组的实际发电功率。
绘制模块用于根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角。
计算模块用于根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角。
在可选的一种实施方式中，上述计算模块具体包括功率差计算单元、拟合单元以及偏差角计算单元。
功率差计算单元用于计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差。在具体实施中，针对同一风速下相同实际风向对应的理论发电功率与实际发电功率计算功率差。其中，可以利用上述测风设备例如测风仪采集风力发电机组的风速。
拟合单元用于根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系。其中，不同的实际风向对应不同的第一偏差角，不同的第一偏差角对应不同的功率差，根据这些第一偏差角与功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系。
偏差角计算单元用于根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。
校准模块用于根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
在可选的一种实施方式中，上述校准模块具体用于根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。
在可选的一种实施方式中，上述校准模块具体用于根据第二偏差角修正偏差较大的第一偏差角，从而达到校准风玫瑰图的目的。
在可选的另一种实施方式中，上述校准模块具体用于根据第二偏差角删除偏差较大的第一偏差角，从而达到校准风玫瑰图的目的。本实施方式中的校准模块具体包括判断单元和更新单元。
判断单元用于判断预设时间段内所述第一偏差角与所述第二偏差角之间的残差平方和是否大于预设值，并在是的情况下删除所述预设时间段内的第一偏差角，在否的情况下保留所述预设时间段内的第一偏差角。其中，上述预设值可以根据实际情况进行设置。
更新单元用于根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。在具体实施中，可以根据保留的所有第一偏差角重新绘制风玫瑰图。
在可选的一种实施方式中，根据上述残差平方和对测风设备进行故障判断，具体地，上述判断单元还用于在连续多个残差平方和均大于预设值的情况下，确定所述测风设备出现故障。在具体实施中，若连续多个残差平方和均大于预设值，认为测风设备本身出现故障导致采集的实际风向不准确，可以通过输出故障提示信号的方式提醒技术人员维修或更换测风设备，从而避免影响风力发电机组的发电功率。
本实施方式中，根据同一风速下风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算理论风向与机舱中心线的第二偏差角，并通过第二偏差角校准风力发电机组的风玫瑰图，提高了风玫瑰图的准确性和可靠性，与现有技术相比，成本低且不受现场环境影响，能够得到广泛的应用。另外，校准后的风玫瑰图还可以用于风力发电机组的偏航控制，从而提高风力发电机组的年发电平均功率以及年发电量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种风玫瑰图的校准方法，应用于风力发电机组，其特征在于，所述风力发电机组包括测风设备和机舱，所述校准方法包括以下步骤：
利用所述测风设备采集实际风向，并根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角；
采集所述风力发电机组的实际发电功率，并根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角；
根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，具体包括：
计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差；
根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系；
根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。
3.如权利要求2所述的校准方法，其特征在于，所述根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图，具体包括：
根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。
4.如权利要求1-3中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图，具体包括：
若预设时间段内所述第二偏差角与所述第一偏差角之间的残差平方和大于预设值，则删除所述预设时间段内的第一偏差角，否则保留所述预设时间段内的第一偏差角；
根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。
5.如权利要求4所述的校准方法，其特征在于，所述校准方法还包括：
若连续多个残差平方和均大于预设值，则确定所述测风设备出现故障。
6.一种风力发电机组，其特征在于，包括机舱以及：
测风设备，用于采集实际风向；
功率采集设备，用于采集所述风力发电机组的实际发电功率；
绘制模块，用于根据第一偏差角绘制所述风力发电机组的风玫瑰图，所述第一偏差角为实际风向与所述机舱中心线的偏差角；
计算模块，用于根据同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及实际发电功率计算第二偏差角，所述第二偏差角为理论风向与所述机舱中心线的偏差角；
校准模块，用于根据所述第一偏差角与所述第二偏差角校准所述风玫瑰图。
7.如权利要求6所述的风力发电机组，其特征在于，所述计算模块具体包括：
功率差计算单元，用于计算同一风速下所述风力发电机组的额定发电功率以及与第一偏差角对应的实际发电功率之间的功率差；
拟合单元，用于根据所述第一偏差角与计算的功率差拟合出风向与机舱中心线的偏差角与功率差之间的曲线关系；
偏差角计算单元，用于根据所述曲线关系计算与计算的功率差对应的第二偏差角。
8.如权利要求7所述的风力发电机组，其特征在于，所述校准模块具体用于根据不同风速下的第一偏差角与第二偏差角校准所述风玫瑰图。
9.如权利要求6-8中任一项所述的风力发电机组，其特征在于，所述校准模块具体包括：
判断单元，用于判断预设时间段内所述第一偏差角与所述第二偏差角之间的残差平方和是否大于预设值，并在是的情况下删除所述预设时间段内的第一偏差角，在否的情况下保留所述预设时间段内的第一偏差角；
更新单元，用于根据保留的所有第一偏差角更新所述风玫瑰图。
10.如权利要求9所述的风力发电机组，其特征在于，所述判断单元还用于在连续多个残差平方和均大于预设值的情况下，确定所述测风设备出现故障。
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