CN112855442B - 一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统 - Google Patents

一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统，所述优化方法以下步骤：S1采用倾斜传感器监测风速平稳时风机塔筒偏斜在x轴或y轴方向上投影的倾斜角度θ，从而判断风向；S2采用振动传感器监测风速不稳定时风机塔筒的振动幅值在x轴及y轴向上投影的分量，从而可以根据矢量合成获得风向；S3将识别的风向数据反馈给风机偏航系统，风机偏航系统做出判断，调整叶片位置，实现风机对风优化。所述优化系统包括数据采集模块，无线传输模块以及通信模块；所述优化系统还包括传感器组，所述传感器组包括倾斜传感器和振动传感器。本发明利用风机塔筒在运行过程中产生的振动和倾斜角度对风向进行识别校准，具有低成本、高性能、高可靠性等特点。

Description

一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统。
背景技术
在风机运行的实际情况中，偏航系统中风向的测量主要通过风向标来完成，风向标易受风机运行过程中的环境及安装误差的影响，且其安装位置在机舱尾部，不可避免地受到叶片尾流的扰动，使得其无法准确测量风向，导致风电机组偏航系统无法准确对风；而且部分风场由于受到风向变化频繁、风向变化幅度大、风场湍流等问题的影响，对风难度更大。这些客观存在的因素都将影响风电机组发电效能，解决风电机组对风优化问题具有十分重要的研究意义。
目前，针对风电机组对风优化风向校准方面主要有如下研究：
(1)测风仪校风：随着高精度风向传感器的发展，现代大型风机均冗余配置测风传感器(风向标)，根据测风传感器采集风向信号进行主动偏航控制，但是风向传感器的安装精度需要进行校正，极易造成对风不准。
(2)激光雷达测风仪校风：激光测风雷达是一种可以达到高精度测风的仪器，目前已经在风场进行测试和使用，并且达到了一定的效果(效果好于大多测风仪校风)。但是其价格昂贵，成本回收年限长，因此并不适合风场的规模化使用。
(3)SCADA系统历史数据校风：机器学习的发展推动了大数据时代的进步，风电机组的SCADA系统提供的风机运行历史数据为机器学习算法的应用提供了强有力的保证。尽管近些年已经有业者和专家研究了各种算法对风机风向进行校正并验证了利用SCADA系统历史数据校正风向的有效性，但是由于风机运行环境状况的复杂性，导致数据采集存在着偏差，且算法考虑的风机运行状况较为理想，利用的数据并不全面，导致算法的泛化性能较差，并不能适用于每台风机。
因此需要探索一种新的风电机组对风优化的技术方案，从而实现风向的精确校准。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供一种基于振动和倾角的风机对风优化方法及系统，利用风机塔筒在运行过程中产生的振动和倾斜角度对风向进行准确的识别校准，具有低成本、高性能、高可靠性、便于推广、高泛化能力的特点。
本发明包括如下技术方案：
一种基于振动和倾角的风机对风优化方法，包括以下步骤：S1采用倾斜传感器监测风速平稳时风机塔筒偏斜在x轴或y轴方向上投影的倾斜角度θ，从而判断风向；S2采用振动传感器监测风速不稳定时风机塔筒的振动幅值在x轴及y轴向上投影的分量，从而可以根据矢量合成获得风向；S3将识别的风向数据反馈给风机偏航系统，风机偏航系统做出判断，调整叶片位置，实现风机对风优化。
进一步的，S1中所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，S2中所述振动传感器为双轴振动传感器。双轴倾斜传感器和双轴振动传感器灵敏度基本恒定并且能够实现360°检测，识别精度高。
进一步的，S3中根据所述风机偏航系统的需要确定最大风速处的最大风向，将最大倾斜角度θ和最大振动幅值反馈给风机偏航系统。
进一步的，根据倾斜角度θ和振动幅值在x轴及y轴方向上的分量，使用矢量合成方法合成风向方向，并计算风向偏斜x或y方向的角度，从而识别当下风向。
一种基于振动和倾角的风机对风优化系统，包括数据采集模块，无线传输模块以及通信模块；所述优化系统还包括传感器组，所述传感器组包括倾斜传感器和振动传感器，所述倾斜传感器和振动传感器设置在风机塔筒顶部；所述数据采集模块采集所述传感器组获得的物理信号并将其转换为可以被计算机识别的电信号，并将并将电信号作为数据暂存在数据存储器中；所述无线传输模块将所述数据通过无线的方式传递给主机，所述通信模块将主机获得的数据传递给PC端上位机进行分析处理。
进一步的，所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，所述振动传感器为双轴振动传感器。双轴倾斜传感器和双轴振动传感器灵敏度基本恒定并且能够实现360°检测，识别精度高。
进一步的，所述数据采集模块由数字(A/D)转换器和数据存储器组成；所述无线传输模块采用433MHz无线传输技术；所述通信模块采用同步串口(UART)通信接口。
进一步的，所述优化系统还包括电源模块，所述电源模块给其他模块供电，根据不同模块工作电压需要进行单独设计。
进一步的，所述PC端上位机内安装有应用软件对所述传感器组获取的信息进行实时反馈和分析处理。
进一步的，根据软件系统需求响应，所述应用软件包含下位机与上位机之间的通信接口设计、数据分析算法设计、应用分析显示界面设计以及阈值报警响应界面设计。所述应用软件需要具备通信功能，数据处理功能，数据分析结果显示功能以及阈值报警功能。所述应用软件使用C++语言设计并在Windows操作系统中安装使用。C++语言是一种面向对象的高级程序语言，简洁易开发，适用于Windows操作系统软件的开发。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明成本低且适用性强，通过给每台风机配备若干振动传感器和倾斜传感器就可以准确识别风向，避免了因为投入成本大而无法推广的应用难题，而且可以适用于各种风场风机的对风校正。
2、本发明泛化能力强，利用振动和倾角对风向进行识别无需复杂的算法，不会存在算法的泛化问题，不必考虑大数据的可靠性问题，可以在各种风机上面使用。
3、本发明实时性强，使用传感器采集的数据直接进行风向识别，避免了由于算法的复杂处理而导致的风向判别的滞后性。
4、本发明应用原理简洁，根据风机塔筒振动最大、倾斜角度最大的方向就是风向的原理，只需要获取振动信号和倾斜角度就可以准确地判断风向，从而为偏航系统调节提供参考性依据。
5、本发明抗干扰能力强，使用振动和倾斜传感器对风向进行识别，不存在安装精度误差问题，受叶片尾流等外界因素的影响低；信号采集抗外界干扰能力强，数据可靠；算法简洁，直接利用采集到的数据进行风向判定，增强了风向识别方法的抗干扰能力。
6、本发明风向识别精度高且风向识别稳定性高，利用振动和倾角数据对风向进行识别，不经过复杂算法的处理，判据简洁，可以实时更新风向变化，具有很高的识别精度；综合了实际中风的变化情况，避免了单一信号识别的不可靠性，增强了风向识别稳定性。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图。
图2是优化系统的整体结构示意图。
图中，1-风机塔筒；2-传感器组；3-数据采集模块；31-数字转换器；32-数据存储器；4-无线传输模块；5-通信模块；6-主机；7-PC端上位机；8-应用软件。
具体实施方式
为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图详细说明如下。
实施例1：参阅附图1，一种基于振动和倾角的风机对风优化方法，包括以下步骤：S1采用双轴倾斜传感器监测风速平稳时风机塔筒偏斜在x轴及y轴方向上投影的倾斜角度θ，从而判断风向；S2采用双轴振动传感器监测风速不稳定时风机塔筒的振动幅值在x轴及y轴向上投影的分量，从而可以根据矢量合成获得风向；S3将识别的风向数据反馈给风机偏航系统，风机偏航系统做出判断，调整叶片位置，实现风机对风优化。及时对风机机头迎风角进行调整，保证了风机机头零偏航针对风的来向。
双轴倾斜传感器和双轴加速度传感器灵敏度基本恒定并且能够实现360°检测，识别精度高。S3中根据所述风机偏航系统的需要确定最大风速处的最大风向，将最大倾斜角度θ和最大振动幅值反馈给风机偏航系统。根据倾斜角度θ和振动幅值在x轴及y轴方向上的分量，使用矢量合成方法合成风向方向，并计算风向偏斜x或y方向的角度，从而识别当下风向。
工作原理及经济效益：本发明能够避免客观因素的干扰，准确识别风向，为风机偏航系统提供控制依据。风向仪在实际风速3m/s-8m/s区间进行风向测量，测得风向存在8°左右的偏差，根据发电量损失率η与偏航误差角度β之间的关系：η＝(1-cos3β)*100％；
可以计算得到，风机风向仪测风偏差会对发电机组造成2.2％的发电损失量。根据上述发电量损失率，假设风机24小时发电，发电利用系数为0.75，2.1MW的风力发电机一天发电：2.1*24*0.75＝37.8MWh＝37800kWh；
那么使用本发明对风向进行精准测量(精度可达到0.01°)，每天可以提高发电量：37800*2.2％＝831.6kWh；
根据市电价格，每度(1度电＝1kWh)电的价位大约0.56-0.62元，则使用本发明每年可以增加收益(最低)：831.6*0.56*365＝169979.04元。
实施例2：参阅附图2，一种基于振动和倾角的风机对风优化系统，包括数据采集模块3，无线传输模块4以及通信模块5；所述优化系统还包括传感器组2，所述传感器组2包括倾斜传感器和振动传感器，所述倾斜传感器和振动传感器设置在风机塔筒1顶部；所述数据采集模块3由数字(A/D)转换器31和数据存储器32组成，所述数据采集模块3采集所述传感器组2获得的物理信号并将其转换为可以被计算机识别的电信号，并将电信号作为数据暂存在数据存储器32中；所述无线传输模块4采用433MHz无线传输技术，所述无线传输模块4将数据采集模块3获取的所述数据通过无线的方式传递给主机6，所述通信模块5采用同步串口(UART)通信接口，所述通信模块5将主机6获得的数据传递给PC端上位机7进行分析处理。所述优化系统还包括电源模块，所述电源模块给其他模块供电，根据不同模块工作电压需要进行单独设计。所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，所述振动传感器为双轴振动传感器。双轴倾斜传感器和双轴加速度传感器灵敏度基本恒定并且能够实现360°检测，识别精度高。
所述PC端上位机7内安装有应用软件8对所述传感器组2获取的信息进行实时反馈和分析处理。根据软件系统需求响应，所述应用软件8包含下位机与上位机之间的通信接口设计、数据分析算法设计、应用分析显示界面设计以及阈值报警响应界面设计。所述应用软件8需要具备通信功能，数据处理功能，数据分析结果显示功能以及阈值报警功能。所述应用软件8使用C++语言设计并在Windows操作系统中安装使用。C++语言是一种面向对象的高级程序语言，简洁易开发，适用于Windows操作系统软件的开发。
尽管上面对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于振动和倾角的风机对风优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1采用倾斜传感器监测风速平稳时风机塔筒偏斜在x轴或y轴方向上投影的倾斜角度θ，从而判断风向；S2采用振动传感器监测风速不稳定时风机塔筒的振动幅值在x轴及y轴向上投影的分量，从而可以根据矢量合成获得风向；S3将识别的风向数据反馈给风机偏航系统，风机偏航系统做出判断，调整叶片位置，实现风机对风优化。
2.根据权利要求1所述的基于振动和倾角的风机对风优化方法，其特征在于：S1中所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，S2中所述振动传感器为双轴振动传感器。
3.根据权利要求1所述的基于振动和倾角的风机对风优化方法，其特征在于：S3中根据所述风机偏航系统的需要确定最大风速处的最大风向，将最大倾斜角度θ和最大振动幅值反馈给风机偏航系统。
4.根据权利要求1所述的基于振动和倾角的风机对风优化方法，其特征在于：根据倾斜角度θ和振动幅值在x轴及y轴方向上的分量，使用矢量合成方法合成风向方向，并计算风向偏斜x或y方向的角度，从而识别当下风向。
5.一种基于振动和倾角的风机对风优化系统，包括数据采集模块，无线传输模块以及通信模块，其特征在于：所述优化系统还包括传感器组，所述传感器组包括倾斜传感器和振动传感器，所述倾斜传感器和振动传感器设置在风机塔筒顶部；所述数据采集模块采集所述传感器组获得的物理信号并将其转换为可以被计算机识别的电信号，并将电信号作为数据暂存在数据存储器中；所述无线传输模块将所述数据通过无线的方式传递给主机，所述通信模块将主机获得的数据传递给PC端上位机进行分析处理。
6.根据权利要求5所述的基于振动和倾角的风机对风优化系统，其特征在于：所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，所述振动传感器为双轴振动传感器。
7.根据权利要求5所述的基于振动和倾角的风机对风优化系统，其特征在于：所述数据采集模块由数字(A/D)转换器和数据存储器组成；所述无线传输模块采用433MHz无线传输技术；所述通信模块采用同步串口(UART)通信接口。
8.根据权利要求5所述的基于振动和倾角的风机对风优化系统，其特征在于：所述优化系统还包括电源模块，所述电源模块给其他模块供电。
9.根据权利要求5所述的基于振动和倾角的风机对风优化系统，其特征在于：所述PC端上位机内安装有应用软件对所述传感器组获取的信息进行实时反馈和分析处理。
10.根据权利要求9所述的基于振动和倾角的风机对风优化系统，其特征在于：所述应用软件包含下位机与上位机之间的通信接口设计、数据分析算法设计、应用分析显示界面设计以及阈值报警响应界面设计。
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