CN113431738A - 风电机组偏航控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种风电机组偏航控制方法及系统，涉及风力发电机领域。旨在减小风电场尾流对风电机组的影响。风电机组偏航控制方法包括获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角；获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角；根据第一尾流转向角以及第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；其中，第一时刻为当前时刻，第二时刻在第一时刻之前。风电机组偏航控制系统包括控制器以及风电机组：控制器用于执行风电机组偏航控制方法。通过比较前后两次尾流转向角的变化幅度，强制启动偏航，能够提高偏航执行的灵敏度，确保风电机组能够远离尾流，减小风电场尾流对风电机组的影响，提高发电量，降低机组疲劳载荷。

Description

风电机组偏航控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电机领域，具体而言，涉及一种风电机组偏航控制方法及系统。

背景技术

风电装机不断增长，但挑战依然存在。其中一个重大挑战就是需要尽量减少风电场内的尾流效应。尾流效应指的是风电机组风轮后方下风向区域风速衰减、湍流强度增加的现象。上游风电机组的尾流会严重影响到下游风电机组的性能表现，尾流效应导致的功率损失可达到未受干扰上游风电机组发电功率的10-20％。

减小尾流影响的最根本方法是对风电机组的整体排布进行规划，避免风电机组的相互影响。但是，尾流的影响广，风资源区域紧张，以及国土资源等因素，部分风力机之间的间距不可避免的被大大缩短，尾流影响加剧。在风场的实际运行中，风电机组进行主动控制减小尾流影响更有效。常见方法可分为两类：一是通过变桨距等方法控制，提高尾流中剩余的风能；二是通过上游风电机组偏航，使尾流发生偏移，提升下游风电机组的输出功率。通过偏航调整风电机组风向，改变尾流发展形势，被认为是最具潜力的风电场尾流优化方法之一。

目前大部分技术都关注于采用何种方法能更好的计算出风电机组的尾流转向角(机头偏离实际风向的夹角)，并未考虑尾流转向角在风电机组侧是否可以按照预设的期望执行。

现有偏航控制策略，存在尾流转向角无法执行的问题，即风电机组侧叠加偏航转向角后的偏航误差角小于偏航阈值，偏航不启动，那么风电机组就可能长时间处于尾流影响区域。

风电机组长期运行在尾流影响区域不但会显著降低风电机组的发电效率，同时湍流强度也会明显上升，风机入流稳定性下降，引起风电机组叶片、塔筒等主要零部件疲劳载荷的增加，加大了机械损伤的风险，降低风电机组稳定性和疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种风电机组偏航控制方法，其能够减小风电场尾流对风电机组的影响。

本发明的目的还包括，提供了一种风电机组偏航控制系统，其能够减小风电场尾流对风电机组的影响。

本发明的实施例可以这样实现：

本发明的实施例提供了一种风电机组偏航控制方法，包括：

获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角；

获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角；

根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；

根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；

其中，所述第一时刻为当前时刻，所述第二时刻在所述第一时刻之前。

另外，本发明的实施例提供的风电机组偏航控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，所述获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角的步骤包括：

获取风电机组第一时刻的第一风向；根据所述第一风向，得到所述第一尾流转向角。

可选地，所述获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角的步骤之后，所述风电机组偏航控制方法包括：

根据所述第一尾流转向角，得到叠加所述第一尾流转向角的偏航误差；

根据所述偏航误差以及偏航阈值，对风电机组的偏航进行控制。

可选地，所述根据所述第一尾流转向角，得到叠加所述第一尾流转向角后的偏航误差的步骤包括：

依据公式：θ_new＝θ-γ得到所述偏航误差；

式中，θ_new为叠加第一尾流转向角的偏航误差，θ为叠加前的偏航误差，γ为第一尾流转向角。

可选地，所述根据所述偏航误差以及偏航阈值，对风电机组的偏航进行控制的步骤包括：

若|θ_new|≥θ_max，则进行偏航动作，直到θ_new过零，偏航停止；

若|θ_new|<θ_max，则根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；

式中，θ_max为偏航阈值。

可选地，所述偏航阈值的取值范围：15°-20°。

可选地，所述根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制的步骤包括：

若|γ-γ_prv|≥H，执行偏航控制，直到θ_new过零，偏航停止；

若|γ-γ_prv|<H，不执行偏航；

式中，γ_prv为第二尾流转向角，H为偏差阈值。

可选地，所述偏差阈值的取值范围：5°-10°。

可选地，所述获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角的步骤包括：

获取风电机组第二时刻的第二风向；根据所述第二风向，得到所述第二尾流转向角。

本发明的实施例还提供了一种风电机组偏航控制系统，所述风电机组偏航控制系统包括控制器以及风电机组：所述控制器与所述风电机组通信；所述控制器用于执行风电机组偏航控制方法。

本发明实施例的风电机组偏航控制方法及系统的有益效果包括，例如：

风电机组偏航控制方法，包括获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角；获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角；根据第一尾流转向角以及第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；其中，第一时刻为当前时刻，第二时刻在第一时刻之前。风电机组的偏航控制能否准确实施是极其重要的一步，为了避免风电机组的尾流转向角无法执行的情况，通过比较前后两次尾流转向角的变化幅度，强制启动偏航，能够提高风电机组执行偏航的灵敏度，确保风电机组能够远离尾流，减小风电场尾流对风电机组的影响，提高发电量，降低机组疲劳载荷。

风电机组偏航控制系统包括控制器以及风电机组：控制器与风电机组通信；控制器用于执行风电机组偏航控制方法。通过比较前后两次尾流转向角的变化幅度，强制启动偏航，能够提高风电机组执行偏航的灵敏度，减小风电场尾流对风电机组的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的尾流转向角的示意图；

图2为本发明实施例提供的风电机组偏航控制方法的第一种流程示意图；

图3为本发明实施例提供的风电机组偏航控制方法的第二种流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

下面结合图1至图3对本实施例提供的风电机组偏航控制方法进行详细描述。

请参照图1以及图2，本发明的实施例提供了一种风电机组偏航控制方法，包括：

步骤S1，获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角。

步骤S2，获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角；

步骤S3，根据第一尾流转向角以及第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；

其中，第一时刻为当前时刻，第二时刻在第一时刻之前。

参照图1，字母A所标示的方向为实际风向，机头偏离实际风向A的夹角就是尾流转向角W。第一时刻与第二时刻之间间隔时间段，根据第一时刻以及时间段，选取第二时刻。

偏差阈值可以表征前后两次尾流转向角的变化幅度，根据变化幅度，可以强制启动风电机组偏航，能够提高风电机组执行偏航的灵敏度，减小风电场尾流对风电机组的影响，确保风电机组能够远离尾流，提高发电量，降低机组疲劳载荷。风电机组的偏航控制能否准确实施是极其重要的一步，避免风电机组的尾流转向角无法执行的情况发生。

参照图2，本实施例中，步骤S1包括：

步骤S11，获取风电机组第一时刻的第一风向；根据第一风向，得到第一尾流转向角。

通过专业仿真软件获取风向-尾流转向角关系并在控制系统中初始化。具体地，根据风场机组实际分布情况搭建尾流模型，通过专业仿真软件得到每台机位的风向-尾流转向角关系，在机组初始化时将对应关系内置控制系统内。根据现有技术完成风机较北、风向标对零；数据初始化γ_prv、γ机均为0。

获取风电机组第一时刻的第一风向，通过扭缆值计算出机头方向，接着第一风向进行低通滤波处理。根据滤波处理后的风向，结合控制系统内的风向-尾流转向角关系表进行查询，得到风电机组第一时刻的第一风向对应的第一尾流转向角。

同理，参照图2，步骤S2包括：

步骤S21，获取风电机组第二时刻的第二风向；根据第二风向，得到第二尾流转向角。

获取风电机组第二时刻的第二风向，通过扭缆值计算出机头方向，接着第二风向进行低通滤波处理。根据滤波处理后的风向，结合控制系统内的风向-尾流转向角关系表进行查询，得到风电机组第二时刻的第二风向对应的第二尾流转向角。

参照图2，本实施例中，步骤S3包括：

步骤S31，若|γ-γ_prv|≥H，执行偏航控制，直到θ_new过零，偏航停止；

步骤S32，若|γ-γ_prv|<H，不执行偏航；

式中，γ_prv为第二尾流转向角，H为偏差阈值。

也就是，获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角γ，获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角γ_prv。|γ-γ_prv|得到表征前后两次尾流转向角的变化幅度。在|γ-γ_prv|≥H时，强制执行偏航，提高风电机组偏航的执行灵敏度。

其中，偏差阈值的取值范围：5°-10°。即偏差阈值H可以是5°、6°、7°、8°、9°或者10°。

参照图3，本实施例中，步骤S1之后，风电机组偏航控制方法包括：

步骤S4，根据第一尾流转向角，得到叠加第一尾流转向角的偏航误差；

步骤S5，根据偏航误差以及偏航阈值，对风电机组的偏航进行控制。

通过对偏航误差进行比较，判断是否执行偏航。

参照图3，本实施例中，步骤S4包括：

步骤S41，依据公式：θ_new＝θ-γ得到偏航误差；

式中，θ_new为叠加第一尾流转向角的偏航误差，θ为叠加前的偏航误差，γ为第一尾流转向角。

其中，尾流转向角的具体含义：γ>0，机头在风向右边，γ<0，机头在风向的左边。偏航误差具体含义：θ>0，机头在风向的右边，θ<0，机头在风向的左边。

例如，通过扭缆值计算出机头方向为263°，风向信号先经过60s低通滤波进行处理，滤波后的风向为270°，偏航误差θ为-7°，滤波后的风向通过查表得到对应的尾流转向角γ为7°，叠加第一尾流转向角的偏航误差θ_new＝θ-γ为-14°。

参照图3，本实施例中，步骤S5包括：

步骤S51，若|θ_new|≥θ_max，则进行偏航动作，直到θ_new过零，偏航停止；

步骤S52，若|θ_new|<θ_max，则执行步骤S3；

式中，θ_max为偏航阈值。

参照图3，通过判断机头与风向的夹角是否超过偏航阈值，如果偏航误差大于偏航阈值，风电机组进行偏航对风，直至机头与风向一致，风电机组停止偏航。如果偏航误差小于偏航阈值，则进一步判断|γ-γ_prv|。若|γ-γ_prv|≥H，执行偏航控制，直到θ_new过零，偏航停止；若|γ-γ_prv|<H，不执行偏航。

参照图3，也就是在|θ_new|<θ_max时，进一步当|γ-γ_prv|≥H时，强制执行偏航，提高风电机组偏航的执行灵敏度。扩大了执行偏航的范围和可能性，能够解决风电机组存在尾流转向角不能执行的问题。

例如，偏航误差θ_new为14°小于偏航阈值15°，但前后两次尾流转向角偏差|γ-γ_prv|值为7°，大于偏差阈值5°，满足偏航的条件。

参照图2以及图3，其中，可以按照步骤S1、步骤S2以及步骤S3的顺序执行。也可以按照步骤S1、步骤S4、步骤S5、步骤S3的顺序执行。

其中，偏航阈值的取值范围：15°-20°。即偏航阈值可以为15°、16°、17°、18°、19°、20°。

根据本实施例提供的一种风电机组偏航控制方法，风电机组偏航控制方法的工作原理是：通过比较前后两次尾流转向角的变化幅度，强制启动偏航，以提高风电机组执行偏航的灵敏度，减小风电场尾流对风电机组的影响。

本实施例提供的一种风电机组偏航控制方法至少具有以下优点：

偏差阈值可以表征前后两次尾流转向角的变化幅度，根据变化幅度，可以强制启动风电机组偏航，能够提高风电机组执行偏航的灵敏度，减小风电场尾流对风电机组的影响，确保风电机组能够远离尾流，提高发电量，降低机组疲劳载荷。

尾流转向角的变化较大时，即使叠加尾流转向角的偏航误差小于偏航阈值时，如果前后两次尾流转向角变化大于偏差阈值，也可以执行偏航动作，用于解决风电机组尾流转向角无法执行的情况，确保机组远离尾流，提高发电量，降低机组疲劳载荷。

本发明的实施例还提供了一种风电机组偏航控制系统，风电机组偏航控制系统包括控制器以及风电机组：控制器与风电机组通信；控制器用于执行风电机组偏航控制方法。通过比较前后两次尾流转向角的变化幅度，强制启动偏航，能够提高风电机组执行偏航的灵敏度，减小风电场尾流对风电机组的影响。

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，可轻易想到的变化或替换，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所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风电机组偏航控制方法，其特征在于，包括：

获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角；

获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角；

根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；

其中，所述第一时刻为当前时刻，所述第二时刻在所述第一时刻之前。

2.根据权利要求1所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角的步骤包括：

获取风电机组第一时刻的第一风向；根据所述第一风向，得到所述第一尾流转向角。

3.根据权利要求2所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述获取风电机组第一时刻的第一尾流转向角的步骤之后，所述风电机组偏航控制方法包括：

根据所述第一尾流转向角，得到叠加所述第一尾流转向角的偏航误差；

根据所述偏航误差以及偏航阈值，对风电机组的偏航进行控制。

4.根据权利要求3所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述根据所述第一尾流转向角，得到叠加所述第一尾流转向角后的偏航误差的步骤包括：

依据公式：θ_new＝θ-γ得到所述偏航误差；

式中，θ_new为叠加第一尾流转向角的偏航误差，θ为叠加前的偏航误差，γ为第一尾流转向角。

5.根据权利要求4所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述根据所述偏航误差以及偏航阈值，对风电机组的偏航进行控制的步骤包括：

若|θ_new|≥θ_max，则进行偏航动作，直到θ_new过零，偏航停止；

若|θ_new|<θ_max，则根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制；

式中，θ_max为偏航阈值。

6.根据权利要求5所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述偏航阈值的取值范围：15°-20°。

7.根据权利要求5所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述根据所述第一尾流转向角以及所述第二尾流转向角，得到偏差阈值；根据所述偏差阈值，对风电机组的偏航进行控制的步骤包括：

若|γ-γ_prv|≥H，执行偏航控制，直到θ_new过零，偏航停止；

若|γ-γ_prv|<H，不执行偏航；

式中，γ_prv为第二尾流转向角，H为偏差阈值。

8.根据权利要求7所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述偏差阈值的取值范围：5°-10°。

9.根据权利要求1-8任一项所述的风电机组偏航控制方法，其特征在于，所述获取风电机组第二时刻的第二尾流转向角的步骤包括：

获取风电机组第二时刻的第二风向；根据所述第二风向，得到所述第二尾流转向角。

10.一种风电机组偏航控制系统，其特征在于，所述风电机组偏航控制系统包括控制器以及风电机组：

所述控制器与所述风电机组通信；所述控制器用于执行权利要求1-9任一项所述的风电机组偏航控制方法。

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