CN113446159B - 一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法 - Google Patents

一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，包括以下步骤：S1、计算实时竖直风剪切VShear；S2、计算风轮面等效风速变化率CR_RAWS；S3、根据实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS，对净空控制区域进行划分或停机，并对不同的净空控制区域实施其相对应的净空控制。本发明根据风力发电机组的实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS对风电机组的净空区域进行精准划分，对不同的净空区域采用不同的净空控制策略，最大程度避免了因净空控制导致发电量的大量损失，同时保证了发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度，不会出现桨叶扫塔的情况，提升了机组运行的安全性。

Description

一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制技术领域，尤其涉及一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法。
背景技术
随着我国能源转型和风电发电技术的高速发展，低风速高湍流的等复杂风资源区的开发正在快速进行；为而了提高整场经济性，大量长桨叶机组被应用于此类风场。此类风资源区更容易出现负向风剪切工况，特点是随着竖直高度的增加，风速呈现逐渐减小的态势。较强的负向风剪切不仅显著增大风轮面的不平衡载荷，增加主轴和齿轮箱的等效疲劳载荷；同时也更容易造成因净空不足的桨叶扫塔的情况，严重危害整机安全。
发明内容
本发明主要解决现有的净空控制方法在保证了风力发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度的同时会导致风力发电机组的发电量大量损失的技术问题；提供一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，对不同的净空区域采用不同的净空控制策略，最大程度避免了因净空控制导致发电量的大量损失，同时保证了发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度，不会出现桨叶扫塔的情况，提升了机组运行的安全性。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1、计算实时竖直风剪切VShear；
S2、计算风轮面等效风速变化率CR_RAWS；
S3、根据实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS，对净空控制区域进行划分或停机，并对不同的净空控制区域实施其相对应的净空控制。
根据风力发电机组的实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS对风电机组的净空区域进行精准划分，对不同的净空区域采用不同的净空控制策略，最大程度避免了因净空控制导致发电量的大量损失，同时保证了发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度，不会出现桨叶扫塔的情况，提升了机组运行的安全性。
作为优选，所述的步骤S1具体包括：
S11、获取机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D的原始径向风速Vlos,i，i表示机载式激光测风雷达的光束编号；
S12、计算上光束面风速Vupper和下光束面风速Vlower，通过如下公式计算上光束面风速Vupper：
Figure BDA0003131079800000021
其中，Vlos,1、Vlos,2分别为编号为1和2的光束的径向风速，编号为1和2的光束为上平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角，通过如下公式计算下光束面风速
Figure BDA0003131079800000022
其中，Vlos,3、Vlos,4分别为编号为3和4的光束的径向风速，编号为3和4的光束为下平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角；
S13、根据如下公式计算实时竖直风剪切VShear：
Figure BDA0003131079800000023
其中，Vupper为上光束面风速，Vlower为下光束面风速，Hupper为上光束面竖直高度，Hlower为下光束面竖直高度。
作为优选，所述的Hupper的计算公式为Hupper＝Hhub+Hlidar+Dtanθv，Hlower的计算公式为Hlower＝Hhub+Hlidar-Dtanθv，其中，Hhub为用于安装机载式激光测风雷达的轮毂中央高度，Hlidar为机载式激光测风雷达安装高度，D为测量距离，θv为各光束同水平方向的夹角。
作为优选，所述的机载式激光测风雷达包括但不限于机载式连续波激光测风雷达和机载式脉冲波式激光测风雷达。
作为优选，所述的测量距离D包括但不限于一个或多个。提高测量精度。
作为优选，所述的步骤S2具体包括：
根据如下公式计算风轮面等效风速：
Figure BDA0003131079800000024
其中，i表示机载式激光测风雷达的光束编号，j表示测量距离的编号，Vlos,i为机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D的原始径向风速，α为光速与中心轴线的夹角；
设置净空监测周期T-Clearance,计算相邻两个T-RAWS之间风轮面等效风速的变化率CR_RAWS。
对于任意单个测量距离，考虑各光束与雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的风轮面等效风速。
作为优选，所述的步骤S3具体包括：
设定竖直风剪切的阈值范围为(VShear_Threshold_1，VShear_Threshold_2)，设定风轮面等效风速的变化率阈值CR_RASW_Threshold；
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＞VShear_Threshold_2，则风力发电机组进入预设变桨距角速率停机；
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则风力发电机组运行在净空控制区域Ⅰ，不施加额外控制指令；
若VShear＞VShear_Threshold_1或CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，实施保护动作。
作为优选，所述的按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，实施保护动作，具体包括：
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅱ，在控制区域Ⅱ，风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅲ，在净空控制区域Ⅲ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅳ，在净空控制区域Ⅳ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)与风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)同时处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，并与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将三者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制。
本发明的有益效果是：根据风力发电机组的实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS对风电机组的净空区域进行精准划分，对不同的净空区域采用不同的净空控制策略，最大程度避免了因净空控制导致发电量的大量损失，同时保证了发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度，不会出现桨叶扫塔的情况，提升了机组运行的安全性。
附图说明
图1是本发明机载式激光测风雷达径向风速处理的一种过程示意图。
图2是本发明竖直风剪切的计算示意图。
图3是本发明净空控制方法的一种流程示意图。
图4是本发明基于竖直风剪切VShear和风轮面等效风速风速变化率CR_RAWS的一种净空控制区域划分示意图。
图5是本发明净空控制区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的保护动作实施方法的一种流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，如图1～5所示，包括以下步骤：
S1、计算实时竖直风剪切VShear，具体包括：
S11、获取机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D(可以是一个也可以是多个)的原始径向风速Vlos,i，i表示机载式激光测风雷达的光束编号；
S12、计算上光束面风速Vupper和下光束面风速Vlower，通过如下公式计算上光束面风速Vupper：
Figure BDA0003131079800000051
其中，Vlos,1、Vlos,2分别为编号为1和2的光束的径向风速，编号为1和2的光束为上平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角，通过如下公式计算下光束面风速
Figure BDA0003131079800000052
其中，Vlos,3、Vlos,4分别为编号为3和4的光束的径向风速，编号为3和4的光束为下平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角；
S13、根据如下公式计算实时竖直风剪切VShear：
Figure BDA0003131079800000053
其中，Vupper为上光束面风速，Vlower为下光束面风速，Hupper为上光束面竖直高度，Hlower为下光束面竖直高度。
Hupper的计算公式为Hupper＝Hhub+Hlidar+Dtanθv，Hlower的计算公式为Hlower＝Hhub+Hlidar-Dtanθv，其中，Hhub为用于安装机载式激光测风雷达的轮毂中央高度，Hlidar为机载式激光测风雷达安装高度，D为测量距离，θv为各光束同水平方向的夹角。
机载式激光测风雷达包括但不限于机载式连续波激光测风雷达和机载式脉冲波式激光测风雷达。
S2、计算风轮面等效风速变化率CR_RAWS，具体包括：
对于任意单个测量距离，考虑各光束与雷达中轴线的夹角，将各光束所测的视向风速还原到雷达中轴线，重构纵向风速，视为该测量距离的风轮面等效风速。根据如下公式计算风轮面等效风速：
Figure BDA0003131079800000054
其中，i表示机载式激光测风雷达的光束编号，j表示测量距离的编号，Vlos,i为机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D的原始径向风速，α为光速与中心轴线的夹角；
设置净空监测周期T-Clearance,计算相邻两个T-RAWS之间风轮面等效风速的变化率CR_RAWS。
S3、根据实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS，对净空控制区域进行划分或停机，并对不同的净空控制区域实施其相对应的净空控制，具体包括：
设定竖直风剪切的阈值范围为(VShear_Threshold_1，VShear_Threshold_2)，设定风轮面等效风速的变化率阈值CR_RASW_Threshold；
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＞VShear_Threshold_2，则风力发电机组进入预设变桨距角速率停机；
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则风力发电机组运行在净空控制区域Ⅰ，不施加额外控制指令；
若VShear＞VShear_Threshold_1或CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，实施保护动作。
按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，实施保护动作，具体包括：
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅱ，在控制区域Ⅱ，风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅲ，在净空控制区域Ⅲ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅳ，在净空控制区域Ⅳ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)与风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)同时处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，并与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将三者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch_Ori，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制。
根据风力发电机组的实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS对风电机组的净空区域进行精准划分，对不同的净空区域采用不同的净空控制策略，最大程度避免了因净空控制导致发电量的大量损失，同时保证了发电机组运行过程中的桨叶的净空幅度，不会出现桨叶扫塔的情况，提升了机组运行的安全性。

Claims (5)

1.一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算实时竖直风剪切VShear，具体步骤包括：
S11、获取机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D的原始径向风速Vlos,i，i表示机载式激光测风雷达的光束编号；
S12、计算上光束面风速Vupper和下光束面风速Vlower，通过如下公式计算上光束面风速Vupper：
Figure FDA0003550770630000011
其中，Vlos,1、Vlos,2分别为编号为1和2的光束的径向风速，编号为1和2的光束为上平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角，通过如下公式计算下光束面风速
Figure FDA0003550770630000012
其中，Vlos,3、Vlos,4分别为编号为3和4的光束的径向风速，编号为3和4的光束为下平面光束，θa是各光束与中心轴线的夹角；
S13、根据如下公式计算实时竖直风剪切VShear：
Figure FDA0003550770630000013
其中，Vupper为上光束面风速，Vlower为下光束面风速，Hupper为上光束面竖直高度，Hlower为下光束面竖直高度；
S2、计算风轮面等效风速变化率CR_RAWS，具体包括：
根据如下公式计算风轮面等效风速：
Figure FDA0003550770630000014
其中，i表示机载式激光测风雷达的光束编号，j表示测量距离的编号，Vlos,i为机载式激光测风雷达的各光束在测量距离D的原始径向风速，α为光束与中心轴线的夹角；
设置净空监测周期T-Clearance,计算相邻两个T-RAWS之间风轮面等效风速的变化率CR_RAWS；
S3、根据实时竖直风剪切VShear和风轮面等效风速变化率CR_RAWS，对净空控制区域进行划分或停机，并对不同的净空控制区域实施其相对应的净空控制，具体步骤包括：
设定竖直风剪切的阈值范围为(VShear_Threshold_1，VShear_Threshold_2)，设定风轮面等效风速的变化率阈值CR_RASW_Threshold；
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＞VShear_Threshold_2，则风力发电机组进入预设变桨距角速率停机；
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则风力发电机组运行在净空控制区域Ⅰ，不施加额外控制指令；
若VShear＞VShear_Threshold_1或CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，实施保护动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，其特征在于，所述Hupper的计算公式为Hupper＝Hhub+Hlidar+D tanθv，Hlower的计算公式为Hlower＝Hhub+Hlidar-D tanθv，其中，Hhub为用于安装机载式激光测风雷达的轮毂中央高度，Hlidar为机载式激光测风雷达安装高度，D为测量距离，θv为各光束同水平方向的夹角。
3.根据权利要求1所述的一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，其特征在于，所述机载式激光测风雷达包括机载式连续波激光测风雷达和机载式脉冲波式激光测风雷达。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，其特征在于，所述测量距离D包括一个或多个。
5.根据权利要求1所述的一种基于机载式激光测风雷达的风电机组净空控制方法，其特征在于，所述按照相应条件进入净空控制区域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，实施保护动作，具体包括：
在净空监测周期T-Clearance内，
若VShear＜VShear_Threshold_1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅱ，在净空控制区域Ⅱ，风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch，即FinePitch＝max(FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＜CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅲ，在净空控制区域Ⅲ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，将其与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将两者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制；
若VShear_Threshold_1<VShear<VShear_Threshold_2的次数超过预设值N1且CR_RAWS＞CR_RASW_Threshold，则在下一个净空监测周期T-Clearance内，风力发电机组运行在净空控制区域Ⅳ，在净空控制区域Ⅳ，竖直风剪切VShear到剪切规划桨距角FinePitch_VShear的查询函数fFinePitch__VShear(VShear)与风轮面等效风速变化率CR_RAWS到风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS的查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)同时处于使能状态，风力发电机组根据查询函数fFinePitch_CR_RAWS(CR_RAWS)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_CR_RAWS，根据查询函数fFinePitch__VShear(VShear)得出风速变化率规划桨距角FinePitch_VShear，并与原有最优桨距角FinePitch_Ori进行比较，将三者之间的较大值作为最优桨距角FinePitch，即FinePitch＝max(FinePitch_VShear,FinePitch_CR_RAWS,FinePitch_Ori)，风力发电机组根据最优桨距角运行，实现净空控制。
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