CN114962150A - 一种提高风电机组能效的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高风电机组能效的方法及系统，判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围内；当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速，该方法及系统能够提高风电场的运转效率和风电机组的能效。

Description

一种提高风电机组能效的方法及系统

技术领域

本发明属于风能电站技术领域，涉及一种提高风电机组能效的方法及系统。

背景技术

风力发电技术是利用风力驱动风轮旋转，从而带动发电机发电，过程中风的动能转化成机械能，再将机械能转化为电能。当前风力发电技术最重要的问题之一就是风的不稳定性，风力发电机会因为风速的变化而偏离最佳运行状态，无法持续高效地发电。

对于提高风电机组能效的方法，常见的是改变桨叶片节距角，虽然这种方法可以一定程度上提高机组在风速较低时的能效，但是，这种方法在运行中功率系数无法达到设计的最大值，整个机组并不是在最优状态下运行。此外，由于在旋转过程中频繁调节叶片的节距角，整个轮毂调节系统损坏率增加，变桨齿轮箱、变桨电机以及变桨轴承齿圈和小齿轮等部件的磨损加大，使用寿命缩短。

因此，从叶轮转速的控制方面着手，在风速变化时提前对叶轮转速进行调整，使风电机组尽可能运行在最佳状态下，提高整个风电场的运转效率和风电机组的能效。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种提高风电机组能效的方法及系统，该方法及系统能够提高风电场的运转效率和风电机组的能效。

为达到上述目的，本发明所述的提高风电机组能效的方法包括：

测量进入风电场的风速及主风向；

根据所述主风向控制所有风电机组的风轮转向，再测量各风机前方的风速；

计算前一时刻各风机前方的风速v_k-1与当前时刻风机前方的风速v_k之间的风速差值Δv，再根据所述风速差值Δv计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k；

判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围内；

当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速。

风速差值Δv为：

v_k-v_k-1＝Δv (3)。

各风电机组的叶轮转速需要的变化量Δn为：

Δn＝S·Δv (4)

其中，S为风速变化与叶轮转速变化的比例系数，则当前时刻的叶轮转速n_k为：

n_k＝n_k-1+Δn (5)

再根据当前时刻的叶轮转速n_k及当前时刻风机前方的风速v_k计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k。

根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速的具体过程为：

当Δn_d＞0，则通过电动助力系统提高叶轮转轴的转速；当Δn_d＜0时，则通过液压减速系统降低叶轮转轴的转速。

通过爪式超声波测风仪测量进入风电场的风速及主风向，其中，爪式超声波测风仪安装于风电场中四个角的风电机组处。

通过激光测速设备测量各风机前方的风速。

本发明所述的提高风电机组能效的系统包括：

数据获取模块，用于测量进入风电场的风速及主风向；

总控制台，用于根据所述主风向控制所有风电机组的风轮转向，再测量各风机前方的风速；

计算模块，用于计算前一时刻各风机前方的风速v_k-1与当前时刻风机前方的风速v_k之间的风速差值Δv，再根据所述风速差值Δv计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k；

判断模块，用于判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围内；

功率系数控制调节模块，用于当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速。

功率系数控制调节模块包括：

计算单元，用于当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d；

判断单元，用于当Δn_d＞0，则通过电动助力系统提高叶轮转轴的转速；当Δn_d＜0时，则通过液压减速系统降低叶轮转轴的转速。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的提高风电机组能效的方法及系统在具体操作时，通过计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，并以此判断叶轮转轴的转速是否符合要求，当叶轮转轴的转速不符合要求时，则根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速，使得风轮更有效地捕获风能，以提高风电机组的能效，继而提高整个风电场的风资源利用率和风电场的发电效率。

进一步，本发明通过四个爪式超声波测风仪及多个激光测速设备进行主风向及风机前方的风速的测量，以减少整个风电场建设的投资，同时激光测速结果准确性及可靠性较高。

附图说明

图1为风电场的风速风向监测示意图；

图2为功率系数C_p与节距角β的关系变化图；

图3为功率系数C_p与叶轮叶尖速比λ的关系变化图；

图4为本发明的流程图；

图5为功率系数控制调节模块的示意图；

图6a为电动助力系统的示意图；

图6b为液压减速系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明所述的提高风电机组能效的方法包括以下步骤：

1)在风电场中四个角的风电机组处安装爪式超声波测风仪，在其余风电机组处安装激光测速设备，以获取精准测量风速；

2)通过爪式超声波测风仪测量进入风电机组的风速及主风向，总控制台根据获取得到的主风向控制所有风电机组的风轮转向，使得所有风轮正对风的来流方向；

其中，根据贝兹理论，风电机组从风中捕获的机械功率为：

其中，P_m为叶轮吸收的电功率，ρ为空气密度，R为风轮半径，C_p为功率系数(风能利用系数)，v为风速，λ为叶尖速比，β为桨叶节距角，n为叶轮转速。

根据式(1)，在实际应用时，可以通过调整功率系数C_p来改变叶轮吸收的电功率，在选址过程以及风电机组选择工程时，风轮的半径R已确定，因此需要确定风电机组风轮叶片的安装角度，即桨叶片节距角β，不同β下叶尖速比λ与功率系数C_p的关系如图2所示，在本发明中不改变节距角，因此需要确定功率系数C_p即可达到C_pmax的节距角β，例如β₁。

当桨叶片节距角β不变时，功率系数C_p仅为叶尖速比λ的函数，如图3所示，在任何风速下，只要使得叶轮叶尖速比λ＝λ_opt，即可维持风电机组在C_pmax下运行。因此，风速变化时，只要调节叶轮转速，使叶尖速度与风速之比保持不变，即可获得最佳的功率系数，此时风电机组捕获风能的能力最强。

风电内部机组利用激光测速设备进行激光测速，相比一般的测速装置，受到前方风轮的影响较小，准确度及可靠性较高，对机组的调节更精确，机组的运行效率更高。

本发明所述的提高风电机组能效系统包括：

数据获取模块，用于通过爪式超声波测风仪确定进入风电场的风速及主风向；

总控制台，用于根据所述主风向控制所有风电机组的风轮转向，同时通过激光测速设备测量各风机前方的风速；

计算模块，用于根据前一时刻各风机前方的v_k-1及当前时刻风机前方的风速v_k，计算风速差值Δv：

v_k-v_k-1＝Δv (3)

其中，k-1表示前一时刻，k表示当前时刻。

利用公式(4)计算各风电机组的叶轮转速需要的变化量Δn：

Δn＝S·Δv (4)

其中，S为风速变化与叶轮转速变化的比例系数，则当前时刻的叶轮转速n_k为：

n_k＝n_k-1+Δn (5)

将v_k及n_k带入式(2)中，得当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k；

判断模块，用于判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的5％范围内，当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的5％范围内时，则启动功率系数控制调节模块；

如图5所示，所述功率系数控制调节模块包括：

计算单元，用于根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，再计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d；

判断单元，用于当Δn_d>0，说明此时需要增加叶轮转速，则将所述差值Δn_d输入到电动助力系统中；当Δn_d<0，说明此时需要降低叶轮转速，则将所述差值Δn_d输入至液压减速系统中。

参考图6a，电动助力系统，用于根据差值Δn_d通过控制器控制蓄电装置及电动机，通过电动机提高叶轮转轴的转速，另外，通过传感器输出电力电流的大小，采用反馈控制的方式控制叶轮转轴的转速，例如PID控制。

参考图6b，液压减速系统，用于通过控制器控制油液储罐及液压泵，通过液压泵推动减速盘对叶轮转轴进行减速，通过传感器检测液压泵出口处的流量，并以此采用反馈控制的方式控制液压泵的输出，继而控制叶轮转轴的转速，例如采用PID控制。

云储存，用于存储不同风速所需的叶轮转轴的转速，在下次工作时，可以将数据写入云储存中进行对比，当有相同风速数据时，即可直接调取云储存中的叶轮转轴的转速，实现风电机组的快速反应与变换，显著提高风电机组的能效。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高风电机组能效的方法，其特征在于，包括：

测量进入风电场的风速及主风向；

根据所述主风向控制所有风电机组的风轮转向，再测量各风机前方的风速；

计算前一时刻各风机前方的风速v_k-1与当前时刻风机前方的风速v_k之间的风速差值Δv，再根据所述风速差值Δv计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k；

判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围内；

当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速。

2.根据权利要求1所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，风速差值Δv为：

v_k-v_k-1＝Δv (3)。

3.根据权利要求1所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，各风电机组的叶轮转速需要的变化量Δn为：

Δn＝S·Δv (4)

其中，S为风速变化与叶轮转速变化的比例系数，则当前时刻的叶轮转速n_k为：

n_k＝n_k-1+Δn (5)

再根据当前时刻的叶轮转速n_k及当前时刻风机前方的风速v_k计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k。

4.根据权利要求1所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速的具体过程为：

当Δn_d＞0，则通过电动助力系统提高叶轮转轴的转速；当Δn_d＜0时，则通过液压减速系统降低叶轮转轴的转速。

5.根据权利要求1所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，通过爪式超声波测风仪测量进入风电场的风速及主风向，其中，爪式超声波测风仪安装于风电场中四个角的风电机组处。

6.根据权利要求1所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，通过激光测速设备测量各风机前方的风速。

7.一种提高风电机组能效的系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于测量进入风电场的风速及主风向；

总控制台，用于根据所述主风向控制所有风电机组的风轮转向，再测量各风机前方的风速；

计算模块，用于计算前一时刻各风机前方的风速v_k-1与当前时刻风机前方的风速v_k之间的风速差值Δv，再根据所述风速差值Δv计算当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k；

判断模块，用于判断当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p是否在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围内；

功率系数控制调节模块，用于当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d，根据所述差值Δn_d控制叶轮转轴的转速。

8.根据权利要求7所述的提高风电机组能效的方法，其特征在于，所述功率系数控制调节模块包括：

计算单元，用于当当前时刻的叶轮叶尖速比λ_k对应的功率系数C_p不在最大功率系数C_pmax的上下5％波动范围，则根据最大功率系数C_pmax对应的最佳叶尖速比λ_opt以及当前时刻的风速v_k计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d，计算当前时刻的最佳叶轮转速n_k,d与当前时刻的叶轮转速n_k之间的差值Δn_d；

判断单元，用于当Δn_d＞0，则通过电动助力系统提高叶轮转轴的转速；当Δn_d＜0时，则通过液压减速系统降低叶轮转轴的转速。

Images