CN116838534A - 一种基于气象数据的偏航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于气象数据的偏航控制方法，涉及风机偏航控制技术领域，其目的是实现预测性强、控制迅速、判断简单的偏航控制，包括以下步骤：获取未来时间周期T内的气象预测数据，气象预测数据包括温度、风向和风力随时间变化的时间曲线数据；在该时间周期T内，根据时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略；在该时间周期T内持续监测实际气象数据，在执行时间点时获取实际气象数据和气象预测数据的气象差值；若气象差值未超过气象差阈值，则执行偏航执行策略至下一个执行时间点；若气象差值超过气象差阈值，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略，本发明具有运算量小、控制可靠迅速的优点。

Description

一种基于气象数据的偏航控制方法

技术领域

本发明涉及风机偏航控制技术领域，具体而言，涉及一种基于气象数据的偏航控制方法。

背景技术

风力发电机是利用风能转化为电能的设备。它通过风机叶片的旋转，将风能转化为机械能，进而通过发电机将机械能转化为电能。

偏航系统又称对风装置，是风力发电机机舱的一部分，其作用在于当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。中小型风机当风向变化时，位于风轮后面两舵轮旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。在实际的运行过程中，由于风力、风向等气象元素的多样性、不可控性和多变性，需要对风机的偏航系统进行调节，以迎合不同的气候状况，在保护机组自身不损坏的情况下最大限度利用风能进行发电。在调整过程中，若是采用人力进行观测调整，会非常浪费人力资源且劳累辛苦，需要二十四小时有人密切关注和值守，若是采用自动化调整，则可能存在算力复杂、调整不够及时、可靠性差的问题。

因此需要设计一种偏航控制方法，实现预测性强、控制迅速、判断简单的偏航控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于气象数据的偏航控制方法，其可以实现预测性强、控制迅速、判断简单的偏航控制。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

一种基于气象数据的偏航控制方法，包括以下步骤：

获取未来时间周期T内的气象预测数据，所述气象预测数据包括温度、风向和风力随时间变化的时间曲线数据；

在该时间周期T内，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略；

在该时间周期T内持续监测实际气象数据，在执行时间点时获取实际气象数据和气象预测数据的气象差值；

进行执行判断：

若气象差值未超过气象差阈值，则执行所述偏航执行策略至下一个执行时间点；

若气象差值超过气象差阈值，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略，并执行所述最佳偏航策略至下一个执行时间点。

优选地，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法为：

当所述温度低于第一温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理，当所述温度低于第二温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理并增大偏航角度；所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值；

若风力未超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取并调整到最佳偏航角度；若风力超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取到最佳偏航角度，在最佳偏航角度上增加补偿角度作为实际调整的偏航角度；所述风力阈值根据风机自身参数性能确定。

优选地，所述补偿角度的获取方法为：

计算风力出所述风力阈值的程度a：

a＝(WS_pre-WS_stan)/WS_stan*100％；

其中，WS_pre为预测的风力，WS_stan为所述风力阈值；

当a不大于100％时：θ为4-8度；

当a达到100％时进行停机处理。

优选地，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略的方法与根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法一致。

优选地，所述气象差值是否超过所述气象差阈值的判断方法为：

分别计算所述气象预测数据与所述实际气象数据之间的温度差值、风向差值和风力差值；

若温度差值、风向差值和风力差值其中任一超过对应阈值，则判断所述气象差值超过所述气象差阈值，否则判断所述气象差值未超过所述气象差阈值。

优选地，所述时间周期T的值选取为24小时。

优选地，每相邻两个所述执行时间点之间的时间间隔相同。

优选地，所述时间间隔为0.5-1小时。

优选地，在一个所述执行时间点到下一个所述执行时间点之间，若所述实际气象数据出现超阈值气象波动，则进行一次偏航调整；

超阈值气象波动即在该时间点相较于对应的所述执行时间点，所述实际气象数据中的温度、风向和风力其中任一项变化值超过对应阈值。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明基于预测的气象数据进行初步偏航控制策略的决定，自动化程度高，可以智能化有效应对天气情况；

本发明基于实际的气象数据来进行策略二次调整，防止气象预测误差过大的情况发生，提升偏航控制的可靠性；

本发明还减少了实时运行时候的计算量，只有在气象预测误差过大的情况才需要实时计算和输出控制策略，在预测数据误差不大的情况下由于已经提前获取好每个时间段的策略，所以可以快速动作；

本发明可以有效应对两个执行时间点直接气象突变的情况，具备很高的可靠性；

本发明设计合理、计算简单，综合几种气象数据，可以有效最大化利用能量、防止结冰、降低极端情况的风机机械负载，便于实施和推广。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种基于气象数据的偏航控制方法的结构示意图。

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。

实施例1

一种基于气象数据的偏航控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取未来时间周期T内的气象预测数据，所述气象预测数据包括温度、风向和风力随时间变化的时间曲线数据；

步骤S2：在该时间周期T内，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略；

步骤S3：在该时间周期T内持续监测实际气象数据，在执行时间点时获取实际气象数据和气象预测数据的气象差值；

步骤S4：进行执行判断：

若气象差值未超过气象差阈值，则执行所述偏航执行策略至下一个执行时间点；

若气象差值超过气象差阈值，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略，并执行所述最佳偏航策略至下一个执行时间点。

本实施例的核心思想是利用预测的气象数据预先输出一整个周期T内每个时间段的偏航执行策略，每个时间段即为两个相邻的执行时间点之间的时间段，每个时间段的偏航执行策略由这个时间段起点处的执行时间点的气象预测数据决定。

为了预防偶尔发生的气象预测数据出现较大误差，在执行时间点来临的时候会用实测的气象数据和预测的气象数据进行对比，如果误差在阈值范围内就直接使用预先输出好的偏航执行策略，若是误差过大则根据实际的气象数据重新输出最佳偏航策略来执行。在新的执行时间点来临的时候重复执行以上操作，直到这一个时间周期T结束。

在下一个时间周期T来临前又预先输出一整个周期T内每个时间段的偏航执行策略，然后再次执行以上所有操作。

本实施例的方法减少了实时过程的计算量，控制及时准确，可靠性高，且全部可以通过自动化系统实现，不需要过多人力密切监控，工作人员只需要执行更为简单的巡逻观测工作即可。

实施例2

本实施例基于实施例1的技术方案，对步骤S2中的根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法进行进一步说明。

在本实施例中，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法为：

当所述温度低于第一温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理，当所述温度低于第二温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理并增大偏航角度；所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值；

以上操作可以预防温度过低风机系统乃至偏航系统结冰的情况发生，预先可以在风力发电组的各个重要机械结构上设置一些常规的局部升温加热装置。

若风力未超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取并调整到最佳偏航角度；若风力超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取到最佳偏航角度，在最佳偏航角度上增加补偿角度作为实际调整的偏航角度；所述风力阈值根据风机自身参数性能确定。

以上设置是为了最大限度利用风能并将其转化为电能，通过追踪风方向的变化，在风机转向系统的控制下使风机对准最佳风向，以最大化能量利用率。这可以提高风能转化效率，实现更高的发电量，这一步根据风向的最佳偏航按照常规方式进行获取即可。

在风力过大的时候，由于会不断产生波浪加载和扭矩变化，对风机的机械部件会产生额外的负载。可以通过偏航补偿来增加偏航角度，降低风压和风动力对风机叶片和转子的负荷，减少机械疲劳，延长设备寿命。简单来说，当风速较小时，风机通常能够轻松面向风向，所以可以在较小的偏航角度下正常运作，然而风力过大的时候，由于较大的风力会施加较大的侧向力，可以适当增加偏航角度来保护整个风力发电机组的机械性安全。

作为进一步优选方案，所述补偿角度的获取方法为：

计算风力出所述风力阈值的程度a：

a＝(WS_pre-WS_stan)/WS_stan*100％；

其中，WS_prs为预测的风力，WS_stan为所述风力阈值；

当a不大于100％时：θ为4-8度；

当a达到100％时进行停机处理。

也就是说这里默认为a达到100％时已经为风力发电机组完全不适宜工作需要停机的极限风力情况，因此a的值可以根据风力发电机组的手册等查看数据，设置为其极限工作风力值的一半。

另外特别说明的是，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略的方法与根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法一致。

基于以上方案，也就是说，最佳偏航策略的获取基于风力、风向和温度的方法是一样的，只不过最佳偏航策略的获取是基于实际实时测量到的风力、风向和温度，而偏航执行策略的获取是基于预先预测的风力、风向和温度。

实施例3

本实施例基于实施例1的技术方案，对步骤S3-步骤S4中涉及的气象差值是否超过所述气象差阈值的判断的方法进行进一步说明。

作为本实施例的优选方案，所述气象差值是否超过所述气象差阈值的判断方法为：

分别计算所述气象预测数据与所述实际气象数据之间的温度差值、风向差值和风力差值；

若温度差值、风向差值和风力差值其中任一超过对应阈值，则判断所述气象差值超过所述气象差阈值，否则判断所述气象差值未超过所述气象差阈值。、

简单来说，在本实施例中，气象数据中的三项数据，风力、风向和温度中的任意一项预测误差过大即视为气象差值超过所述气象差阈值。这时候就需要重新做调整。

实施例4

本实施例基于实施例1的技术方案，对整个偏航控制方案进行进一步优化。

在本实施例中，所述时间周期T的值选取为24小时。

除此之外，每相邻两个所述执行时间点之间的时间间隔相同。

进一步地，所述时间间隔为0.5-1小时。

也就是说在本实施例中一次提前预测一整天的气象数据，给出一整天的，偏航执行策略。

最后，为了防止两个执行时间点之间出现较大气象波动导致当前的控制策略过度不适用，还可以采取以下方案进行优化：

在一个所述执行时间点到下一个所述执行时间点之间，若所述实际气象数据出现超阈值气象波动，则进行一次偏航调整；

超阈值气象波动即在该时间点相较于对应的所述执行时间点，所述实际气象数据中的温度、风向和风力其中任一项变化值超过对应阈值。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取未来时间周期T内的气象预测数据，所述气象预测数据包括温度、风向和风力随时间变化的时间曲线数据；

在该时间周期T内，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略；

在该时间周期T内持续监测实际气象数据，在执行时间点时获取实际气象数据和气象预测数据的气象差值；

进行执行判断：

若气象差值未超过气象差阈值，则执行所述偏航执行策略至下一个执行时间点；

若气象差值超过气象差阈值，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略，并执行所述最佳偏航策略至下一个执行时间点。

2.根据权利要求1所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法为：

当所述温度低于第一温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理，当所述温度低于第二温度阈值的时候开启设置在风机局部的多个加热装置进行加热处理并增大偏航角度；所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值；

若风力未超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取并调整到最佳偏航角度；若风力超过风力阈值，则基于风机自身性能根据风向获取到最佳偏航角度，在最佳偏航角度上增加补偿角度作为实际调整的偏航角度；所述风力阈值根据风机自身参数性能确定。

3.根据权利要求2所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，所述补偿角度的获取方法为：

计算风力出所述风力阈值的程度a：

a＝(WS_pre-WS_stan)/WS_stan*100％；

其中，WS_pre为预测的风力，WS_stan为所述风力阈值；

当a不大于100％时：θ为4-8度；

当a达到100％时进行停机处理。

4.根据权利要求3所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，根据当前执行时间点的实际气象数据获取最佳偏航策略的方法与根据所述时间周期T内的气象预测数据获取每个执行时间点的偏航执行策略的方法一致。

5.根据权利要求1所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，所述气象差值是否超过所述气象差阈值的判断方法为：

分别计算所述气象预测数据与所述实际气象数据之间的温度差值、风向差值和风力差值；

若温度差值、风向差值和风力差值其中任一超过对应阈值，则判断所述气象差值超过所述气象差阈值，否则判断所述气象差值未超过所述气象差阈值。

6.根据权利要求1所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，所述时间周期T的值选取为24小时。

7.根据权利要求6所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，每相邻两个所述执行时间点之间的时间间隔相同。

8.根据权利要求7所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，所述时间间隔为0.5-1小时。

9.根据权利要求1所述的一种基于气象数据的偏航控制方法，其特征在于，在一个所述执行时间点到下一个所述执行时间点之间，若所述实际气象数据出现超阈值气象波动，则进行一次偏航调整；

超阈值气象波动即在该时间点相较于对应的所述执行时间点，所述实际气象数据中的温度、风向和风力其中任一项变化值超过对应阈值。