CN118030377A - 一种提高风力发电机组功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机控制技术领域，具体涉及一种提高风力发电机组功率的方法，包括：在任意时刻，采集叶片旋转平面各位置的叶片工况参数；通过查表法确定各位置的空气密度，建立空气密度场分布；将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。本发明可获得较为精确的空气密度及其分布，并确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率。

Description

一种提高风力发电机组功率的方法

技术领域

本发明涉及风力发电机控制技术领域，更具体的说是涉及一种提高风力发电机组功率的方法。

背景技术

目前，新能源电站中的风力发电机组，多采用变桨距变速控制技术。采用安装在机舱上的风速计传感器获得风速、风向等参数，再由变桨系统根据风速、风向等参数的变化，来计算并改变桨距角，以获得更大的风功率。假设风机叶片长度为60米，则叶片旋转平面有1万多平米，通过该平面每处的风速是各不相同的，从而导致通过的空气密度也不相同，如果按照传统方式以一个空气密度值计算整个旋转平面的风能，这无疑存在较大的误差。

因此，如何获得较为精确的空气密度及其分布，进而确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种提高风力发电机组功率的方法，可获得较为精确的空气密度及其分布，并确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高风力发电机组功率的方法，包括以下步骤：

在任意时刻，通过安装在叶片上的传感器采集叶片旋转一周时，旋转平面各位置的叶片工况参数；

基于叶片旋转平面内各位置的叶片工况参数，通过查表法确定各位置的空气密度，建立叶片旋转平面内的空气密度场分布；

将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；

将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；

通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；

将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。

进一步的，在每个叶片的多个指定位置均安装传感器，传感器沿叶片翼形弦线均匀分布或非均匀分布；各传感器分别采集各个指定位置的叶片工况参数，采集的叶片工况参数包括：风速、温度、湿度和压强。

进一步的，叶片旋转平面内的各位置的空气密度的确定过程包括：

通过历史试验数据确定空气密度与叶片工况参数间的对应关系表；

将当前时刻各位置的叶片工况参数与对应关系表进行对比，确定叶片旋转平面内各位置的空气密度。

进一步的，对空气密度场进行划分的过程包括：

根据叶片旋转平面内各位置的空气密度大小，以风力发电机组的机舱水平轴为圆心，采用极坐标的方式对旋转平面内的空气密度场进行划分，确定各子区域的特征参数（r，θ），其中，r为圆形旋转平面的传感器位置到圆心的距离，θ为偏离角度，起始位置为水平向右，定义顺时针方向为正，或者定义逆时针方向为正；其中，每个子区域为扇环形结构或扇形结构，假设叶片旋转平面内共包含m个扇环形结构和n个扇形结构，对于第i个扇环形结构，其极坐标分别表示为、/>、/>和/>，其中，/>，，/>，/>，/>、/>、/>和/>分别表示围成第i个扇环形结构的四个点，i=1,2,3，...，m；对于第j个扇形结构，其极坐标分别表示为/>、/>和（0，0），其中，，/>、/>和圆心分别表示围成第j个扇形结构的三个点。

进一步的，针对任一子区域，空气动能的计算方式为：

其中，为当前时刻该子区域的空气密度；/>为圆周率；/>为风能利用系数，是一个修正系数，通过查表得到；/>为该子区域的面积；/>为该子区域的风速。

进一步的，数据库中存储有多组表征叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度、时间、叶片编号、风向和空气动能之间的对应关系的数据，通过从数据库中查找与当前情况最相似的一组数据，匹配出叶片的第一变桨角度。

进一步的，若当前叶片工况参数下，风力发电机组的功率高于同样叶片工况参数下的风力发电机组的功率，则将当前叶片工况参数所对应的最终变桨角度作为更优的第一变桨角度，并更新至数据库中。

进一步的，叶片最终变桨角度的计算公式为：

为叶片最终变桨角度；/>为第一变桨角度；/>为第二变桨角度，通过变桨系统采用传统方式计算得到；/>为加权系数，取值为0.85~0.95之间，/>值为可变值，在系统运行开始时，取值偏向0.85端，后期运行取值偏向0.95端，且/>值存储在数据库中。

进一步的，当某一叶片旋转至某一角度时，无法从数据库中匹配到该叶片在该旋转角度下的第一变桨角度，则采用线性外推法确定该叶片在当前旋转角度下的第一变桨角度。

进一步的，采用线性外推法确定某一叶片在某一旋转角度下的第一变桨角度，包括：

从数据库中查询该叶片当前旋转角度的邻近空气密度场区域对应的变桨角度；

对邻近空气密度场区域对应的变桨角度求平均，作为当前时刻该叶片旋转至当前旋转角度时的第一变桨角度。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于风速、压力、温度、湿度、位置的原因，叶片旋转平面内，各处的空气密度是不一致的，存在差异。本发明根据风机叶片各个位置的传感器获得旋转平面内更为精确的工况参数，计算出叶片旋转平面各位置的空气密度和密度场分布。同时，将空气密度场划分为多个子区域，计算各子区域的空气动能，通过与数据库中的历史数据进行匹配，进而获得各叶片旋转至对应子区域时的最优变桨角度，之后将数据库查询结果和变桨系统给出的结果进行加权处理，得到最终的风机叶片偏转角度，进行变桨，从而提高风力发电机组功率。本发明通过对流过叶片的空气密度分区域计算，精确计算了作用在每个叶片上空气动能，提高每个叶片变桨的精度。

同时，对于更优的叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度，将更新到数据库中，保证数据库中最优数据不断更新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例一中，提高风力发电机组功率的方法的流程图；

图2为本发明提供的空气密度场具体划分示意图。

图3为本发明提供的实施例二中，提高风力发电机组功率的方法的流程图。

具体实施方式

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实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例公开了一种提高风力发电机组功率的方法，包括以下步骤：

S1、在任意时刻，通过安装在叶片上的传感器采集叶片旋转一周时，旋转平面各位置的叶片工况参数；

S2、基于叶片旋转平面内各位置的叶片工况参数，通过查表法确定各位置的空气密度，建立叶片旋转平面内的空气密度场分布；

S3、将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；

S4、将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；

S5、通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；

S6、将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。

下面对上述各步骤做进一步的说明。

S1、当风吹向叶片，满足发电条件时，叶片才会转动。

发电情形下，在任意时刻，通过安装在叶片上的传感器采集叶片旋转一周时，旋转平面各位置的叶片工况参数。

旋转叶片是指大型风机的叶片，有三个叶片，呈120°在旋转平面内均匀分布，大型是指2MW以上的风力发电机组。

在每个叶片的多个指定位置均安装传感器，一般选取叶片的6-30个位置作为指定位置，传感器沿叶片翼形弦线均匀分布或非均匀分布；各传感器分别采集各个指定位置的风速、温度、湿度和压强。

安装在叶片上的传感器实时测量叶片上各个指定位置的风速、温度、湿度和压强，通过无线传感网络将数据传输到位于机舱内的控制器中；当叶片旋转一圈，该叶片上的传感器将采集整个迎风平面叶片旋转范围内的风速、温度、湿度和压强。

S2、基于叶片旋转平面内各位置的叶片工况参数，通过查表法确定各位置的空气密度，建立叶片旋转平面内的空气密度场分布。

三个叶片呈120度角均匀分布平面内，空气流过叶片旋转平面的各个位置的风速、温度、湿度和压强均不一致，从而导致叶片旋转平面内每处的空气密度不同。

叶片旋转起来是一个圆形的平面，受每个位置的位置的风速、温度、湿度和压强影响，流过叶片旋转平面的空气密度是不一样的，因此，各位置的空气密度与旋转叶片所处的工况参数呈非线性相关；由于圆形旋转平面（这个平面是垂直于地面的）内的工况参数各不相同，形成了空气密度场，为了精确计算，就把空气密度场，也就是这个圆形旋转平面划分成多个区域，对每个区域分别计算空气密度。

该步骤中，叶片旋转平面内的各位置的空气密度的确定过程包括：

通过历史试验数据确定空气密度与叶片工况参数间的对应关系表；

将当前时刻各位置的叶片工况参数与对应关系表进行对比，确定叶片旋转平面内各位置的空气密度。

S3、确定叶片旋转平面内各位置的空气密度之后，根据叶片旋转平面内各位置的空气密度大小，以风力发电机组的机舱水平轴为圆心，如图2所示，采用极坐标的方式对旋转平面内的空气密度场进行划分，确定各子区域的特征参数（r，θ），其中，r为圆形旋转平面的传感器位置到圆心的距离，θ为偏离角度，起始位置为水平向右，定义顺时针方向为正，或者定义逆时针方向为正。划分后的子区域形态、大小可能均不同；其中，子区域的结构为扇形结构或扇环形结构。其中，每个子区域为扇环形结构或扇形结构，假设叶片旋转平面内共包含m个扇环形结构和n个扇形结构，对于第i个扇环形结构，其极坐标分别表示为、/>、/>和/>，其中，/>，/>，/>，/>，/>、/>、/>和分别表示围成第i个扇环形结构的四个点，i=1,2,3，...，m；对于第j个扇形结构，其极坐标分别表示为/>、/>和（0，0），其中，/>，/>、/>和圆心分别表示围成第j个扇形结构的三个点。

之后，针对任一子区域，计算其空气动能，计算方式为：

其中，为当前时刻该子区域的空气密度；/>为圆周率；/>为风能利用系数，是一个修正系数，通过查表得到；/>为该子区域的面积；/>为该子区域的风速。

当叶片旋转到某一扇形区时，需要先基于查表法确定该扇形区中各个子区域的空气密度，再分别基于查到的空气密度计算各子区域的空气动能，最后将各子区域的空气动能进行求和，作为当前扇形区的空气动能，之后，再根据该扇形区的空气动能与数据库进行匹配，进而得到叶片旋转至该扇形区的第一变桨角度。

S4、当风力超过一定速度的时候，输入的动能变大，此时为了保持输出发电功率稳定，需要变桨，防止叶片旋转速度过大。所有子区域计算的空气动能之和与每个单一叶片的变桨角度之间存在非线性关系，取值可以一一对应，直接将工况参数、风力发电机组功率和变桨角度，时间、位置、风向等条目与空气动能形成对应关系，随着风机运行，它们的对应关系越来越有规律，从而构建数据库。由于每个叶片的所处位置不同，其工况参数不同，因此每个叶片的变桨角度实际上也是不同的。

该步骤中，在变桨情形下，将计算好的每个子区域的空气动能分别与构建好的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度。

其中，数据库中存储有多组表征叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度、时间、叶片编号、风向和空气动能之间的对应关系的数据，通过从数据库中查找与当前情况最相似的一组数据，匹配出叶片的第一变桨角度。

S5、通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度。第二变桨角度是采用传统计算方式，根据风能变化进行计算的，这个角度值同样是不精确的。

可以将风能、风速、温度、湿度、压强、时间、叶片位置、风向、来自变桨系统的变桨角度（即第二变桨角度）与类似条件下的历史变桨角度（即第一变桨角度），都存储在数据库中。

S6、为了提高变桨角的精度，将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。

具体来说，加权处理过程为：

为叶片最终变桨角度；/>为第一变桨角度；/>为第二变桨角度，通过变桨系统采用传统方式计算得到；/>为加权系数，取值为0.85~0.95之间，/>值为可变值，在系统运行开始时，取值偏向0.85端，后期运行取值偏向0.95端，且/>值存储在数据库中。

由于3个叶片呈120°角分布在旋转平面内，而且旋转平面内的各个子区域的风速、压力、温度、湿度等参数均不一样，所以空气密度不一样，在某一时刻，各叶片的所处位置不同，最终的变桨角度也是不一样的。

例如三个叶片分别为ABC，对于叶片A来说，假设叶片上平均分布6个传感器s1，s2，s3，s4，s5，s6，它们分别获得的工况参数组为p1，p2，p3，p4，p5，p6，每个参数组的组成为风速、风向、压力、温度。

数据库中存储的数据分别有风速、风向、压力、温度、时间、空气动能、叶片编号、发电功率、第一变桨角度、第二变桨角度/>；综合各个子区域的工况参数和数据库存储的数据，就可以匹配出一个最近似工况的变桨角度，这个角度就是/>，根据获得到的/>和/>，就可以计算出最新的/>，该值返回给变桨执行电机进行变桨。

当某一叶片旋转至某一角度时，无法从数据库中匹配到该叶片在该旋转角度下的第一变桨角度，则采用线性外推法确定该叶片在当前旋转角度下的第一变桨角度。

具体来说，采用线性外推法确定某一叶片在某一旋转角度下的第一变桨角度，包括：

从数据库中查询该叶片当前旋转角度的邻近空气密度场区域对应的变桨角度；

对邻近空气密度场区域对应的变桨角度求平均，作为当前时刻该叶片旋转至当前旋转角度时的第一变桨角度。

例如，当叶片的旋转角度为17°时，顺时针为正，但是该位置没有变桨角度的数据；则对邻近角度进行搜索，查到旋转角度16°和18°下有变桨角度，而且风速、压力、温度、湿度等参数和输出功率等参数均相近，则将16°和18°的变桨角度求和，除以2，即取平均值，作为此时的第一变桨角度。

实施例二：

如图3所示，该实施例与实施例一基本相同，区别在于，数据库采用实时数据库，若当前叶片工况参数下，风力发电机组的功率高于同样叶片工况参数下的历史风力发电机组功率，则将当前叶片工况参数所对应的最终变桨角度作为更优的第一变桨角度，并更新至数据库中，以使数据库越来越精确。

假设根据目前工况参数，通过数据库查询，得到第一变桨角度为，而变桨系统给出的第二变桨角度为/>，/>值为0.88，则最终的变桨角度为：。变桨系统执行变桨角度为0.04976，记录此时的发电机组的输出功率为2.002MW，如果比旧值更接近于目标值，则替换掉旧值，此时为最优值；如果旧值比该功率更接近目标值，则不替换，旧值为最优值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在任意时刻，通过安装在叶片上的传感器采集叶片旋转一周时，旋转平面各位置的叶片工况参数；

基于叶片旋转平面内各位置的叶片工况参数，通过查表法确定各位置的空气密度，建立叶片旋转平面内的空气密度场分布；

将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；

将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；

通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；

将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。

2.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，在每个叶片的多个指定位置均安装传感器，传感器沿叶片翼形弦线均匀分布或非均匀分布；各传感器分别采集各个指定位置的叶片工况参数，采集的叶片工况参数包括：风速、温度、湿度和压强。

3.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，叶片旋转平面内的各位置的空气密度的确定过程包括：

通过历史试验数据确定空气密度与叶片工况参数间的对应关系表；

将当前时刻各位置的叶片工况参数与对应关系表进行对比，确定叶片旋转平面内各位置的空气密度。

4.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，对空气密度场进行划分的过程包括：

根据叶片旋转平面内各位置的空气密度大小，以风力发电机组的机舱水平轴为圆心，采用极坐标的方式对旋转平面内的空气密度场进行划分，确定各子区域的特征参数（r，θ），其中，r为圆形旋转平面的传感器位置到圆心的距离，θ为偏离角度，起始位置为水平向右，定义顺时针方向为正，或者定义逆时针方向为正；其中，每个子区域为扇环形结构或扇形结构，假设叶片旋转平面内共包含m个扇环形结构和n个扇形结构，对于第i个扇环形结构，其极坐标分别表示为、/>、/>和/>，其中，/>，/>，，/>，/>、/>、/>和/>分别表示围成第i个扇环形结构的四个点，i=1,2,3，...，m；对于第j个扇形结构，其极坐标分别表示为/>、/>和（0，0），其中，/>，、/>和圆心分别表示围成第j个扇形结构的三个点。

5.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，针对任一子区域，空气动能的计算方式为：

；

其中，为当前时刻该子区域的空气密度；/>为圆周率；/>为风能利用系数，是一个修正系数，通过查表得到；/>为该子区域的面积；/>为该子区域的风速。

6.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，数据库中存储有多组表征叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度、时间、叶片编号、风向和空气动能之间的对应关系的数据，通过从数据库中查找与当前情况最相似的一组数据，匹配出叶片的第一变桨角度。

7.根据权利要求6所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，若当前叶片工况参数下，风力发电机组的功率高于同样叶片工况参数下的历史风力发电机组功率，则将当前叶片工况参数所对应的最终变桨角度作为更优的第一变桨角度，并更新至数据库中。

8.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，叶片最终变桨角度的计算公式为：

；

为叶片最终变桨角度；/>为第一变桨角度；/>为第二变桨角度，通过变桨系统采用传统方式计算得到；/>为加权系数，取值为0.85~0.95之间，/>值为可变值，在系统运行开始时，取值偏向0.85端，后期运行取值偏向0.95端，且/>值存储在数据库中。

9.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，当某一叶片旋转至某一角度时，无法从数据库中匹配到该叶片在该旋转角度下的第一变桨角度，则采用线性外推法确定该叶片在当前旋转角度下的第一变桨角度。

10.根据权利要求9所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，采用线性外推法确定某一叶片在某一旋转角度下的第一变桨角度，包括：

从数据库中查询该叶片当前旋转角度的邻近空气密度场区域对应的变桨角度；

对邻近空气密度场区域对应的变桨角度求平均，作为当前时刻该叶片旋转至当前旋转角度时的第一变桨角度。