一種抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流影響的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高湍流等復(fù)雜風(fēng)況運(yùn)行時(shí)抑制湍流影響的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過葉片旋轉(zhuǎn)吸收風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉輪旋轉(zhuǎn)的動能，通過齒輪箱將動能進(jìn)行傳遞(對于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，則沒有這一環(huán)節(jié))，通過發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能，最后通過輸電網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生的電能輸送出去。
[0003]自然界中風(fēng)的變化十分復(fù)雜，其大小、方向時(shí)時(shí)刻刻在發(fā)生著變化，這對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全有效地吸收風(fēng)能帶來了很大的挑戰(zhàn)。首先是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否對通過其風(fēng)速及風(fēng)向的測量具備實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性;其次是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對風(fēng)況，如風(fēng)速大小及風(fēng)向變化，能否做出及時(shí)而準(zhǔn)確的響應(yīng);最后是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能否對風(fēng)況的變化做出預(yù)測，這種預(yù)測只是短期的從控制策略角度考慮，這里只考慮風(fēng)速儀為下風(fēng)向設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)速儀得的風(fēng)速是已經(jīng)通過葉片的風(fēng)速，而風(fēng)向標(biāo)測得的風(fēng)向也已經(jīng)受到葉輪旋轉(zhuǎn)尾流的影響，也即該風(fēng)速儀不可能測量到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組前方的風(fēng)速及風(fēng)速變化率，也不可能提前測得下一時(shí)刻通過風(fēng)機(jī)的風(fēng)向，當(dāng)然風(fēng)向變化更不可知。
[0004]瑞流強(qiáng)度(turbulence intensity，簡寫為TI)是指10分鐘風(fēng)速隨機(jī)變化的幅度，是10分鐘平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比率，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中承受的正常疲勞載荷，是IEC61400-1風(fēng)機(jī)安全等級分級的重要參數(shù)之一。湍流產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)，一是當(dāng)氣流流動時(shí)，氣流會受到地面粗糙度的摩擦或者阻滯作用，另一個(gè)原因是由于空氣密度差異和大氣溫度差異引起的氣流垂直運(yùn)動。通常情況下，上述兩個(gè)原因往往同時(shí)導(dǎo)致湍流的發(fā)生。在中性大氣中，空氣會隨著自身的上升而發(fā)生絕熱冷卻，并與周圍環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡，因此在中性大氣中，湍流強(qiáng)度大小完全取決于地表粗糙度情況。
[0005]風(fēng)電場建設(shè)前期，根據(jù)測風(fēng)塔的觀測數(shù)據(jù)評估當(dāng)?shù)氐耐牧鲝?qiáng)度，以此作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型指標(biāo)之一。將湍流強(qiáng)度納入選型指標(biāo)更多的是從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞載荷方面出發(fā)考慮，被選定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠滿足湍流強(qiáng)度所產(chǎn)生的正常疲勞載荷的影響。
[0006]目前對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流度的抑制方法并未明確提出，對于湍流強(qiáng)度主要從兩個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)對。一方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)將湍流強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)之一進(jìn)行考慮，但這是一種被動的應(yīng)對湍流強(qiáng)度的做法，它是以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成本為代價(jià)達(dá)到降低高湍流影響的；另一方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高湍流強(qiáng)度影響下功率曲線等性能參數(shù)無法達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)功率曲線，如何通過新的算法修正湍流強(qiáng)度對功率曲線等影響是當(dāng)下研究的一個(gè)方向。以上兩種辦法要么是增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本以增強(qiáng)高湍流度的適應(yīng)性，要么是對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效果不佳的理論修正，都沒有主動的應(yīng)對高湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)無法主動應(yīng)對高湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電性能影響的缺點(diǎn)，提出一種抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流影響的方法。
[0008]本發(fā)明根據(jù)風(fēng)速，風(fēng)向等信息，采用相應(yīng)的控制策略來抑制高湍流對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電性能的的影響。
[0009]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)測量實(shí)時(shí)的風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速及實(shí)時(shí)風(fēng)向等信息，計(jì)算實(shí)時(shí)風(fēng)況下的湍流因子，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制過程中以湍流因子為控制目標(biāo)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，抑制湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。
[0010]本發(fā)明方法步驟具體如下:
[0011 ] (I)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器將風(fēng)速劃分為若干風(fēng)速域WSR，表示為WSR{ S1，S2，S3，S4，…，Sn}，其中S1，S2，S3，S4，…，Sn表示風(fēng)速，且η小于等于10 ;
[0012](2)根據(jù)步驟I劃分的風(fēng)速域，將風(fēng)速域?qū)?yīng)的時(shí)間常數(shù)定義為時(shí)間域TCR，表示為TCR{T1，T2，T3，Τ4，…，Tm}，其中T1，T2，T3，Τ4，…，Tm表示時(shí)間，風(fēng)速域WSR與時(shí)間域TCR——對應(yīng)；
[0013](3)風(fēng)速儀測得的實(shí)測風(fēng)速記作SReal，通過查表確定實(shí)測風(fēng)速Sr—在風(fēng)速域WSR中的值S，且滿足S e WSR，在時(shí)間域TCR中找到一個(gè)與S對應(yīng)的時(shí)間T，且滿足T e TCR ；
[0014](4)風(fēng)向標(biāo)測得的實(shí)測風(fēng)向記作DReal，且實(shí)測風(fēng)向DReal與實(shí)測風(fēng)速SReal為同一時(shí)刻的測得值；
[0015](5)使用步驟3得到的時(shí)間T，步驟4得到的實(shí)測風(fēng)向Dfeal,依公式(I)得到湍流因子
EReal:
[0016]EReal= (DReal-EReal-1)/T+EReal-1(I)
[0017]其中EReaH為上一周期計(jì)算得到的湍流因子；
[0018](6)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器控制風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向，使得風(fēng)輪與風(fēng)向的角度偏差趨近于O，即使得控制風(fēng)輪的角度趨近于湍流因子。
[0019]以上控制方法將風(fēng)速特性引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對風(fēng)的基礎(chǔ)上，減弱湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組疲勞載荷的影響。
[0020]本發(fā)明無需引入新的傳感器等外部設(shè)備，不會增加生產(chǎn)成本或設(shè)備硬件升級成本，通過對已有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行信息的整合處理以及對機(jī)組控制算法的優(yōu)化便可以實(shí)現(xiàn)對湍流影響的抑制。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流強(qiáng)度示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明流程示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的風(fēng)速域與時(shí)間域的對應(yīng)關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0025]風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在高湍流強(qiáng)度的地區(qū)運(yùn)行，其發(fā)電性能與壽命都受到影響，通過本發(fā)明提出的抑制湍流強(qiáng)度的方法，減弱高湍流強(qiáng)度對發(fā)電機(jī)組的影響，從而保證發(fā)電機(jī)組的發(fā)電性能與壽命。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明通過風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙上的風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)測量實(shí)時(shí)風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速及實(shí)時(shí)風(fēng)向等信息，計(jì)算實(shí)時(shí)風(fēng)況下的湍流因子，確定該風(fēng)電場機(jī)組位于高湍流強(qiáng)度地區(qū)，定義風(fēng)速域與時(shí)間域，根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速與風(fēng)向數(shù)據(jù)計(jì)算出湍流因子，將湍流因子引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航控制策略中，用實(shí)際的偏航控制主動抑制湍流對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明方法的流程如下:
[0028]步驟01，定義風(fēng)速域WSR，為步驟03計(jì)算時(shí)間T做準(zhǔn)備。
[0029]步驟02，定義時(shí)間域TCR，且風(fēng)速域WSR與時(shí)間域TCR——對應(yīng)，其對應(yīng)關(guān)系如圖3所示；
[0030]步驟03，根據(jù)實(shí)測風(fēng)速、步驟01及步驟02的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組實(shí)測風(fēng)速對應(yīng)的時(shí)間T;
[0031]步驟04，獲取實(shí)時(shí)風(fēng)速對應(yīng)的實(shí)時(shí)風(fēng)向；
[0032]步驟05，計(jì)算湍流因子；
[0033]步驟06，將步驟05中計(jì)算出的湍流因子作為偏航控制的目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器控制風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向，使得風(fēng)輪與風(fēng)向的角度偏差趨近于0，控制偏航角度趨近于湍流因子；
[0034]步驟07，實(shí)時(shí)監(jiān)測偏航對風(fēng)的偏差，使偏航對風(fēng)的偏差趨近于O；
[0035]步驟08，實(shí)現(xiàn)偏航過程對湍流強(qiáng)度的抑制。
[0036]通過以上流程便將湍流強(qiáng)度引入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略當(dāng)中，湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響因素參與到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中，通過偏航系統(tǒng)將湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響進(jìn)行抑制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流影響的方法，其特征在于:所述的方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)測量實(shí)時(shí)風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速及實(shí)時(shí)風(fēng)向等信息，計(jì)算實(shí)時(shí)風(fēng)況下的湍流因子，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制過程中以湍流因子為控制目標(biāo)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，抑制湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。2.按照權(quán)利要求1所述的抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流影響的方法，其特征在于:所述的方法步驟如下: (1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器將風(fēng)速劃分為若干風(fēng)速域WSR，表示為WSR{S1，S2，S3，S4，…，Sn}，其中S^S2, S3，S4，...，Sn表示風(fēng)速，且η小于等于10; (2)根據(jù)步驟(I)劃分的風(fēng)速域，將風(fēng)速域?qū)?yīng)的時(shí)間常數(shù)定義為時(shí)間域TCR，表示為TCR{T1，T2，T3，Τ4，…，Tm}，其中T1，T2，T3，Τ4，…，Tm表示時(shí)間，風(fēng)速域WSR與時(shí)間域TCR——對應(yīng)； (3)風(fēng)速儀測得的實(shí)測風(fēng)速記作Sm通過查表確定實(shí)測風(fēng)速SReai在風(fēng)速域WSR中的值S，且滿足S e WSR，在時(shí)間域TCR中找到一個(gè)與S對應(yīng)的時(shí)間T，且滿足T e TCR ； (4)風(fēng)向標(biāo)測得的實(shí)測風(fēng)向記作DReal，且實(shí)測風(fēng)向DReal與實(shí)測風(fēng)速SR—為同一時(shí)刻的測得值； (5)使用步驟(3)得到的時(shí)間T，步驟(4)得到的實(shí)測風(fēng)向DRe3al，依公式(I)得到湍流因子EReal: EReal — ( DReal-EReal-1 ) /T+EReal-1 ( I ) 其中EReal-1為上一周期計(jì)算得到的湍流因子，T為時(shí)間域TCR中與S對應(yīng)的時(shí)間； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器控制風(fēng)輪跟蹤風(fēng)向，使得風(fēng)輪與風(fēng)向的角度偏差趨近于0，即使得控制風(fēng)輪的角度趨近于湍流因子EReal。
【專利摘要】一種抑制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組湍流影響的方法。所述的方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀測量實(shí)時(shí)風(fēng)速，風(fēng)向標(biāo)測量實(shí)時(shí)的風(fēng)向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速及實(shí)時(shí)風(fēng)向等信息，計(jì)算實(shí)時(shí)風(fēng)況下的湍流因子，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航控制過程中以湍流因子為控制目標(biāo)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，抑制湍流強(qiáng)度對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率及壽命。
【IPC分類】F03D17/00, F03D7/00
【公開號】CN105545591
【申請?zhí)枴緾N201511020424
【發(fā)明人】王 華, 谷海濤, 許洪華
【申請人】科諾偉業(yè)風(fēng)能設(shè)備（北京）有限公司, 北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月30日