风机机群控制方法、控制系统和风场与流程

本发明涉及风力发电技术领域，具体而言，涉及一种风机机群控制方法、控制系统和风场。

背景技术：

随着风力发电技术的不断发展，在高风速风资源逐渐被瓜分占据，低风速风资源逐渐成为热门的前提下，通过风场统筹优化方法提升输出总功率的价值日渐凸显。

但在现阶段，风力发电厂的控制系统仍然普遍采用风场监测系统和单机控制系统。设置于升压站的风场监测系统主要负责风场风功率预测、风场所有风机的运行状态监测和电网供电管理，其主要功能在于监测。而对于风场中各风机的控制仍采用单机控制系统，以单个风机为控制对象，实现单台风机的优化控制和管理。这种控制方式不利于风场各风机之间的统筹管理，影响了机群总功率的优化提升。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种风机机群控制方法、控制系统和风场，可以实现对风机机群的统筹管理，优化提升风机机群的总功率。

第一方面，本发明实施例提供了一种风机机群控制方法，包括：

实时获取风机机群所在地的当前风向；

对于所述风机机群中的风机，按照迎风方向逐一选取当前风机；

获取当前风机的位置信息和运行参数；其中，所述位置信息通过风机上的定位装置获取；

根据所述当前风机位置信息和运行参数，确定所述当前风机的尾流影响区域；

根据所述风机机群的三维地形数据，判断所述当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机；

如果是，调节所述当前风机或所述受影响风机的运行参数。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述运行参数至少包括风轮方向和风机功率；根据所述当前风机位置信息和运行参数，确定所述当前风机的尾流影响区域的步骤，包括：

根据所述当前风机的位置信息、风轮方向、风机功率和预设的风机尾流模型，确定所述当前风机的尾流影响区域。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，调节所述当前风机或所述受影响风机的运行参数的步骤，包括：

根据所述当前风机的风轮方向和当前风向，确定所述当前风机的对风角度；

判断所述当前风机的对风角度是否超出设定的安全极限；

如果否，调整所述当前风机的风轮方向，直至所述当前风机的尾流影响区域避开所述受影响风机为止，或者，所述当前风机的对风角度到达所述安全极限为止；

如果是，调节所述当前风机或/和所述受影响风机的风机功率。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，如果所述当前风机的对风角度到达所述安全极限时，所述受影响风机仍处于所述当前风机的尾流影响区域内，则调节所述当前风机或/和所述受影响风机的风机功率。

结合第一方面的第二种可能的实施方式或的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，调节所述当前风机或/和所述受影响风机的风机功率的步骤，包括：

降低所述当前风机的风机功率；或者，提升所述受影响风机的风机功率；或者，降低所述当前风机的风机功率的同时，提升所述受影响风机的风机功率。

第二方面，本发明实施例提供了一种风机机群控制系统，包括：

风向获取模块，用于实时获取风机机群所在地的当前风向；

风机选取模块，用于对所述风机机群中的风机，按照迎风方向逐一选取当前风机；

尾流分析模块，用于获取当前风机的位置信息和运行参数；其中，所述位置信息通过风机上的定位装置获取；根据所述当前风机位置信息和运行参数，确定所述当前风机的尾流影响区域；

尾流影响风机判定模块，用于根据所述风机机群的三维地形数据，判断所述当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机；

优化模块，用于在所述当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机时，调节所述当前风机或所述受影响风机的运行参数。

结合第二方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述运行参数至少包括风轮方向和风机功率；所述尾流分析模块，还用于：

根据所述当前风机的位置信息、风轮方向、风机功率和预设的风机尾流模型，确定所述当前风机的尾流影响区域。

结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述优化模块，还用于：

根据所述当前风机的风轮方向和当前风向，确定所述当前风机的对风角度；

判断所述当前风机的对风角度是否超出设定的安全极限；

如果否，调整所述当前风机的风轮方向，直至所述当前风机的尾流影响区域避开所述受影响风机为止，或者，所述当前风机的对风角度到达所述安全极限为止；

如果是，调节所述当前风机或/和所述受影响风机的风机功率。

结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述优化模块，还用于：如果所述当前风机的对风角度到达所述安全极限时，所述受影响风机仍处于所述当前风机的尾流影响区域内，则调节所述当前风机或/和所述受影响风机的风机功率。

结合第二方面的第二种可能的实施方式或第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，所述优化模块，还用于：

降低所述当前风机的风机功率；或者，提升所述受影响风机的风机功率；或者，降低所述当前风机的风机功率的同时，提升所述受影响风机的风机功率。

第三方面，本发明实施例提供了一种风场，包括控制基站和与所述控制基站连接的风机机群；所述控制基站内设有上述的风机机群控制系统；所述风机机群中的每个风机均设置有定位装置和运行参数监测装置；所述定位装置和运行参数监测装置将获取的位置信息和运行参数传输至所述风机机群控制系统。

结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，所述定位装置为gps模块。

第四方面，本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，存储有为上述风机机群控制系统所用的计算机软件指令。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的风机机群控制方法、控制系统和风场，可以实时获取当前风向，根据当前风向逐一调节各台风机的运行参数，从而实现对风机机群的统筹管理，减少前排风机尾流对后排风机发电能力的影响，优化提升风机机群的总功率，有效提升风机机群的整体发电量。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为风场中风机机群的排布示意图；

图2为本发明一实施例所提供的风机机群控制方法的流程图；

图3为本发明另一实施例所提供的风机机群控制方法的流程图；

图4为本发明一实施例所提供的风机机群控制系统的结构框图；

图5为本发明一实施例所提供的风场的结构示意图。

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，下面将结合附图对本发明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。

针对现有的风场中各风机采用单机控制，缺乏统筹管理的问题，本发明实施例提供了一种风机机群控制方法、控制系统和风场。

本发明实施例提供的风机机群控制方法和风机机群控制系统，可以应用于如图1所示的风场中。图1示出了风场中各台风机之间的拓扑关系。以其中的1号风机和2号风机为例，设上方为正北方向，如果当前风向为西北风时，2号风机可能会受到1号风机的影响。如果1号风机的功率较大，1号风机的捕风能力强，其尾流风速将变小，从而影响2号风机的捕风量和发电功率，导致风场的总功率受到影响。为此，本发明实施例提供了一种风机机群控制方法。

图2示出了本发明实施例提供的一种风机机群控制方法的流程图。如图2所示，该方法包括：

步骤s202，实时获取风机机群所在地的当前风向。

步骤s204，对于风机机群中的风机，按照迎风方向逐一选取当前风机。

在风力发电的过程中，以迎风方向为基准，位于后排的风机可能会受到前排风机的尾流的影响；或者说，位置靠前的风机的尾流可能会影响位置靠后的风机。因此，在对风机机群进行统筹管理时，可以按照迎风方向，从前向后逐一选取当前风机，或者从后向前逐一选取当前风机，计算其尾流影响区域，进而调节该风机与受影响风机的运行参数。

步骤s206，获取当前风机的位置信息和运行参数。

其中，位置信息为当前风机所在的地理位置信息，例如，经纬度信息。位置信息可以通过风机上的定位装置获取，该定位装置可以是gps模块。运行参数包括但不限于风轮方向和风机功率。风轮方向可以通过风机上的安装的角度传感器或陀螺仪获取。所述角度传感器或陀螺仪可以设置在gps模块内。风机功率可以通过风机上设置的运行参数监测装置获取。运行参数还可以包括如风机的风速、风向、桨叶角度、扭揽角度等其他信息。

步骤s208，根据当前风机位置信息和运行参数，确定当前风机的尾流影响区域。

将当前风机的位置信息、风轮方向、风机功率输入预设的风机尾流模型，可以确定当前风机的尾流影响区域。风机尾流模型是根据之前的测量值构建的。将当前风机位置信息、运行参数和预设的风机尾流模型相结合，可以识别风机的尾流方向、长度和衰减情况，实现风机尾流的实时监测。

步骤s210，根据风机机群的三维地形数据，判断当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机；如果是，执行步骤s212；如果否，结束。

结合风机机群的三维地形数据和当前风机的尾流影响区域，可以确定当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机。如果不存在受影响风机，可以结束优化过程，或者，可以按照传统的控制方法，优化当前风机的自身功率。如果存在受影响风机，则继续执行步骤s212。

步骤s212，调节当前风机或受影响风机的运行参数。

步骤s212可以但不限于采用如下几种方式实现，第一种实现方式为：调节当前风机的运行参数；例如，改变当前风机的风轮方向或降低当前风机的风机功率。当改变当前风机的风轮方向时，当前风机的对风角度不可超出设定的安全极限。第二种方式为：调节受影响风机的运行参数；例如，提高受影响风机的风机功率。第三种方式为：同时调节当前风机和受影响风机的运行参数；例如，降低当前风机的风机功率，同时提升受影响风机的风机功率。

本实施例提供的风机机群控制方法，可以根据当前风向逐一调节各台风机的运行参数，从而实现对风机机群的统筹管理，减少前排风机尾流对后排风机发电能力的影响，优化提升风机机群的总功率。

图3示出了本发明实施例提供的另一种风机机群控制方法的流程图。如图3所示，该方法包括：

步骤s302，实时获取风机机群所在地的当前风向。

步骤s304，对于风机机群中的风机，按照迎风方向逐一选取当前风机。

步骤s306，获取当前风机的位置信息和运行参数。

步骤s308，根据当前风机位置信息和运行参数，确定当前风机的尾流影响区域。

步骤s310，根据风机机群的三维地形数据，判断当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机；如果是，执行步骤s312；如果否，结束。

如果当前风机的尾流影响区域内不存在受影响风机，可以结束优化过程，或者，可以按照传统的控制方法，优化当前风机的自身功率。如果存在受影响风机，则继续执行步骤s312，实施场群功率优化控制策略。该策略的原理如下：如果当前风机的偏航角度未超出安全极限时，可调整产生尾流当前风机的对风角度，改变尾流的方向，避开受影响风机。如果当前风机的偏航角度已达到或者超出安全极限，则当前风机进行收桨，减少当前风机所吸收的功率。此时风机尾流的回复速度将加快或者尾流风速变大，则受影响风机的发电量提高。综合考虑当前风机和受影响风机所发的总功率，实现总功率的最大化。

步骤s312，根据当前风机的风轮方向和当前风向，确定当前风机的对风角度；

步骤s314，判断当前风机的对风角度是否超出设定的安全极限；如果是，执行步骤s318，如果否，执行步骤s316。

步骤s316，调整当前风机的风轮方向，直至当前风机的尾流影响区域避开所述受影响风机为止，或者，当前风机的对风角度到达所述安全极限为止。

如果当前风机的对风角度到达安全极限时，受影响风机仍处于所述当前风机的尾流影响区域内，则执行步骤s318。

步骤s318，调节当前风机或/和受影响风机的风机功率，包括但不限于：降低当前风机的风机功率；或者，提升受影响风机的风机功率；或者，降低当前风机的风机功率的同时，提升受影响风机的风机功率。

本发明实施例提供的风机机群控制方法，通过执行场群功率优化控制策略，可以实现对风机机群的统筹管理，减少前排风机尾流对后排风机发电能力的影响，优化提升风机机群的总功率，该方法简洁、可操作性强、可靠性高。

与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还提供了一种风机机群控制系统，如图4所示，该系统包括：

风向获取模块41，用于实时获取风机机群所在地的当前风向；

风机选取模块42，用于对风机机群中的风机，按照迎风方向逐一选取当前风机；

尾流分析模块43，用于获取当前风机的位置信息和运行参数；其中，位置信息通过风机上的定位装置获取；根据当前风机位置信息和运行参数，确定当前风机的尾流影响区域；

尾流影响风机判定模块44，用于根据风机机群的三维地形数据，判断当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机；

优化模块45，用于在当前风机的尾流影响区域内是否存在受影响风机时，调节当前风机或受影响风机的运行参数。

其中，运行参数至少包括风轮方向和风机功率。

尾流分析模块43，还可以用于根据当前风机的位置信息、风轮方向、风机功率和预设的风机尾流模型，确定当前风机的尾流影响区域。

优化模块45，还可以用于根据当前风机的风轮方向和当前风向，确定当前风机的对风角度；判断当前风机的对风角度是否超出设定的安全极限；如果否，调整当前风机的风轮方向，直至当前风机的尾流影响区域避开受影响风机为止，或者，当前风机的对风角度到达安全极限为止；如果是，调节当前风机或/和受影响风机的风机功率；还可以用于如果当前风机的对风角度到达安全极限时，受影响风机仍处于当前风机的尾流影响区域内，则调节当前风机或/和受影响风机的风机功率；还可以用于降低当前风机的风机功率；或者，提升受影响风机的风机功率；或者，降低当前风机的风机功率的同时，提升受影响风机的风机功率。

本发明实施例提供的风机机群控制系统，可以实时获取当前风向，根据当前风向逐一调节各台风机的运行参数，从而实现对风机机群的统筹管理，减少前排风机尾流对后排风机发电能力的影响，优化提升风机机群的总功率。该控制系统较单机主控具有更高级别的底层权限，可对风机的运行进行全面的调整和优化。

本发明另一实施例还提供了一种风场，包括控制基站100和与控制基站100连接的风机机群。控制基站100内设有上述实施例所记载的风机机群控制系统。风机机群中的每个风机200均设置有定位装置和运行参数监测装置。定位装置和运行参数监测装置将获取的位置信息和运行参数传输至风机机群控制系统。

其中，控制基站100可以是升压站。定位装置为gps模块，用于获取风机所在机位的经纬度。定位装置内还可以设置角度传感器或陀螺仪，用于监测风机的风轮方向。例如，可以以正北方向作为0°方向。运行参数监测装置可以采用原有的设备，用于监测风机的风速、风向、风机功率、桨叶角度、扭揽角度等其他信息。定位装置和运行参数监测装置所测得信息可以通过风机与升压站之间的光纤传输至风机机群控制系统。

风机机群控制系统接收从各个风机的定位装置和运行参数监测装置传回的数据，经过风机机群总功率优化控制方法进行优化后，对各台风机的发出对应的优化指令。

风机机群控制系统主要包括四个方面的输入，运行参数监测装置采集的风机运行信息、定位装置采集的信息、运行风机的尾流模型以及风场的三维地理模型。定位装置的主要作用是，确定所在风机的经纬度，确定地理位置，同时确定风机的风轮实时地理朝向。

风机机群控制系统具有5项主要功能：风机实际尾流分析、风机尾流影响风机预判、风机实际尾流影响区域判定、前排风机规避后排风机和风机总功率优化。

风机实际尾流分析，结合风机的实际运行参数(风速、风向、桨叶角度、风轮方向等)、风机尾流模型，从而确认风机尾流的方向、长度、衰减情况。其中风机尾流模型可以采用传统风资源评估的修正帕克模型或者其他模型，也可以采用扫描雷达所采集的风机实际尾流模型。

风机尾流影响风机预判，结合风机的经纬度、风场的三维地形等，不需要风机运行参数和尾流输入的情况下，初步预判某风机产生尾流可能影响的风机和区域，并在各台风机之间建立拓扑关系网络，可以大幅提高后期实际尾流影响区域判断的效率。

风机实际尾流影响区域判定，结合风机实际尾流分析和风机尾流影响风机预判，准确判定产生尾流的当前风机与受影响风机，以及两者之间的关系。然后进一步分析，产生尾流的当前风机能否通过改变风轮对风的角度，从而使得其尾流不影响尾流后方被影响的风机。若可以则启动尾流避让方案，若无法改变风轮对风角度或者改变角度无法达到尾流避开后方风机的目标，则启动功率最优化方案。

尾流避让方案，正常风机的对风目标是风轮垂直于风吹来的方向，本系统采用改变风轮对风角度的方法，使得风轮与风向呈现非垂直关系，从而使得尾流方向发生改变。例如，改变当前风机的风轮对风的方向，从而使得尾流避开受影响风机。

功率最优化方案，在当前风机无法通过改变对风角度避开受影响风机的情况下，向当前风机发出指令，适当收桨，从而降低当前风机的捕风能力，此时当前风机的发电功率将降低。但是，此时风机的尾流风速将增加，或者尾流变短，对受影响风机的影响变小，则受影响风机的发电能力提高。通过优化算法，实现当前风机和受影响风机总功率的最大化。

本发明实施例提供的风场，设置有风机机群控制系统，可以实时获取当前风向，根据当前风向逐一调节各台风机的运行参数，从而实现对风机机群的统筹管理，减少前排风机尾流对后排风机发电能力的影响，优化提升风机机群的总功率，有效提升风机机群的整体发电量。并且，gps模块价格低，从而节省了成本。

进一步地，本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，存储有为上述风机机群控制系统所用的计算机软件指令。

本发明实施例提供的风机机群控制方法、控制系统和风场具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。