本发明属于风电技术领域，尤其涉及一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法及系统。
背景技术：
由于我国气候原因，风力发电机组每年会长时间低风速(即额定风速以下)环境中，因此提高风能的捕获率十分必要。
偏航系统是风力发电机组用来提高风能捕获率的重要组成部分，其机构如图1所示，控制逻辑如图2所示。由于风的方向具有随机性，如果能够使风力发电机的风轮对准风向，则会捕获更多的风能。偏航系统主要作用是通过风向标测量风的方向并转换为电信号传递给偏航控制系统，控制系统的处理器向偏航电机发出指令，偏航电机1驱动回转体大齿轮2，使机舱转动对风，偏航机构通过偏航编码器向偏航控制器反馈信号，当检测元件检测到风轮对准风向后，反馈给风向标，风向标则不再传递电信号，电机停止工作，偏航制动器制动，偏航过程结束。
偏航系统是现代大型风力发电机组必不可少的一个组成部分，它可以使风轮方向与风速方向始终保持近乎一个方向上，使风轮保持一个最佳的迎风状态，保证风力发电机捕获最大风能，提高风能利用率，保证机组电力输出。
偏航系统控制分为自动偏航、90°侧风、人工偏航、自动解缆，其优先级顺序与主程序流程图如图3所示。90°侧风主要是针对强风条件下的保护性措施；而人工偏航则是在自动偏航失效、人工解缆或者需要维修时的使用的偏航手段；自动解缆在发生扭缆时，通过反方向转动机舱实现的；自动偏航则是上文所述的风电机组对风功能。
然而通常情况下，自动偏航是根据测风装置采集到的风向信号与当时风轮轴线之间的夹角，即偏航误差角θe决定的，通过控制系统内预设的偏航控制程序使偏航系统自动调整机组方位，保证风轮与风方向保持一致，从而提高机组的风能利用率。由于风具有随机性，自然风其速度和方向会随时间随机变化，过度频繁的偏航会影响偏航系统的寿命，一般风机设计时，都会设计一个最小偏航误差角，在最小偏航误差角允许的范围内，机组不会进行偏航动作，只有在当前的偏航误差角大于最大偏航误差角时，偏航控制系统才会令机偏航系统执行自动偏航命令。
如果将风向角度用θw表示、风轮轴线的角度用θt表示，则偏航误差角θe为风向角度θw与风轮轴线的角度用θt之差。则某风速下的风电机组功率p可用式1表示：
p＝pmaxcosθe＝pmaxcos(θt-θw)(1)
式中pmax为某风速下的最高风能利用率对应的风机功率，其关系如图4所示。
主流的兆瓦级大型风力发电机组偏航系统多基于风向标，最小偏航角设计值为±15°，风轮轴线方向与风速方向角度在15°之内，则风机不会进行自动偏航对风。这种偏航系统的设计虽然可以在一定程度上减少对偏航电机、偏航齿圈等设备的损耗，但是却浪费了大量宝贵的风资源，降低了发电效率。
目前，有学者提出了基于khc、基于vhc以及基于hcc的偏航系统控制策略，上述几种算法，则是根据寻找风力发电机组的输出功率极大值，根据偏航误差角与电机功率关系来控制偏航电机动作，可精确地实现偏航控制。然而这些方法虽然能够提高风机的风资源利用率，但是频繁的偏航对于设备使用寿命不利，增加了风电场运维成本。同时，这些算法都是基于复杂的人工智能算法，运算量较大，这就对风机控制系统与运行人员的素质提出了更高的要求，难以实现风电场经济利益的最大化。
技术实现要素：
本发明的目的是针对自动偏航提供一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法及系统，在减少设备损耗的前提下，增加偏航系统所带来的风机风能利用率。
本发明提供了一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法，用于自动偏航控制，包括：
当风速大于切入风速且小于第一预设风速时，将最小偏航误差角控制在±15°范围；其中，第一预设风速小于额定风速且大于切入风速；
当风速大于第一预设风速且小于第二预设风速时，采用风速跟踪控制策略，使最小偏航误差角随风速的提高而较小；其中，第二预设风速大于额定风速且小于切出风速；
当风速大于第二预设风速且小于切出风速时，基于发电机功率计算最小偏航误差角，并且在发电机组达到满发时停止偏航。
进一步地，第一预设风速、第二预设风速根据下式计算获得：
式中，v1为第一预设风速，v2为第二预设风速，v额为发电机组的额定功率。
本发明还提供了一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航系统，包括控制器，控制器用于自动偏航控制，包括：
当风速大于切入风速且小于第一预设风速时，将最小偏航误差角控制在±15°范围；其中，第一预设风速小于额定风速且大于切入风速；
当风速大于第一预设风速且小于第二预设风速时，采用风速跟踪控制策略，使最小偏航误差角随风速的提高而较小；其中，第二预设风速大于额定风速且小于切出风速；
当风速大于第二预设风速且小于切出风速时，基于发电机功率计算最小偏航误差角，并且在发电机组达到满发时停止偏航。
进一步地，第一预设风速、第二预设风速根据下式计算获得：
式中，v1为第一预设风速，v2为第二预设风速，v额为发电机组的额定功率。
借由上述方案，通过三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法及系统，在减少设备损耗的前提下，增加了偏航系统所带来的风机风能利用率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是偏航系统的结构示意图；
图2是偏航系统控制逻辑图；
图3是偏航系统优先级顺序与主程序流程图；
图4是功率与偏航误差角的关系图；
图5是本发明偏航风速区域划分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例提供了一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法，用于自动偏航控制，包括：
当风速大于切入风速且小于第一预设风速时，将最小偏航误差角控制在±15°范围；其中，第一预设风速小于额定风速且大于切入风速；
当风速大于第一预设风速且小于第二预设风速时，采用风速跟踪控制策略，使最小偏航误差角随风速的提高而较小；其中，第二预设风速大于额定风速且小于切出风速；
当风速大于第二预设风速且小于切出风速时，基于发电机功率计算最小偏航误差角，并且在发电机组达到满发时停止偏航。
通过该三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法，能够在减少设备损耗的前提下，增加偏航系统所带来的风机风能利用率。
本实施例还提供了一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航系统，包括控制器，控制器用于自动偏航控制，包括：
当风速大于切入风速且小于第一预设风速时，将最小偏航误差角控制在±15°范围；其中，第一预设风速小于额定风速且大于切入风速；
当风速大于第一预设风速且小于第二预设风速时，采用风速跟踪控制策略，使最小偏航误差角随风速的提高而较小；其中，第二预设风速大于额定风速且小于切出风速；
当风速大于第二预设风速且小于切出风速时，基于发电机功率计算最小偏航误差角，并且在发电机组达到满发时停止偏航。
通过该三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航系统，能够在减少设备损耗的前提下，增加偏航系统所带来的风机风能利用率。
下面对本发明作进一步详细说明。
参图5所示，本实施例针对自动偏航，以目前广泛应用的偏航系统为基础，通过改变其控制算法，在减少设备损耗的前提下，可以最大限度地增加风能利用率。
一般大型风力发电机组切入风速为3m/s,切出风速为25m/s。当来流风速大于3m/s小于额定风速时，风力发电机组功率未达到额定功率，在该阶段风力发电机组尽最大能力捕获风能；当来流速度大于额定风速小于切出速度时，风力发电机组采取变桨控制策略，使风机在额定功率运行，保护风机安全稳定运行，在该阶段风力发电机组会舍弃一定风能，不需要完全利用来流所带来的能量。
基于风力发电机上述设计，将风力发电机组功率曲线分成三个区域,如图5所示：±15°偏航区域、风速跟踪偏航区域及额定功率偏航区域。
当风速大于切入风速3m/s小于额定以下设计风速v1时，仍然采用原控制策略，使之最小偏航角为±15°，控制策略不变，该阶段由于风速较小，精确的偏航无法使风轮捕获更多的风能，同时会增加设备损耗，为保证风力发电机组正常运行，因此仍采用当前大型风力发电机组±15°控制策略。
当风速大于额定以下设计风速v1而小于额定以上设计风速v2时，则采用风速跟踪控制策略，该风速区间跨越了额定风速以上和以下区域段，由于该区域段风速已经达到一定等级但仍达不到满发，增加偏航可以捕获大幅度增加风能捕获量，在该阶段可以随着风速的提高适当减小最小偏航误差角，即风速越大偏航误差角越小。
当风速大于额定以上设计风速v2小于切出风速时，该阶段的最小偏航角基于发电机功率计算，一旦能够使机组达到满发，即停止偏航。
风电机组功率不同，其设计风速v1、v2亦不同，在风速从低到高变化的过程中，其变化率也来越大，根据风电机组的额定功率，其设计风速公式如下：
风速跟踪控制策略，适用风速段位为风速大于额定以下设计风速v1而小于额定以上设计风速v2时。根据式(1)，可将经过偏航获得风能效率cosθe，在该阶段，令偏航获得风能效率随风速的增加而线性增加。
某风场采用本实施例的偏航方法及系统进行自动偏航控制，根据统计，该风场1.5wm风机，采用最小偏航误差角±15°的风机，平均偏航误差角9°～10°，而采用该方法经过计算可知，采用该三段式控制策略的偏航系统偏航误差角降低至3°～4°。如果将传统偏航系统的偏航误差角计作9.5°，该控制方法下的偏航系统偏航误差角记作3.5°。以额定功率1.5wm的风机为例，一台风机可额外获得功率△p：
δp＝p额(cos9.5°-cos3.5°)＝17.77kw；
一般风电场一台风机折算满发小时数约为2000，则一台风机一年可增加电能35547.59kwh，目前风电上网电价为0.61元/kwh，则一台风机则可谓风电场多盈利21684.03元，如果一个33台49.5mw的风电场，一年可多盈利71.56万元。在提高了风机的发电效率的同时，其对偏航设备额外增加的损耗极低。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。