一种基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法与流程

本发明涉及风电领域，特别涉及一种基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法。

背景技术：

风力发电机组通过风向测量设备测得机组叶轮轴线方向与来风方向的夹角，并以此控制机组偏航动作。由于风向测量设备人工安装对准偏差、风向测量设备松动，或者测风设备本身问题等因素造成风向测量装置测得的夹角不准，机组不能够充分对准来风方向，风轮不能充分利用风能，造成机组载荷偏大、影响经济收益。

目前，仅能够人工定期将测风设备进行专业的校准，或增加一套独立的测风设备，才能够充分判断风向测量设备的问题。采用这种方式不能及时发现设备问题或必须增加设备成本。

风力发电机组通过机组的扭缆传感器监测的扭缆值lk反应机舱-塔基段的电缆因为机舱左、右偏航而扭曲的程度，当机组k的扭缆值lk＝0时，机舱-塔筒段的电缆自然垂下无扭曲；扭缆值lk的绝对值越大，说明机舱-塔基段的电缆扭曲越严重，机组通过解缆等控制方式保护主动力电缆不过度拧曲损坏。如果扭缆传感器出现异常，主动力电缆防过度扭曲保护失效，可能造成主动力电缆因为过度扭曲而损坏。为了当防止扭缆传感器出现异常时而造成的保护失效，一般通过增加备用扭缆传感器，这样必然增加设备成本。

气象上把风吹来的方向确定为风的方向，风力发电机组(下称机组)的风向方位角θk即机组测风设备测得的来风方向。

风力发电机组为了保证叶轮最大捕风，需要保持时刻迎风(上风型机组)，机组k叶轮轴线与风向的夹角为风向偏差角αk，风向偏差角αk一般通过测风设备(风向标)直接测得。当αk为0°时，叶轮轴线方向需要与风向完全相反，叶轮旋转面的捕获的风能量最大。当αk为90°或90°叶轮轴线与风向垂直，叶轮旋转面的捕获风能量最小。

机组安装过程中，机舱安装位置不一致会造成叶轮的初始朝向不一致，每台机组获得的风向方位角与实际风向方位角存在不同且固定的差值βk，βk为机组k的差值，为保证机组获得的风向方位角准确，采用通过差值βk进行风向补偿。风向补偿值βk可通过指南针、经纬度仪等设备精确测得。

机组测风设备测得的风向方位角θk由风向偏差测量设备(风向标)测得的风向偏差角αk、扭缆值lk、风向补偿值βk计算而来。

θk＝αk+360×lk+βk

从上式可知，机组在运行过程中出现扭缆值监测设备故障导致的扭缆值lk或测风设备(风向标)故障导致的风向偏差角αk异常均会造成机组风向方位角θk异常，因此通过监测风向方位角θk可以有效判断风向偏差测量设备(风向标)和扭缆值测量传感器的好坏。

在地势开阔、平坦的风场，风电场机组的风向方位角一致度很高，即使在地形较为复杂的山地风场，同一时刻，风电场机组的风向方位由于地形及机组尾流影响会存在一定差异；但在风电场风向方位角稳定的情况下，风电场部分机组之间的风向方位存在一定的关联，通过对比关联机组测量的风向方位角数值可以判断出哪些机组测得的风向方位角存异常，从而及时判断出风向标或扭缆测量传感器异常。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、安全可靠的基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对风电场的机组进行风向方位角校准；

步骤2：记录机组风向方位角历史数据，按风电场方位角区域建立机组分组数据库；

步骤3：风电场风速达到风电场有效风速，机组状态满足条件则进入风向方位角保护控制模式；

步骤4：风向方位角保护控制模式下机组的风向方位角出现异常则触发报警。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤1的具体过程为：人工通过指南针、经纬度仪设备获得机组实际的风向方位角，通过调整机组风向补偿值βk，进行机组的风向方位角校准，最终完成风电场所有机组的风向方位角与机组实际的风向方位角一致。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，记录机组风向方位角历史数据的方法为：当风电场风速v大于或等于风电场有效风速va且机组k的风速vk大于或等于机组有效风速vb，则记录风电场风向方位角θ及机组k的风向方位角θk，k＝1、2、…n，n为风电场的机组总数量；最终完成记录风电场不同的风向方位角θ下，风电场机组1、2、…n的风向方位角θ1、θ2、…θn的历史数据点。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，机组有效风速vb≥机组切入风速，风电场有效风速va≥机组切入风速，机组切入风速≥3m/s。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，风电场风速v和风电场风向方位角θ的测量方式有三种：

第一种是风电场风速v采用测风塔风速v测风塔，则风电场风向方位角θ选取风电场测风塔的风向方位角θ测风塔；

第二种是风电场风速v采用风电场全场n台机组风速的算数平均(v1+v2+…+vn)/n,则风电场风向方位角θ等于(θ1+θ2+…+θn)/n；

第三种是风电场风速v采用风电场全场n台机组风速的均方根平均则风电场的风向方位角θ等于

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，按风电场方位角区域建立机组分组数据库的方法为：风电场风向方位角在某一区域时，对各机组风向方位角θ1、θ2、…θn历史数据点进行对比，机组风向方位角历史数据一致的则分为同组，每组的机组数量不少于3台；最终完成所有风电场风向方位角区域的机组分组记录。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，风电场方位角θ区域均分16个区域，即0°～22.5°为北－北东北，22.5°～45°为北东北－东北，45°～67.5°为东北－东东北，67.5°～90°为东东北－东，90°～112.5°为东－东东南、112.5°～135°为东东南－东南、135°～157.5°为东南－南东南、157.5°～180°为南东南－南、180°～202.5°为南－南西南、202.5°～225°为南西南－西南、225°～247.5°为西南－西西南、247.5°～270°为西西南－西、270°～292.5°为西－西西北、292.5°～315°为西西北－西北、315°～337.5°为西北－北西北、337.5°～0°为北西北－北。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤2中，机组风向方位角历史数据一致的判断依据：两两机组之间的风向方位角差值的绝对值小于α，α≤5°。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤3中，机组状态满足条件至少包括：组内正常运行机组风速达到机组有效风速vb，且数量达到3台以上。

上述基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，所述步骤4中，机组的风向方位角异常判断包括：机组的风向方位角与组内其它机组的风向方位角差值的绝对值大于γ，10°≥γ＞α。

本发明的有益效果在于：本发明首先对风电场的机组进行风向方位角校准；然后记录机组风向方位角历史数据，按风电场方位角区域建立机组分组数据库；接着风电场风速达到风电场有效风速，机组状态满足条件则进入风向方位角保护控制模式；最后风向方位角保护控制模式下机组的风向方位角出现异常则触发报警。本发明不需要增加额外传感器，按风电场方位角区域即可建立机组分组数据库；并通过对组内机组测量的风向方位角异常判断，能够实现风力发电机组的风向及扭缆传感器的异常保护控制，在不增加硬件成本和现场运维工作人员工作任务的条件下，能够实时有效地监测到风向偏差测量设备(风向标)和扭缆传感器的异常。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种基于风向方位角的风力发电机组保护控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对风电场的机组进行风向方位角校准。

具体过程为：人工通过指南针、经纬度仪设备获得机组实际的风向方位角，通过调整机组风向补偿值βk，进行机组的风向方位角校准，最终完成风电场所有机组的风向方位角与机组实际的风向方位角一致。

步骤2：记录机组风向方位角历史数据，按风电场方位角区域建立机组分组数据库。

记录机组风向方位角历史数据的方法为：当风电场风速v大于或等于风电场有效风速va且机组k的风速vk大于或等于机组有效风速vb，则记录风电场风向方位角θ及机组k的风向方位角θk，k＝1、2、…n，n为风电场的机组总数量；最终完成记录风电场不同的风向方位角θ下，风电场机组1、2、…n的风向方位角θ1、θ2、…θn的历史数据点。其中机组有效风速vb≥机组切入风速，风电场有效风速va≥机组切入风速，机组切入风速≥3m/s。

风电场风速v和风电场风向方位角θ的测量方式有三种：第一种是风电场风速v采用测风塔风速v测风塔，则风电场风向方位角θ选取风电场测风塔的风向方位角θ测风塔；第二种是风电场风速v采用风电场全场n台机组风速的算数平均(v1+v2+…+vn)/n,则风电场风向方位角θ等于(θ1+θ2+…+θn)/n；第三种是风电场风速v采用风电场全场n台机组风速的均方根平均则风电场的风向方位角θ等于

按风电场方位角区域建立机组分组数据库的方法为：风电场风向方位角在某一区域时，对各机组风向方位角θ1、θ2、…θn历史数据点进行对比，机组风向方位角历史数据一致的则分为同组，每组的机组数量不少于3台；机组风向方位角历史数据一致的判断依据为：两两机组之间的风向方位角差值的绝对值小于α，α≤5°。最终完成所有风电场风向方位角区域的机组分组记录。

风电场方位角区域均分16个区域，即0°～22.5°为北－北东北，22.5°～45°为北东北－东北，45°～67.5°为东北－东东北，67.5°～90°为东东北－东，90°～112.5°为东－东东南、112.5°～135°为东东南－东南、135°～157.5°为东南－南东南、157.5°～180°为南东南－南、180°～202.5°为南－南西南、202.5°～225°为南西南－西南、225°～247.5°为西南－西西南、247.5°～270°为西西南－西、270°～292.5°为西－西西北、292.5°～315°为西西北－西北、315°～337.5°为西北－北西北、337.5°～0°为北西北－北。

步骤3：风电场风速达到风电场有效风速，机组状态满足条件则进入风向方位角保护控制模式。

机组状态满足条件至少包括：组内正常运行机组风速达到机组有效风速vb，且数量达到3台以上。

步骤4：风向方位角保护控制模式下机组的风向方位角出现异常则触发报警。

机组的风向方位角异常判断包括：机组的风向方位角与组内其它机组的风向方位角差值的绝对值大于γ，10°≥γ＞α。