风电机组预知性偏航控制方法、装置和系统与流程

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种风电机组预知性偏航控制方法、装置和系统。

背景技术：

目前，在风力发电机组(简称“风电机组”)的偏航控制中，各风电机组只能获取当前所在位置的风向，由于风向具有波动性和随机性，当风向变化时，风电机组需要等待一段时间，确定风向稳定后再进行偏航。这就造成了发电量的损失，同时由于没有正对风，风电机组将产生很大的偏载，由此造成的疲劳损伤和机械冲击，大大影响了风电机组的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供一种风电机组预知性偏航控制方法、装置和系统，以在偏航过程中，提升风电机组的发电量，降低风电机组载荷。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种风电机组预知性偏航控制方法，包括：实时获取风电场内各风电机组处的风向检测器采集的风向；识别当前风电机组在沿所述风向上是否为最先迎风的头排风电机组；若识别结果为“否”，则根据所述当前风电机组处的风向以及沿所述风向上所述当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，设置所述当前风电机组的偏航启动时间。

本发明的实施例还提供了一种风电机组预知性偏航控制装置，所述装置包括：风向获取模块，用于实时获取风电场内各风电机组处的所述风向检测器采集的风向；机组识别模块，用于识别当前风电机组在沿所述风向上是否为最先迎风的头排风电机组；第一偏航控制模块，用于若所述机组识别模块的识别结果为“否”，则根据所述当前风电机组处的风向以及沿所述风向上所述当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，设置所述当前风电机组的偏航启动时间。

本发明的实施例还提供了一种风电机组预知性偏航控制系统，所述系统包括：设置在风电场内各风电机组处的风向检测器和如上所述的风 电机组预知性偏航控制装置。

本发明实施例提供的风电机组预知性偏航控制方法、装置和系统，针对沿风向上非最先迎风的非头排风电机组，将这些风电机组处的风向与其前排风电机组处的风向的相对角度进行统计；并根据这些相对角度，设置非头排风电机组的偏航启动时间。换言之，通过调整偏航启动时间，来调整偏航的等待时间，以实现最大化的发电效率和最小化的机组载荷。

附图说明

图1为现有风电场中风速风向传递示意图；

图2为本发明提供的风电机组预知性偏航控制方法一个实施例的方法流程图；

图3为本发明提供的风电机组预知性偏航控制方法另一个实施例的方法流程图；

图4为本发明提供的无线网桥的拓扑结构图；

图5为本发明提供的风电机组预知性偏航控制方法再一个实施例的方法流程图；

图6为本发明提供的风电机组预知性偏航控制装置一个实施例的结构框图；

图7为本发明提供的风电机组预知性偏航控制装置另一个实施例的结构框图；

图8为本发明提供的第一偏航控制模块的结构框图；

图9为本发明提供的第二偏航控制模块的结构框图。

附图标号说明

610-风向获取模块、620-机组识别模块、630-第一偏航控制模块、640-第二偏航控制模块、650-无线网桥模块、631-第一统计单元、632-第一启动单元、633-第一停止单元、641-第二统计单元、642-第二启动单元、643-第二停止单元。

具体实施方式

图1为现有风电场中风速风向传递示意图。假定风电场内当前以正北方向作为上风方向，各风电机组从正北方向向南排列依次作为上风第一排、第二排......风电机组。图1中所示，沿上风方向第一排风电机组处的风速为v，风向与第一排风电机组水平夹角为θ，第一排风电机组到第 二排风电机组的距离为x，第二排风电机组到第三排风电机组的距离为y，那么第一排风电机组处的风传递到第二排风电机组处用的时间为t1，t1＝x/(v*sinθ)，第一排风电机组处的风传递到第三排风电机组处需要的时间t2，t2＝(x+y)/(v*sinθ)。上述公式忽略掉风速递减。

这里说明，由于风电场内的风向是波动的，严格按照风的实际传递方向来确定最先迎风的头排风电机组的过程复杂度较大，这需要实时监测吹向风电场的风向的变化。但是，虽然风向是实时波动，但整体的上风方向是相对稳定的，例如，在中国大陆夏季以南风为主，而到了冬季则以北风为主，基于这些特点，可以将上风的正向风向(如正南风或正北风)作为本实施例中的风向，对应迎风的头排风电机组即为最先迎接该正风方向的风电机组，例如图1中的第一排风电机组即为最先迎接正北风的风电机组。

本发明的发明构思，是基于风向在长时间内传递过程处于相对稳定状态时，对风电场内沿风向上的后排的风电机组的偏航启动时间进行调整，以控制后排的风电机组提前追逐前排风电机组的偏航动作，从而缩短偏航等待时长，实现快速对风，提高风电机组的发电效率，同时减少机组载荷。

实施例一

图2为本发明提供的风电机组预知性偏航控制方法一个实施例的方法流程图，该方法的执行主体可以为设置在各风电机组的控制装置，也可以为风电场的控制系统。如图2所示，以执行主体为设置在各风电机组的控制装置为例，该风电机组预知性偏航控制方法具体包括：

s210，实时获取风电场内各风电机组处的风向检测器采集的风向。

例如，针对风向检测器及本方案执行主体在同一风电机组上，可将该执行主体与风电机组的偏航系统通信连接，或是直接与设置在该风电机组上的风向检测器如风向标进行通信连接，从而直接或间接获取该风向检测器检测的风向的信息。

针对风向检测器及本方案执行主体不在同一风电机组上，可将各风电机组处的风向信息通过风电机组传输至风电场的主控系统，然后再由主控系统将这些风向信息分发至各风电机组上，以使位于各风电机组上的执行主体获得这些风向信息。各风电机组与风电场主控系统之间可通 过现有光纤网络或无线通信网络等通信方式进行风向信息交互。本实施例对各风电机组共享其位置处的风向信息的方式不做限定。

s220，识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组。

例如，在各风电机组处预先存储风电场内各风电机组的地理位置信息，根据该地理位置信息以及检测到的风向，可以判断出当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组。

具体地，本实施例中的风向方向可以为上风的实际方向，也可以为上风的正向方向，如正南方向、正北方向等。用上风的正向方向代替实际的风向可以大大减小确认最先迎风的头排风电机组的复杂度，同时不影响后续操作。

s230，若识别结果为“否”，则根据当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，设置当前风电机组的偏航启动时间。

通常，当吹过风电场内各风电机组处的风相对一致或风向角度差相差不大时，沿风向方向的后排风电机组可参考前排风电机组处的风向进行偏航动作，而无需限制一定要风吹到当前风电机组后，再根据当前风电机组处风向检测器检测的风向进行偏航动作。如此，可以在预知前后排风电机组处风向相对一致或接近的情况下，依据前排风电机组处的风向对后排风电机组提前进行偏航控制。

本实施例中，将两个方向之间的角度差定义为两个方向的相对角度。具体地，根据当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的角度差，即相对角度，可以判断出前后排风电机组处风向相对一致或接近的情况。该判断需要统计一段时间内上述相对角度的变化情况。根据统计出的不同连续时长的相对角度的情况，可以判断出前后排风电机组处风向相对一致的程度，如前后排风电机组处风向相对一致或接近的状态保持的时间越长，表征风向的稳定性越好，那么可缩短后排机组偏航等待时长，提前进入偏航状态，风向的稳定性越好，设置当前风电机组(后排风电机组)的偏航启动时间越提前。

这种设置当前风电机组(后排风电机组)的偏航启动时间的方式，可以使位于后排的风电机组快速对风，提高了风电场的发电效率。同时， 由于风电机组的正对风时间增加了，风向对风电机组侧向的载荷就降低了，一定程度降低了机组载荷。

本发明实施例提供的风电机组预知性偏航控制方法，是基于风向在长时间内传递过程处于相对稳定状态时，对风电场内沿风向上的后排的风电机组的偏航启动时间进行调整，缩短偏航等待时长，实现快速对风，提高风电机组的发电效率，同时减少机组载荷。

实施例二

图3为本发明提供的风电机组预知性偏航控制方法一个实施例的方法流程图，该方法可视为图2所示方法实施例的一种具体实现方式，对风向信息的共享以及设置当前风电机组的偏航启动时间的策略均进行了详细描述。如图3所示，该风电机组预知性偏航控制方法具体包括：

s310，通过无线网桥从当前风电机组的相邻风电机组处实时获取风电场内各其他风电机组处的风向，且通过当前风电机组处的风向检测器获取当前风电机组处的风向。步骤s310为s210的细化步骤。

对于设置在各风电机组上的执行主体很容易通过与位于同一风电机组上的风向检测器进行通信连接，获取当前风电机组处的风向。但要获取其他风电机组处的风向信息，位于各风电机组上的执行主体要么与风电场的控制系统连接，以通过风电场的控制系统获取其他风电机组处的风向的信息，要么以各风电机组作为网络节点建立通信网络直接实现相互间的数据交互。本实施例对后者实现方式给出了如下具体方案。

风电场中每个风电机组均作为一个无线节点采用生成树协议(spanningtreeprotocol，stp)构建无线网桥。stp可用来减少网络中的链接失败，并提供循环保护。stp可以有效的增加系统可靠性，让网络无间断的运行。如图4所示，本实施例中stp采用ieee802.1d标准网桥，无线网桥建立后可实现整个风电场的互联。无线节1与无线节点2链接，无线节点2与无线节点3链接，那么无线节点1就可以和无线节点3链接。依次类推，无线网桥采用stp/rstp技术生成无线网桥网络拓扑结构。由于无线通信距离受到风电机组距离的影响，两台远距离的风电机组之间的通讯需要其它风电机组提供网络节点。

基于在风电场中构建的无线网桥的网络拓扑，位于各风电机组上的执行主体可将当前风电机组上的风向检测器实时采集的当前风电机组处 的风向数据，通过该无线网桥传输至风电场内各其他风电机组，从而实现各风电机组之间风向数据的共享。

s320，识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组。步骤s320的内容与s220的内容相同。

s330，若识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组的结果为“是”，则根据当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度，设置当前风电机组的偏航启动时间。

对于头排风电机组的偏航启动时间，依据当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度进行设置。例如，当在固定统计时间窗口内平均相对角度小于预设角度，则设置偏航等待时长t，若在等待时间t内，各固定统计时间窗口内平均相对角度均小于预设角度，则在等待时间t结束后启动偏航。

s340，若识别结果为“否”，则根据当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，设置当前风电机组的偏航启动时间。步骤s340与步骤s230的内容相似。

具体地，如图5所示实施例中，示出了在识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组后的两种设置偏航启动时间的方法流程，分别对应上述步骤s330和s340的细化过程。如图5所示，该方法包括：

s501，识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组，如果结果为“是”，则执行s502；如果为否，则执行s507。

s502，统计当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度在至少一种统计时间窗口的相对角度平均值。

其中，统计时间窗口为具有固定时长的时间窗口，该时间窗口随着时间推移向后移动。例如，步骤s502中，winddir_30sec表示30秒内相对角度平均值，winddir_1min表示一分钟内相对角度平均值，winddir_10min表示十分钟内相对角度平均值。

本实施例不局限于上述三种统计时间窗口。

本实施例中，依据当前风电机组的偏航位置角度以及所处位置的风向角度之间的相对角度，在上述至少一个统计时间窗口内的相对角度平均值设置当前风电机组的偏航启动时间。

具体地，针对每种统计时间窗口的相对角度平均值，设置当前风电机组在其相对角度平均值连续位于预设阈值区间内的首个偏航等待时长结束时启动偏航。例如：

s503，在30秒内相对角度平均值大于25度时，设置偏航等待时长为t1，当在t1内30秒内相对角度平均值始终大于25度时，则确定在t1结束后，启动风电机组偏航，即在30秒内相对角度平均值大于25度，且持续t1时长后，确定启动偏航。

s504，在一分钟内相对角度平均值大于20度时，设置偏航等待时长为t2，当在t2内一分钟内相对角度平均值始终大于20度，则确定在t2结束后，启动风电机组偏航，即一分钟内相对角度平均值大于20度，且持续t2时长后，确定启动偏航。

s505，在十分钟内相对角度平均值大于15度，设置偏航等待时长为t3，当在t3内十分钟内相对角度平均值始终大于15度，则确定在t3结束后，启动风电机组偏航，即十分钟内相对角度平均值大于15度，且持续t3时长后，确定启动偏航。

这里说明，s503、s504和s505可单独择一实施，也可组合后实施。组合后实施过程中，优先执行等待时长较当前时刻较近者的实施策略。上述等待时间满足：t1＜t2＜t3。当上述任一策略中的条件满足，且最先到达等待时长的，以该等待时长结束点开始，执行步骤s511，启动风电机组的偏航动作。

s507，统计当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，在至少一种统计时间窗口的相对角度平均值。

例如，步骤s507中，winddir_30sec表示30秒内相对角度平均值，winddir_1min表示一分钟内相对角度平均值，winddir_10min表示十分钟内相对角度平均值。

本实施例不局限于上述三种统计时间窗口。

本实施例中，依据当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，在上述至少一个统计时间窗口内的相对角度平均值设置当前风电机组的偏航启动时间。

具体地，针对每种统计时间窗口的相对角度平均值，设置当前风电 机组在其相对角度平均值连续位于预设阈值区间内的首个偏航等待时长结束时启动偏航。例如：

s508，在30秒内相对角度平均值大于25度时，设置偏航等待时长为t1/3，当在t1/3内30秒内相对角度平均值始终大于25度时，则确定在等待时间t1/3结束后，启动风电机组偏航，即在30秒内相对角度平均值大于25度，且持续t1/3时长后，确定启动偏航。

s509，在一分钟内相对角度平均值大于20度，设置偏航等待时长为t2/3，当在t2/3内一分钟内相对角度平均值始终大于20度，则确定在等待时间t2/3结束后，启动风电机组偏航，即一分钟内相对角度平均值大于20度，且持续t2/3时长后，确定启动偏航。

s510，在十分钟内相对角度平均值大于15度，设置偏航等待时长为t3/3，当在t3/3内十分钟内相对角度平均值始终大于15度，则确定在等待时间t3/3结束后，启动风电机组偏航，即十分钟内相对角度平均值大于15度，且持续t3/3时长后，确定启动偏航。

这里说明，s508、s509和s510可单独择一实施，也可组合后实施。组合后实施过程中，优先执行等待时长较当前时刻较近者的实施策略。当上述任一策略中的条件满足，且最先到达等待时长的，以该等待时长结束点开始，执行步骤s511，启动风电机组的偏航动作。上述等待时间中：t1＜t2＜t3，且与头排机组对应的等待时间对应相同。这里之所以将位于后排的风电机组的偏航等待时长设置为头排风电机组偏航等待时长的1/3，是基于后排风电机组的相对角度是比较前排风电机组处的风向做参考，因此，评价风向的稳定性时，其可信度更高。

进一步地，在执行s507之前还可先执行s506，统计当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度在距离当前时刻起前较短时间内，如30秒内的平均相对角度是否小于预设值(如20°～30°中任一值)，如果判断为是，则再执行s507的内容，以增加执行后续步骤507的必要性。

例如，当30秒内前后排的风电机组处的风向的平均相对角度小于预设值，则表征当前风向在该前后两排的风电机组处较为一致和稳定，那么在执行步骤507时，统计得到的相对角度其满足s508、s509或s510的条件的几率就越大，避免不必要的计算过程。但是，如果执行步骤s506 时，30秒内前后排的风电机组处的风向的平均相对角度不小于预设值，则表征当前风向在该前后两排的风电机组处不一致，且风向的稳定性差，则后排风电机组不能依据前排风电机组处的风向提早进行偏航。此时，将当前风电机组视为头排风电机组执行步骤s502的内容。

在执行s511的过程中，还可执行s512，根据当前机组对应的相对角度(winddir表示瞬时相对角度)，是否位于0度区间(包含0度在内的连续角度区间)，来确定是否停止偏航。

具体地，针对头排风电机组作为当前风电机组进行偏航的过程中，识别当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度是否位于0度区间，若识别结果为“是”，则执行s513停止偏航，否则继续偏航。

针对非头排风电机组作为当前风电机组进行偏航的过程中，识别所述当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度是否位于0度区间，若识别结果为“是”，则执行s513停止偏航，否则继续偏航。

本发明实施例提供的风电机组预知性偏航控制方法，在图2所示实施例的基础上，以统计时间窗口的相对角度平均值设置当前风电机组的偏航启动时间。同时，针对头排风电机组和非头排风电机组设置了不同的偏航等待时间，有区别的进行偏航时间的控制，提高了整个偏航时间控制的准确性和合理性。

实施例三

图6为本发明提供的风电机组预知性偏航控制装置一个实施例的结构框图，可执行如图2所示方法步骤。如图6所示，该风电机组预知性偏航控制装置包括：风向获取模块610、机组识别模块620和第一偏航控制模块630，其中：

风向获取模块610，用于实时获取风电场内各风电机组处的风向检测器采集的风向；机组识别模块620，用于识别当前风电机组在沿风向上是否为最先迎风的头排风电机组；第一偏航控制模块630，用于若机组识别模块的识别结果为“否”，则根据当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，设置当前风电机组的偏航启动时间。

进一步地，如图7所示，上述风电机组预知性偏航控制装置中还包 括：第二偏航控制模块640，用于若机组识别模块620的识别结果为“是”，则根据当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度，设置当前风电机组的偏航启动时间。

进一步地，如图7所示，上述风电机组预知性偏航控制装置中还包括：无线网桥模块650，用于将当前风电机组上的风向检测器实时采集的所当前风电机组处的风向数据，通过无线网桥传输至风电场内各其他风电机组；风电场内各风电机组处均设置有无线网桥的无线节点。

进一步地，上述风向获取模块610还用于，通过无线网桥从当前风电机组的相邻风电机组处实时获取风电场内各其他风电机组处的风向，且通过当前风电机组处的风向检测器获取当前风电机组处的风向。

进一步地，如图8所示，上述第一偏航控制模块630包括：

第一统计单元631，用于统计当前风电机组处的风向以及沿风向上当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度，在至少一种统计时间窗口的相对角度平均值；第一启动单元632，用于根据至少一种统计时间窗口的相对角度平均值设置当前风电机组的偏航启动时间。

进一步地，上述第一启动单元632，用于针对每种统计时间窗口的相对角度平均值，设置当前风电机组在其相对角度平均值连续位于预设阈值区间内的首个偏航等待时长结束时启动偏航。

进一步地，如图8所示，上述第一偏航控制模块630中还包括：第一停止单元633，用于在当前风电机组进行偏航的过程中，识别当前风电机组处的风向以及沿风向上所述当前风电机组的前排风电机组处的风向的相对角度是否位于0度区间，若识别结果为“是”，则停止偏航。

进一步地，如图9所示，上述第二偏航控制模块640中包括：第二统计单元641，用于统计当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度在至少一种统计时间窗口的相对角度平均值；第二启动单元642，用于根据至少一种统计时间窗口的相对角度平均值设置所述当前风电机组的偏航启动时间。

进一步地，上述第二启动单元642，用于针对每种统计时间窗口的相对角度平均值，设置当前风电机组在其相对角度平均值连续位于预设阈值区间内的首个偏航等待时长结束时启动偏航。

进一步地，如图9所示，上述第二偏航控制模块640中还包括：第 二停止单元643，用于在当前风电机组进行偏航的过程中，识别当前风电机组的偏航方向及其所在位置的风向的相对角度是否位于0度区间，若识别结果为“是”，则停止偏航。

本发明实施例提供的风电机组预知性偏航控制装置，是基于风向在长时间内传递过程处于相对稳定状态时，对风电场内沿风向上的后排的风电机组的偏航启动时间进行调整，缩短偏航等待时长，实现快速对风，提高风电机组的发电效率，同时减少机组载荷。

进一步地，在图6所示实施例的基础上，图7、图8和图9中，以统计时间窗口的相对角度平均值设置当前风电机组的偏航启动时间。同时，针对头排风电机组和非头排风电机组设置了不同的偏航等待时间，有区别的进行偏航时间的控制，提高了整个偏航时间控制的准确性和合理性。

进一步地，本发明实施例还提供了一种风电机组预知性偏航控制系统，该系统包括：设置在风电场内各风电机组处的风向检测器和如图6-图9中任一所示的风电机组预知性偏航控制装置。

进一步地，上述系统中还包括：无线网桥，该无线网桥的无线节点设置在风电场内各所述风电机组处，并与位于相同风电机组处的风电机组预知性偏航控制装置连接。

本发明提供的风电机组预知性偏航控制系统，可在偏航过程中，提升风电机组的发电量，降低风电机组载荷。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。