本发明属于风力发电机控制领域，涉及一种提升风力发电机组风能捕获能力的控制补偿方法及装置。
背景技术：
随着国内风电场开发向低风速、高海拔地区转移，提升风力发电机组的风能捕获能力变得越来越重要。传统国内风力发电机组的控制策略单一，尤其是只采用标准空气密度来计算最优控制曲线，对多样的自然环境的适应力较差。
未考虑不同场址、或同一场址不同时段条件下，空气密度不同对风力发电机组出力的影响，给机组的风能捕获能力带来了两个缺陷：
(1)当空气密度偏离标准空气密度时，机组运行会随之偏离最优风能利用率，电场发电能力低于最优发电能力；
(2)在低空气密度的条件下，机组易发生失速现象，实际运行的功率曲线明显低于设计功率曲线。
传统风力发电机组运行主要分为4个阶段，I.恒转速(并网转速)、II.变速段(转矩-转速控制，追踪最佳风能捕获)、III.恒转速(额定功率)和IV.恒功率(变桨控制)。
在第II阶段，传统风力发电机组通过转矩-转速控制，追踪最大风能利用率，所用公式为：
Tg(w)＝Koptwg2 (1)
公式中的Kopt值是以标准空气密度计算所得，其中：R为风轮半径；λ为叶尖速比；N为齿轮箱传动比；Cp(λ)为叶尖速比时λ的机组功率因素。在本地空气密度等于标准空气密度时，Cp(λ)始终保持最大Cp。但当本地密度偏离标准空气密度时，Cp(λ)也随之偏离最大Cp。为保证此阶段中，Cp(λ)始终达到Cp max，即机组风能捕获能力始终达到最大，需对现场空气密度进行实时监测，并将公式(2)中的标准空气密度ρ0修正为实际空气密度值ρ。
在第III阶段，当本地空气密度较低时，机组运行到额定风速附近，容易产生失速现象。这是因为在空气密度低的情况下，要达到额定功率，需要比标准空气密度条件下更大的风速；而更大的风速导致在第III阶段，机组的叶尖速比更多地偏离最佳叶尖速比，导致了风能捕获能力的大幅度下降。
技术实现要素：
为了克服已有风力发电机控制方式的风能捕获能力较低的不足,本发明提供了一种提升风能捕获能力、实现不同工况下的出力最优化的提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿方法，所述控制补偿方法包括以下步骤：
1)通过测量风力发电机组所在场地的气温、气压、湿度，以周期为Tcal定时计算获得当地即时空气密度；Tcal根据不同风电场的密度波动情况进行设定；
2)将计算所得的离散的空气密度值，整合到预设的若干个区间范围中，根据实际密度所处区间对输入主控系统的密度进行赋值；
3)根据实时空气密度值所在区间，修正风电机组主控程序中与密度相关的参数；并在空气密度低于预设阈值时，在风速达到额定风速前开启机组变桨功能，使风力发电机组在变化的环境中尽量保持最优工作状态。
进一步，所述步骤1)中，空气密度计算公式为
其中：ρ(t)为当前环境下的空气密度，单位为kg/m3；ρ0为标准空气密度；p为当前环境的大气压力，单位为MPa；为当前环境的相对湿度；t为当前环境的温度；pb为环境温度t下饱和空气中水蒸气的分压力。
再进一步，所述步骤3)中，当实时空气密度小于预设阈值时，指示风力发电机组在风速达到额定风速前启动变桨功能；在实时空气密度下，根据“特定密度不同桨距角下风力发电机组的Cp～λ曲线簇”，将桨距角设定到最优值，使得在设定的λ范围内，保证Cp总能取到最大值。
一种提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿装置，所述装置包括：
测量模块，用于测量风力发电机组所在场地的气温、气压、湿度，以周期为Tcal定时计算获得当地即时空气密度；Tcal根据不同风电场的密度波动情况进行设定；
计算模块，用于计算离散的空气密度值；
判断模块，用于判断实际空气密度所在的区间范围，根据实际密度所处区间对输入主控系统的密度进行赋值；同时判断实时空气密度是否低于预设阀值，从而对主控系统发出提前变桨/不提前变桨指令；
指令模块，用于根据实时空气密度值所在区间，修正风电机组主控程序中与密度相关的参数；用于在空气密度低于预设阈值(1.0kg/m3)时，在风速达到额定风速前开启机组变桨功能，使风力发电机组在变化的环境中尽量保持最优工作状态。
进一步，所述测量模块中，空气密度计算公式为
其中：ρ(t)为当前环境下的空气密度，单位为kg/m3；ρ0为标准空气密度；p为当前环境的大气压力，单位为MPa；为当前环境的相对湿度；t为当前环境的温度；pb为环境温度t下饱和空气中水蒸气的分压力。
再进一步，所述判断模块中，当实时空气密度小于预设阈值(1.0kg/m3)时，指示风力发电机组在风速达到额定风速前启动变桨功能；在实时空气密度下，根据“特定密度不同桨距角下风力发电机组的Cp～λ曲线簇”，将桨距角设定到最优值，使得在设定的λ范围内，保证Cp总能能取到最大值。
本发明的技术构思为：
(1)对现场空气密度进行实时监测，并依据实际空气密度对风力发电机组第II阶段的控制参数——最优模态增益Kopt进行修正，保证在第II阶段(转矩-转速控制阶段)，机组可以即时追踪到最优风能利用率Cp。
(2)通过收集和分析不同密度和不同桨距角下，风力发电机组的Cp～λ曲线簇，可以得到不同风速下最优叶尖速比λ对应的最优桨距角。若空气密度低于某临界值(1.0kg/m3)时，在第III阶段，开启变桨功能，让机组始终追踪最优桨距角，从而获得该条件下的最大风能捕获能力。
本发明的有益效果主要表现在：提升风能捕获能力、实现不同工况下的风力发电机组的出力最优化。
附图说明
图1是提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图1，一种提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿方法，所述控制补偿方法包括以下步骤：
1)通过测量风力发电机组所在场地的气温、气压、湿度，以周期为Tcal定时计算获得当地即时空气密度；Tcal根据不同风电场的密度波动情况进行设定；
2)将计算所得的离散的空气密度值，整合到预设的若干个区间范围中，根据实际密度所处区间对输入主控系统的密度进行赋值；
3)根据实时空气密度值所在区间，修正风电机组主控程序中与密度相关的参数；并在空气密度低于预设阈值(1.0kg/m3)时，在风速达到额定风速前开启机组变桨功能，使风力发电机组在变化的环境中尽量保持最优工作状态。
进一步，所述步骤1)中，空气密度计算公式为
其中：ρ(t)为当前环境下的空气密度，单位为kg/m3；ρ0为标准空气密度；p为当前环境的大气压力，单位为MPa；为当前环境的相对湿度；t为当前环境的温度；pb为环境温度t下饱和空气中水蒸气的分压力。
再进一步，所述步骤3)中，当实时空气密度小于预设阈值(1.0kg/m3)时，指示风力发电机组在风速达到额定风速前启动变桨功能；在实时空气密度下，根据“特定密度不同桨距角下风力发电机组的Cp～λ曲线簇”，将桨距角设定到最优值，使得在设定的λ范围内，保证Cp总能取到最大值。
实施例2
参照图1，一种提升风力发电机组风能捕获能力的智能控制补偿装置，所述装置包括：
测量模块，用于测量风力发电机组所在场地的气温、气压、湿度，以周期为Tcal定时计算获得当地即时空气密度；Tcal根据不同风电场的密度波动情况进行设定；
计算模块，用于计算离散的空气密度值；
判断模块，用于判断实际空气密度所在的区间范围，根据实际密度所处区间对输入主控系统的密度进行赋值；同时判断实时空气密度是否低于预设阀值(1.0kg/m3)，从而对主控系统发出提前变桨/不提前变桨指令；
指令模块，用于根据实时空气密度值所在区间，修正风电机组主控程序中与密度相关的参数；用于在空气密度低于预设阈值(1.0kg/m3)时，开启机组提前变桨功能，使风力发电机组在变化的环境中尽量保持最优工作状态。
进一步，所述测量模块中，空气密度计算公式为
其中：ρ(t)为当前环境下的空气密度，单位为kg/m3；ρ0为标准空气密度；p为当前环境的大气压力，单位为MPa；为当前环境的相对湿度；t为当前环境的温度；pb为环境温度t下饱和空气中水蒸气的分压力。
再进一步，所述判断模块中，当实时空气密度小于预设阈值(1.0kg/m3)时，指示风力发电机组在风速达到额定风速前启动变桨功能；在实时空气密度下，根据“特定密度不同桨距角下风力发电机组的Cp～λ曲线簇”，将桨距角设定到最优值，使得在设定的λ范围内，保证Cp总能能取到最大值。
本实施例的智能控制补偿装置的工作过程为：
步骤1)根据测量模块测得的当地气温、气压、湿度，由计算模块得到即时空气密度，计算间隔为Tcal，空气密度计算公式为
其中：ρ(t)为当前环境下的空气密度，单位为kg/m3；ρ0为标准空气密度；p为当前环境的大气压力，单位为MPa；为当前环境的相对湿度；t为当前环境的温度；pb为环境温度t下饱和空气中水蒸气的分压力(装置可通过测得的环境温度，自动查表获得)。
步骤2)由于外界气温、气压的瞬时扰动，计算得到的空气密度值也在不断变化。在机组运行在第II阶段时，对最优模态增益Kopt进行修正。为避免控制系统频繁改变Kopt设定值，判断模块将采取定时查表取值的方式对设定值进行修正。具体操作办法为：(a).将常见空气密度范围[0.8,1.3]以x为步长，分为n个区间，第k个区间范围为[0.8+(k-1)*x,0.8+k*x]。(b).空气密度的计算周期为Tcal，即每隔Tcal时间计算得到一个即时空气密度值。Tcal可以根据不同风电场的密度波动情况进行设定。(c).若计算得到的即时空气密度在第k个区间，则控制系统以ρ＝0.8+k*x对最优模态增益Kopt进行修正。
步骤3)若计算得到的空气密度值处于区间[0.8,1.0]内，则指令模块指示风力发电机组在第III阶段采取控制变桨策略，通过改变机组的桨距角，使其在一定的叶尖速比范围内，尽可能达到最优风能捕获能力。当空气密度值处于[0.8,1.0]范围内时，经过装置判断模块输入机组的密度值为0.8kg/m3或0.8+k*x；最优桨距角的值，可以通过查询“空气密度为0.8kg/m3(或0.8+k*x kg/m3)时，不同桨距角下风力发电机组的Cp～λ曲线簇”获得；不同条件下最优桨距角的取值计入主控系统中，以供调用。
本发明涉及的智能控制补偿方法和装置能依据环境变化，调整风力发电机组的控制方式，通过1)定期改变第II阶段的最优模态增益值Kopt，进而对发电机转矩进行修正，2)在低密度条件下，在运行第III阶段就开启智能变桨策略，使得机组能在不同空气密度下尽可能地追踪到最大的风能捕获效率。此发明设备简单，方法可行性强，可有效地提高风力发电机组的环境适应能力和发电能力。
以上只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰均涵盖在本发明的保护范围内。