本发明总体上涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的偏航控制方法和设备。
背景技术
目前，在大型风力发电机组的现场安装过程中，由于装配工艺的限制以及高空作业的困难，对风力发电机组的机舱的初始位置与安装在风力发电机组上的风向标的初始位置的精确标定在实际操作中存在困难。一般在风电场安装风力发电机组时，调试人员根据经验通过目测的方式来进行风力发电机组的机舱的初始位置以及风向标的初始位置的标定，这导致所标定的风力发电机组的机舱的初始位置与风向标的初始位置存在偏差。
此外，由于目前在风电场中使用的风向标多为机械式风速风向仪，在经过长时间的运行之后会产生机械磨损，而且在寒冷环境下运行时会结冰，这会导致对风向的测量存在误差，进而影响对偏航角度的确定精度，因此即使在风电场中安装风力发电机组时能够精确标定风向标的初始位置与风力发电机组的机舱的初始位置，所确定的偏航角度也会存在偏差。
由于上述偏差的存在，使得所确定的风力发电机组的偏航角度不够准确，导致对风力发电机组的偏航控制不准确，风力发电机组的机舱不能正对风向，对风不准会导致风轮平面内的风载不平衡，影响风力发电机组的寿命和可靠性。此外，偏航频次过多会带来偏航电机、偏航齿轮、摩擦片等偏航系统硬件的失效，同时也会伴生出偏航冲击，导致风力发电机组的振动检测系统的报警和风力发电机组的停机。此外，由于存在上述偏差而导致对风不准，还会降低对风能的利用率，使得风力发电机组的发电效率降低，造成风力发电机组的输出功率和发电量得下降。
技术实现要素：
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种风力发电机组的偏航控制方法和设备，以克服上述至少一个缺点。
在一个总体方面，提供一种风力发电机组的偏航控制方法，该偏航控制方法包括：每当获取到风向时，基于当前时刻的风向和当前时刻风力发电机组的机舱方向，确定当前时刻风力发电机组的初始偏航角度值；基于当前时刻的风资源数据和上一时刻的初始偏航角度值，获得当前时刻的预测偏航角度值；基于当前时刻的初始偏航角度值和当前时刻的预测偏航角度值，确定当前时刻的偏航角度值；控制风力发电机组的机舱旋转所述偏航角度值。
可选地，基于当前时刻的风向和当前时刻风力发电机组的机舱方向，确定当前时刻风力发电机组的初始偏航角度值的步骤可包括：获取当前时刻风力发电机组的机舱偏离预定方向的第一角度值；确定当前时刻的风向偏离所述预定方向的第二角度值；将所述第一角度值与所述第二角度值的差值，确定为当前时刻的初始偏航角度值。
可选地，所述偏航控制方法可还包括：获取风力发电机组的位置和机舱高度，其中，当前时刻的风向可指在所述位置处，在所述机舱高度处的当前时刻的风向。
可选地，当前时刻的风资源数据可包括在所述位置处在所述机舱高度处的当前时刻的风速和风向。
可选地，基于当前时刻的风资源数据以及上一时刻的初始偏航角度值，获得当前时刻的预测偏航角度值的步骤可包括：通过将在所述位置处在所述机舱高度处的当前时刻的风速和风向、上一时刻的初始偏航角度值输入到偏航角度预测模型，获得当前时刻的预测偏航角度值。
可选地，所述偏航角度预测模型可为基于bp神经网络的模型。
可选地，可通过设置在所述风力发电机组上的卫星罗经仪获取所述风力发电机组的位置、机舱高度和当前时刻的机舱偏离预定方向的第一角度值。
可选地，所述卫星罗经仪可包括第一天线、第二天线和控制器，其中，第一天线可设置在风力发电机组的轮毂内，第二天线可设置在风力发电机组的机舱内，控制器可设置在风力发电机组的机舱内位于第一天线与第二天线的连线上，其中，第一天线与第二天线的连线可与轮毂的中心线或机舱的中心线平行，机舱偏离所述预定方向的第一角度值可为第一天线与第二天线的连线与所述预定方向的夹角。
可选地，所述预定方向可为正北方向。
可选地，基于当前时刻的初始偏航角度值和当前时刻的预测偏航角度值，确定当前时刻的偏航角度值，控制风力发电机组的机舱旋转所述偏航角度值的步骤可包括：计算当前时刻的初始偏航角度值与当前时刻的预测偏航角度值的差值；当所述差值小于或等于设定值时，将当前时刻的初始偏航角度值作为当前时刻的偏航角度值，控制风力发电机组的机舱旋转所述偏航角度值。
在另一总体方面，提供一种风力发电机组的偏航控制设备，所述偏航控制设备包括：初始偏航角度确定模块，每当获取到风向时，基于当前时刻的风向和当前时刻风力发电机组的机舱方向，确定当前时刻风力发电机组的初始偏航角度值；预测偏航角度确定模块，基于当前时刻的风资源数据和上一时刻的初始偏航角度值，获得当前时刻的预测偏航角度值；偏航角度确定模块，基于当前时刻的初始偏航角度值和当前时刻的预测偏航角度值，确定当前时刻的偏航角度值；偏航控制模块，控制风力发电机组的机舱旋转所述偏航角度值。
可选地，初始偏航角度确定模块可包括：机舱方向确定子模块，获取当前时刻风力发电机组的机舱偏离预定方向的第一角度值；风向确定子模块，确定当前时刻的风向偏离所述预定方向的第二角度值；初始角度确定子模块，将所述第一角度值与所述第二角度值的差值，确定为当前时刻的初始偏航角度值。
可选地，所述偏航控制设备可还包括：地理信息获取模块，获取风力发电机组的位置和机舱高度，其中，当前时刻的风向可指在所述位置处在所述机舱高度处的当前时刻的风向。
可选地，当前时刻的风资源数据可包括在所述位置处在所述机舱高度处的当前时刻的风速和风向。
可选地，预测偏航角度确定模块可通过将在所述位置处在所述机舱高度处的当前时刻的风速和风向、上一时刻的初始偏航角度值输入到偏航角度预测模型，获得当前时刻的预测偏航角度值。
可选地，所述偏航角度预测模型可为基于bp神经网络的模型。
可选地，机舱方向确定子模块可从设置在所述风力发电机组上的卫星罗经仪获取由所述卫星罗经仪确定的当前时刻的机舱偏离预定方向的第一角度值，地理信息获取模块可从所述卫星罗经仪获取由所述卫星罗经仪确定的所述风力发电机组的位置和机舱高度。
可选地，所述卫星罗经仪可包括第一天线、第二天线和控制器，其中，第一天线可设置在风力发电机组的轮毂内，第二天线可设置在风力发电机组的机舱内，控制器可设置在风力发电机组的机舱内位于第一天线与第二天线的连线上，其中，第一天线与第二天线的连线可与轮毂的中心线或机舱的中心线平行，机舱偏离所述预定方向的第一角度值可为第一天线与第二天线的连线与所述预定方向的夹角。
可选地，所述预定方向可为正北方向。
可选地，偏航角度确定模块可计算当前时刻的初始偏航角度值与当前时刻的预测偏航角度值的差值，当所述差值小于或等于设定值时，将当前时刻的初始偏航角度值作为当前时刻的偏航角度值。
在另一总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的风力发电机组的偏航控制方法。
在另一总体方面，提供一种计算装置，所述计算装置包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的风力发电机组的偏航控制方法。
采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，能够提高对风力发电机组的偏航控制的精确度，使得风力发电机组能够最大程度的捕获风能。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述，本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。
图1示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法的流程图；
图2示出根据本发明示例性实施例的确定初始偏航角度值的步骤的流程图；
图3示出根据本发明示例性实施例的卫星罗经仪在风力发电机组上的安装示意图；
图4示出根据本发明示例性实施例的确定偏航角度值的步骤的流程图；
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制设备的框图；
图6示出根据本发明示例性实施例的初始偏航角度确定模块的框图；
图7示出根据本发明示例性实施例的风电场中的场群控制系统的示意图；
图8示出根据本发明示例性实施例的风电场中的任一风力发电机组的偏航控制的示意图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
图1示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法的流程图。
参照图1，在步骤s10中，每当获取到风向时，基于当前时刻的风向和当前时刻风力发电机组的机舱方向，确定当前时刻风力发电机组的初始偏航角度值。
下面参照图2来介绍确定初始偏航角度值的步骤。
图2示出根据本发明示例性实施例的确定初始偏航角度值的步骤的流程图。
参照图2，在步骤s101中，获取当前时刻风力发电机组的机舱偏离预定方向的第一角度值。这里，该预定方向可为任意方向，作为示例，该预定方向可为正北方向。
例如，在步骤s101中可通过设置在风力发电机组上的卫星罗经仪获取当前时刻的机舱偏离预定方向的第一角度值。
图3示出根据本发明示例性实施例的卫星罗经仪在风力发电机组上的安装示意图。
如图3所示，卫星罗经仪可包括第一天线y1、第二天线y2和控制器c。
具体说来，第一天线y1可设置在风力发电机组的轮毂200内，第二天线y2可设置在风力发电机组的机舱100内，控制器c可设置在风力发电机组的机舱100内，且位于第一天线y1与第二天线y2的连线上。
作为示例，第一天线y1与第二天线y2的连线与轮毂200的中心线或机舱100的中心线平行，也就是说，第一天线y1与第二天线y2的连线与风力发电机组的发电机300所在的平面垂直(即，该连线与发电机300的主轴平行)。第一天线y1与第二天线y2的连线与预定方向(如图3中所示的正北方向)的夹角即为机舱100偏离预定方向的第一角度值η1。应理解，在本示例中，第一天线y1与第二天线y2的连线与正北方向的夹角可指第一天线y1与第二天线y2的连线顺时针偏离正北方向的角度值，但本发明不限于此，也可以是上述连线逆时针偏离正北方向的角度值。
在一优选实施例中，第一天线y1可设置在风力发电机组的轮毂200内靠近导流罩的一侧，第二天线y2可设置在风力发电机组的机舱100内靠近机舱100尾部的一侧，第一天线y1和第二天线y2设置在轮毂200的中心线或机舱100的中心线上。应理解，轮毂200的中心线与机舱100的中心线重合。
应理解，图3所示的卫星罗经仪在风力发电机组上的安装方式仅为示例，本领域技术人员可根据需要来调整第一天线y1、第二天线y2、控制器c在风力发电机组上的设置位置。
返回图2，在步骤s102中，确定当前时刻的风向偏离预定方向的第二角度值。
例如，可从风资源数据库获取风向偏离预定方向的第二角度值，或者，可从风资源数据库获取风向，再根据获取的风向确定风向偏离预定方向的第二角度值。
优选地，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法可还包括：获取风力发电机组的位置和机舱高度，在此情况下，当前时刻的风向可指在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风向。
作为示例，设置在风力发电机组上的卫星罗经仪还可以检测风力发电机组的位置(地理位置坐标)和机舱高度。此时，可通过设置在风力发电机组上的卫星罗经仪获取风力发电机组的位置和机舱高度。
在步骤s103中，将第一角度值与第二角度值的差值，确定为当前时刻的初始偏航角度值。
返回图1，在步骤s20中，基于当前时刻的风资源数据和上一时刻的初始偏航角度值，获得当前时刻的预测偏航角度值。
针对上述获取了风力发电机组的位置和机舱高度的情况，当前时刻的风资源数据可为在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风资源数据。作为示例，风资源数据可包括风速和风向。
在复杂地形和复杂风况下，由于地形干扰，会导致自由来流处的风湍流强度变大，风向变化剧烈，使得偏航控制的难度进一步提升。此外，由于偏航控制的滞后性，使得风力发电机组始终无法对准正确的风向。针对上述情况，在本发明示例性实施例中，基于初始偏航角度值和从风资源数据库获取的风资源数据来预测风向变化，以获得预测偏航角度值，以减少机舱与风向之间的偏差。
优选地，可基于偏航角度预测模型来获得当前时刻的预测偏航角度值。例如，通过将在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风速和风向、上一时刻的初始偏航角度值输入到偏航角度预测模型，获得当前时刻的预测偏航角度值。
作为示例，偏航角度预测模型可为基于神经网络的模型。优选地，该偏航角度预测模型可为基于bp(backpropagation)神经网络的模型。但本发明不限于此，该偏航角度预测模型还以是基于前向神经网络(feed-forwardneuralnetwork)、模式识别神经网络(patternrecognitionneuralnetwork)、函数拟合神经网络(functionfittingneuralnetwork)、径向基神经网络(radialbasisneuralnetwork)的模型。
在步骤s30中，基于当前时刻的初始偏航角度值和当前时刻的预测偏航角度值，确定当前时刻的偏航角度值。
例如，可计算当前时刻的初始偏航角度值与当前时刻的预测偏航角度值的差值，当该差值小于或等于设定值时，将当前时刻的初始偏航角度值作为当前时刻的偏航角度值，以控制风力发电机组的机舱旋转所述偏航角度值。当该差值大于设定值时，可认为确定的初始偏航角度值或预测偏航角度值存在较大误差，此时可修正偏航角度预测模型或提示工作人员对卫星罗经仪/风力发电机组进行检修。
下面参照图4来介绍基于初始偏航角度值和预测偏航角度值，确定偏航角度值的过程。
图4示出根据本发明示例性实施例的确定偏航角度值的流程示意图。
如图4所示，r(k)可表示k时刻的风资源数据(如k时刻的风速和/或风向)，在本示例中，可利用风力发电机组的模型结合风力发电机组的机舱方向确定k时刻的初始偏航角度值y(k)，将k时刻的风速和风向、k-1时刻的初始偏航角度值输入到偏航角度预测模型(如基于bp神经网络的模型)，获得k时刻的预测偏航角度值y′(k)，计算k时刻的初始偏航角度值y(k)与k时刻的预测偏航角度值y′(k)的差值(如图所示的残差ε(k))，当残差ε(k)小于或等于设定值时，将k时刻的初始偏航角度值y(k)作为k时刻的偏航角度值，以控制风力发电机组的机舱旋转该偏航角度值。
返回图1，在步骤s40中，控制风力发电机组的机舱旋转所确定的当前时刻的偏航角度值。
以图3所示为例，当前时刻的风向偏离预定方向的第二角度值为η2，风力发电机组的偏航角度值α应为η1-η2。当偏航角度值α为正时，则控制风力发电机组逆时针旋转偏航角度值α，当偏航角度值α为负时，则控制风力发电机组瞬时针旋转偏航角度值α。
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制设备的框图。
如图5所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制设备包括：初始偏航角度确定模块10、预测偏航角度确定模块20、偏航角度确定模块30和偏航控制模块40。
具体说来，初始偏航角度确定模块10用于每当获取到风向时，基于当前时刻的风向和当前时刻风力发电机组的机舱方向，确定当前时刻风力发电机组的初始偏航角度值。
图6示出根据本发明示例性实施例的初始偏航角度确定模块的框图。
如图6所示，根据本发明示例性实施例的初始偏航角度确定模块10可包括：机舱方向确定子模块101、风向确定子模块102和初始角度确定子模块103。
具体说来，机舱方向确定子模块101获取当前时刻风力发电机组的机舱偏离预定方向的第一角度值。这里，该预定方向可为任意方向，作为示例，该预定方向可为正北方向。
例如，机舱方向确定子模块101可从设置在风力发电机组上的卫星罗经仪获取由卫星罗经仪确定的当前时刻的机舱偏离预定方向的第一角度值。
作为示例，卫星罗经仪可包括第一天线、第二天线和控制器。第一天线可设置在风力发电机组的轮毂内，第二天线可设置在风力发电机组的机舱内，控制器可设置在风力发电机组的机舱内位于第一天线与第二天线的连线上。优选地，第一天线与第二天线的连线可与轮毂的中心线或机舱的中心线平行，机舱偏离预定方向的第一角度值可为第一天线与第二天线的连线与预定方向的夹角。
在一优选实施例中，第一天线可设置在风力发电机组的轮毂内靠近导流罩的一侧，第二天线可设置在风力发电机组的机舱内靠近机舱尾部的一侧，第一天线和第二天线可设置在轮毂的中心线或机舱的中心线上。这里，轮毂的中心线与机舱的中心线重合。
风向确定子模块102确定当前时刻的风向偏离预定方向的第二角度值。
优选地，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制设备可还包括：地理信息获取模块(图中未示出)，获取风力发电机组的位置和机舱高度，在此情况下，当前时刻的风向可指在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风向。
作为示例，设置在风力发电机组上的卫星罗经仪还可以检测风力发电机组的位置和机舱高度。此时，地理信息获取模块可从卫星罗经仪获取由卫星罗经仪确定的风力发电机组的位置和机舱高度。
初始角度确定子模块103将第一角度值与第二角度值的差值，确定为当前时刻的初始偏航角度值。
返回图5，预测偏航角度确定模块20基于当前时刻的风资源数据和上一时刻的初始偏航角度值，获得当前时刻的预测偏航角度值。
针对上述地理信息获取模块获取风力发电机组的位置和机舱高度的情况，当前时刻的风资源数据可为在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风资源数据。作为示例，风资源数据可包括风速和风向。
优选地，预测偏航角度确定模块20可基于偏航角度预测模型来获得当前时刻的预测偏航角度值。例如，预测偏航角度确定模块20可通过将在风力发电机组的位置处在机舱高度处的当前时刻的风速和风向、上一时刻的初始偏航角度值输入到偏航角度预测模型，获得当前时刻的预测偏航角度值。作为示例，该偏航角度预测模型可为基于bp神经网络的模型。
偏航角度确定模块30基于当前时刻的初始偏航角度值和当前时刻的预测偏航角度值，确定当前时刻的偏航角度值。
例如，偏航角度确定模块30计算当前时刻的初始偏航角度值与当前时刻的预测偏航角度值的差值，当该差值小于或等于设定值时，将当前时刻的初始偏航角度值作为当前时刻的偏航角度值。
偏航控制模块40控制风力发电机组的机舱旋转所确定的当前时刻的偏航角度值。
图7示出根据本发明示例性实施例的风电场中的场群控制系统的示意图。
如图7所示，根据本发明示例性实施例的风电场中的场群控制系统可包括风电场服务器、云平台、scada(supervisorycontrolanddataacquisition，监控与数据采集)数据库以及多个风力发电机组(如，风力发电机组1、风力发电机组2、风力发电机组3……风力发电机组n)。
在本示例中，可基于风电场服务器来实现图6所示的风力发电机组的偏航控制设备，相应地，上述偏航控制设备中的各个模块可被实现为安装在风电场服务器中的各个模块。也就是说，图1所示风力发电机组的偏航控制方法可由风电场服务器来执行。
在图7所示的示例中，风电场服务器可通过互联网连接到云平台，以从云平台提供的风资源数据库获取风电场的风资源数据。此外，风电场服务器还可通过风电场环网将获取的风资源数据发送到每台风力发电机组，以使各风力发电机组能够获得该机位点的实时风资源数据。
图8示出根据本发明示例性实施例的风电场中的任一风力发电机组的偏航控制的示意图。
如图8所示，风电场服务器可从云平台提供的风资源数据库获取风向偏离预定方向的第二角度值和风资源数据，安装在任一风力发电机组上的卫星罗经仪可将确定的该任一风力发电机组的位置、机舱高度和机舱偏离预定方向的第一角度值发送至该任一风力发电机组的主控制器，风电场服务器可从任一风力发电机组的主控制器获取该任一风力发电机组的位置、机舱高度和机舱偏离预定方向的第一角度值。此外，风电场服务器确定的偏航角度值可经由该任一风力发电机组的主控制器发送至该任一风力发电机组的偏航控制器，以控制该任一风力发电机组进行偏航动作。
也就是说，在本发明示例性实施例中，利用云平台提供的风资源数据库来确定风向，利用卫星罗经仪确定机舱方向，能够实现风力发电机组的准确偏航，避免了现有技术中对风力发电机组的机舱位置(方向)不准确，以及利用风向标检测风向误差大的缺陷。
此外，风电场服务器可从scada数据库获取历史时刻的初始偏航角度值。也就是说，每当获取到风向时所确定的初始偏航角度值可被存储在scada数据库中。此外，还可将风力发电机组的运维数据也存储到scada数据库中，即，风电场服务器可从scada数据库获取风力发电机组的运维数据。风力发电机组的主控制器可将从卫星罗经仪获取的风力发电机组的位置、机舱高度和机舱偏离预定方向的第一角度值发送云平台进行存储。风电场服务器还可将从风资源数据库获取的风资源信息(如在风力发电机组的位置在机舱高度处的风速/风向)发送至风力发电机组的主控制器。
在图8所示的示例中，卫星罗经仪可通过rs485通讯接口与风力发电机组的主控制器进行数据传输，以使风电场服务器获取到风力发电机组的位置、机舱高度和机舱偏离预定方向的第一角度值。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算装置。该计算装置包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行上述的风力发电机组的偏航控制方法的计算机程序。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述风力发电机组的偏航控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，能够提高确定偏航角度的准确性，提高风力发电机组的发电效率和发电量。
此外，采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，由于基于风资源数据库中的数据确定风向，避免了通过安装在风力发电机组上的风速风向仪测量风向所导致的风向测量误差，此外，通过卫星罗经仪确定机舱方向，避免了通过目测的方式确定机舱方向所导致的机舱方向测量误差，使得对偏航角度值的确定更为精确。
此外，采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，使得对风力发电机组的偏航控制更为精确，保证了风力发电机组始终能够正对风向，提高了对风能的利用率。
此外，采用本发明示例性实施例的风力发电机组的偏航控制方法和设备，使得风力发电机组能够更加准确的实现偏航对风，并使得风力发电机组能够最大程度的捕获风能，风力发电机组的叶轮最大程度地保持迎风状态，有效提升了风力发电机组对风性能，提高了风力发电机组对风能的利用率，且能够使风力发电机组的不平衡载荷减小，从而提高了风力发电机组运行的可靠性。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。