用于风力发电机组的功率曲线优化装置和方法与流程

本申请总体涉及风电领域，更具体地讲，涉及一种用于风力发电机组的功率曲线优化装置和方法。

背景技术：

为了让风力发电机组的发电性能最优，同时具有较强的现场适应能力，目前针对风力发电机组的开发呈现平台化，同一机组平台硬件搭配上不仅包含不同的塔架、叶片配置等，有时候还会配置功率柔性可调的发电机，这些差异化的设计最终目的是追求度电成本的最低，为此需要最大限度的提高发电性能，其中就包括优化切出风速、额定转速、额定功率、最优桨距角、对风偏差等方法。然而，这些方法都是基于标准功率曲线形态的逼近或者修正的方法，在额定风速之前将风能利用率最大化，在额定风速之后通过变桨控制保持额定功率不变，而并没有改变标准功率曲线的形态。

此外，在现有技术中进一步提出了暴风切出的方案，该方案是一种改变功率曲线形态的功率优化方法，但该方法是在大于切出风速的一定风速范围内限功率运行，保证运行载荷不超过设计载荷，从而有效的利用大风期间进行发电，同时能提高机组可利用率。然而，该方案并未对切出风速以内的功率曲线的形态进行改变，也即，该方案并未改变小于切出风速的风速范围内的功率曲线。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，本申请提供了一种基于载荷约束的功率曲线优化方法，该方法能够基于载荷约束的边界，在额定风速点到切出风速点区间内寻找一段合适的区间改变功率曲线形态，并在该区间内将额定功率提高，从而实现风能利用率最大化。

根据本发明的示例性实施例，提供一种用于风力发电机组的功率曲线优化装置，其特征在于，所述装置包括：参数确定单元，被配置为确定所述风力发电机组的当前功率曲线优化目标值、当前优化切入风速以及当前优化切出风速，其中，所述优化切入风速大于所述风力发电机组的额定风速，所述优化切出风速小于所述风力发电机组的切出风速；补充工况确定单元，被配置为基于所述功率曲线优化目标值、所述优化切入风速以及所述优化切出风速，确定所述风力发电机组的补充工况；载荷评估单元，被配置为基于确定的补充工况执行载荷评估，并确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求；结果输出单元，被配置为当载荷评估结果满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，在所述优化切入风速以及所述优化切出风速之间的风速段内基于所述功率曲线优化目标值提升所述风力发电机组的实际输出功率。

可选地，当载荷评估结果不满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，参数确定单元可调整与该载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速中的至少一个，并将经过调整的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速确定为当前功率曲线优化目标值、当前优化切入风速以及当前优化切出风速。

可选地，载荷评估可包括：针对所述风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷的评估。

可选地，针对所述风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷可包括以下至少一项：叶根的极限载荷和疲劳载荷、轮毂处的极限载荷和疲劳载荷、偏航处的极限载荷和疲劳载荷、塔架截面的极限载荷和疲劳载荷、以及叶片截面的极限载荷和疲劳载荷。

可选地，参数确定单元可基于所述风力发电机组的额定风速来确定优化切入风速的初始值，基于风力发电机组的切出风速来确定优化切出风速的初始值，并且基于优化切入风速的初始值、优化切出风速的初始值以及所述风力发电机组的目标年发电量来确定功率曲线优化目标值的初始值。

可选地，参数确定单元可基于以下操作中的至少一个来调整与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速中的至少一个：提高与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值；提高与载荷评估结果对应的优化切入风速；以及减小与载荷评估结果对应的优化切出风速。

可选地，如果仅通过调整功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速仍无法满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则降低所述风力发电机组的目标年发电量，并且参数确定单元可基于降低后的风力发电机组的目标年发电量来再次确定功率曲线优化目标值的初始值、优化切入风速以及优化切出风速。

根据本发明的另一示例性实施例，提供一种用于风力发电机组的功率曲线优化方法，其特征在于，所述方法包括：确定所述风力发电机组的当前功率曲线优化目标值、当前优化切入风速以及当前优化切出风速，其中，所述优化切入风速大于所述风力发电机组的额定风速，所述优化切出风速小于所述风力发电机组的切出风速；基于所述功率曲线优化目标值、所述优化切入风速以及所述优化切出风速，确定所述风力发电机组的补充工况；基于确定的补充工况执行载荷评估，并确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求；当载荷评估结果满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，在所述优化切入风速以及所述优化切出风速之间的风速段内基于所述功率曲线优化目标值提升所述风力发电机组的实际输出功率。

可选地，所述方法还可包括：当载荷评估结果不满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，调整与该载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速中的至少一个，并将经过调整的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速确定为当前功率曲线优化目标值、当前优化切入风速以及当前优化切出风速。

可选地，载荷评估可包括：针对所述风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷的评估。

可选地，针对所述风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷包括以下至少一项：叶根的极限载荷和疲劳载荷、轮毂处的极限载荷和疲劳载荷、偏航处的极限载荷和疲劳载荷、塔架截面的极限载荷和疲劳载荷、以及叶片截面的极限载荷和疲劳载荷。

可选地，优化切入风速的初始值可基于所述风力发电机组的额定风速来确定，优化切出风速的初始值可基于所述风力发电机组的切出风速来确定的，并且功率曲线优化目标值的初始值可基于优化切入风速的初始值、优化切出风速的初始值以及所述风力发电机组的目标年发电量来确定。

可选地，调整与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速中的至少一个的步骤可包括以下操作中的至少一个：提高与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值；提高与载荷评估结果对应的优化切入风速；以及减小与载荷评估结果对应的优化切出风速。

可选地，如果仅通过调整功率曲线优化目标值、优化切入风速以及优化切出风速仍无法满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则可降低所述风力发电机组的目标年发电量，并且可基于降低后的风力发电机组的目标年发电量来再次确定功率曲线优化目标值的初始值、优化切入风速以及优化切出风速。

根据本发明的又一示例性实施例，提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述程序可包括用于执行以上所述的用于风力发电机组的功率曲线优化方法的指令。

根据本发明的又一示例性实施例，提供一种计算机设备，包括存储有计算机程序的可读介质，所述计算机程序可包括用于执行以上所述的用于风力发电机组的功率曲线优化方法的指令。

通过应用如上所述的用于风力发电机组的功率曲线优化装置和方法，能够有效提高风力发电机组的额定风速段到切出风速段之间的发电功率，有效降低了度电成本，同时对疲劳载荷和极限载荷的增加很小，并且还能够在保留风力发电机组的原始设计的基础之上避免造成风力发电机组的成本增加。

将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。

附图说明

图1是示出根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的功率曲线优化装置100的框图。

图2是示出风力发电机组的标准功率曲线的形态的示图。

图3是示出根据本发明的示例性实施例的增功功率曲线的形态的示图。

图4示出标准功率曲线与增功功率曲线的对比示图。

图5示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的补充工况确定结果的示例。

图6是示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶根等效疲劳在功率提升后与功率提升前的载荷对比的表。

图7是示出根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的功率曲线优化方法的流程图。

在下文中，将结合附图详细描述本发明，贯穿附图，相同或相似的元件将用相同或相似的标号来指示。

具体实施方式

提供以下参照附图进行的描述，以帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。所述描述包括各种特定细节以帮助理解，但这些细节被认为仅是示例性的。因此，本领域的普通技术人员将认识到：在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可对这里描述的实施例进行各种改变和修改。此外，为了清楚和简明，可省略已知功能和构造的描述。

图1是示出根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的功率曲线优化装置100的框图。图2是示出风力发电机组的标准功率曲线的形态的示图。图3示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的增功功率曲线的形态的示图。在图2和图3所示的示图中，纵轴表示功率，横轴表示风速。

参照图1，根据本发明的示例性实施例的功率曲线优化装置100可包括参数确定单元110、补充工况确定单元120、载荷评估单元130以及结果输出单元140。

参数确定单元110可确定在当前次计算中所使用的风力发电机组的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。在本发明的示例性实施例中，优化切入风速v1是指与功率曲线提升风速段区间的最低风速对应的功率提升风速切入点，并且可将优化切入风速v1设置为大于风力发电机组的额定风速vr，优化切出风速v1是指与功率曲线提升风速段区间的最高风速对应的功率提升风速切出点，并且可将优化切出风速v2设置为小于风力发电机组的切出风速vout。

在本发明的示例性实施例中，风力发电机组的切入风速vin是指风力发电机组能够发电运行的最小风速值。风力发电机组的额定风速vr是指风力发电机组的功率达到额定功率pr时对应的当前风速值，风力发电机组的切出风速vout是保证风力发电机组载荷安全的允许运行的最大风速值。例如，如图2所示，在图2的标准功率曲线的情况下，风力发电机组的额定风速vr可以是10m/s，切出风速可以是25m/s，切入风速可以是3m/s，并且额定功率可以是850kw。

仅作为示例，参数确定单元110可基于风力发电机组的额定风速vr来确定优化切入风速v1的初始值，基于风力发电机组的切出风速vout来确定优化切出风速v2的初始值，并且基于优化切入风速v1的初始值、优化切出风速v2的初始值以及所述风力发电机组的目标年发电量来确定功率曲线优化目标值x的初始值。例如，可设置初始的优化切入风速v1＝vr+3，并且初始的优化切出风速v2＝vout-5。然后，参数确定单元110可基于优化切入风速v1的初始值、优化切出风速v2的初始值以及风力发电机组的目标年发电量，结合风力发电机组的标准功率曲线、风速风频分布来确定功率曲线优化目标值x的初始值。

例如，在图2的标准功率曲线的情况下，假设风力发电机组的目标年发电量是在年平均风速为6m/s时的年发电量基础上提升1.2％，功率曲线优化目标值为额定功率提升幅度。此时，参数确定单元110可确定v1＝13，v2＝20，x＝12％，并且提升后的额定功率为pr*(1+x)，对应的增功功率曲线如图3所示。

可选地，尽管在本发明的示例性实施例中，以功率曲线优化目标值x是额定功率提升幅度为例来进行描述，然而本发明不限于此，功率曲线优化目标值x还可被设置为内部收益率或度电成本，在这种情况下，可以通过现有经济模型计算对应的输出功率，再将计算出的输出功率作为最终优化的实际输出功率。

返回参照图1，补充工况确定单元120可基于参数确定单元110输出的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2，确定风力发电机组的补充工况。

根据本发明的示例性实施例，在优化切入风速v1、优化切出风速v2以及功率曲线优化目标值x给定的情况下，需要验证在所述优化切入风速v1以及所述优化切出风速v2之间的风速段内基于所述功率曲线优化目标值x提升所述风力发电机组的实际输出功率是否会使疲劳载荷超出设计载荷范围或者使极限载荷超过设计载荷范围。为此，除了考虑标准功率曲线所使用的原有工况以外，还需要针对由参数确定单元110确定的优化切入风速v1、优化切出风速v2以及功率曲线优化目标值x考虑增加其他的工况。在本发明的示例性实施例中，可参考gl规范和iec规范，针对参数确定单元110确定的优化切入风速v1、优化切出风速v2以及功率曲线优化目标值x增加补充工况，对于gl规范，需要补充的工况可包括以下至少一个：dlc12、dlc13、dlc15、dlc16、dlc17、dlc18、dlc19、dlc21、dlc22、dlc23、dlc31、dlc41、dlc42、dlc51；对于iec规范，需要补充的工况可包括以下至少一个：dlc12、dlc13、dlc14、dlc15、dlc21、dlc22、dlc23、dlc24、dlc31、dlc41、dlc42、dlc51。

图5示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的补充工况确定结果的示例。

如图5中所示，可参考gl规范设计需要确定的补充工况，以dlc12为例，需要补充确定的工况功率为952kw，切入风速包括13m/s、15m/s、17m/s、19m/s、20m/s。

载荷评估单元130可基于确定的补充工况执行载荷评估，并确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求。

可选地，可提取风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷进行评估，针对风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷可包括以下至少一项：叶根的极限载荷和疲劳载荷、轮毂处的极限载荷和疲劳载荷、偏航处的极限载荷和疲劳载荷、塔架截面的极限载荷和疲劳载荷、以及叶片截面的极限载荷和疲劳载荷。

可选地，可基于提取的载荷与风力发电机组的设计载荷的对比来确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求，或者，可基于提取的载荷进行强度校核评估(例如，对螺栓强度、主传动系统、偏航变桨系统的校核)来确定提取的载荷是否能够保证风力发电机组的安全，从而确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求。

在本发明的实施例中，载荷评估单元130可使用bladed软件进行载荷评估，然而，本发明不限于此，还可使用其它动力学仿真软件进行载荷评估，例如，hawc2/simpack/fast。

仅作为示例，图6示出根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的叶根等效疲劳在功率提升后与功率提升前的载荷对比示图。如图6中所示，可看出，在本发明的示例性实施例中，功率的增加对叶根等效疲劳载荷的增加很少，并且增加后的等效疲劳在基本在设计载荷范围内，因此满足风力发电机组的设计载荷要求。

当载荷评估单元130的载荷评估结果满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，结果输出单元140可在所述优化切入风速v1以及所述优化切出风速v2之间的风速段内基于所述功率曲线优化目标值x提升所述风力发电机组的实际输出功率。

仅作为示例，图4示出标准功率曲线与增功功率曲线的对比示图。从图4可看出，与现有设计的“厂”字形标准功率曲线相比，增功功率曲线在额定风速与风力发电机组的切出风速之间的一段区间(即，优化切入风速v1与优化切出风速v2之间的风速段区间)内功率得到有效提升。

当载荷评估结果不满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，参数确定单元110可调整与该载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2中的至少一个，并使用经过调整的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2作为下一次计算中所使用的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。

在本发明的示例性实施例中，参数确定单元110可基于以下操作中的至少一个来调整与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2中的至少一个：提高与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值x；提高与载荷评估结果对应的优化切入风速v1；以及减小与载荷评估结果对应的优化切出风速v2。

更具体地讲，仅作为一种示例性调整方法，当载荷评估结果不满足所述风力发电机组的设计载荷要求时，参数确定单元110可首先调整功率曲线优化目标值x，从功率曲线优化目标值x的初始值增大x，同时保持优化切入风速v1以及优化切出风速v2不变。如果仅通过调整功率曲线优化目标值x仍无法满足风力发电机组的设计载荷要求，则可进一步调整优化切入风速v1(即，此时可调整功率曲线优化目标值x和优化切入风速v1两者)，从优化切入风速v1的初始值起逐步增大v1，同时保持优化切出风速v2不变。此外，如果通过调整功率曲线优化目标值x和优化切入风速v1两者还是无法满足风力发电机组的设计载荷要求，则可进一步调整优化切出风速v2(即，此时可调整功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1和优化切出风速v2三者)，从优化切出风速v2的初始值起逐步减小v2。

此外，在本发明的示例性实施例中，如果仅通过调整功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2仍无法满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则可降低所述风力发电机组的目标年发电量，例如，将发电量提升目标从1.2％降低至1％，然后参数确定单元110可基于降低后的风力发电机组的目标年发电量来再次确定功率曲线优化目标值x的初始值、优化切入风速v1以及优化切出风速v2，将其确定为下一次计算将使用的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2并重复上述处理，直至确定出完全符合设计载荷要求的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。

此外。尽管在本发明的示例性实施例中，以上述载荷作为载荷约束来确定评估结果，但本发明不限于此，也可直接进行风力发电机组强度评估，并以强度评估结果作为约束来确定最终的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。

图7是示出根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的功率曲线优化方法的流程图。

参照图7，在步骤710，可由参数确定单元110确定所述风力发电机组的当前次计算所使用的功率曲线优化目标值x、当前优化切入风速v1以及当前优化切出风速v2，其中，所述优化切入风速v1大于所述风力发电机组的额定风速vr，所述优化切出风速v2小于所述风力发电机组的切出风速vout。

可选地，在步骤710开始的时候，参数确定单元110可基于所述风力发电机组的额定风速vr来确定优化切入风速v1的初始值，基于风力发电机组的切出风速vout来确定优化切出风速v2的初始值，并且基于优化切入风速v1的初始值、优化切出风速v2的初始值以及所述风力发电机组的目标年发电量来确定功率曲线优化目标值x的初始值。

在步骤720，可由补充工况确定单元120基于在步骤710确定的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2，确定风力发电机组的补充工况。

在步骤730，可由载荷评估单元130基于在步骤720确定的补充工况执行载荷评估，并确定载荷评估结果是否满足所述风力发电机组的设计载荷要求。

可选地，载荷评估可包括针对所述风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷的评估，并且针对风力发电机组关键位置的极限载荷和疲劳载荷可包括以下至少一项：叶根的极限载荷和疲劳载荷、轮毂处的极限载荷和疲劳载荷、偏航处的极限载荷和疲劳载荷、塔架截面的极限载荷和疲劳载荷、以及叶片截面的极限载荷和疲劳载荷。

如果在步骤730确定载荷评估结果满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则在步骤740，结果输出单元140可在所述优化切入风速v1以及所述优化切出风速v2之间的风速段内基于所述功率曲线优化目标值提升所述风力发电机组的实际输出功率。

如果在步骤730确定载荷评估结果不满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则所述方法返回步骤710，由参数确定单元110调整与该载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2中的至少一个，并将经过调整的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2确定为下一次计算将使用的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。

可选地，参数确定单元110可基于以下操作中的至少一个来调整与载荷评估结果对应的调整功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2中的至少一个：提高与载荷评估结果对应的功率曲线优化目标值x；提高与载荷评估结果对应的优化切入风速v1；以及减小与载荷评估结果对应的优化切出风速v2。

可选地，如果仅通过调整功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2仍无法满足所述风力发电机组的设计载荷要求，则可降低所述风力发电机组的目标年发电量，并且参数确定单元110可基于降低后的风力发电机组的目标年发电量来再次确定功率曲线优化目标值x的初始值、优化切入风速v1以及优化切出风速v2，并将其确定为下一次计算将使用的功率曲线优化目标值x、优化切入风速v1以及优化切出风速v2。

以上已参照图1详细描述了参数确定单元110的具体调整过程，因此为了简明，在此将不再进行更详细地描述。

通过应用如上所述的根据本发明的实施例的用于风力发电机组的功率曲线优化装置和方法，能够有效提高风力发电机组的额定风速段到切出风速段的发电功率，有效降低了度电成本，同时对疲劳载荷和极限载荷的增加很小，并且能够在保留风力发电机组的原始设计的基础之上避免造成风力发电机组的成本增加。

上述方法和/或操作可被记录、存储或固定在一个或多个计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质包括将由计算机执行的程序指令以使处理器运行或执行所述程序指令。所述介质还可单独包括程序指令、数据文件、数据结构等或数据文件、数据结构等与程序指令的组合。计算机可读存储介质的示例包括磁介质(例如，硬盘、软盘和磁带)、光介质(例如，cdrom盘和dvd)、磁光介质(例如，光盘)以及专门配置为存储和执行程序指令的硬件装置(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、闪存等)。程序指令的示例包括(例如，由编译器产生的)机器代码和包含可由计算机使用解释器执行的更高级代码的文件。描述的硬件装置可被配置用作一个或多个软件单元以执行上述操作和方法，反之亦然。此外，计算机可读存储介质可分布在通过网络连接的计算机系统中，并且计算机可读代码或程序指令可以以分布方式被存储和执行。

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。