一种提高风力发电机组功率的方法与流程

本发明涉及风力发电机控制，更具体的说是涉及一种提高风力发电机组功率的方法。

背景技术：

1、目前，新能源电站中的风力发电机组，多采用变桨距变速控制技术。采用安装在机舱上的风速计传感器获得风速、风向等参数，再由变桨系统根据风速、风向等参数的变化，来计算并改变桨距角，以获得更大的风功率。假设风机叶片长度为60米，则叶片旋转平面有1万多平米，通过该平面每处的风速是各不相同的，从而导致通过的空气密度也不相同，如果按照传统方式以一个空气密度值计算整个旋转平面的风能，这无疑存在较大的误差。

2、因此，如何获得较为精确的空气密度及其分布，进而确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种提高风力发电机组功率的方法，可获得较为精确的空气密度及其分布，并确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种提高风力发电机组功率的方法，包括以下步骤：

4、在任意时刻，通过安装在叶片上的传感器采集叶片旋转一周时，旋转平面各位置的叶片工况参数；

5、基于叶片旋转平面内各位置的叶片工况参数，通过查表法确定各位置的空气密度，建立叶片旋转平面内的空气密度场分布；

6、将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；

7、将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；

8、通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；

9、将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。

10、进一步的，在每个叶片的多个指定位置均安装传感器，传感器沿叶片翼形弦线均匀分布或非均匀分布；各传感器分别采集各个指定位置的叶片工况参数，采集的叶片工况参数包括：风速、温度、湿度和压强。

11、进一步的，叶片旋转平面内的各位置的空气密度的确定过程包括：

12、通过历史试验数据确定空气密度与叶片工况参数间的对应关系表；

13、将当前时刻各位置的叶片工况参数与对应关系表进行对比，确定叶片旋转平面内各位置的空气密度。

14、进一步的，对空气密度场进行划分的过程包括：

15、根据叶片旋转平面内各位置的空气密度大小，以风力发电机组的机舱水平轴为圆心，采用极坐标的方式对旋转平面内的空气密度场进行划分，确定各子区域的特征参数（r，θ），其中，r为圆形旋转平面的传感器位置到圆心的距离，θ为偏离角度，起始位置为水平向右，定义顺时针方向为正，或者定义逆时针方向为正；其中，每个子区域为扇环形结构或扇形结构，假设叶片旋转平面内共包含m个扇环形结构和n个扇形结构，对于第i个扇环形结构，其极坐标分别表示为、、和，其中，，，，，、、和分别表示围成第i个扇环形结构的四个点，i=1,2,3，...，m；对于第j个扇形结构，其极坐标分别表示为、和（0，0），其中，，、和圆心分别表示围成第j个扇形结构的三个点。

16、进一步的，针对任一子区域，空气动能的计算方式为：

17、

18、其中，为当前时刻该子区域的空气密度；为圆周率；为风能利用系数，是一个修正系数，通过查表得到；为该子区域的面积；为该子区域的风速。

19、进一步的，数据库中存储有多组表征叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度、时间、叶片编号、风向和空气动能之间的对应关系的数据，通过从数据库中查找与当前情况最相似的一组数据，匹配出叶片的第一变桨角度。

20、进一步的，若当前叶片工况参数下，风力发电机组的功率高于同样叶片工况参数下的风力发电机组的功率，则将当前叶片工况参数所对应的最终变桨角度作为更优的第一变桨角度，并更新至数据库中。

21、进一步的，叶片最终变桨角度的计算公式为：

22、

23、为叶片最终变桨角度；为第一变桨角度；为第二变桨角度，通过变桨系统采用传统方式计算得到；为加权系数，取值为0.85~0.95之间，值为可变值，在系统运行开始时，取值偏向0.85端，后期运行取值偏向0.95端，且值存储在数据库中。

24、进一步的，当某一叶片旋转至某一角度时，无法从数据库中匹配到该叶片在该旋转角度下的第一变桨角度，则采用线性外推法确定该叶片在当前旋转角度下的第一变桨角度。

25、进一步的，采用线性外推法确定某一叶片在某一旋转角度下的第一变桨角度，包括：

26、从数据库中查询该叶片当前旋转角度的邻近空气密度场区域对应的变桨角度；

27、对邻近空气密度场区域对应的变桨角度求平均，作为当前时刻该叶片旋转至当前旋转角度时的第一变桨角度。

28、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

29、由于风速、压力、温度、湿度、位置的原因，叶片旋转平面内，各处的空气密度是不一致的，存在差异。本发明根据风机叶片各个位置的传感器获得旋转平面内更为精确的工况参数，计算出叶片旋转平面各位置的空气密度和密度场分布。同时，将空气密度场划分为多个子区域，计算各子区域的空气动能，通过与数据库中的历史数据进行匹配，进而获得各叶片旋转至对应子区域时的最优变桨角度，之后将数据库查询结果和变桨系统给出的结果进行加权处理，得到最终的风机叶片偏转角度，进行变桨，从而提高风力发电机组功率。本发明通过对流过叶片的空气密度分区域计算，精确计算了作用在每个叶片上空气动能，提高每个叶片变桨的精度。

30、同时，对于更优的叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度，将更新到数据库中，保证数据库中最优数据不断更新。

技术特征：

1.一种提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，在每个叶片的多个指定位置均安装传感器，传感器沿叶片翼形弦线均匀分布或非均匀分布；各传感器分别采集各个指定位置的叶片工况参数，采集的叶片工况参数包括：风速、温度、湿度和压强。

3.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，叶片旋转平面内的各位置的空气密度的确定过程包括：

4.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，对空气密度场进行划分的过程包括：

5.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，针对任一子区域，空气动能的计算方式为：

6.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，数据库中存储有多组表征叶片工况参数、风力发电机组功率和变桨角度、时间、叶片编号、风向和空气动能之间的对应关系的数据，通过从数据库中查找与当前情况最相似的一组数据，匹配出叶片的第一变桨角度。

7.根据权利要求6所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，若当前叶片工况参数下，风力发电机组的功率高于同样叶片工况参数下的历史风力发电机组功率，则将当前叶片工况参数所对应的最终变桨角度作为更优的第一变桨角度，并更新至数据库中。

8.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，叶片最终变桨角度的计算公式为：

9.根据权利要求1所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，当某一叶片旋转至某一角度时，无法从数据库中匹配到该叶片在该旋转角度下的第一变桨角度，则采用线性外推法确定该叶片在当前旋转角度下的第一变桨角度。

10.根据权利要求9所述的提高风力发电机组功率的方法，其特征在于，采用线性外推法确定某一叶片在某一旋转角度下的第一变桨角度，包括：

技术总结
本发明涉及风力发电机控制技术领域，具体涉及一种提高风力发电机组功率的方法，包括：在任意时刻，采集叶片旋转平面各位置的叶片工况参数；通过查表法确定各位置的空气密度，建立空气密度场分布；将空气密度场划分为多个子区域，并计算各子区域的空气动能；将计算好的每个子区域的空气动能分别与预先构建的数据库进行匹配，得到各叶片旋转至对应子区域时的第一变桨角度；通过变桨系统计算各叶片在当前时刻的第二变桨角度；将每个叶片的第一变桨角度与第二变桨角度进行加权处理，作为当前时刻变桨系统输出的各叶片的最终变桨角度。本发明可获得较为精确的空气密度及其分布，并确定各叶片的变桨角度，提高风力发电机组的功率。

技术研发人员：祁伟斌,朱得利,蔡凯,韩兴意,唐中杰,惠成
受保护的技术使用者：国家能源集团陕西电力有限公司吉山梁电厂
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16