CN116522051A - 一种全场机舱传递函数校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全场机舱传递函数校正方法，本发明依据风向建立全场扇区划分模型，将不同风向影响下的风机位置根据三维尾流模型进行流场预测，判别风机机位是否处于尾流影响扇区，进而结合所建立的入流等效模型和激光雷达测量风速进行入流等效风速计算，同时根据风机转速特性分区建立入流等效风速和机舱风速、转速的机舱传递函数，进而实现全场风机传递函数的定制化校正应用，有效提升自由来流风速计算精度，有效提升传递函数拟合精度。

Description

一种全场机舱传递函数校正方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其是指一种全场机舱传递函数校正方法。

背景技术

风速仪是用来采集风速数据的设备，主要用于风电机组的功率曲线计算、切入切出控制、暴风控制以及偏航控制等。目前风电机组风速仪安装和使用类型主要为后置式机械式风速仪或超声波风速仪，由于风速仪安装于机舱尾部，受到风电机组叶轮旋转扰动、来流风况特性以及叶根狭管效应等因素影响，使得机舱风速仪所测量风速与真实风速存在偏差，直接影响风速输出的大小，进而影响风机运行控制，易增加失速、振动、载荷和飞车等风险。

目前，风电机组主机厂家通常依据IEC 61400 12-2标准引入机舱传递函数(机舱风速仪风速与自由来流风速的对应函数关系)对机舱风速仪所测量风速进行修正，IEC所提出的计算方法为测风塔风速与机舱风速仪风速的单值线性关系，但对于风电机组实际运行而言，风速仪所测量风速会受到叶轮旋转速度、来流风特性等多重因素影响，仅仅考虑机舱风速仪与测风塔数据并不能准确计算传递函数关系。基于此，部分论文、专利也提出考虑多参数影响的传递函数计算方法，如中国发明专利CN113283035A公开了一种考虑机舱风速与风机功率双参数影响的机舱传递函数计算方法，但该类现有技术只是从风电机组侧进行了影响因素考虑，忽略了风机来流风特性，如湍流、风切变等因素的影响，同时从风速仪测风角度而言，叶轮转速相较风机功率对测风仪精度有更重要的影响，且目前现有传递函数计算方法以测风塔或激光雷达所测量单点风速为自由来流风速，并没有考虑整个叶轮平面的等效风速计算。与此同时，各主机厂家传递函数计算均为出厂前理论环境计算，并未从全场风机实际布局的角度进行全场传递函数定制化校正计算。因此，其改进和创新势在必行。

为了弥补以上技术存在的不足，本发明考虑入流风特性、风机转速、机组布局等多因素提出一种全场机舱传递函数定制化校正方法。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种考虑入流风特性、风机转速、机组布局等多因素的全场机舱传递函数校正方法。

本发明解决的技术方案是：

一种全场机舱传递函数校正方法，包括以下步骤：

步骤1、全场风机扇区划分

全场风机扇区划分中采集全场风机机位点坐标信息、高程信息、风向信息、风速信息以及湍流强度，结合尾流叠加模型，对不同风向变量下的全场流场分布情况进行预测，进而判断各机位是风机入流风资源信息，全场风机扇区判断模型如下所示：

式中，F_S为全场风机扇区判断模型；f(θ)为风向模型，通过输入不同风向角度θ用以转换坐标系，x，y，z为对应坐标系下的位置坐标参数；v(x,y,z)为风机三维入流风速，由激光雷达测量；V_w为三维尾流模型，用于预测尾流风速分布，其中k为尾流膨胀系数，m为经验系数，由风机实际运行工况决定，r₀为风轮叶片长度，r_w为下风向位置x处的尾流半径，σ为高斯分布标准差，a为轴向诱导因子；

步骤2、入流等效风速模型建立

依据步骤1所判断出的风机入流风况，进行入流等效风速模型输入参数的设定，叶轮平面入流等效风速模型如下式(2)所示，其中单点风速测量采用激光雷达雷达进行：

式中，V_eq为入流等效风速；为风机轮毂高度平面风速；V_w表示尾流参数效应向量；V_sh表示风切变现象的向量，v₁为高度h₁处风速，α为风切变指数，由激光雷达上下光速测量风速拟合确定；V_to表示为塔影效应的向量，β为风力加速度参数，φ表示风轮组件叶片和地面垂直方向的夹角参数，l表示风轮到风力机塔架之间的距离参数，d为叶片与轮毂之间距离参数；

步骤3、数据采集与处理

a)采用激光雷达获取风机轮毂高度处风速数据，同时采集机舱风速仪数据、转速数据，采样频率为1Hz，将采集的数据分别计算得出10min算术平均值；

b)将步骤a)统计后的的数据进行异常剔除，包括测试设备损坏的情况、10min平均风速低于风机切入风速或高于切出风速的数据、风机限电数据。

c)运用区间法，将将风向角度0-360°划分为36个区间，每个区间宽度为10°，结合步骤1全场扇区划分模型，判断每台机组是否处于尾流区内；

d)结合上述是否处于尾流区内的判断结果，将激光雷达所测量数据代入步骤2入流等效风速模型中进行计算，换算为入流等效风速；

e)将激光雷达采集到的风速按照间隔分成若干Bin区间，每个Bin区间中心值为风速间隔的整数倍，同时将雷达测量风速对应的风机转速、机舱风速仪风速同时也按照Bin法区间进行划分；利用下式(3)进行计算每个Bin区间的机舱风速均值、等效风速均值以及转速均值：

式中，v_n,i为第i个Bin区间的机舱风速平均值，v_n,i,j为在第i个Bin区间第j组的机舱风速；v_eq,i为第i个Bin区间的入流等效风速平均值，v_eq,i,j为在第i个Bin区间第j组的入流等效风速；v_r,i为第i个Bin区间的风机转速平均值，v_r,i,j为在第i个Bin区间第j组的风机转速；

步骤4、传递函数建立

根据机组转速特性进行分区拟合，对于切入转速至额定转速区间内，将入流等效风速视为机舱风速仪风速、机组转速的函数，通过多项式曲面拟合方法建立等效入流风速与机舱风速、机组转速的传递函数；对于额定转速以上区间，由于转速为定值，将入流风速视为机舱风速的单值函数，通过多项式拟合：

a)切入转速至额定转速区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n、风机转速v_r作为自变量，采用多项式曲面拟合方法，计算公式如下式所示，其中c为待定拟合参数：

b)额定转速以上区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n作为自变量，采用多项式拟合方法，计算公式如下式所示，其中b为待定拟合参数：

v_eq＝f(v_n)＝b₀+b₁v_n+b₂v_n ²+b₃v_n ³+... (5)

上述全场机舱传递函数校正方法建立以后，即可依据风向对全场风机进行传递函数定制化校正，有效提升自由流风速还原精度，进而提升风机运行控制、功率性能精度。

本发明考虑了全场风机布局特点，依据风向建立全场扇区划分模型，将不同风向影响下的风机位置根据三维尾流模型进行流场预测，判别风机机位是否处于尾流影响扇区，进而结合所建立的入流等效模型和激光雷达测量风速进行入流等效风速计算，同时根据风机转速特性分区建立入流等效风速和机舱风速、转速的机舱传递函数，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.现有技术主要针对单台风机进行传递函数进行计算，进而直接应用于全场风机，忽略了风机实际布局间的相互影响，直接导致入流风速影响因素考虑不完整，影响传递函数计算精度，基于此，本发明考虑了风场风机之间布局，根据风向和尾流模型，建立全场扇区划分模型风廓线模型，精准有效预测机组来流风况，进而实现全场风机传递函数的定制化校正应用；

2.现有机舱传递函数计算中通过测风塔或激光雷达测量单点风速进行风机入流风速表征，而风机实际入流风速受机组排布、塔影效应、尾流效应以及剪切效应等综合影响，需经单点实测风速反算入流等效风速。本发明考虑平均风速、风剪切、塔影效应、尾流效应等因素影响建立入流等效风速模型，并结合激光雷达测风数据计算等效风速，有效提升自由来流风速计算精度；

3.风机转速对于叶轮后方机舱风速测量精度具有重要影响。IEC 61400-12-2标准采用自由来流风速与机舱风速的单值关系进行传递函数线性拟合，忽略了风机转速对机舱测风精度的影响。本发明基于风机转速特性进行了分区划分，并根据风机入流等效风速与机舱风速、风机转速的关系，建立多项式曲面拟合关系，进而推导得出机舱传递函数计算值，有效提升传递函数拟合精度。

附图说明

图1为本发明全场风机扇区划分计算方法建立示意图。

图2为本发明全场机舱传递函数校正方法流程示意图。

图3为本发明传递函数应用对比效果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1-3所示，本发明公开了一种全场机舱传递函数校正方法，包括以下步骤：

步骤1、全场风机扇区划分

传统机舱传递函数计算过程中由于只针对单机进行计算，故剔除掉了入流风速中受到尾流扇区影响的风速，然而在实际风场布局中，处于风场内部的风机多受到尾流叠加、塔影效应等影响，因此风机入流风速错综复杂，单纯采用不受干扰的入流风速与机舱风速仪风速进行拟合，无法保证计算精度。

全场风机扇区划分中采集全场风机机位点坐标信息、高程信息、风向信息、风速信息以及湍流强度，结合尾流叠加模型，对不同风向变量下的全场流场分布情况进行预测，进而判断各机位是风机入流风资源信息，全场风机扇区判断模型如下所示：

式中，F_S为全场风机扇区判断模型；f(θ)为风向模型，通过输入不同风向角度θ用以转换坐标系，x，y，z为对应坐标系下的位置坐标参数；v(x,y,z)为风机三维入流风速，由激光雷达测量；V_w为三维尾流模型，用于预测尾流风速分布，其中k为尾流膨胀系数，m为经验系数，由风机实际运行工况决定，r₀为风轮叶片长度，r_w为下风向位置x处的尾流半径，σ为高斯分布标准差，a为轴向诱导因子(由风力机推力系数C_T确定)；

所示尾流膨胀系数k为0.075；结合高斯分布特点，所示经验系数c取值为2.58。

步骤2、入流等效风速模型建立

入流等效风速模型建立过程中了克服了传统方法中采用单点风速的不足，综合考虑了平均风速、风剪切、塔影效应、尾流效应等因素影响，依据步骤1所判断出的风机入流风况，进行入流等效风速模型输入参数的设定，叶轮平面入流等效风速模型如下式(2)所示，其中单点风速测量采用激光雷达雷达进行：

式中，V_eq为入流等效风速；为风机轮毂高度平面风速；V_w表示尾流参数效应向量，结合步骤1所划分风机扇区进行计算；V_sh表示风切变现象的向量，v₁为高度h₁处风速，α为风切变指数，由激光雷达上下光速测量风速拟合确定；V_to表示为塔影效应的向量，β为风力加速度参数，φ表示风轮组件叶片和地面垂直方向的夹角参数，l表示风轮到风力机塔架之间的距离参数，d为叶片与轮毂之间距离参数；

步骤3、数据采集与处理

a)采用激光雷达获取风机轮毂高度处风速数据，同时采集机舱风速仪数据、转速数据，采样频率为1Hz，将采集的数据分别计算得出10min算术平均值；

b)将步骤a)统计后的的数据进行异常剔除，包括测试设备损坏的情况、10min平均风速低于风机切入风速或高于切出风速的数据、风机限电数据。

c)运用区间法，将将风向角度0-360°划分为36个区间，每个区间宽度为10°，结合步骤1全场扇区划分模型，判断每台机组是否处于尾流区内；

d)结合上述是否处于尾流区内的判断结果，将激光雷达所测量数据代入步骤2入流等效风速模型中进行计算，换算为入流等效风速；

e)将激光雷达采集到的风速按照间隔分成若干Bin区间，每个Bin区间中心值为风速间隔的整数倍，同时将雷达测量风速对应的风机转速、机舱风速仪风速同时也按照Bin法区间进行划分；利用下式(3)进行计算每个Bin区间的机舱风速均值、等效风速均值以及转速均值，考虑到模型计算的效率，优选的风速间隔为0.5m/s：

式中，v_n,i为第i个Bin区间的机舱风速平均值，v_n,i,j为在第i个Bin区间第j组的机舱风速；v_eq,i为第i个Bin区间的入流等效风速平均值，v_eq,i,j为在第i个Bin区间第j组的入流等效风速；v_r,i为第i个Bin区间的风机转速平均值，v_r,i,j为在第i个Bin区间第j组的风机转速；

步骤4、传递函数建立

IEC 61400-12-2采用线性函数对机舱风速和自由来流风速进行拟合，计算方法简单，但其忽略了转速等因素影响且采用线性拟合存在较大误差，精确性和可靠性有待进一步提升，基于以上分析，为提高机舱传递函数计算的准确性和效率，本发明根据机组转速特性进行分区拟合，对于切入转速至额定转速区间内，将入流等效风速视为机舱风速仪风速、机组转速的函数，通过多项式曲面拟合方法建立等效入流风速与机舱风速、机组转速的传递函数；对于额定转速以上区间，由于转速为定值，将入流风速视为机舱风速的单值函数，通过多项式拟合：

a)切入转速至额定转速区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n、风机转速v_r作为自变量，采用多项式曲面拟合方法，计算公式如下式所示，其中c为待定拟合参数：

拟合建议为五项式；

b)额定转速以上区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n作为自变量，采用多项式拟合方法，计算公式如下式所示，其中b为待定拟合参数：

v_eq＝f(v_n)＝b₀+b₁v_n+b₂v_n ²+b₃v_n ³+... (5)

拟合建议为五项式；

上述全场机舱传递函数校正方法建立以后，即可依据风向对全场风机进行传递函数定制化校正，有效提升自由流风速还原精度，进而提升风机运行控制、功率性能精度。

为验证所建立传递函数的准确性，本发明结合某平原风电场机舱激光雷达实测功率曲线数据进行了对比，实测数据周期为2022年3月1日至2022年8月31日，在验证过程中首先收集了同时段机组SCADA数据，利用风向、机舱风速、机组位置等数据代入本发明所建立的机舱传递函数中进行计算修正后的机舱风速，同时将机舱风速代入IEC所采用计算公式中进行机舱风速计算，分别利用两种方法所建立的风速-功率曲线与机舱雷达实测标准功率曲线进行对比，如图3所示，验证结果表明，本发明提出的传递函数计算方法与实测数据具有较高的吻合度，误差率为+0.997％，而IEC提出的方法与实测数据误差率高达-3.945％，本发明机舱传递计算方法的提出可为全场机舱传递函数计算提供定制化计算方法，有效提升风机运行控制精度与功率曲线计算精度。

Claims (4)

1.一种全场机舱传递函数校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、全场风机扇区划分

全场风机扇区划分中采集全场风机机位点坐标信息、高程信息、风向信息、风速信息以及湍流强度，结合尾流叠加模型，对不同风向变量下的全场流场分布情况进行预测，进而判断各机位是风机入流风资源信息，全场风机扇区判断模型如下所示：

式中，F_S为全场风机扇区判断模型；f(θ)为风向模型，通过输入不同风向角度θ用以转换坐标系，x，y，z为对应坐标系下的位置坐标参数；v(x,y,z)为风机三维入流风速，由激光雷达测量；V_w为三维尾流模型，用于预测尾流风速分布，其中k为尾流膨胀系数，m为经验系数，由风机实际运行工况决定，r₀为风轮叶片长度，r_w为下风向位置x处的尾流半径，σ为高斯分布标准差，a为轴向诱导因子；

步骤2、入流等效风速模型建立

依据步骤1所判断出的风机入流风况，进行入流等效风速模型输入参数的设定，叶轮平面入流等效风速模型如下式(2)所示，其中单点风速测量采用激光雷达雷达进行：

式中，V_eq为入流等效风速；为风机轮毂高度平面风速；V_w表示尾流参数效应向量；V_sh表示风切变现象的向量，v₁为高度h₁处风速，α为风切变指数，由激光雷达上下光速测量风速拟合确定；V_to表示为塔影效应的向量，β为风力加速度参数，φ表示风轮组件叶片和地面垂直方向的夹角参数，l表示风轮到风力机塔架之间的距离参数，d为叶片与轮毂之间距离参数；

步骤3、数据采集与处理

a)采用激光雷达获取风机轮毂高度处风速数据，同时采集机舱风速仪数据、转速数据，采样频率为1Hz，将采集的数据分别计算得出10min算术平均值；

b)将步骤a)统计后的的数据进行异常剔除，包括测试设备损坏的情况、10min平均风速低于风机切入风速或高于切出风速的数据、风机限电数据。

c)运用区间法，将将风向角度0-360°划分为36个区间，每个区间宽度为10°，结合步骤1全场扇区划分模型，判断每台机组是否处于尾流区内；

d)结合上述是否处于尾流区内的判断结果，将激光雷达所测量数据代入步骤2入流等效风速模型中进行计算，换算为入流等效风速；

e)将激光雷达采集到的风速按照间隔分成若干Bin区间，每个Bin区间中心值为风速间隔的整数倍，同时将雷达测量风速对应的风机转速、机舱风速仪风速同时也按照Bin法区间进行划分；利用下式(3)进行计算每个Bin区间的机舱风速均值、等效风速均值以及转速均值：

式中，v_n,i为第i个Bin区间的机舱风速平均值，v_n,i,j为在第i个Bin区间第j组的机舱风速；v_eq,i为第i个Bin区间的入流等效风速平均值，v_eq,i,j为在第i个Bin区间第j组的入流等效风速；v_r,i为第i个Bin区间的风机转速平均值，v_r,i,j为在第i个Bin区间第j组的风机转速；

步骤4、传递函数建立

根据机组转速特性进行分区拟合，对于切入转速至额定转速区间内，将入流等效风速视为机舱风速仪风速、机组转速的函数，通过多项式曲面拟合方法建立等效入流风速与机舱风速、机组转速的传递函数；对于额定转速以上区间，由于转速为定值，将入流风速视为机舱风速的单值函数，通过多项式拟合：

a)切入转速至额定转速区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n、风机转速v_r作为自变量，采用多项式曲面拟合方法，计算公式如下式所示，其中c为待定拟合参数；

b)额定转速以上区间

将入流等效风速v_eq作为因变量，将机舱风速v_n作为自变量，采用多项式拟合方法，计算公式如下式所示，其中b为待定拟合参数：

v_eq＝f(v_n)＝b₀+b₁v_n+b₂v_n ²+b₃v_n ³+... (5)

上述全场机舱传递函数校正方法建立以后，即可依据风向对全场风机进行传递函数定制化校正，有效提升自由流风速还原精度，进而提升风机运行控制、功率性能精度。

2.根据权利要求1所述的全场机舱传递函数校正方法，其特征在于，所述步骤一全场风机扇区判断模型中，尾流膨胀系数k为0.075；结合高斯分布特点，经验系数m取值为2.58。

3.根据权利要求1所述的全场机舱传递函数校正方法，其特征在于，所述步骤三e)步骤中的风速间隔为0.5m/s。

4.根据权利要求1所述的全场机舱传递函数校正方法，其特征在于，所述步骤四传递函数建立优选为五项式。