CN101684774B - 一种风力发电系统及风力发电机的测风方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电系统及风力发电机的测风方法。该风力发电场的测风方法，包括接收风力发电机位置的风况信号；接收测试位置的风况信号；通过风况相关性数据库和所述测试位置的风况信号，为风力发电机位置提供风况估计值；比较所述风力发电机位置的风况信号和风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值；以及使用上述差值调整所述风力发电机位置的风况信号。

Description

一种风力发电系统及风力发电机的测风方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，以及其中风力发电机的测风方法。

背景技术

近年来，风能作为一种绿色能源，因为其有利于保护环境且成本相对较低，受到人们越来越多的关注，而运行可靠和高效的风力发电机成为一个重要的研究课题。风力发电机通常包括一个装有若干个叶片的转子，转子安装在塔架上。风力发电机通过叶片的旋转把风能转换成转力或扭力，带动发电机，从而把机械能转化为电能，再通过电网向用户供电。为了使得发电的效率最大化或者满足一定的电网供电要求，在一个地域范围内设置多台风力发电机，通常称为“风力发电场”。

在风力发电机或风力发电场的控制和运行中，精确测量或者监测每一台风力发电机所在位置的风速和风向等风况，对于提高风力发电机或风力发电场的稳定性和运行效率是十分重要的。现有一种监测风力发电机风况的方法是在每台风力发电机上设置一个传感器和一个控制系统，从而使得各风力发电机能独自对不断变化的风况做出反应。然而，这些控制系统的准确性很大程序上受到传感技术的限制。

另一种现有监测风况的技术是在风力发电场内设置气象桅杆。气象桅杆包括若干个安装在塔架上的传感器。气象桅杆对于在它所在位置的风况提供一个相对准确的测试结果，风力发电场的控制器依据该气象桅杆的测量结果，对各风力发电机所在位置的风况作出预计。这种技术的准确性受限于风力发电场的应用条件，特别是风力发电场地形的复杂程度的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的风力发电系统以及其中风力发电机的测风方法，为风力发电机提供准确的风况信号。

本发明一种风力发电机的测风方法，该测试方法包括接收风力发电机位置的风况信号；接收测试位置的风况信号；通过风况相关性数据库和所述测试位置的风况信号，为风力发电机位置提供风况估计值；比较所述风力发电机位置的风况信号和风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值；以及使用上述差值调整所述风力发电机位置的风况信号。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为一个示意性的风力发电场。

图2为图1中风力发电场内的一台风力发电机的示意图。

图3是根据本发明一种实施方式的风况监测方法的流程图。

图4所示为风况相关性数据库的一个实施方式。

图5所示为风况相关性数据库的另一个实施方式。

图6根据本发明另一实施方式的风况监测方法的流程图。

具体实施方式

图1所示为一风力发电场10(以下称“风场10”)的示意图，该风场10包括两台风力发电机12(以下称“风机12”)，可提供电能给一用电设施(未图示)，比如电网，形成一风力发电系统。虽然图1仅显示了两台风机12，但是应该理解为风场10内可能包括任何数量的风机12，既可仅含有一台风机，也可能是若干个在设计上或电力传输上相似或不同的多台风机。另外，风场10还包括一个位于一个测试位置的风况测量装置，该风况测量装置可以是一个位于风场10附近的气象站，或者一个位于风场10内或者风场10附近的多普勒声雷达，或者一个位于风场10内的气象桅杆。在图1示意的实施例中，该风况测量装置是一个气象桅杆16，所述测试位置即为该气象桅杆16所在位置。风场10还进一步包括一个与各风机12和气象桅杆16交换信息的中央控制器18。中央控制器18可用于系统监控和控制等，其控制功能可包括：变桨距和速度调节、高速轴和偏航制动控制、偏航和检测应用以及故障监测等等。

参照图2所示，风机12包括机舱20和一个连在机舱20上的转子22，转子22可绕一轴线24相对于机舱20旋转。转子22包括轮毂26和若干个叶片28(有时也称作“螺旋桨”)，叶片28从轮毂26向外呈放射状延伸开来。在风机12的运行过程中，风带动叶片28转动，叶片28旋转产生的机械能通过机舱20内部的控制和转换系统转化成电能。

在图2所示的实施例中，机舱20安装在一塔架30上。塔架30的高度可以是能够实现叶片28动转的任何合适的高度。转子22可以具有若干个叶片28，而不局限于图2所示的三个叶片28。

参照图1所示，风机12设置一个或多个实时检测风机所在位置风况的传感器32。在某些实施方式中，这里所指的“风况”可以是风向、风速或含有风向值和风速值的一个矢量(以下称“风速风向”)。作为一种实施方式，传感器32安装在风机12的机舱20上。作为可供选择的实施方式，风机12可包括设置在轮毂26、叶片28、塔架30或轴上的一个或多个传感器32。在一种实施方式中，风速值和风向由不同的传感器32分别测得。测量风速值的传感器32可以是风速计等，测量风向值的传感器32可是风向仪或风向标等。

图1所示的气象桅杆16包括一个塔架34和若干个传感器36。作为一种实施方式，传感器36安装在塔架34上不同高度的位置，以测量不同高度的风速风向信息。气象桅杆16所在位置可以与风机12位于相近的水平高度，而气象桅杆16的高度可能与风机12相近，也可以不相近。

图3所示为依据本发明的一种实施方式监测风机12风况的流程图100。在步骤102，风机12上的至少一个传感器32测量该风机位置的风况，并将该测得的风况信号发送给中央控制器18。作为一种实施方式，该风况信号是风速风向信号

包括风速值S_tm和风向值D_tm。在步骤104，气象桅杆16上的至少一个传感器36测量气象桅杆位置的风速风向

该风速风向

包括风速值S_mm和风向值D_mm。

在步骤106，中央控制器18在一个风况相关性数据库里搜寻与气象桅杆位置的风速风向

最接近的风况信号。图4所示为一个实施例中风况相关性数据库122的示意图，该风况相关性数据库122是通过模拟风在某一恒定风速下从若干个风向吹向风场10。图4所示的风况相关性数据库122模拟风从十二个方向，以10米/秒的风速吹向风场10，每相邻两个风向之间的角度差是30度。在每个模拟的风向，得到一个相应的风况相关组M_i。每个风况相关组M_i包括一个气象桅杆16的相关风速风向

和风机12的相关风速风向

每个风速风向

和

包括风向值D_i和风速值S_i。对于一个设有若干台风机12的风场10，每个风况相关组M_i包括气象桅杆16的相关风速风向

和每一台风机12的相关风速风向

风况相关性数据库122可以通过商业应用软件制得，比如美国ANSYS公司(ANSYS，Inc.)或挪威的WindSim公司(WindSim AS)等所提供的软件。

如图3和图4所示，在步骤106，在风况相关性数据库122中搜索到气象桅杆16的风速风向

的估计值

该风速风向估计值所包含的风向值D_mp与气象桅杆16已测得的风向值D_mm最接近。然后，在该气象桅杆16的风速风向估计值

所在的风况相关组M_p中的风机12的风速风向估计值

如图3所示，在步骤108，对传感器32测得的风机12的风速风向

进行调整。作为一种实施方式，风机12调整后的风速风向值

包括调整后的风速值S_{t_new}和调整后的风向值D_{t_new}。在一种实施方式中，风机12调整后的风向值D_{t_new}是用迭代的方法可得到的，例如根据公式1：

D_{t_new}＝D_t+γ(D_tp-D_t)      公式1

其中，D_tp是风机12风速风向估计值

的风向值；γ是调整参数，并且0<γ≤1。作为一种实施方式，γ＝0.05，在另一个实施方式中，为了加快收敛速度，可以取较大的调整参数，比如γ＝0.5。根据公式2可以计算出调整后的风速值S_{t_new}：

$S_{t\_\mathrm{new}}=S_t+\mathrm{\&gamma;}\frac{S_{\mathrm{mm}}}{S_{\mathrm{mp}}}(S_{\mathrm{tp}}*-S_t)$    公式2

其中，S_mp是气象桅杆16风速风向估计值

的风速值，S_mm是已测得的气象桅杆16的风速风向

的风速值；S_tp是风机12风速风向估计值的风速值；γ是调整参数，并且0<γ≤1。作为一种实施方式，γ＝0.05；在另一个实施方式中，γ＝0.5。由此，可得到一台风机12的调整后的风速风向V_{t_new}。

图4所示的风况相关性数据库122中每相邻两个模拟风向间的角度是三十度，所以上述风向估计值的最大误差约为15度。通过增加数据库122中模拟风向的数量可以进一步减少误差。例如，模拟某一恒定的风速从二十四个方向吹向风场10，可以得到二十四个包含有相应气象桅杆16和风机12相关风速风向的风况相关组M，则风向估计值的最大误差减到小于7.5度。

图5所示为实施图3中步骤106的另一种可供选择的实施方式的风况相关性数据库124。该风况相关性数据库124模拟从若干个方向吹向风场10，且在每个风向以若干个风速吹向风场10，图3所示实施例中的风况相关性数据库124包括模拟十二个风向和5米/秒到14米/秒的十个风速。风况相关性数据库124中的每个风况相关组A_ij，包括一个气象桅杆16的相关风速风向

和风机12的相关风速风向风况相关性数据库124可以通过商业应用软件制得，比如美国ANSYS公司(ANSYS，Inc.)或挪威的WindSim公司(WindSim AS)等所提供的软件。

如图3和图5所示，基于图5中风况相关性数据库124的另一种可供选择的实施方式的步骤106包括在风况相关性数据库124中搜索风况相关组A_pq，该风况相关组A_pq所含的气象桅杆16的相关风速风向

与传感器36测得的风速风向

最接近，该风况相关组A_pq中所含的风机12的相关风速风向即为风机12的风速风向估计值

如图3和图5，用来调整风机12的风速风向

另一个可供选择的实施方式的步骤108包括使用迭代法计算调整后的风速风向

例如，根据公式3：

${\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{t\_\mathrm{new}}={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_t+\mathrm{\&gamma;}({\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{t\_\mathrm{pq}}-{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_t)$           公式3

其中，

为数据组A_pq中风机12的风速风向估计值。γ是调整参数，并且0<γ≤1。作为一种实施方式，γ＝0.05，在另一个实施方式中，γ＝0.5。对于一个装有若干台风机12的风场10来说，每个数据组A_ij包括气象桅杆16和每一台风机12的相关风速风向，每一台风机12上传感器32测得的风速风向

都可以通过上述的方法进行调整。

仍旧参照图3所示，该方法100还可进一步包括一个对风机12调整后的风速风向V_{t_new}进行校验的步骤110。作为一种实施方式，检验步骤110包括步骤112、113和114。在步骤112，中央控制器18根据该风机12调整后的风速风向V_{t_new}和地形参数绘制一个风场10的风力分布图。该“风场10的风力分布图”并不局限于风场10的地域范围，而可以是风场10内或者包括风场10附近区域的区域。该风力分布图可以用气象学领域的建模方式制成，比如该风力分布图可以例用气象学的诊断模型，首先利用调速后的风速风向V_{t_new}和地形参数建立一个初始风场模型，该初始风场模型是通过计算风场10上各点与风机12之间距离差和高度差，用内插和外插法建立，然后应用流动物理学中的质量守恒方程和连续性方程调整该初始风场模型得到风力分布图。文献“A 3-D diagnostic model for wind field adjustment.Journal of WindEngineering and Industrial Aerodynamics.Vol.74-76.249-261.Montero，G.et al.1998”和“Diagnostic Wind Field Modeling for Complex Terrain：ModelDevelopment and Testing.Journal of Applied Meteorology.vol.27.785-796.Ross，D.G.，Smith，I.N.，Manins，P.C.，Fox，D.G.，1988”两篇文献描述了若干利用气象学诊断模型建立风力分布图的方法，可作为参考。

在一个实施方式中，风力分布图根据一台风机12的调整后的风速风向V_{t_new}和地形参数绘制。作为另一种可供选择的实施方式，风力分布图根据多台风机12的多个调速后的风速风向V_{t_new}和地形参数绘制。

所述风场的地形参数可能会因为风场内或附近植被的生长而改变。在某些实施方式中，中央控制器18对地形参数按照固定的时间间隔进行修正，该时间间隔可以是每月、每季、每年或任何适当的时间间隔。

仍照参照图3所示，在步骤114，根据风力分布图得到的气象桅杆16所在位置的预测风速风向

该预测风速风向与气象桅杆16在步骤116中测得的风速风向

比较，取其差值 $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{V}={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{mm}}-{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{me}}.$ 如果不等于零，则该风机12的调整后的风速风向

仍有误差。如果该差值

大于一个设定的最大误差值

则该调整后的风速风向

需要进一步调整。作为一种实施方式，中央控制器18重复步骤102-108，以该调整后的风速风向作为新的待调整的风速风向。某些实施例中，可能需要将步骤102至110重复数次，直至得到一个最小的或者直至 $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{V}\&le;{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_0.$

图6所示为依据本发明的另一种实施方式，监测风场10中风机12风况的流程图200。在步骤202，风机12上至少一个传感器32测得风机12的风况，并把风况信号发送到中央控制器18。作为一种实施方式，风况信号为风速风向包括风速值S_t2和风向值D_t2。

在步骤204中，中央控制器18用风速风向

和风场10地形参数来绘制风力分布图。风力分布图可用图3中步骤112中所描述的相似方法来绘制。在步骤206，依据该风力分布图可以得到气象桅杆16的风速风向的预测值

在步骤208，气象桅杆16上的传感器36测得气象桅杆16所在位置的风速风向

该测得的风速风向包括风速值S_mm2和风向值D_mm2。在步骤210中，依据风力分布图得到的预计风速风向

与测得的风速风向

比较，得到其间的差值

$\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_2={\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{mm}2}-{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{me}2}.$ 如果差值不等于零，则风机12上传整器32测得的风速风向

存在误差。如果差值

大于预设的最大误差值可实施步骤212对该风速风向进行调整。

在步骤212，风机12的风速风向

利用差值

来调整。在一个实施方式中，差值

包括一个风速差ΔS₂和一个风向差ΔD₂。风机12的调整后的风速风向

包括一个调整后的风速值S_{t_new2}，和一个调整后的风向值D_{t_new2}。调整后的风机风向S_{t_new2}可根据公式4计算：

S_{t_new2}＝S_tm2+γΔS₂       公式4

其中，γ是调整参数，并且0<γ≤1。作为一种实施方式，γ＝0.05，在另一个实施方式中，γ＝0.5。调整后的风机12的风向值D_{t_new2}可根据公式5计算：D_{t_new2}＝D_tm2+γΔD₂     公式5

在某些实施方式中，可以对调整后的风机12的风速风向

进行检验。作为一种实施方式，检验过程包括：回到步骤204，用该调整后的风速风向

为风场10建立一个调整后的风力分布图。调整后的风力分布图建立后，获得气象桅杆16的新的预计风速风向

将该新的预计风速风向

与气象桅杆16上传感器36测到的风速风向

比较，得到一个新的差值

如果 $\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{new}}<\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_2,$ 则验证了对该风机12的风速风向

的调整的方向是正确的。步骤104至114可能会不断重复直至得到一个较少的

或直至 $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{V}\&le;{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_0.$ 如果新的差值 $\mathrm{\&Delta;}{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_{\mathrm{new}}>{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_2,$ 意味着测到的风机12的风速风向

已经最接近风机12所在位置的实际风速风向，而不需要被调整。

作为一种实施方式，风场10内设置两个或两个以上的气象桅杆16。依据图3或图6中所示的风况监测方法100(200)，利用每一个气象桅杆16上传感器36所测得的风速风向对风机12上传感器32的测量值进行调整，为风机12得到两个或两个以上调整后的风速风向，再用优化的方法，根据该两个或以上的调整后的风速风向优化得出风机12的最终调整后的风速风向。

中央控制器18用于实施上述的风况监测方法100(200)，其包括一接收单元用以接收风况信号，一运算器，用以建立风况相关性数据库，通过使用气象桅杆位置上的风况信号来估算风机位置上的风况，获得风机位置的风况信号和风机位置上估算的风况信号之间的差值，使用上述差值来调整风机位置的风况信号。

中央控制器18通过通信连接装置将风机12和气象桅杆16联系起来，这种连接可以硬件、软件或两者的组合的方式来实现。作为一种实施方式，通过领域内技术人员熟悉的任何有线或无线通信协议，通信连接装置可以将数据信号远程发送至中央控制器18或接收来自中央控制器18的数据信号。

在特定的实施方式中，每台风机12包括一个与中央控制器18连接的风机控制器(没有在图上显示出来)，它利用调整过的风速风向来实现偏航控制和(或)速度调节。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (11)

1.一种风力发电机的测风方法，包括：

接收风力发电机位置的风况信号；

接收测试位置的风况信号；

通过风况相关性数据库和所述测试位置的风况信号，为风力发电机位置提供风况估计值；

其中，所述风况相关性数据库的建立包括：模拟风以若干个方向吹向风力发电机所在一风力发电场，建立一个风况相关性数据库，该风况相关性数据库包括若干个风况相关组，每一风况相关组对应一个模拟风向，每一风况相关组包含测试位置的相关风况信号和风力发电机位置的相关风况信号；或者模拟风以若干个方向，每个方向以若干个风速吹向风场，建立一个风况相关性数据库，该风况相关性数据库包括若干个风况相关组，每个风况相关组对应一个相应的模拟风向和一个相应的模拟风速，每个风况相关组包含一个测试位置的相关风况信号和一台风力发电机位置的相关风况信号；

其中，所述为风力发电机位置提供的风况估计值包括：在风况相关性数据库中取得一个近似风况相关组，该近似风况相关组中的测试位置的相关风况信号与所述测试位置的风况信号最接近，则该近似风况相关组中的风力发电机位置的相关风况信号即为风力发电机位置的风况估计值；

比较所述风力发电机位置的风况信号和风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值；以及

使用上述差值调整所述风力发电机位置的风况信号。

2.如权利要求1所述的风力发电机的测风方法，其中模拟风以若干个方向吹向风力发电场的步骤包括模拟风以一个恒定的风速以若干个方向吹向风力发电场。

3.如权利要求1所述的风力发电机的测风方法，其中所述风力发电机位置的风况信号包括风力发电机位置的风向值，所述风力发电机位置的风况估计值包括风向估计值，所述使用上述差值来调整所述风力发电机位置的风况信号包括用风力发电机位置的风向值与风力发电机位置的风向估计值的差来调整风力发电机位置的风向值。

4.如权利要求3所述的风力发电机的测风方法，其中所述用风力发电机位置的风向值与风力发电机位置的风向估计值的差来调整风力发电机位置的风向值包括利用所述差，用迭代的方法调整风力发电机位置的风向值。

5.如权利要求1所述的风力发电机的测风方法，其中该测风方法还进一步包括依据风力发电机位置的风况信号和地形参数来绘制风力分布图。

6.如权利要求5所述的风力发电机的测风方法，其中该测风方法还进一步包括由所述风力分布图得到测试位置的预测风况信号，将该测试位置的预测风况信号与测试位置的风况信号比较，以校验所述调整后的风力发电机位置的风况信号。

7.如权利要求1至6中任何一项所述的风力发电机的测风方法，其中测试位置为一气象桅杆所在的位置，所述接收测试位置的风况信号的步骤包括接收气象桅杆所测得的风况信号。

8.如权利要求1至6中任何一项所述的风力发电机的测风方法，其中该测风方法进一步包括接收该风力发电机所在的一风力发电场内另一台风力发电机位置的风况信号；其中所述通过风况相关性数据库和所述测试位置的风况信号，为风力发电机位置提供风况估计值的步骤包括通过风况相关性数据库和所述测试位置的风况信号为每一台风力发电机位置提供其相应的风况估计值；所述比较所述风力发电机位置的风况信号和风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值，使用上述差值调整所述风力发电机位置的风况信号的步骤包括比较每一台风力发电机位置的风况信号和该风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值，使用上述差值调整该风力发电机位置的风况信号。

9.一种风力发电机的测风方法，包括：

接收风力发电机位置和测试位置的风况信号；

根据风力发电机位置的风况信号和地形参数绘制风力分布图；

利用风力分布图得到测试位置的风况预测值；

比较测试位置的风况信号和测试位置的风况预测值，并得到其间的差值；以及

用上述差值来调整风力发电机位置的风况信号。

10.如权利要求9中所述的风力发电机的测风方法，其中接收风力发电机位置和测试位置的风况信号的步骤包括接收至少两台风力发电机位置的风况信号，所述根据风力发电机位置的风况信号和地形参数绘制风力分布图的步骤包括根据所述至少两台风力发电机的风况信号和地形参数绘制风力分布图。

11.一种风力发电系统，包括风力发电机、风况测量装置和控制器，该控制器包括：

接收单元，用以接收风力发电机位置和风况测量装置所在的测试位置的风况信号；以及

运算器，用以通过使用风况相关性数据库和测试位置的风况信号，提供风力发电机所在位置的风况估计值，比较风力发电机所在位置的风况信号和风力发电机位置的风况估计值，并得到其间的差值，使用上述差值来调整风力机位置的风况信号；

其中，所述风况相关性数据库的建立包括：模拟风以若干个方向吹向风力发电机所在一风力发电场，建立一个风况相关性数据库，该风况相关性数据库包括若干个风况相关组，每一风况相关组对应一个模拟风向，每一风况相关组包含测试位置的相关风况信号和风力发电机位置的相关风况信号；或者模拟风以若干个方向，每个方向以若干个风速吹向风场，建立一个风况相关性数据库，该风况相关性数据库包括若干个风况相关组，每个风况相关组对应一个相应的模拟风向和一个相应的模拟风速，每个风况相关组包含一个测试位置的相关风况信号和一台风力发电机位置的相关风况信号；

其中，所述为风力发电机位置提供的风况估计值包括：在风况相关性数据库中取得一个近似风况相关组，该近似风况相关组中的测试位置的相关风况信号与所述测试位置的风况信号最接近，则该近似风况相关组中的风力发电机位置的相关风况信号即为风力发电机位置的风况估计值。

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