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一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法

阅读：839发布：2020-05-11

IPRDB可以提供一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，包括以下步骤：依据计算得出的标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj，得出两者之间的线性关系式；依据该线性关系式，计算风电机组运行时的电功率Pi对应的风电机组迎风风速Vi；计算风电机组运行时的风能利用系数Cp,i；绘制出风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi的二维散点图，同时叠加风电机组出厂风能利用系数设计曲线；计算出每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与风能利用系数设计值Cp,s,i的实时风能利用偏差SC,i。本发明通过比较得出的实时风能利用偏差SC,i与风能利用系数规定值的大小，当实时风能利用偏差SC,i不小于风能利用系数规定值时，即该风电机组运行性能良好。，下面是一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法专利的具体信息内容。

1.一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj，并将采集的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj分别折算为标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj，其折算公式如下：式中：Psj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；

tsj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；

Tb——标准绝对气温，℃；

Pb——标准大气压强，kPa；

2)根据步骤1)得出的若干组标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：Vb,cf＝K·Vb,fj+B   (3)

3)在线采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速Vfj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速Vb,fj,i，再根据步骤2)得出的线性系数K和B，计算与电功率Pi相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速Vi，其计算公式如下：Vi＝K·Vb,fj,i+B   (4)

式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i＝1,2，…，n；

4)依据步骤3)得出的风电机组迎风风速Vi，计算风电机组运行时的风能利用系数Cp,i，其计算公式如下：式中：Cp,i——风能利用系数，无量纲；

ρair——风电机组运行时的实时的空气密度，m3/kg；

Afan——风机桨叶扫过面积，m2；

其中，风机桨叶扫过面积Afan，其计算公式如下：式中：Rfan——风机桨叶半径，m；

5)绘制出风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi的二维散点图，同时叠加风电机组出厂风能利用系数设计曲线；

6)采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi对应的风能利用系数设计值Cp,s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与风能利用系数设计值Cp,s,i的实时风能利用偏差SC,i，其计算公式如下：式中：SC,i——风能利用偏差，无量纲。

2.根据权利要求1所述的实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，其特征在于，步骤1)中，至少采集50组风电机组运行时的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj。

说明书全文

一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法

【技术领域】

[0001] 本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法。【背景技术】
[0002] 风能是一种清洁的可再生能源，作为风能利用的主要形式，风力发电是目前技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。风力发电机组投产发电后，其出力是否能达到风电机组的标称出力，运行是否稳定，是风电场运营单位最为关心的问题，也是决定风电场运营经济指标的重要因素。
[0003] 传统的考核测试方法是在某一段时间内记录风电机组轮毂高度处的风速和在该风速下机组的输出功率，在按照标准计算可取的风向扇区内，记录相关数据。最后利用Bin分析的方法计算出功率曲线，进而分析该台机组发电性能的优劣。在整个测试过程中，存在以下几个问题。
[0004] 1、需要对机组的运行性能、风电机组的实时净功率和其周围气象情况进行长时间的数据采集。且由于这种方法由于机组给定功率曲线涉及切入风速和切出风速，因此这种考核方法所用的时间较长。有时可能由于当地风速较低或风速频率分布较集中，绘制一个完整的功率曲线图可能要花几年的时间，用人工的方法费时费力。
[0005] 2、按照考核标准的定义风力发电机组的功率曲线是机组输出功率随10min平均风速变化的关系曲线,通过实际测试的方式得到。这种测试得到的功率曲线具有独特性,是针对具体的风场而言,当适用于其他的风场时,仍然需要进行修正。由于自然风风速、风向变化的不确定性,尤其是山区地形的复杂,使得准确测试风力发电机组功率曲线有较多困难。
[0006] 3、随风电机组提供的技术规范和用户手册，都会描述该机型在标准空气密度下的功率曲线，这个功率曲线通常是通过计算得到的理论功率曲线，或者是在一定的模拟环境下通过试验而绘制出来的。
[0007] 4、由于需统计风速的地方多、时间长等原因，致使风速数据具有海量、存储困难等特征，因此很多地方只保留每小时风速的均值和方差，以及统计当年的实际风速数据，而不会保留所有实际的风速数据。当统计得到新的风速数据时，则更新风速均值和方差。因数据的不足而造成评估模型常失真。
[0008] 5、存在空气密度随温度的变化而变化所造成的影响问题。
[0009] 从以上分析可知：目前这些方法在精度、实时性及数据的完整性上都存在一定的问题，对风机实际特性监测都有一定的影响，如何针对具体的风场条件，实时对风机性能数据进行采集、管理和修正、分析，并制定一套有效的技术方案是目前计算和监测风机运行特性的技术突破点。【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法。
[0011] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0012] 一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，包括以下步骤：
[0013] 1)采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj，并将采集的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj分别折算为标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj，其折算公式如下：
[0014]
[0015]
[0016] 式中：Psj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；
[0017] tsj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；
[0018] Tb——标准绝对气温，℃；
[0019] Pb——标准大气压强，kPa；
[0020] 2)根据步骤1)得出的若干组标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：
[0021] Vb,cf＝K·Vb,fj+B      (3)
[0022] 3)在线采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速Vfj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速Vb,fj,i，再根据步骤2)得出的线性系数K和B，计算与电功率Pi相对应的风电机组运行时的风电机组迎风风速Vi，其计算公式如下：
[0023] Vi＝K·Vb,fj,i+B     (4)
[0024] 式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i＝1,2，…，n；
[0025] 4)依据步骤3)得出的风电机组迎风风速Vi，计算风电机组运行时的风能利用系数Cp,i，其计算公式如下：
[0026]
[0027] 式中：Cp,i——风能利用系数，无量纲；
[0028] ρair——风电机组运行时的实时的空气密度，m3/kg；
[0029] Afan——风机桨叶扫过面积，m2；
[0030] 5)绘制出风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi的二维散点图，同时叠加风电机组出厂风能利用系数设计曲线；
[0031] 6)采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi对应的风能利用系数设计值Cp,s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与风能利用系数设计值Cp,s,i的实时风能利用偏差SC,i，其计算公式如下：
[0032]
[0033] 式中：SC,i——风能利用偏差，无量纲。
[0034] 本发明进一步改进在于：步骤1)中，至少采集50组风电机组运行时的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj。
[0035] 本发明进一步改进在于：步骤4)中，风机桨叶扫过面积Afan，其计算公式如下：
[0036]
[0037] 式中：Rfan——风机桨叶半径，m。
[0038] 与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0039] 本发明一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，该方法基于风电机组实时/历史数据库，实时采集风电场相关生产数据，包括实时风速、机组实时功率、大气压力、空气密度以及环境温度，然后将这些数据换算成标准条件下的环境工况值，通过在线计算风电机组的风能利用系数这个监测指标，结合标准设计值，对结果数据进行在线离散度偏差比较，从而实时监测出风电机组在这一段时间内和当前时期内运行特性是否优和劣；本发明所有的计算过程都是计算机自动完成，避免人为的输入干扰，保证数据的客观性和可靠性。
【附图说明】
[0040] 图1为某型号1.25MW风电机组实时运行中的风能利用系数特性曲线。【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0042] 本发明一种实时监测风电机组运行时的风能利用偏差的方法，包括以下步骤：
[0043] 1)采集若干组风电机组运行时的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj，并将采集的历史测风塔风速Vcf和历史风机机舱顶风速Vfj分别折算为标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj，其折算公式如下：
[0044]
[0045]
[0046] 式中：Psj——风电机组来流压力，取风电机组运行时的大气压，kPa；
[0047] tsj——风电机组来流温度，取风电机组运行时的实时环境温度，℃；
[0048] Tb——标准绝对气温，取288.15℃；
[0049] Pb——标准大气压强，取1013kPa；
[0050] 参见表1，为采集并折算后的若干组风电机组运行时的标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj。
[0051] 表1：
[0052]Vb,cf Vb,fj Vb,cf Vb,fj Vb,cf Vb,fj
1.909 1.828 7.026 6.896 10.086 8.740
2.294 2.279 7.129 7.046 10.337 9.266
3.153 3.133 7.387 6.768 10.455 10.143
3.582 3.539 7.415 7.263 10.808 10.269
3.690 3.647 7.512 6.863 10.817 10.143
3.959 3.777 7.634 6.194 11.196 10.139
4.272 4.105 7.714 7.209 11.270 11.087
4.514 4.344 7.811 6.841 11.825 11.009
4.707 4.428 8.000 7.917 12.025 11.960
5.165 5.139 8.033 7.793 12.261 10.310
5.329 5.240 8.120 7.177 12.392 11.942
5.410 5.138 8.220 8.040 12.526 10.802
5.504 5.087 8.318 7.487 12.762 11.125
5.806 5.192 8.355 7.048 12.947 11.646
5.858 5.217 8.406 7.884 13.014 11.650
5.900 5.604 8.453 7.447 13.206 11.532
5.931 5.774 8.581 8.432 13.485 12.443
5.958 5.852 8.753 8.660 13.529 11.341
6.036 5.492 8.753 8.652 13.767 11.572
6.185 5.394 8.924 8.188 13.808 12.386
6.206 5.569 8.924 7.891 13.971 13.440
6.307 5.472 8.965 8.404 14.065 13.580
6.525 5.930 8.977 7.608 14.511 12.691
6.618 6.294 9.216 8.944 14.738 13.253
6.637 6.003 9.237 8.202 14.824 13.588
6.732 6.148 9.411 8.711 14.962 14.464
6.879 6.538 9.615 8.594 15.031 14.833
6.949 6.709 9.792 9.011 15.682 15.228
6.962 6.898 9.850 8.723 15.812 15.732
6.987 6.458 9.972 9.066 16.158 15.911
[0053] 2)根据步骤1)得出的若干组标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj进行线性拟合，得出线性系数K和B，其计算公式如下：
[0054] Vb,cf＝K·Vb,fj+B     (3)
[0055] 经过对表1中的标准空气密度的测风塔风速Vb,cf和标准空气密度的风机机舱顶风速Vb,fj进行线性拟合后，得出线性系数K＝1.065564426和B＝0.113149149。
[0056] 3)采集风电机组运行时的实时风机机舱顶风速Vfj,i并折算为标准空气密度的实时风机机舱顶风速Vb,fj,i，再根据步骤2)得出的线性系数K和B，计算风电机组运行时的电功率Pi对应的风电机组迎风风速Vi，其计算公式如下：
[0057] Vi＝K·Vb,fj,i+B      (4)
[0058] 式中：i为实时采集风电机组运行时的风机机舱顶风速的记录数，且i＝1,2，…，n。
[0059] 4)依据步骤3)得出的风电机组迎风风速Vi，计算风电机组运行时的风能利用系数Cp,i，其计算公式如下：
[0060]
[0061] 式中：Cp,i——风能利用系数，无量纲；
[0062] ρair——风电机组运行时的实时的空气密度，m3/kg；
[0063] Afan——风机桨叶扫过面积，m2；
[0064] 其中，风机桨叶扫过面积Afan，其计算公式如下：
[0065]
[0066] 式中：Rfan——风机桨叶半径，m。
[0067] 参见表2，为实时采集并计算后的若干组风电机组运行时的风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi。
[0068] 表2：
[0069]Vi Cp,i Vi Cp,i Vi Cp,i
8.318 0.537 11.942 0.402 15.788 0.172
10.360 0.452 13.971 0.250 10.236 0.392
12.976 0.311 15.682 0.182 11.185 0.377
10.325 0.496 12.628 0.332 10.808 0.414
7.821 0.445 10.443 0.486 10.654 0.413
12.261 0.372 16.158 0.166 10.430 0.440
8.602 0.479 14.824 0.212 13.206 0.293
10.283 0.444 11.188 0.450 12.583 0.330
9.935 0.408 10.440 0.492 11.483 0.382
11.835 0.419 14.391 0.233 13.485 0.270
10.423 0.469 14.793 0.205 11.299 0.467
11.196 0.365 14.870 0.210 12.947 0.317
13.596 0.283 12.577 0.347 12.467 0.306
8.210 0.428 12.648 0.334 12.645 0.331
13.529 0.279 12.762 0.330 12.400 0.348
13.649 0.272 14.443 0.228 12.155 0.366
10.198 0.383 12.770 0.320 10.183 0.487
14.387 0.231 13.014 0.294 10.161 0.467
12.444 0.356 11.948 0.332 11.772 0.320
14.962 0.203 14.738 0.203 5.981 0.488
11.958 0.340 9.292 0.420 11.825 0.325
14.449 0.225 11.772 0.348 12.392 0.339
15.812 0.174 11.976 0.393 8.831 0.447
11.456 0.397 12.060 0.365 10.633 0.388
14.794 0.215 15.031 0.204 8.916 0.477
10.854 0.478 9.920 0.465 8.511 0.442
14.511 0.226 12.860 0.310 10.337 0.434
12.839 0.323 12.848 0.321 12.499 0.339
12.478 0.304 12.608 0.285 13.767 0.265
13.677 0.249 9.216 0.510 8.474 0.483
[0070] 5)绘制出风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi的二维散点图，同时叠加风电机组出厂风能利用系数设计曲线，如图1所示。
[0071] 6)采用偏差统计的方法，计算二维散点图上每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与其对应的风电机组迎风风速Vi对应的风能利用系数设计值Cp,s,i，并计算出每一散点处风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与风能利用系数设计值Cp,s,i的实时风能利用偏差SC,i，其计算公式如下：
[0072]
[0073] 式中：SC,i——风能利用偏差，无量纲；
[0074] 依据表2的风电机组运行时的风能利用系数Cp,i与风能利用系数设计值Cp,s,i，计算得出实时风能利用偏差SC,i为：3.3243237％。
[0075] 本发明通过比较步骤6)得出的实时风能利用偏差SC,i与风能利用系数规定值的大小，当实时风能利用偏差SC,i不小于风能利用系数规定值时，即该风电机组运行性能良好。
[0076] 在线监测风电机组运行状态有两个方面。
[0077] a.历史工况运行监测
[0078] 即用历史一段时间内的风能利用系数和风速运行数据进行偏差统计，该结果表明该段时间内的风机总体运行出力特性，根据统计结果，风电机组运行时的正常区间为0‐5％，其偏差值越大，表明数据离散度越大，代表其出力特性越差，如上面结果为3.32％，属合理范围，无须进行人工干预。
[0079] b.实时工况运行监测
[0080] 将当前实时计算出的风能利用系数和风速引入到风能利用系数特性曲线中，实时计算当前偏差，根据统计结果，风电机组运行时的正常区间为0-5％，实时计算的偏差值越大，表明当前工况离设计值越大，代表其出力特性越差。当该值超过偏差界限时，我们可分析当前机组出现异常工况，需要进一步进行分析和处理。
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