一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能評(píng)估與功率特性測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種風(fēng)電機(jī) 組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)組實(shí)際功率曲線是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行性能評(píng)估與優(yōu)化時(shí)的重要工具和手段。 通過分析機(jī)組實(shí)際功率曲線并與理論曲線相比較，可以得到機(jī)組在各風(fēng)速段實(shí)發(fā)功率與理 想功率的差別情況，從而指導(dǎo)機(jī)組的性能評(píng)估與優(yōu)化。目前繪制機(jī)組功率曲線時(shí)采用的風(fēng) 速主要為機(jī)組風(fēng)速計(jì)的實(shí)測(cè)風(fēng)速，因風(fēng)速計(jì)安裝在被測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙上或附近，風(fēng)速 計(jì)在這個(gè)位置上測(cè)得的風(fēng)速被稱為"機(jī)艙風(fēng)速"。由于機(jī)艙風(fēng)速受到風(fēng)輪和機(jī)艙的嚴(yán)重影 響，并不能準(zhǔn)確反應(yīng)輪轂處的實(shí)際來流風(fēng)速。因此采用機(jī)艙風(fēng)速對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行評(píng)估并不 客觀。為獲得葉輪掃風(fēng)面前方的自由流風(fēng)速，需要首先對(duì)機(jī)艙風(fēng)速進(jìn)行修正。
[0003]目前對(duì)于機(jī)艙風(fēng)速的修正，許多風(fēng)電研宄者基于風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)理論，利用某些 機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)通過理論計(jì)算修正機(jī)艙風(fēng)速，但在實(shí)際中存在計(jì)算偏差較大，不易應(yīng)用等問 題，其主要原因如下：
[0004] (1)如圖1的流管模型，其中設(shè)通過風(fēng)輪的氣流其上游截面積為A1，下游截面積為 A2,風(fēng)輪截面積為A，VI、V2、V分別為上述三個(gè)位置對(duì)應(yīng)的風(fēng)速，計(jì)算中需要采用機(jī)艙風(fēng)速， 風(fēng)速計(jì)的測(cè)量精度往往對(duì)計(jì)算影響較大，如果風(fēng)速計(jì)測(cè)量誤差較大則修正風(fēng)速必然存在偏 差；
[0005] (2)流管模型修正計(jì)算中一般將機(jī)艙風(fēng)速等同于V2,由于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)距離風(fēng)輪較 近，受節(jié)流效應(yīng)的影響，氣流的經(jīng)過風(fēng)輪的能量損失還未完全體現(xiàn)出來，其值并不等于V2 ; 而且機(jī)艙風(fēng)速計(jì)處于風(fēng)輪后的擾流區(qū)，受風(fēng)輪尾流旋轉(zhuǎn)和機(jī)艙類型等因素的影響嚴(yán)重，該 區(qū)域的平面內(nèi)風(fēng)速情況較為復(fù)雜，風(fēng)速計(jì)測(cè)量的是點(diǎn)風(fēng)速而不是平面的平均風(fēng)速V2 ;
[0006] (3)計(jì)算中不使用機(jī)艙風(fēng)速的計(jì)算方法，雖然規(guī)避了以上問題，但很多需要使用風(fēng) 能利用系數(shù)Cp，而Cp的計(jì)算往往采用一些經(jīng)驗(yàn)公式或機(jī)組廠家提供的Cp數(shù)據(jù)表，前者由于 機(jī)型不同而不具一般性，后者則是機(jī)組設(shè)計(jì)值，由此推算出來的風(fēng)速無法評(píng)估機(jī)組實(shí)際發(fā) 電性能；
[0007] (4)還有一些研宄者利用所建風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速時(shí)空模型進(jìn)行實(shí)際風(fēng)速計(jì)算，不僅需要 風(fēng)電場(chǎng)各機(jī)組和測(cè)風(fēng)塔所處的詳細(xì)地理?xiàng)l件，而且計(jì)算模型參數(shù)過多，由于機(jī)型的差別和 風(fēng)電場(chǎng)的地理環(huán)境的復(fù)雜性，這些參數(shù)不易確定和獲得，模型參數(shù)的不準(zhǔn)確勢(shì)必會(huì)帶來較 大計(jì)算偏差；
[0008] (5)這些計(jì)算中的理論模型均有理想化假設(shè)，實(shí)際情況的多樣性往往與假設(shè)條件 不符，造成了計(jì)算的偏差。
[0009]《基于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》（IEC61400-12-2 :2013)中給出 了這種確定和應(yīng)用合適的修正來解決上述問題的具體方法。該標(biāo)準(zhǔn)指出："風(fēng)速由裝在機(jī)艙 頂部或前部的風(fēng)速計(jì)測(cè)量，這個(gè)位置與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪中心相對(duì)較近，所以周圍地形和 障礙物對(duì)風(fēng)在理想測(cè)量位置和實(shí)際測(cè)量位置之間的畸變影響較小。然而，風(fēng)輪和機(jī)艙使風(fēng) 嚴(yán)重畸變，因此需要量化這種畸變并在測(cè)試中予以考慮。該方法通過機(jī)艙傳遞函數(shù)（NTF) 描述了這一畸變，NTF由該文件附錄D所述的試驗(yàn)方法確定。一旦獲得傳遞函數(shù)，用機(jī)艙 風(fēng)速計(jì)建立機(jī)艙功率曲線（NPC)的方法與《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率特性測(cè)試》IEC61400-12-1 : 2005的方法相同。"這種方法可概括為利用測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)與機(jī)艙風(fēng)速的相關(guān)性進(jìn)行傳遞 函數(shù)擬合，然后通過傳遞函數(shù)進(jìn)行機(jī)艙風(fēng)速修正。其修正時(shí)不需復(fù)雜的理想化數(shù)學(xué)模型及 機(jī)組性能參數(shù)，同時(shí)規(guī)避了機(jī)艙風(fēng)速測(cè)量精度等實(shí)際測(cè)量因素的影響，具有簡(jiǎn)單易用，準(zhǔn)確 性較高的優(yōu)點(diǎn)。由于國(guó)家能源局已發(fā)布《風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)功能規(guī)范》，這便于獲取擬合時(shí) 所需測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)，非常適合該方法的大量應(yīng)用。
[0010] 應(yīng)用該方法繪制的傳遞函數(shù)曲線有多段折線構(gòu)成，每段直線為每?jī)蓚€(gè)風(fēng)速區(qū)間的 線性差值，為了使傳遞函數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)間總體誤差較小，風(fēng)速區(qū)間劃分時(shí)間隔較小（一般 取0. 5米/秒），這樣總的區(qū)間數(shù)較多。在實(shí)際應(yīng)用該傳遞函數(shù)進(jìn)行修正時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn) 行分區(qū)間處理和計(jì)算，由于分區(qū)太多，數(shù)學(xué)模型形式復(fù)雜而導(dǎo)致計(jì)算繁瑣，實(shí)用性較差。因 此，目前一種簡(jiǎn)化的線性擬合方法被廣為采用，即將整個(gè)工作風(fēng)速范圍作為一個(gè)區(qū)間進(jìn)行 線性擬合，從而得到傳遞函數(shù)來進(jìn)行風(fēng)速修正。此簡(jiǎn)化方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可以 應(yīng)用在一些對(duì)風(fēng)速修正精確度要求不高的場(chǎng)合。但由于采用一階線性擬合又沒有分區(qū)，難 免帶來一定的擬合誤差，這對(duì)于繪制精確度要求較高或要進(jìn)行機(jī)組性能評(píng)價(jià)和優(yōu)化功率曲 線而言，該方法則不適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)數(shù) 據(jù)的風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，該傳遞函數(shù)可對(duì)機(jī)艙風(fēng)速進(jìn)行修正，獲得風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪中心位置的自由流風(fēng)速，能更加客觀反映機(jī)組性能的功率曲線。并且在保證 獲得較高準(zhǔn)確度的前提下解決了IEC61400-12-2:2013標(biāo)準(zhǔn)方法確定的傳遞函數(shù)（NTF)由 于風(fēng)速分區(qū)太多導(dǎo)致計(jì)算相對(duì)繁雜、實(shí)用性較差的問題。
[0012] 本發(fā)明提出一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，該方法包括：
[0013]Sl:確定目標(biāo)機(jī)組，采集測(cè)風(fēng)塔和目標(biāo)機(jī)組在相同時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)；
[0014]S2:確定目標(biāo)機(jī)組的輪轂高度H計(jì)算測(cè)風(fēng)塔在該高度H處的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)；
[0015]S3:利用IEC標(biāo)準(zhǔn)以及以步驟S2中所計(jì)算的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)為依據(jù)，剔除步驟Sl中 的非正常運(yùn)行數(shù)據(jù)；
[0016]S4:計(jì)算目標(biāo)機(jī)組機(jī)艙的傳遞函數(shù)，并修正所述的傳遞函數(shù)；
[0017] 優(yōu)選的，在步驟S4中，包括：
[0018]S4-1:以額定風(fēng)速值為界限分低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)分別擬合；
[0019]S4-2:分別計(jì)算低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的擬合函數(shù)階次。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，該方法包括： 51 ;確定目標(biāo)機(jī)組，采集測(cè)風(fēng)塔和目標(biāo)機(jī)組在相同時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)； 52 ;確定目標(biāo)機(jī)組的輪穀高度H計(jì)算測(cè)風(fēng)塔在該高度H處的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)； 53 ;利用IEC標(biāo)準(zhǔn)化及W步驟S2中所計(jì)算的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)為依據(jù)，剔除步驟S1中的非 正常運(yùn)行數(shù)據(jù)； 54 ;計(jì)算目標(biāo)機(jī)組機(jī)艙的傳遞函數(shù)，并修正所述的傳遞函數(shù)； 其特征在于，在步驟S4中，包括： S4-1 額定風(fēng)速值為界限分低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)分別擬合； S4-2 ;分別計(jì)算低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的擬合函數(shù)階次。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其特征在于，在 步驟S2中利用風(fēng)剪切方法計(jì)算，即
優(yōu)選的，
其中，a為風(fēng)剪切系數(shù)；Vg為測(cè)風(fēng)塔在輪穀高度H處的平均風(fēng)速；化為高度Z處的平 均風(fēng)速；Vzl為高度測(cè)風(fēng)塔zl高度通道風(fēng)速，Vz2為高度測(cè)風(fēng)塔z2高度通道風(fēng)速。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其特征在于，所 述計(jì)算目標(biāo)機(jī)組機(jī)艙的傳遞函數(shù)通過高階多項(xiàng)式得到，即 y= 3。又〇+…+aiX+a〇(n> 1); 優(yōu)選的，多項(xiàng)式的系數(shù)a。~a。采用最小二乘法計(jì)算得到，即
其中，m為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)（xi，^)的總數(shù)，（xi，yi)為經(jīng)過剔除后相同時(shí)間機(jī)艙風(fēng)速xi、 及測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速yi構(gòu)成的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)；n為多項(xiàng)式階數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其特征在于，所 述的多項(xiàng)式階數(shù)n的取值通過計(jì)算各階次傳遞函數(shù)的擬合優(yōu)度巧2。）和IEC標(biāo)準(zhǔn)中的傳遞 函數(shù)的擬合優(yōu)度（R2)進(jìn)行比較得到，在滿足準(zhǔn)確度要求的前提下n值應(yīng)盡量小；即n的取 值為R2">R2的最小值的階次。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其 特征在于，所述修正傳遞函數(shù)通過計(jì)算低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的擬合函數(shù)階數(shù)，得到的傳遞 函數(shù)公式為：
;其中，X為機(jī)艙風(fēng)速，Y為測(cè)風(fēng)塔在輪穀高度H 處的風(fēng)速，j、k分別為低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)擬合函數(shù)階數(shù)，Vin為切入風(fēng)速，Vout為切出風(fēng) 速，Ve為額定風(fēng)速。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其特征在于，所 述非正常運(yùn)行數(shù)據(jù)包括目標(biāo)機(jī)組和測(cè)風(fēng)塔共同無效扇區(qū)數(shù)據(jù)、目標(biāo)機(jī)組發(fā)電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速W 下的數(shù)據(jù)W及目標(biāo)機(jī)組限功率數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，其特征在于，所 述的運(yùn)行數(shù)據(jù)至少包括風(fēng)速、有功功率、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙傳遞函數(shù)分區(qū)擬合方法，包括：S1：確定目標(biāo)機(jī)組，采集測(cè)風(fēng)塔和目標(biāo)機(jī)組在相同時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)；S2：確定目標(biāo)機(jī)組的輪轂高度H計(jì)算測(cè)風(fēng)塔在該高度H處的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)；S3：利用IEC標(biāo)準(zhǔn)以及以步驟S2中所計(jì)算的平均風(fēng)速數(shù)據(jù)為依據(jù)，剔除步驟S1中的非正常運(yùn)行數(shù)據(jù)；S4：計(jì)算目標(biāo)機(jī)組機(jī)艙的傳遞函數(shù)，并修正所述的傳遞函數(shù)；在步驟S4中，包括：S4-1：以額定風(fēng)速值為界限分低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)分別擬合；S4-2：分別計(jì)算低風(fēng)速區(qū)和高風(fēng)速區(qū)的擬合函數(shù)階次。通過對(duì)機(jī)艙風(fēng)速進(jìn)行修正，獲得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪中心位置的自由流風(fēng)速，能更加客觀反映機(jī)組性能的功率曲線。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號(hào)】CN104794347
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510194944
【發(fā)明人】張磊, 辛克鋒, 李清義
【申請(qǐng)人】中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年4月22日