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一种大型 风 力发电机组在大风情况下的 偏航优化方法

阅读：773发布：2021-01-21

专利汇可以提供一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其步骤：采用自动对风策略，将风速分为大风偏航风速和小风偏航风速两级；对于大风偏航风速，采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|；对于小风偏航风速，采用小风对风策略|ξ|＞|ξ1|；其中，|ξ1|＞|ξ2|；当对风误差ξ满足启动偏航条件后，执行偏航跟踪风向进行对风，根据对风误差ξ来决定对风偏航方向；机舱旋转时，当机舱旋转达到预设角度，则引起塔筒内的电缆扭缆，此时进行解缆优化，使机组在小风期间多偏航，大风期间少偏航多发电。本发明能减少机组大风期间由于解缆而导致的停机时间，有效避免损失发电量，可以广泛应用于风电行业中。，下面是一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用自动对风策略，将风速分为大风偏航风速和小风偏航风速两级；
2)对于大风偏航风速，采用大风对风策略|ξ|＞ξ2|；对于小风偏航风速，采用小风对风策略|ξ|＞ξ1|；其中，|ξ1|＞ξ2|；ξ为对风误差，|ξ1|为小风对风时的最大对风误差，|ξ2|为大风对风时的最大对风误差，绝对值| |符号表示此处不区分顺时针或逆时针对风误差；
3)当对风误差ξ满足启动偏航条件后，执行偏航跟踪风向进行对风，根据对风误差ξ来决定对风偏航方向；
4)机舱旋转时，当机舱旋转达到预设角度，则引起塔筒内的电缆扭缆，此时进行解缆优化，使机组在小风期间多偏航，大风期间少偏航多发电。
2.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤1)中，当风速大于设定风速v＞v0时，为大风偏航风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风偏航风速；其中，v为轮毂风速、v0为预先设定的风速值。
3.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，当采用小风对风策略|ξ|＞ξ1|时，其过程如下：
2.1)判断对风误差是否大于小风对风时的最大对风误差，若大于则进入下一步；
2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤2.1)，同时进行大风对风策略；若小于设定风速则进入步骤3)。
4.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤2)中，当采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|时，其过程如下：判断对风误差是否大于大风对风时的最大对风误差，若大于则进入步骤3)；若不大于则进行小风对风策略。
5.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤3)中，当ξ＞0时，顺时针偏航；当ξ＜0时，逆时针偏航。
6.如权利要求1所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤4)中，解缆优化过程如下：
4.1)将风速分为大风解缆风速和小风解缆风速两级；
4.2)对小风解缆风速采用小风解缆策略对大风解缆风速采用大风解缆策略
其中，为扭缆角度，为小风解缆时的最大扭缆角度，为大风解缆时
的最大扭缆角度，绝对值| |符号表示不区分顺时针或逆时针扭缆角度；
4.3)当扭缆角度满足解缆条件后，执行偏航解缆跟踪将塔筒内扭缆的电缆顺直，根据扭缆角度来决定解缆方向。
7.如权利要求6所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤4.1)中，当风速大于设定风速v＞v0时，为大风解缆风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风解缆风速。
8.如权利要求6所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤4.3)中，当时，顺时针解缆；当时，逆时针解缆。
9.如权利要求6所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，当采用小风解缆策略时，其过程如下：
4.2.1)判断扭缆角度是否大于小风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入下一步；
4.2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤4.2.1)，同时进行大风解缆策略；若小于设定风速则进入步骤4.3)。
10.如权利要求6所述的一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于：所述步骤4.2)中，当采用大风解缆策略时，其过程如下：判断扭缆角度是否大于大风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入步骤4.3)；若不大于则进行小风解缆策略。

说明书全文

一种大型风 力发电机组在大风情况下的 偏航优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可再生能源领域，特别是关于一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法。

背景技术

[0002] 2016年中国风电新增装机量2337万千瓦，累计装机量达到1.69亿千瓦；其中海上风电新增装机59万千瓦，累积装机容量为163万千瓦。风电已超越核电成为继煤电和水电之后的第三大主力电源。随着风电新增装机容量的节节高升，如何在有限条件下提高发电量是风电行业设计者孜孜不倦追求的目标。

[0003] 风力发电机组的风轮受风力驱动传动链上的齿轮箱和发电机，将风能转化为电能。机组偏航系统的主要功能是机头正对风向，风轮正面迎风，此时捕获的能量能最大。风电行业常用做法是设定一个对风误差，当机舱位置和风向的夹角到达一定数值时，启动偏航实时跟踪变化的对风功能。然而由于偏航速度慢、风向随机变化、测量误差等原因，机舱位置(机头)和风向不可避免的存在一定的夹角。由于该夹角的存在，机组不能捕获最大风能，将带来某种程度的发电量损失，当机舱位置和风向达到10°时，功率损失约为5％。因此，减少对风误差是一个发电量的直接而有效的途径。

[0004] 由于机舱需要根据风向变化不停地对风，以使机头正对风向使风能捕获最大。当机舱旋转的时候，风电机组的塔筒是固定不动的，当机舱旋转达到一定角度，则引起塔筒内的电缆扭缆，将挑战塔筒的电缆的耐扭缆属性。工业中常用做法是通过增加导电滑环的方法，来解决电缆扭缆的问题，如风轮相对机舱旋转由此造成的扭缆问题，通常通过滑环来解决扭缆问题；由于风向短时间不会突变，偏航扭缆次数不像风轮扭缆那么频繁，因此风电行业中通常用解缆的方法解决扭缆的问题。当塔筒电缆扭缆到一定程度，执行机组停机偏航解缆动作，机组通过停机，利用偏航系统旋转机舱将塔筒内电缆恢复至原来的顺直状态的过程称为解缆。然而由于偏航速度很慢，通常为0.3～0.5°/s，偏航一圈约12～20min，若在大风期间频繁停机解缆，将引起较大的发电量损失。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，该方法能减少机组大风期间由于解缆而导致的停机时间，有效避免损失发电量。

[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，其特征在于包括以下步骤：1)采用自动对风策略，将风速分为大风偏航风速和小风偏航风速两级；2)对于大风偏航风速，采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|；对于小风偏航风速，采用小风对风策略|ξ|＞|ξ1|；其中，|ξ1|＞|ξ2|；ξ为对风误差，|ξ1|为小风对风时的最大对风误差，|ξ2|为大风对风时的最大对风误差，绝对值||符号表示此处不区分顺时针或逆时针对风误差；3)当对风误差ξ满足启动偏航条件后，执行偏航跟踪风向进行对风，根据对风误差ξ来决定对风偏航方向；4)机舱旋转时，当机舱旋转达到预设角度，则引起塔筒内的电缆扭缆，此时进行解缆优化，使机组在小风期间多偏航，大风期间少偏航多发电。

[0007] 进一步，所述步骤1)中，当风速大于设定风速v＞v0时，为大风偏航风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风偏航风速；其中，v为轮毂风速、v0为预先设定的风速值。

[0008] 进一步，所述步骤2)中，当采用小风对风策略|ξ|＞|ξ1|时，其过程如下：2.1)判断对风误差是否大于小风对风时的最大对风误差，若大于则进入下一步；2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤2.1)，同时进行大风对风策略；若小于设定风速则进入步骤3)。

[0009] 进一步，所述步骤2)中，当采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|时，其过程如下：判断对风误差是否大于大风对风时的最大对风误差，若大于则进入步骤3)；若不大于则进行小风对风策略。

[0010] 进一步，所述步骤3)中，当ξ＞0时，顺时针偏航；当ξ＜0时，逆时针偏航。

[0011] 进一步，所述步骤4)中，解缆优化过程如下：4.1)将风速分为大风解缆风速和小风解缆风速两级；4.2)对小风解缆风速采用小风解缆策略对大风解缆风速采用大风解缆策略其中，为扭缆角度，为小风解缆时的最大扭缆角度，为大风解缆时的最大扭缆角度，绝对值||符号表示不区分顺时针或逆时针扭缆角度；4.3)当扭缆角度满足解缆条件后，执行偏航解缆跟踪将塔筒内扭缆的电缆顺直，根据扭缆角度来决定解缆方向。

[0012] 进一步，所述步骤4.1)中，当风速大于设定风速v＞v0时，为大风解缆风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风解缆风速。

[0013] 进一步，所述步骤4.3)中，当时，顺时针解缆；当时，逆时针解缆。

[0014] 进一步，所述步骤4.2)中，当采用小风解缆策略时，其过程如下：4.2.1)判断扭缆角度是否大于小风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入下一步；4.2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤4.2.1)，同时进行大风解缆策略；若小于设定风速则进入步骤4.3)。

[0015] 进一步，所述步骤4.2)中，当采用大风解缆策略时，其过程如下：判断扭缆角度是否大于大风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入步骤4.3)；若不大于则进行小风解缆策略。

[0016] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明对目前机组普遍采用自动对风偏航策略进行优化，分为大风偏航和小风偏航两种策略，同时优化大风偏航和小风偏航的对风误差选择策略，使得机组大风期间偏航误差尽可能小。2、本发明在自动对风策略基础上，充分利用电缆的耐扭特性，对偏航解缆策略进行类似的优化，让机组在小风期间多偏航，大风期间少偏航多发电，减少机组大风期间由于解缆而导致的停机时间。综上所述，本发明应用广泛、实用性较强、可以广泛应用于风电行业中。附图说明

[0017] 图1为对风误差示意图；

[0018] 图2为功率损耗和对风误差关系图；

[0019] 图3a是本发明的对风误差策略优化流程示意图；

[0020] 图3b是本发明的解缆策略优化流程示意图；

[0021] 图4为扭缆角度示意图。

具体实施方式

[0022] 由于机组的功率和风速为3次方关系，即

[0023]

[0024] 其中，P为风轮捕获的功率，ρ为空气密度，A为风轮扫掠面积，vp为风轮实际接收的风速。当机舱位置和风向之间存在偏差，机舱位置和风向的夹角称为对风误差ξ：

[0025] ξ＝θm-θn (2)

[0026] 其中，θm为风向，θn为机舱位置，ξ为对风误差，如图1所示。

[0027] 由于该夹角的存在将发生发电量损失，这时风轮实际接收风速vp和风轮风速v关系如下：

[0028] vp＝v cosξ (3)

[0029] 因此，风轮实际功率P为：

[0030]

[0031] 根据上述公式可知，当对风误差ξ达到10°时，机组功率将损失约5％，功率损耗和对风误差关系如图2所示。因此，偏航动作频次和功率最大化是对矛盾。偏航频次高，对风向的随机变化跟的紧，将减小对风误差，提高风轮捕获风能的能力，但是偏航本身就是一个耗电机构，偏航频次高也将增加偏航等机械部件的磨损；偏航频次低，对风向变化不敏感，增大了对风误差，使风轮捕获风能的能力下降，好处是减少偏航耗电和减少偏航磨损。因此，本发明提供了一种大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法，以使机组大风期间偏航误差尽可能小，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

[0032] 本发明的大型风力发电机组在大风情况下的偏航优化方法包括以下步骤：

[0033] 1)如图3a所示，采用自动对风策略，将风速分为大风偏航风速和小风偏航风速两级：当风速大于设定风速v＞v0时，为大风偏航风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风偏航风速；其中，v为轮毂风速、v0为预先设定的风速值。

[0034] 2)对于大风偏航风速，采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|；对于小风偏航风速，采用小风对风策略|ξ|＞|ξ1|；其中，|ξ1|＞|ξ2|；ξ为对风误差，|ξ1|为小风对风时的最大对风误差，|ξ2|为大风对风时的最大对风误差，绝对值||符号表示此处不区分顺时针或逆时针对风误差。

[0035] 3)当对风误差ξ满足启动偏航条件后，执行偏航跟踪风向进行对风，这时根据对风误差ξ来决定对风偏航方向：当ξ＞0时，顺时针偏航(CW)；当ξ＜0时，逆时针偏航(CCW)。

[0036] 4)当机舱旋转时，风电机组的塔筒是固定不动的，当机舱旋转达到预设角度时，则引起塔筒内的电缆扭缆，此时需进行解缆优化。

[0037] 5)如图3b所示，解缆优化利用电缆的耐扭特性(如图4所示)，使机组在小风期间多偏航，大风期间少偏航多发电，以减少机组大风期间由于解缆而导致的停机时间。具体过程如下：

[0038] 5.1)将风速分为大风解缆风速和小风解缆风速两级：当风速大于设定风速v＞v0时，为大风解缆风速；当风速小于设定风速v＜v0时，为小风解缆风速；

[0039] 5.2)对小风解缆风速采用小风解缆策略对大风解缆风速采用大风解缆策略其中，为扭缆角度，为小风解缆时的最大扭缆角度，为大风解缆时的最大扭缆角度，绝对值||符号表示不区分顺时针或逆时针扭缆角度。

[0040] 5.3)当扭缆角度满足解缆条件后，执行偏航解缆跟踪将塔筒内扭缆的电缆顺直，这时根据扭缆角度来决定解缆方向：当时，顺时针解缆；当时，逆时针解缆。

[0041] 上述步骤2)中，当采用小风对风策略|ξ|＞|ξ1|时，其过程如下：

[0042] 2.1)判断对风误差是否大于小风对风时的最大对风误差，若大于则进入下一步；

[0043] 2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤2.1)，同时进行大风对风策略；若小于设定风速则进入步骤3)。

[0044] 上述步骤2)中，当采用大风对风策略|ξ|＞|ξ2|时，其过程如下：判断对风误差是否大于大风对风时的最大对风误差，若大于则进入步骤3)；若不大于则进行小风对风策略。

[0045] 上述步骤5.2)中，当采用小风解缆策略时，其过程如下：

[0046] 5.2.1)判断扭缆角度是否大于小风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入下一步；

[0047] 5.2.2)判断风速是否小于设定风速，若不小于设定风速则返回步骤5.2.1)，同时进行大风解缆策略；若小于设定风速则进入步骤5.3)。

[0048] 上述步骤5.2)中，当采用大风解缆策略时，其过程如下：判断扭缆角度是否大于大风解缆时的最大扭缆角度，若大于则进入步骤5.3)；若不大于则进行小风解缆策略。

[0049] 上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

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