本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制領(lǐng)域，涉及一種提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的控制補(bǔ)償方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)向低風(fēng)速、高海拔地區(qū)轉(zhuǎn)移，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲能力變得越來(lái)越重要。傳統(tǒng)國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略單一，尤其是只采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度來(lái)計(jì)算最優(yōu)控制曲線(xiàn)，對(duì)多樣的自然環(huán)境的適應(yīng)力較差。

未考慮不同場(chǎng)址、或同一場(chǎng)址不同時(shí)段條件下，空氣密度不同對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的影響，給機(jī)組的風(fēng)能捕獲能力帶來(lái)了兩個(gè)缺陷：

(1)當(dāng)空氣密度偏離標(biāo)準(zhǔn)空氣密度時(shí)，機(jī)組運(yùn)行會(huì)隨之偏離最優(yōu)風(fēng)能利用率，電場(chǎng)發(fā)電能力低于最優(yōu)發(fā)電能力；

(2)在低空氣密度的條件下，機(jī)組易發(fā)生失速現(xiàn)象，實(shí)際運(yùn)行的功率曲線(xiàn)明顯低于設(shè)計(jì)功率曲線(xiàn)。

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行主要分為4個(gè)階段，I.恒轉(zhuǎn)速(并網(wǎng)轉(zhuǎn)速)、II.變速段(轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制，追蹤最佳風(fēng)能捕獲)、III.恒轉(zhuǎn)速(額定功率)和IV.恒功率(變槳控制)。

在第II階段，傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制，追蹤最大風(fēng)能利用率，所用公式為：

T_g(w)＝K_optw_g² (1)

公式中的K_opt值是以標(biāo)準(zhǔn)空氣密度計(jì)算所得，其中：R為風(fēng)輪半徑；λ為葉尖速比；N為齒輪箱傳動(dòng)比；C_p(λ)為葉尖速比時(shí)λ的機(jī)組功率因素。在本地空氣密度等于標(biāo)準(zhǔn)空氣密度時(shí)，C_p(λ)始終保持最大C_p。但當(dāng)本地密度偏離標(biāo)準(zhǔn)空氣密度時(shí)，C_p(λ)也隨之偏離最大C_p。為保證此階段中，C_p(λ)始終達(dá)到C_{p max}，即機(jī)組風(fēng)能捕獲能力始終達(dá)到最大，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空氣密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將公式(2)中的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度ρ₀修正為實(shí)際空氣密度值ρ。

在第III階段，當(dāng)本地空氣密度較低時(shí)，機(jī)組運(yùn)行到額定風(fēng)速附近，容易產(chǎn)生失速現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诳諝饷芏鹊偷那闆r下，要達(dá)到額定功率，需要比標(biāo)準(zhǔn)空氣密度條件下更大的風(fēng)速；而更大的風(fēng)速導(dǎo)致在第III階段，機(jī)組的葉尖速比更多地偏離最佳葉尖速比，導(dǎo)致了風(fēng)能捕獲能力的大幅度下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制方式的風(fēng)能捕獲能力較低的不足,本發(fā)明提供了一種提升風(fēng)能捕獲能力、實(shí)現(xiàn)不同工況下的出力最優(yōu)化的提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償方法，所述控制補(bǔ)償方法包括以下步驟：

1)通過(guò)測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在場(chǎng)地的氣溫、氣壓、濕度，以周期為T(mén)_cal定時(shí)計(jì)算獲得當(dāng)?shù)丶磿r(shí)空氣密度；T_cal根據(jù)不同風(fēng)電場(chǎng)的密度波動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)定；

2)將計(jì)算所得的離散的空氣密度值，整合到預(yù)設(shè)的若干個(gè)區(qū)間范圍中，根據(jù)實(shí)際密度所處區(qū)間對(duì)輸入主控系統(tǒng)的密度進(jìn)行賦值；

3)根據(jù)實(shí)時(shí)空氣密度值所在區(qū)間，修正風(fēng)電機(jī)組主控程序中與密度相關(guān)的參數(shù)；并在空氣密度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前開(kāi)啟機(jī)組變槳功能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變化的環(huán)境中盡量保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，空氣密度計(jì)算公式為

其中：ρ(t)為當(dāng)前環(huán)境下的空氣密度，單位為kg/m³；ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；p為當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，單位為MPa；為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度；t為當(dāng)前環(huán)境的溫度；p_b為環(huán)境溫度t下飽和空氣中水蒸氣的分壓力。

再進(jìn)一步，所述步驟3)中，當(dāng)實(shí)時(shí)空氣密度小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，指示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前啟動(dòng)變槳功能；在實(shí)時(shí)空氣密度下，根據(jù)“特定密度不同槳距角下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇”，將槳距角設(shè)定到最優(yōu)值，使得在設(shè)定的λ范圍內(nèi)，保證C_p總能取到最大值。

一種提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償裝置，所述裝置包括：

測(cè)量模塊，用于測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在場(chǎng)地的氣溫、氣壓、濕度，以周期為T(mén)_cal定時(shí)計(jì)算獲得當(dāng)?shù)丶磿r(shí)空氣密度；T_cal根據(jù)不同風(fēng)電場(chǎng)的密度波動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)定；

計(jì)算模塊，用于計(jì)算離散的空氣密度值；

判斷模塊，用于判斷實(shí)際空氣密度所在的區(qū)間范圍，根據(jù)實(shí)際密度所處區(qū)間對(duì)輸入主控系統(tǒng)的密度進(jìn)行賦值；同時(shí)判斷實(shí)時(shí)空氣密度是否低于預(yù)設(shè)閥值，從而對(duì)主控系統(tǒng)發(fā)出提前變槳/不提前變槳指令；

指令模塊，用于根據(jù)實(shí)時(shí)空氣密度值所在區(qū)間，修正風(fēng)電機(jī)組主控程序中與密度相關(guān)的參數(shù)；用于在空氣密度低于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m³)時(shí)，在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前開(kāi)啟機(jī)組變槳功能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變化的環(huán)境中盡量保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述測(cè)量模塊中，空氣密度計(jì)算公式為

其中：ρ(t)為當(dāng)前環(huán)境下的空氣密度，單位為kg/m³；ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；p為當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，單位為MPa；為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度；t為當(dāng)前環(huán)境的溫度；p_b為環(huán)境溫度t下飽和空氣中水蒸氣的分壓力。

再進(jìn)一步，所述判斷模塊中，當(dāng)實(shí)時(shí)空氣密度小于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m3)時(shí)，指示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前啟動(dòng)變槳功能；在實(shí)時(shí)空氣密度下，根據(jù)“特定密度不同槳距角下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇”，將槳距角設(shè)定到最優(yōu)值，使得在設(shè)定的λ范圍內(nèi)，保證C_p總能能取到最大值。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)空氣密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)實(shí)際空氣密度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第II階段的控制參數(shù)——最優(yōu)模態(tài)增益K_opt進(jìn)行修正，保證在第II階段(轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制階段)，機(jī)組可以即時(shí)追蹤到最優(yōu)風(fēng)能利用率C_p。

(2)通過(guò)收集和分析不同密度和不同槳距角下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇，可以得到不同風(fēng)速下最優(yōu)葉尖速比λ對(duì)應(yīng)的最優(yōu)槳距角。若空氣密度低于某臨界值(1.0kg/m³)時(shí)，在第III階段，開(kāi)啟變槳功能，讓機(jī)組始終追蹤最優(yōu)槳距角，從而獲得該條件下的最大風(fēng)能捕獲能力。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：提升風(fēng)能捕獲能力、實(shí)現(xiàn)不同工況下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力最優(yōu)化。

附圖說(shuō)明

圖1是提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償裝置的原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實(shí)施例1

參照?qǐng)D1，一種提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償方法，所述控制補(bǔ)償方法包括以下步驟：

1)通過(guò)測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在場(chǎng)地的氣溫、氣壓、濕度，以周期為T(mén)_cal定時(shí)計(jì)算獲得當(dāng)?shù)丶磿r(shí)空氣密度；T_cal根據(jù)不同風(fēng)電場(chǎng)的密度波動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)定；

2)將計(jì)算所得的離散的空氣密度值，整合到預(yù)設(shè)的若干個(gè)區(qū)間范圍中，根據(jù)實(shí)際密度所處區(qū)間對(duì)輸入主控系統(tǒng)的密度進(jìn)行賦值；

3)根據(jù)實(shí)時(shí)空氣密度值所在區(qū)間，修正風(fēng)電機(jī)組主控程序中與密度相關(guān)的參數(shù)；并在空氣密度低于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m³)時(shí)，在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前開(kāi)啟機(jī)組變槳功能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變化的環(huán)境中盡量保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，空氣密度計(jì)算公式為

其中：ρ(t)為當(dāng)前環(huán)境下的空氣密度，單位為kg/m³；ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；p為當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，單位為MPa；為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度；t為當(dāng)前環(huán)境的溫度；p_b為環(huán)境溫度t下飽和空氣中水蒸氣的分壓力。

再進(jìn)一步，所述步驟3)中，當(dāng)實(shí)時(shí)空氣密度小于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m3)時(shí)，指示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前啟動(dòng)變槳功能；在實(shí)時(shí)空氣密度下，根據(jù)“特定密度不同槳距角下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇”，將槳距角設(shè)定到最優(yōu)值，使得在設(shè)定的λ范圍內(nèi)，保證C_p總能取到最大值。

實(shí)施例2

參照?qǐng)D1，一種提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能捕獲能力的智能控制補(bǔ)償裝置，所述裝置包括：

測(cè)量模塊，用于測(cè)量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所在場(chǎng)地的氣溫、氣壓、濕度，以周期為T(mén)_cal定時(shí)計(jì)算獲得當(dāng)?shù)丶磿r(shí)空氣密度；T_cal根據(jù)不同風(fēng)電場(chǎng)的密度波動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)定；

計(jì)算模塊，用于計(jì)算離散的空氣密度值；

判斷模塊，用于判斷實(shí)際空氣密度所在的區(qū)間范圍，根據(jù)實(shí)際密度所處區(qū)間對(duì)輸入主控系統(tǒng)的密度進(jìn)行賦值；同時(shí)判斷實(shí)時(shí)空氣密度是否低于預(yù)設(shè)閥值(1.0kg/m³)，從而對(duì)主控系統(tǒng)發(fā)出提前變槳/不提前變槳指令；

指令模塊，用于根據(jù)實(shí)時(shí)空氣密度值所在區(qū)間，修正風(fēng)電機(jī)組主控程序中與密度相關(guān)的參數(shù)；用于在空氣密度低于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m³)時(shí)，開(kāi)啟機(jī)組提前變槳功能，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在變化的環(huán)境中盡量保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述測(cè)量模塊中，空氣密度計(jì)算公式為

其中：ρ(t)為當(dāng)前環(huán)境下的空氣密度，單位為kg/m³；ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；p為當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，單位為MPa；為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度；t為當(dāng)前環(huán)境的溫度；p_b為環(huán)境溫度t下飽和空氣中水蒸氣的分壓力。

再進(jìn)一步，所述判斷模塊中，當(dāng)實(shí)時(shí)空氣密度小于預(yù)設(shè)閾值(1.0kg/m3)時(shí)，指示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速前啟動(dòng)變槳功能；在實(shí)時(shí)空氣密度下，根據(jù)“特定密度不同槳距角下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇”，將槳距角設(shè)定到最優(yōu)值，使得在設(shè)定的λ范圍內(nèi)，保證C_p總能能取到最大值。

本實(shí)施例的智能控制補(bǔ)償裝置的工作過(guò)程為：

步驟1)根據(jù)測(cè)量模塊測(cè)得的當(dāng)?shù)貧鉁?、氣壓、濕度，由?jì)算模塊得到即時(shí)空氣密度，計(jì)算間隔為T(mén)_cal，空氣密度計(jì)算公式為

其中：ρ(t)為當(dāng)前環(huán)境下的空氣密度，單位為kg/m³；ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度；p為當(dāng)前環(huán)境的大氣壓力，單位為MPa；為當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度；t為當(dāng)前環(huán)境的溫度；p_b為環(huán)境溫度t下飽和空氣中水蒸氣的分壓力(裝置可通過(guò)測(cè)得的環(huán)境溫度，自動(dòng)查表獲得)。

步驟2)由于外界氣溫、氣壓的瞬時(shí)擾動(dòng)，計(jì)算得到的空氣密度值也在不斷變化。在機(jī)組運(yùn)行在第II階段時(shí)，對(duì)最優(yōu)模態(tài)增益K_opt進(jìn)行修正。為避免控制系統(tǒng)頻繁改變K_opt設(shè)定值，判斷模塊將采取定時(shí)查表取值的方式對(duì)設(shè)定值進(jìn)行修正。具體操作辦法為：(a).將常見(jiàn)空氣密度范圍[0.8,1.3]以x為步長(zhǎng)，分為n個(gè)區(qū)間，第k個(gè)區(qū)間范圍為[0.8+(k-1)*x,0.8+k*x]。(b).空氣密度的計(jì)算周期為T(mén)_cal，即每隔T_cal時(shí)間計(jì)算得到一個(gè)即時(shí)空氣密度值。T_cal可以根據(jù)不同風(fēng)電場(chǎng)的密度波動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)定。(c).若計(jì)算得到的即時(shí)空氣密度在第k個(gè)區(qū)間，則控制系統(tǒng)以ρ＝0.8+k*x對(duì)最優(yōu)模態(tài)增益K_opt進(jìn)行修正。

步驟3)若計(jì)算得到的空氣密度值處于區(qū)間[0.8,1.0]內(nèi)，則指令模塊指示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在第III階段采取控制變槳策略，通過(guò)改變機(jī)組的槳距角，使其在一定的葉尖速比范圍內(nèi)，盡可能達(dá)到最優(yōu)風(fēng)能捕獲能力。當(dāng)空氣密度值處于[0.8,1.0]范圍內(nèi)時(shí)，經(jīng)過(guò)裝置判斷模塊輸入機(jī)組的密度值為0.8kg/m³或0.8+k*x；最優(yōu)槳距角的值，可以通過(guò)查詢(xún)“空氣密度為0.8kg/m³(或0.8+k*x kg/m³)時(shí)，不同槳距角下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的C_p～λ曲線(xiàn)簇”獲得；不同條件下最優(yōu)槳距角的取值計(jì)入主控系統(tǒng)中，以供調(diào)用。

本發(fā)明涉及的智能控制補(bǔ)償方法和裝置能依據(jù)環(huán)境變化，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方式，通過(guò)1)定期改變第II階段的最優(yōu)模態(tài)增益值K_opt，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行修正，2)在低密度條件下，在運(yùn)行第III階段就開(kāi)啟智能變槳策略，使得機(jī)組能在不同空氣密度下盡可能地追蹤到最大的風(fēng)能捕獲效率。此發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)單，方法可行性強(qiáng)，可有效地提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的環(huán)境適應(yīng)能力和發(fā)電能力。

以上只為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人了解本發(fā)明的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾均涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。