CN103410663A - 一种风机叶片最优桨距角辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风机叶片最优桨距角辨识方法，包括以下步骤：A.计算风机Cp-lamda曲线，围绕最大Cp左右各减少1%，确定桨距角区间1[P1，P2]；B.计算风机稳态功率曲线；C.结合风场风速确定最大年发电量，围绕最大年发电量左右各减少1%，确定桨距角区间2[P3,P4]；D.取[P1，P2]和[P3，P4]的交集[P5,P6]，在此区间内计算风机动态功率曲线，确定平均风速在3m/s-6m/s之间的n个不同平均风速下发电功率最大时所对应的n个桨距角；E.对n个桨距角进行风场实际测试；F.依据测试结果选出最优值。依据本发明的方法在低风速、超低风速风场中寻找最优桨距角，可提高年发电量2%左右。

Description

一种风机叶片最优桨距角辨识方法
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风机叶片最优桨距角辨识方法。
背景技术
风电是重要的清洁能源，其开发利用日益受到重视，目前变桨距技术在大型风力发电机组已广泛使用，适当的变桨控制策略可以使风力发电机叶片捕获更多的风能，从而在发电功率上得到可观的效益。
变速恒频风力发电机组的运行状态根据风况不同可分成四种不同的阶段：分别是恒速并网（切入）阶段、最大Cp阶段、额定转速阶段和额定功率阶段。当到达切入风速时，发电机以最小转速切入，此时风力发电机运行在很大的尖速比下，在该阶段发电机保持最小转速；随着风速的提高，尖速比逐渐减小，当达到最佳尖速比时，风力发电机进入第三个阶段，即最大Cp阶段，在该阶段电机通过对转速转矩的调节使得风力发电机始终运行在最佳Cp的状态；当电机达到额定转速时，风力发电机运行进入第二个阶段，在额定转速下，风力发电机尖速比随着风速的提高逐渐降低，并不断偏离最佳尖速比，在该阶段，风力发电机运行Cp明显降低，但由于风速不断提高，风力发电机功率逐渐向额定状态靠近；在达到额定状态时，风力发电机保持电机额定转速、转矩，并通过变桨控制使电机维持在恒功率状态。不同的变桨策略使风机运行在不同的Cp-lamda曲线上，通常情况下，前三个阶段叶片桨距角为零度。
目前，当风机运行在额定风速以下，风机桨距角一般设置成一个固定值，且各项优化措施都集中在最优Cp段右侧及额定转速段。由于中国中东部地区的风电场大部分为低风速风场，有些还是超低风速风场，风机运行的风速区间大部分在3m/s-6m/s，相当一部分时间内风机运行在切入阶段及最大Cp段左半部分，因此，需要着重考虑优化此风速段内的风机效率问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风机叶片最优桨距角辨识方法，使变速恒频风力发电机在切入阶段及最优Cp段左半部分具有最优桨距角。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风机叶片最优桨距角辨识方法，包括以下步骤：A.计算风机在不同桨距角下的功率系数-尖速比Cp-lamda曲线，围绕最大Cp左右各减小1%，确定桨距角的可选区间1[P1，P2]；B.计算不同桨距角下的风机稳态功率曲线；C.根据所述风机稳态功率曲线，采用年平均风速标准Weibull分布，假设风机的可利用率为100%，计算风机在不同桨距角下的年发电量，确定最大年发电量，以最大年发电量左右各减小1%，得到桨距角的可选区间2[P3,P4]；D.取所述区间1[P1,P2]和区间2[P3,P4]的交集[P5,P6],计算在[P5，P6]区间内不同桨距角下的风机动态功率曲线，确定平均风速在3m/s-6m/s之间的n个不同平均风速下发电功率最大时所对应的n个桨距角；E.在同一风场内，选定n组测试风机，分别对应调整为所得的n个桨距角，进行为期数月的测试；F.依据风机监控及数据采集***得到的数据对比风机在测试前后不同风速下发电功率，同时着重对比测试风机发电量所占统计电量的比例，选择出最优桨距角。
进一步地，所述步骤D中,n=3,且3个不同平均风速分别为3.5m/s、4.5m/s及5.5m/s。
进一步地，步骤E中所述测试风机每组设置2台风机,且进行为期3-6个月的测试。
进一步地，所述最优桨距角为变速恒频风力发电机在切入阶段及最优Cp段左半部分的最优桨距角。
由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
本发明的风机叶片最优桨距角辨识方法，依照不同风场的具体风况，将风机桨距角设置成不同值；优化措施集中在恒速并网段及最优Cp段左侧，有利于优化我国中东部地区的低风速风场、超低风速风场提高风机效率。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是不同桨距角下风机的功率系数-尖速比曲线图。
图2是不同桨距角下风机的发电功率曲线图。
图3是桨距角优化后风机发电量所占比例随风速变化图。
具体实施方式
本发明的一种风机叶片最优桨距角辨识方法，包括以下步骤：
A.计算风机在不同桨距角下的功率系数-尖速比Cp-lamda曲线，围绕最大Cp左右各减小1%，确定桨距角的可选区间1[P1，P2]；B.计算不同桨距角下的风机稳态功率曲线；C.根据所述风机稳态功率曲线，采用年平均风速标准Weibull分布，假设风机的可利用率为100%，计算风机在不同桨距角下的年发电量，确定最大年发电量，以最大年发电量左右各减小1%，得到桨距角的可选区间2[P3,P4]；D.取所述区间1[P1,P2]和区间2[P3,P4]的交集[P5,P6],计算在[P5，P6]区间内不同桨距角下的风机动态功率曲线，确定平均风速在3m/s-6m/s之间的n个不同平均风速下发电功率最大时所对应的n个桨距角；E.在同一风场内，选定n组测试风机，分别对应调整为所得的n个桨距角，进行为期数月的测试；F.依据风机监控及数据采集***得到的数据对比风机在测试前后不同风速下发电功率，着重对比测试风机发电量所占统计电量的比例，选择出最优桨距角。
其中，步骤D中可设置n=3,此时可取3个不同平均风速3.5m/s、4.5m/s及5.5m/s，找出3个风速下发电功率最大时所对应的3个桨距角。对应地，步骤E中选定3组测试风机，可每组设置2台风机，进行为期3-6月的测试。
依据上述操作方式，在低风速、超低风速风场中，寻找变速恒频风力发电机在切入阶段及最优Cp段左半部分的最优桨距角，将桨距角调整到位后，可提高风场年发电量2%左右。
应用该方法在天津某风场进行了具体实施，实施过程主要分为三个阶段，第一阶段为仿真阶段，首先计算出如图1所示的风场风机在不同桨距角下的功率系数-尖速比（Cp-lamda）曲线，确定围绕最大Cp左右各减小1%时所对应的桨距角区间1[-1.7°，0.9°]。再计算出如图2所示的风机稳态功率曲线，确定风场的年平均风速约为6.6m/s，应用稳态功率曲线以及风场的具体条件计算风机年发电量，围绕最大年发电量左右各减小1%所对应的桨距角区间2[-2.5°，0.6°]。然后取上述区间1[-1.7°，0.9°]和区间2[-2.5°，0.6°]的交集[-1.7°，0.6°]，在该交集范围内计算不同桨距角下的风机动态功率曲线，确定低风速下发电功率最大时所对应的桨距角。选定3.5m/s、4.5m/s以及5.5m/s风速下所对应的桨距角-1.5°、-0.8°、-0.3°。
第二阶段为测试阶段，选定上述三个桨距角，选定6台测试风机，每两台风机调试一个安装角，测试周期为2012年10月-2013年4月。
最后为数据分析阶段，对比风机在测试前后不同风速下的发电功率曲线及发电量所占全场风机发电量的比例，用以评定桨距角优化效果。其中，在进行发电功率曲线对比时，需要剔除掉无效的发电数据（包括明显偏大、偏小的数据等），同时应该以温度来校准空气密度，保证发电功率曲线对比前后的基准一致。在对比发电量所占比例是否提高时，选择风机可利用率大于99%运行时间段内进行对比，同时剔除掉发电量异常的数据。
如图3所示，数据对比显示当风机桨距角调整到-0.8°，测试风机的发电量所占比例得到了有效提高，风场发电量平均增幅达到2.9%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风机叶片最优桨距角辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.计算风机在不同桨距角下的功率系数-尖速比Cp-lamda曲线，围绕最大Cp左右各减小1%，确定桨距角的可选区间1[P1，P2]；
B.计算不同桨距角下的风机稳态功率曲线；
C.根据所述风机稳态功率曲线，采用年平均风速标准Weibull分布，假设风机的可利用率为100%，计算风机在不同桨距角下的年发电量，确定最大年发电量，以最大年发电量左右各减小1%，得到桨距角的可选区间2[P3,P4]；
D.取所述区间1[P1,P2]和区间2[P3,P4]的交集[P5,P6],计算在[P5，P6]区间内不同桨距角下的风机动态功率曲线，确定平均风速在3m/s-6m/s之间的n个不同平均风速下发电功率最大时所对应的n个桨距角；
E.在同一风场内，选定n组测试风机，分别对应调整为所得的n个桨距角，进行为期数月的测试；
F.依据风机监控及数据采集***得到的数据对比风机在测试前后不同风速下发电功率，同时着重对比不同桨距角下的测试风机发电量所占统计电量的比例，选择出最优桨距角。
2.根据权利要求1所述的风机叶片最优桨距角辨识方法，其特征在于，所述步骤D中,n=3,且3个不同平均风速分别为3.5m/s、4.5m/s及5.5m/s。
3.根据权利要求1所述的风机叶片最优桨距角辨识方法，其特征在于，步骤E中所述测试风机每组设置2台风机,且进行为期3-6个月的测试。
4.根据权利要求1-3任一项所述的风机叶片最优桨距角辨识方法，其特征在于，所述最优桨距角为变速恒频风力发电机在切入阶段及最优Cp段左半部分的最优桨距角。
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