CN105548614A - 一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法，包括以下步骤：对风速风向仪所采集到的数据按照风速段进行预处理；形成角度测量误差函数δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ；将常数ɑ₀作为风速风向仪的角度安装误差。本发明通过风速风向仪在学习周期所采集的数据进行统计，并采用最小二乘拟合法拟合成一个多项式函数，最后通过这个多项式函数获得风速风向仪的角度安装误差，解决了风速风向仪的角度安装误差不便测量的问题。通过本发明获取了风速风向仪的角度安装误差后，可以进行测量误差补偿，修正风机叶轮处的实际风向偏差角度θ₁，从而提高对风机叶轮处风向偏差角度的测量精度，从而省去重新安装风速风向仪的人力成本和资金成本。

Description

一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法

本发明涉及一种风速风向仪，特别是一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法。

背景技术

风力发电机将风动能转化为电能，目标是在保持风机承受较低机械载荷的同时尽可能多的发电。要成功实现以上目标，关键是要让风机叶轮精确的对准风向。

如图1-2所示，根据风机动力学理论，当风速恒定且发电机转速低于额定转速时,风机的发电功率与风向偏差角度θ的余弦的三次方成正比。设风向无偏差时，风机叶轮获得的功率为Power1；当风速不变而风向偏差角度为θ时，风机叶轮获得的功率为Power2，则二者满足如下公式：

Power2＝Power1×cos³θ

因此，当风向偏差角度θ为15度时，会带来约10％的发电量损失。另外，叶轮的偏离会导致在叶轮乃至整个风机的机械载荷不平衡。这类载荷相比其它载荷会大得多，如果能降低，就能延长风机使用寿命，或者让现有风机带动更大的叶轮。

目前，在大多数风机上，风向偏差角度由安装在机舱上方的风速风向仪决定。但在风机的实际运行过工程中，风速风向仪所测量的风向偏差角度与叶轮处的实际风向偏差角度之间存在误差。

如图3所示，因为风速风向仪测量的是风机机舱尾部的风向偏差角度θ₂，而风机主控***需要的是风机叶轮处的实际风向偏差角度θ₁，即两者间的角度测量误差表示为：

δ_θ＝θ₂-θ₁

导致风向偏差的因素有很多，其中，风向风速仪的角度安装误差就是影响风速风向仪的角度测量误差的因素之一(如图4所示)。

目前，主控***根据风向风速仪测量的风向偏差角度θ₂控制风机机舱对风(偏航控制)，而实际需要被修正的风向偏差角度是θ₁。如果能够准确地测得角度安装误差并进行补偿，则可以提高风机叶轮对准风向的精度。

角度安装误差指的是风速风向仪的零位与风机机头方向不一致，这将使风速风向仪的实测风向偏差角度与实际风向偏差角度存在一个固定误差。为此，如何测量并补偿该误差，对提高风机叶轮对风精度具有很高的实际应用价值。

通常情况下，风速风向仪的安装处都有用于对准的标尺，且在风速风向仪首次安装时，都会进行必要的测量和标定，以保证其零位与风机机头方向一致。但是，当风机投入运行后，随着时间的推移，由于机舱震动或其它因素的影响，风速风向仪的安装零位会产生变化和偏移，进而产生角度安装误差。

为修正该误差，需要工程服务人员登上工况恶劣的机舱顶部，根据安装处的标尺测量风速风向仪的角度安装误差。当标尺因长时间的风雨和震动脱落时，工作人员还需要借助高精度的测角和定位仪器对风速风向仪的角度安装误差进行测量，继而增加了人力物力和资金成本。

目前，除采用人工和高精度测角定位***对风速风向仪的角度安装误差进行测量外，尚无更为便捷的测量方法。如何便捷快速低成本的确定风向风速仪的角度安装误差，目前还未见相关方法的报道。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法，不用采用测量手段便能够准确地确定风向风速仪的角度安装误差，以提高风机叶轮对准风向的精度。

大量实验表明，风速风向仪的角度测量误差δ是风速v的多项式函数，在综合考虑风速风向仪的角度安装误差和本机尾流误差的情况下，表示为如下角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

由于角度安装误差属于固定误差，此误差不会受风速、尾流、微观选址等误差影响，则角度测量误差函数δ中的常量ɑ₀即表示角度安装误差。

为了获取角度安装误差，本发明的技术方案如下：一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法，包括以下步骤：

A、数据预处理

在学习周期内，对风速风向仪所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i统计风速风向仪的实测风向偏差角度与叶轮处获得的功率之间的分布曲线，并在曲线最高点处获得风速段V_i对应的角度测量误差δ_i，式中，i表示风速段的序号，i＝1、2、3、…，m，m代表所分风速段总数；所述的数据包括风速、风速风向仪的实测风向偏差角度和叶轮处功率；

B、形成角度测量误差函数

B11、设n＝1

B12、采用最小二乘拟合法，对步骤A中的各风速段V_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

式中，ɑ₀、ɑ₁、…、ɑ_n为常数，v为实时风速；

B13、如果拟合后的总体相对误差优于0.01％，则转步骤C；否则令n＝n+1，转步骤B12；

C、将步骤B中得到的常数ɑ₀作为风速风向仪的角度安装误差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明通过风速风向仪在学习周期所采集的数据进行统计，并采用最小二乘拟合法拟合成一个多项式函数，最后通过这个多项式函数获得风速风向仪的角度安装误差，该方法解决了风速风向仪的角度安装误差不便测量的问题。

2、通过本发明获取了风速风向仪的角度安装误差后，一方面可以进行测量误差补偿，修正风机叶轮处的实际风向偏差角度θ₁，从而提高对风机叶轮处风向的测量精度，从而省去重新安装风速风向仪的人力成本和资金成本；另一方面也可以重新安装风速风向仪，使风速风向仪的零位与风机机头方向完全一致。

附图说明

本发明共有附图8张，其中：

图1是风机机舱正对风向示意图。

图2是风机机舱偏航示意图。

图3是实际风速和实测风速示意图。

图4是风速风向仪角度安装误差示意图。

图5是风向偏角与风机叶轮功率的关系曲线示意图。

图6是数据预处理示意图。

图7是不同风速段角度测量误差曲线示意图。

图8是最小二乘拟合后的角度测量误差函数(曲线)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明：按照本发明的方法步骤，风速风向仪获取的角度测量误差函数δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ，该函数表明风速风向仪的角度测量误差函数δ是风速的多次多项式函数。角度安装误差指的是风速风向仪的零位与风机机头方向不一致，这将使风速风向仪的实测风向偏差角度与实际风向偏差角度存在一个固定误差，如图4所示。此误差属于固定误差，不会受风速、尾流、微观选址等误差影响，用常量ɑ₀表示。

当风力发电机处于正常发电状态，且风速和机舱位置保持恒定，若此时风机叶轮处无风向偏差，则风机叶轮处吸收的功率为PowerStandard；若此时风机叶轮处的风向偏差角度为θ₁，则风机叶轮处吸收的功率PowerRotor可以表示为：

PowerRotor＝PowerStandard×cos³θ₁

则在恒定风速下(图5中以10m/s为例)，风机叶轮处的风向偏差角度θ₁与风机叶轮处吸收的功率PowerRotor之间的关系可以表示为图5中的实线曲线，且该曲线会在风向偏差角度θ₁＝0°时取得最大值A₁。

与此同时，风速风向仪所测量到的风向偏差角度θ₂与风机叶轮处吸收的功率PowerRotor之间的关系可以表示为图5中的虚线曲线，因为风向偏差角度θ₂与实际风向偏差角度θ₁之间存在角度测量误差δ_θ，所以风向偏差角度θ₂与PowerRotor之间的函数关系为：

PowerRotor＝PowerStandard×cos³(θ₂-δ_θ)

即图5中虚线曲线将在θ₂＝δ_θ处取得最大值A₂，其取得最大值A₂时所对应的风向偏差角度θ₂即为风速风向仪的角度测量误差δ_θ。(图5中的曲线表示此风机在10m/s风速时，风速风向仪的角度测量误差为5°)。

根据风机的空气动力学原理，当风速发生变化时，会使风机尾流等一系列参数发生变化，导致风速风向仪的角度测量误差变化。且实际工况中，风速和风向偏差角度都是时刻变化的，为此风速风向仪将会以一定频率统计风机的风向偏差角度、风速和功率等数据。

如图6所示，风速风向仪将所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i都会计算出对应的角度测量误差δ_i，其原理如图7所示。

图7表示，每个风速段下V_i(图中只展示了其中6个风速段)，都可以获得一条实测风速与叶轮功率间的曲线关系，并在曲线最高点处获得角度测量误差δ_i。将所有风速段V_i下的角度测量误差δ_i进行汇总，则可使用最小二乘法对其进行拟合，进而获得角度测量误差函数为：

δ＝f(v)＝0.1v²+1.5v-10

如图8所示，此函数表明，在拟合过程中，当n＝2时，最小二乘拟合结果的总体相对误差优于0.01％，即该角度测量误差函数为风速的二次函数，且，此时的表达式中的常数项为-10，即此风机的风速风向仪的角度安装误差为-10°。

Claims (1)

1.一种风速风向仪的角度安装误差的获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、数据预处理

在学习周期内，对风速风向仪所采集到的数据按照风速段进行分类，在不同的风速段V_i统计风速风向仪的实测风向偏差角度与叶轮处获得的功率之间的分布曲线，并在曲线最高点处获得风速段V_i对应的角度测量误差δ_i，式中，i表示风速段的序号，i＝1、2、3、…，m，m代表所分风速段总数；所述的数据包括风速、风速风向仪的实测风向偏差角度和叶轮处功率；

B、形成角度测量误差函数

B11、设n＝1

B12、采用最小二乘拟合法，对步骤A中的各风速段V_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

式中，ɑ₀、ɑ₁、…、ɑ_n为常数，v为实时风速；

B13、如果拟合后的总体相对误差优于0.01％，则转步骤C；否则令n＝n+1，转步骤B12；

C、将步骤B中得到的常数ɑ₀作为风速风向仪的角度安装误差。