CN107250532A - 最佳风场运行 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种运行包括上游涡轮和下游涡轮的风场的方法，其中上游涡轮在当前风况下以当前运行参数运行，其中该方法包括以下步骤：接收风场的一定时间段的未来风况，以及估计用于最小化下游涡轮在未来风况下的尾流效应的所需运行参数，以及确定在考虑风力涡轮的疲劳效应的情况下将运行参数变为所需运行参数的成本系数，分别计算在当前风况下以当前运行参数运行的情况下和在未来风况下以所需运行参数运行的情况下由风场在预定时间段内的功率产量 o和Pc，以及在成本系数低于将由功率产量增量Pc‑ o获得的成本的情况下以所需运行参数运行上游涡轮。

Description

最佳风场运行
技术领域
本发明涉及包括多个风力涡轮的风场的运行，具体涉及运行具有上游风力涡轮和下游风力涡轮的风场的方法。
背景技术
风力涡轮将风中的动能转化成电能。在风场中，遇到自由流风速的第一排涡轮可潜在地从风中获得最大能量。然而，由于此上游或上风涡轮的这种能量获取，故下游或下风涡轮经历较低风速和由于上风涡轮的转子叶片的旋转运动而引起的湍流风况。广泛称为"尾流效应"的该现象可具有以下影响：(a)由下风涡轮实现的电能的量由于风力涡轮产生的功率与风速的立方成正比而显著降低，以及(b)下游风力涡轮的寿命由于尾流引起的湍流增大下风涡轮处的构件磨损而缩短。
为了最小化尾流效应的影响，风场涡轮布局设计成使得基于关于风场中风速和风向的统计信息而存在减小的尾流相互作用。然而，可能很难或甚至不可能在尾流传播取决于动态变化的风向和风速时实时减小尾流的影响。
常规风场管理主要基于局部控制。即，风场控制器仅将关于有功和无功功率发生量的设置点发送至独立风力涡轮，且然后试图改变这些设置点以便满足与电网联接的公共点处的需要。然而，尾流相互作用并未在这些设置点的调度中解决。此外，各个独立风力涡轮处的局部控制仅局部地优化有功和无功功率发生量。因此，尽管局部控制在独立涡轮水平上可为有益的，但由于前述空气动力尾流相互作用，故从风场的观点看其可能并未使能量最大化。
各个风力涡轮的局部控制在局部主要基于三个类型的机械促动器或风力涡轮运行参数，包括偏航控制、桨距控制和转矩控制。取决于这些促动器的设置，涡轮可获得不同量的能量，但这些设置也直接地影响所产生的尾流和因此下风涡轮处的可能的功率发生量。因此，如果确保协调的性能，则整个风场的总体功率发生量可进一步改善。
风场水平下的任何解决方案都必须能够控制所有涡轮来改善总体功率获取，且出于此目的，解决涡轮之间的空气动力尾流相互作用。各种研究提出了不同的渠道来最小化尾流相互作用，因此改善运行风场性能。例如，控制由上风涡轮获取的能量影响可用于下风涡轮的风能。控制促动器或参数包括轴向感应系数，例如，通过控制叶片桨距和发电机转矩、偏航失准度或两者。在最大功率点跟踪观点下，桨距和转矩控制通常用于大多数现代变速水平轴涡轮中。有意使上风涡轮偏航将使上游涡轮后的尾流偏转，使得下游涡轮仅部分位于或不再位于上游涡轮的尾流中。结果，下风涡轮可潜在地获得更多能量，因此提高场水平的能量获取。
专利申请EP 1790851 A2公开了一种用于运行风场的方法，风场包括接收来自风场的多个风力涡轮中的各个的数据的中央控制单元。这些数据用于预测对下游涡轮的负载影响。控制信号随后传输给选择的涡轮，以最小化对下游涡轮的负载影响，且/或减小上游涡轮的疲劳负载，且增大下游涡轮的功率获取。由中央控制单元接收到的数据包括各个涡轮塔架处的风速和风向的测量值。中央控制单元可使用上游涡轮处的风况的测得变化来将超前控制请求发送至下游涡轮。还建议使用尾流相互作用的知识来作出最小化负载的控制决定。
发明内容
本发明的目的在于在考虑风况预报的情况下改善风场的运行。根据独立权利要求的方法和控制器实现了该目的。优选实施例从从属专利权利要求中清楚。
根据本发明，如果正确地考虑改变参数的代价或努力，则在纯尾流效应最小化观点下导致预报风况下的能量产量增加的运行参数的改变或改动可能有问题。换言之，只有预期功率产量增长实际上胜于用于改变运行参数的代价，上游涡轮才在改变的运行参数下运行。具体而言，如果预报风况将指示回到之前的风况，则可阻止为了最小化变化的风况的过渡时间段期间的尾流效应而对应地来回改变运行参数值。因此，示例性偏航角度控制***可避免将过大地影响构件寿命或甚至导致促动器损坏的频繁和/或较小的偏航移动。
具体而言，在具有上游风力涡轮和下游风力涡轮的风场中，上游涡轮在当前风况下以或根据当前或目前上游运行参数值运行。运行参数是表示上游涡轮处的风向与上游涡轮的转子轴线之间的对准度的偏航角度、表示风向与转子叶片定向之间的对准度的桨距角度、发电机转矩或转子速度中的一者，且风况包括风速和风向。一种运行风场的方法包括以下步骤：
针对预报时间段的一系列时间区间中的各个时间区间或时间步，获得上游风力涡轮处和下游风力涡轮处的预报风况。
确定具有用于一系列时间区间中的各个时间区间的上游运行参数值的候选上游运行参数序列，其在上游涡轮相应地运行的情况下最小化在预报时间段内且在预报风况下的下游涡轮处的尾流效应。
估计参数变化代价，其表示或归因于从当前上游运行参数值到候选上游运行参数值序列的第一上游运行参数的变化，且可选地表示候选上游运行参数序列中的其它参数值变化。参数变化代价可包括运行驱动马达或其它促动器以根据运行参数(如，机舱(偏航角度)或转子叶片(桨距角度))中的变化递增地移动或调整涡轮部件所需能量，或包括对应的成本。参数变化代价可表示由驱动马达和/或活动涡轮部件遭受的构件磨损，包括疲劳效应，且具体可包括在偏航涡轮转子的情况下施加在偏航轴承上的由惯性、摩擦和陀螺力矩引起的机械负载力矩造成的偏航轴承的磨损。构件磨损可包括驱动马达和/或活动涡轮部件的缩短的寿命内产生的能量的减少，或包括收入的对应减少。作为备选，代价可包括驱动马达和/或活动涡轮部件的维护或过早替换的成本。
估计在上游涡轮分别在预报风况下以当前上游运行参数值或根据候选上游运行参数序列运行的情况下预报时间段期间的风场生产力或输出。生产力包括产生的电能的量或对应的收入。
将风场生产力增益计算为根据候选上游运行参数序列运行的风场生产力与以当前上游运行参数值运行的风场生产力之间的差。
在一系列时间区间中的第一时间区间，在生产力增益超过参数变化代价的情况下，根据候选上游运行参数序列的至少第一上游运行参数值运行上游涡轮，以及在参数变化代价超过生产力增益的情况下，以当前上游运行参数值运行上游涡轮。
在优选实施例中，该方法考虑了由涡轮转子与风向失准引起的上游涡轮的疲劳负载的增大。失准可引起上游风力涡轮中的方位角负载变化和转子上的机械应力，这继而又影响上游涡轮的寿命。具体而言，该方法还包括以下步骤：
估计在根据候选上游运行参数序列而非以当前上游运行参数值运行的情况下预报时间段期间在预报风况下的上游风力涡轮的疲劳效应。疲劳效应可包括例如基于历史数据估计在涡轮的寿命内产生的能量的减少，或包括收入的对应减少。作为备选，疲劳效应可包括涡轮或其旋转部件的维护和过早替换的成本。Juelsgaard等人的题为"Wind FarmDispatch Control for Demand Tracking and Minimized Fatigue"(Power Plants andPower Systems Control，第8卷，第1部分，381-386页(2012)，DOI 10.3182/20120902-4-FR-2032.00068)的论文公开了风力涡轮中的示例性疲劳建模。
基于预报平衡来运行上游涡轮，预报平衡包括生产力增益、参数变化代价和疲劳效应。具体而言，可用变化代价减去疲劳效应或对疲劳效应加上生产力增益。
在优选实施例中，预报时间段具有的长度或持续时间远超过执行上游运行参数值的典型变化的促动器运行的持续时间且由风况预报的可靠性限制。对于小于每秒一度的偏航角度变化速率，预报时间段的长度因此超过十秒，优选在一分钟到一到三小时之间，具有一到五分钟的时间间隔。将理解的是，尾流效应、参数变化代价、生产力增益和疲劳效应所有都可评估，且适合在预报时间段内求积分或平均，其中时间区间或步长取决于风况预报数据的粗度。和
在特定实例中，本发明将偏航角度认作是上游运行参数，且上游涡轮在当前风况下以偏航角度运行。风场控制器适于与上游涡轮处的局部控制器通信，且配置成接收预报时间窗口的基于风场的风预报的未来风况。风场控制器还适于计算偏航角度来用于最小化未来风况下的下风涡轮的尾流效应，且确定在考虑驱动马达介入和上游涡轮处的磨损和疲劳效应的情况下下将偏航角度从变到的成本。风场控制器最终适于计算在假定上游涡轮分别以偏航角度和运行的情况下预定时间段内的未来风况下的风场的功率产量和，且在成本低于功率产量增量-的收益的情况下将偏航角度设置为。
本发明以若干方式改变了控制风场的常规方法。尽管现有方法主要聚焦于当前的运行状态，但本发明提出了将其也延伸至不远的将来。这覆盖了基于最近的将来(例如，几秒或分)作出的决定，但也可覆盖达到小时和其间的所有持续时间。
与尾流模型组合的风预报可提供很有价值的输入来控制风场。使用提出的构想，有可能决定是否改变偏航角度，且如果其将变化，则决定改变多少度。该决定可通过考虑在驱动马达磨损时改变独立风力涡轮的偏航角度的成本而包括经济方面。这些成本然后可与所得的功率产量而获得的收益增加和由于较好的对准而引起的风力涡轮的疲劳减小相比较。同时，还可分析下风涡轮处的所得的尾流和可能的功率产量。此外，所得的尾流的形状可优化，以便进一步提高功率生产能力，且最小化总体得到的疲劳。
包括持续时间允许用优化方法来对一定时间内的成本和利益进行积分。这可导致相比于纯局部控制完全不同的决定。因此，例如，在一些时间接受偏航失准可为有益的，只要功率产量的损失和增大的疲劳的时间积分不超过改变偏航角度的成本。如果从风预报中知道之前的状态(具有完美偏航对准)将在合理时间内重现且因此可允许暂时失准，则此情况尤其有意义。
根据另一个方面，本发明考虑了使用风速和方向预测来选择适当的方法，以便通过改变桨距、转矩和/或偏航控制或它们的组合来实现风场或风场运营商的目的。
根据另一个方面，本发明考虑了短期(例如，一秒到一分)和中期(例如，一分到一小时)的预报的结合，以前摄地决定偏航角度变化，同时解决实现提出的偏航角度变化的成本/时间与预期能量获取利益和伴随的所有风场设备上的疲劳效应的减小之间的权衡。
根据另一个方面，本发明还基于动态识别和校正的预期成本/时间与在实际上校正偏航误差的情况下其将带来的能量利益的比较来考虑偏航角度误差的动态识别和关于使用风预报校正这些误差的后续决定。
附图说明
本发明的主题将在以下文本中参照附图中所示的优选示例性实施例来更详细阐释，在附图中：
图1示意性地示出了风场尾流构造的顶视图，其中(a)是在偏航之前，且(b)在偏航之后，其中涡轮1和2在(b)中偏航，导致由涡轮1和2产生的能量的降低，但由涡轮3-6产生的能量的增加；
图2示出了图1中所示的场构造的偏航之前和之后的涡轮的功率产量，其中偏航涡轮1和2减少其能量获取，然而其还可由于如图1b中所示的减小的'阴影'而导致下风涡轮获得能量；
图3示意性地示出了随上风涡轮1和2的变化的偏航角度而变化的总风场功率、上风和下风涡轮功率的趋势；
图4示出了涡轮3和4关闭且因此不产生将影响涡轮5和6的任何尾流，因此涡轮5和6仅收到上风涡轮1和2产生的尾流影响。
具体实施方式
根据示例性实施例，本发明分析了风变化，且预报在稳定且长期的变化方面进行了预测。如果风预报预测到足够长的时间段内的稳定风况，且改变偏航角度的成本低于伴随的能量生产的增加和/或疲劳负载的减小，则改变偏航角度有经济意义。然而，如果此效果仅可在较短时间段内观察到，则改变偏航角度可能不明智。
此外，偏航甚至可前摄地使用，使得风场控制器所知(通过风预报)的预期风向和速度变化可导致偏航的较早移动。这具体解决了目前存在的缓慢偏航角度变化(大约每分钟8度)的问题。
根据示例性实施例，本发明分析了风变化，且预报在短期效果方面进行了预测。如果风预报预测到风况仅在短时间段内变化，则偏航角度将不会改变(与桨距/偏航控制相反)，因为变化的时间和成本相比于增加整个风场的能量生产的短时间段太大。
根据示例性实施例，本发明分析了改变上风涡轮的偏航角度来减小尾流对下风涡轮的影响。
如图1中所示，上风涡轮的偏航角度改变，使得尾流不再'遮蔽'下风涡轮的整个转子区域。这减少了上风涡轮的功率产量，但由于减少的尾流影响而增加了下风涡轮的功率产量。这可能导致整个风场的较高能量产量。
图2示出了用于给定初始风速和风向且然后用于偏航优化版本的依次的若干风力涡轮的功率产量。
在图3中，对应的功率产量和总额绘制为上风涡轮的偏航角度的函数。由于上风涡轮功率随偏航角度的增大而减小且下风涡轮功率随偏航角度的增大而增大，故总场功率由于此权衡而达到最大值。这展示了可达到的利益。
根据示例性实施例，本发明分析了改变上风涡轮的偏航角度来减小尾流对下风涡轮的影响。如图4中所示，当一些涡轮关闭(例如，运行停止)时，它们不再产生尾流。因此，前一排涡轮和后一排涡轮具有较少限制。尤其是在少风情况下，整个风场的功率产量可类似于所有涡轮都被使用的情况，但在此设置中，可针对未运行的排优化寿命影响。
在本发明的实施例中，本发明考虑了短期(例如，一秒到一分)和中期(1分钟到一小时)的预报的结合，以前摄地决定偏航角度变化，同时解决实现提出的偏航角度变化的成本/时间与预期能量获取利益和伴随的所有风场设备上的疲劳效应的增大之间的权衡。
涡轮之间的减小的尾流的相同效果可通过桨距控制、转矩控制或通过选择偏航控制、桨距控制、转矩控制中的所有或任何组合来达成。
根据另一个实施例，本发明可判断暂时关闭选择的涡轮来达到相似的尾流节省是否有利。
根据另一个实施例，在假定最佳偏航控制的设置的情况下，本发明还基于动态识别和校正的预期成本/时间与在实际上校正偏航误差的情况下其将带来的能量利益的比较来使用偏航角度误差的动态识别和关于使用风预报校正这些误差的后续决定。
根据另一个实施例，本发明观察到稳态，例如，恒定的风况，***可一次对整个风场优化偏航角度来优化给定风场业主的目的。优化可使用偏航角度、桨距控制和转矩控制的任何组合。
尽管附图和前述描述中详细描述了本发明，但此描述将认作是示范性的或示例性的，而非限制性的。公开实施例的变型可由实施提出的发明的本领域的技术人员从附图、公开内容和所附权利要求的研究中理解和实现。在权利要求中，词语"包括"并未排除其它元件或步骤，且不定冠词"一"或"一种"并未排除多个。某些元件或步骤在不同权利要求中陈述的事实并不表示这些元件或步骤的组合不可有利使用，尤其是作为实际权利要求从属的补充，任何其它有意义的权利要求组合都应当认作是公开的。
运行如本文所述的风场和风场控制器的特征和方法可通过硬件构件、固件和/或具有由适合的软件编程的处理器件的计算装置来执行。例如，风场控制器可包括任何已知的通用处理器或集成电路，如，中央处理单元(CPU)、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或如期望的其它适合的可编程处理或计算装置或电路。处理器可编程或构造成包括和执行本公开内容的示例性实施例的特征，如运行风场的方法。特征可通过编码或记录在处理器上或储存在可由处理器存取的非易失性存储器(如，如期望的只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)或其它适合的存储器或电路)中的程序或软件代码执行。在另一个示例性实施例中，程序或软件代码可提供在具有非暂时计算机可读记录介质(如，如期望的硬盘驱动器、光盘驱动器、固态驱动器或其它适合的存储器装置或电路)的计算机程序产品中，当非暂时计算机可读介质布置成与处理器可通信时，程序或软件代码可转移或可下载到处理器上来执行。

Claims (6)

1.一种运行具有上风涡轮和下风涡轮的风场的方法，其中所述上游涡轮在当前风况下以当前上游运行参数值运行，所述方法包括以下步骤：
针对预报时间段的一系列时间区间中的各个时间区间，获得所述上游风力涡轮和所述下游风力涡轮处的预报风况，
确定在所述预报风况下最小化所述下游涡轮处的尾流效应的候选上游运行参数序列，
估计表示从所述当前上游运行参数值变到所述候选上游运行参数序列的第一上游运行参数值的参数变化代价，
分别估计在所述上游涡轮在所述预报风况下以所述当前上游运行参数运行或根据所述候选上游运行参数序列运行的情况下所述预报时间段期间的风场生产力, ，
将风场生产力增益计算为根据所述候选上游运行参数序列运行的风场生产力与以所述当前上游运行参数值运行的风场生产力之间的差(Pc- o)，以及
在所述参数变化代价超过所述生产力增益的情况下，以所述当前上游运行参数来运行所述上游涡轮。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
估计当根据所述上游运行参数从所述当前上游运行参数值到所述候选上游运行参数序列的第一上游运行参数值的变化运行所述驱动马达时的参数变化代价，所述参数变化代价包括由用于所述上游涡轮的活动涡轮部件的驱动马达消耗的能量，和/或包括由所述驱动马达或由所述活动涡轮部件遭受的构件磨损。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
估计在所述预报时间段期间在所述预报风况下根据所述候选上游运行参数序列而非以所述当前上游运行参数值运行的情况下所述上游风力涡轮的疲劳效应，以及
基于包括所述参数变化代价、所述生产力增益和所述疲劳效应的预报平衡来运行所述上游涡轮。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预报时间段的长度在一分钟到三小时之间，优选在三分钟到五分钟之间。
5. 根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其特征在于，所述运行参数包括表示所述上游涡轮处的风向与所述上游涡轮的转子轴线之间的对准度的偏航角度、表示所述风向与转子叶片定向之间的对准度的偏航角度、发电机转矩或转子速度中的一者。
6.一种用于运行包括上游涡轮和下游涡轮的风场的控制器，其中所述上游涡轮在当前风况下以偏航角度γo运行，其中所述控制器配置成
接收预定时间段的基于所述风场的风预报的未来风况，
计算用于最小化所述未来风况下的所述下游涡轮处的尾流效应的偏航角度，以及确定将所述偏航角度从变为到γc的成本，
在假定所述上游涡轮分别以所述偏航角度和运行的情况下，计算所述预定时间段内的所述未来风况下的所述风场的功率产量和，
在所述成本低于功率产量增量Pc- o的收益的情况下，将所述偏航角度设置为。
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