本發(fā)明涉及一種可再生能源領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)情況下的偏航優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

2016年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)量2337萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到1.69億千瓦；其中海上風(fēng)電新增裝機(jī)59萬千瓦，累積裝機(jī)容量為163萬千瓦。風(fēng)電已超越核電成為繼煤電和水電之后的第三大主力電源。隨著風(fēng)電新增裝機(jī)容量的節(jié)節(jié)高升，如何在有限條件下提高發(fā)電量是風(fēng)電行業(yè)設(shè)計(jì)者孜孜不倦追求的目標(biāo)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪受風(fēng)力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈上的齒輪箱和發(fā)電機(jī)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。機(jī)組偏航系統(tǒng)的主要功能是機(jī)頭正對(duì)風(fēng)向，風(fēng)輪正面迎風(fēng)，此時(shí)捕獲的能量能最大。風(fēng)電行業(yè)常用做法是設(shè)定一個(gè)對(duì)風(fēng)誤差，當(dāng)機(jī)艙位置和風(fēng)向的夾角到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)偏航實(shí)時(shí)跟蹤變化的對(duì)風(fēng)功能。然而由于偏航速度慢、風(fēng)向隨機(jī)變化、測(cè)量誤差等原因，機(jī)艙位置(機(jī)頭)和風(fēng)向不可避免的存在一定的夾角。由于該夾角的存在，機(jī)組不能捕獲最大風(fēng)能，將帶來某種程度的發(fā)電量損失，當(dāng)機(jī)艙位置和風(fēng)向達(dá)到10°時(shí)，功率損失約為5％。因此，減少對(duì)風(fēng)誤差是一個(gè)發(fā)電量的直接而有效的途徑。

由于機(jī)艙需要根據(jù)風(fēng)向變化不停地對(duì)風(fēng)，以使機(jī)頭正對(duì)風(fēng)向使風(fēng)能捕獲最大。當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)組的塔筒是固定不動(dòng)的，當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)達(dá)到一定角度，則引起塔筒內(nèi)的電纜扭纜，將挑戰(zhàn)塔筒的電纜的耐扭纜屬性。工業(yè)中常用做法是通過增加導(dǎo)電滑環(huán)的方法，來解決電纜扭纜的問題，如風(fēng)輪相對(duì)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)由此造成的扭纜問題，通常通過滑環(huán)來解決扭纜問題；由于風(fēng)向短時(shí)間不會(huì)突變，偏航扭纜次數(shù)不像風(fēng)輪扭纜那么頻繁，因此風(fēng)電行業(yè)中通常用解纜的方法解決扭纜的問題。當(dāng)塔筒電纜扭纜到一定程度，執(zhí)行機(jī)組停機(jī)偏航解纜動(dòng)作，機(jī)組通過停機(jī)，利用偏航系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)艙將塔筒內(nèi)電纜恢復(fù)至原來的順直狀態(tài)的過程稱為解纜。然而由于偏航速度很慢，通常為0.3～0.5°/s，偏航一圈約12～20min，若在大風(fēng)期間頻繁停機(jī)解纜，將引起較大的發(fā)電量損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)情況下的偏航優(yōu)化方法，該方法能減少機(jī)組大風(fēng)期間由于解纜而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，有效避免損失發(fā)電量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)情況下的偏航優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟：1)采用自動(dòng)對(duì)風(fēng)策略，將風(fēng)速分為大風(fēng)偏航風(fēng)速和小風(fēng)偏航風(fēng)速兩級(jí)；2)對(duì)于大風(fēng)偏航風(fēng)速，采用大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ2|；對(duì)于小風(fēng)偏航風(fēng)速，采用小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ1|；其中，|ξ1|＞|ξ2|；ξ為對(duì)風(fēng)誤差，|ξ1|為小風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，|ξ2|為大風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，絕對(duì)值||符號(hào)表示此處不區(qū)分順時(shí)針或逆時(shí)針對(duì)風(fēng)誤差；3)當(dāng)對(duì)風(fēng)誤差ξ滿足啟動(dòng)偏航條件后，執(zhí)行偏航跟蹤風(fēng)向進(jìn)行對(duì)風(fēng)，根據(jù)對(duì)風(fēng)誤差ξ來決定對(duì)風(fēng)偏航方向；4)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)角度，則引起塔筒內(nèi)的電纜扭纜，此時(shí)進(jìn)行解纜優(yōu)化，使機(jī)組在小風(fēng)期間多偏航，大風(fēng)期間少偏航多發(fā)電。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，當(dāng)風(fēng)速大于設(shè)定風(fēng)速v＞v0時(shí)，為大風(fēng)偏航風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速v＜v0時(shí)，為小風(fēng)偏航風(fēng)速；其中，v為輪轂風(fēng)速、v0為預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速值。

進(jìn)一步，所述步驟2)中，當(dāng)采用小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ1|時(shí)，其過程如下：2.1)判斷對(duì)風(fēng)誤差是否大于小風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，若大于則進(jìn)入下一步；2.2)判斷風(fēng)速是否小于設(shè)定風(fēng)速，若不小于設(shè)定風(fēng)速則返回步驟2.1)，同時(shí)進(jìn)行大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略；若小于設(shè)定風(fēng)速則進(jìn)入步驟3)。

進(jìn)一步，所述步驟2)中，當(dāng)采用大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ2|時(shí)，其過程如下：判斷對(duì)風(fēng)誤差是否大于大風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，若大于則進(jìn)入步驟3)；若不大于則進(jìn)行小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略。

進(jìn)一步，所述步驟3)中，當(dāng)ξ＞0時(shí)，順時(shí)針偏航；當(dāng)ξ＜0時(shí)，逆時(shí)針偏航。

進(jìn)一步，所述步驟4)中，解纜優(yōu)化過程如下：4.1)將風(fēng)速分為大風(fēng)解纜風(fēng)速和小風(fēng)解纜風(fēng)速兩級(jí)；4.2)對(duì)小風(fēng)解纜風(fēng)速采用小風(fēng)解纜策略對(duì)大風(fēng)解纜風(fēng)速采用大風(fēng)解纜策略其中，為扭纜角度，為小風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，為大風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，絕對(duì)值||符號(hào)表示不區(qū)分順時(shí)針或逆時(shí)針扭纜角度；4.3)當(dāng)扭纜角度滿足解纜條件后，執(zhí)行偏航解纜跟蹤將塔筒內(nèi)扭纜的電纜順直，根據(jù)扭纜角度來決定解纜方向。

進(jìn)一步，所述步驟4.1)中，當(dāng)風(fēng)速大于設(shè)定風(fēng)速v＞v0時(shí)，為大風(fēng)解纜風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速v＜v0時(shí)，為小風(fēng)解纜風(fēng)速。

進(jìn)一步，所述步驟4.3)中，當(dāng)時(shí)，順時(shí)針解纜；當(dāng)時(shí)，逆時(shí)針解纜。

進(jìn)一步，所述步驟4.2)中，當(dāng)采用小風(fēng)解纜策略時(shí)，其過程如下：4.2.1)判斷扭纜角度是否大于小風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，若大于則進(jìn)入下一步；4.2.2)判斷風(fēng)速是否小于設(shè)定風(fēng)速，若不小于設(shè)定風(fēng)速則返回步驟4.2.1)，同時(shí)進(jìn)行大風(fēng)解纜策略；若小于設(shè)定風(fēng)速則進(jìn)入步驟4.3)。

進(jìn)一步，所述步驟4.2)中，當(dāng)采用大風(fēng)解纜策略時(shí)，其過程如下：判斷扭纜角度是否大于大風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，若大于則進(jìn)入步驟4.3)；若不大于則進(jìn)行小風(fēng)解纜策略。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明對(duì)目前機(jī)組普遍采用自動(dòng)對(duì)風(fēng)偏航策略進(jìn)行優(yōu)化，分為大風(fēng)偏航和小風(fēng)偏航兩種策略，同時(shí)優(yōu)化大風(fēng)偏航和小風(fēng)偏航的對(duì)風(fēng)誤差選擇策略，使得機(jī)組大風(fēng)期間偏航誤差盡可能小。2、本發(fā)明在自動(dòng)對(duì)風(fēng)策略基礎(chǔ)上，充分利用電纜的耐扭特性，對(duì)偏航解纜策略進(jìn)行類似的優(yōu)化，讓機(jī)組在小風(fēng)期間多偏航，大風(fēng)期間少偏航多發(fā)電，減少機(jī)組大風(fēng)期間由于解纜而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。綜上所述，本發(fā)明應(yīng)用廣泛、實(shí)用性較強(qiáng)、可以廣泛應(yīng)用于風(fēng)電行業(yè)中。

附圖說明

圖1為對(duì)風(fēng)誤差示意圖；

圖2為功率損耗和對(duì)風(fēng)誤差關(guān)系圖；

圖3a是本發(fā)明的對(duì)風(fēng)誤差策略優(yōu)化流程示意圖；

圖3b是本發(fā)明的解纜策略優(yōu)化流程示意圖；

圖4為扭纜角度示意圖。

具體實(shí)施方式

由于機(jī)組的功率和風(fēng)速為3次方關(guān)系，即

其中，p為風(fēng)輪捕獲的功率，ρ為空氣密度，a為風(fēng)輪掃掠面積，vp為風(fēng)輪實(shí)際接收的風(fēng)速。當(dāng)機(jī)艙位置和風(fēng)向之間存在偏差，機(jī)艙位置和風(fēng)向的夾角稱為對(duì)風(fēng)誤差ξ：

ξ＝θm-θn(2)

其中，θm為風(fēng)向，θn為機(jī)艙位置，ξ為對(duì)風(fēng)誤差，如圖1所示。

由于該夾角的存在將發(fā)生發(fā)電量損失，這時(shí)風(fēng)輪實(shí)際接收風(fēng)速vp和風(fēng)輪風(fēng)速v關(guān)系如下：

vp＝vcosξ(3)

因此，風(fēng)輪實(shí)際功率p為：

根據(jù)上述公式可知，當(dāng)對(duì)風(fēng)誤差ξ達(dá)到10°時(shí)，機(jī)組功率將損失約5％，功率損耗和對(duì)風(fēng)誤差關(guān)系如圖2所示。因此，偏航動(dòng)作頻次和功率最大化是對(duì)矛盾。偏航頻次高，對(duì)風(fēng)向的隨機(jī)變化跟的緊，將減小對(duì)風(fēng)誤差，提高風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力，但是偏航本身就是一個(gè)耗電機(jī)構(gòu)，偏航頻次高也將增加偏航等機(jī)械部件的磨損；偏航頻次低，對(duì)風(fēng)向變化不敏感，增大了對(duì)風(fēng)誤差，使風(fēng)輪捕獲風(fēng)能的能力下降，好處是減少偏航耗電和減少偏航磨損。因此，本發(fā)明提供了一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)情況下的偏航優(yōu)化方法，以使機(jī)組大風(fēng)期間偏航誤差盡可能小，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)情況下的偏航優(yōu)化方法包括以下步驟：

1)如圖3a所示，采用自動(dòng)對(duì)風(fēng)策略，將風(fēng)速分為大風(fēng)偏航風(fēng)速和小風(fēng)偏航風(fēng)速兩級(jí)：當(dāng)風(fēng)速大于設(shè)定風(fēng)速v＞v0時(shí)，為大風(fēng)偏航風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速v＜v0時(shí)，為小風(fēng)偏航風(fēng)速；其中，v為輪轂風(fēng)速、v0為預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速值。

2)對(duì)于大風(fēng)偏航風(fēng)速，采用大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ2|；對(duì)于小風(fēng)偏航風(fēng)速，采用小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ1|；其中，|ξ1|＞|ξ2|；ξ為對(duì)風(fēng)誤差，|ξ1|為小風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，|ξ2|為大風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，絕對(duì)值||符號(hào)表示此處不區(qū)分順時(shí)針或逆時(shí)針對(duì)風(fēng)誤差。

3)當(dāng)對(duì)風(fēng)誤差ξ滿足啟動(dòng)偏航條件后，執(zhí)行偏航跟蹤風(fēng)向進(jìn)行對(duì)風(fēng)，這時(shí)根據(jù)對(duì)風(fēng)誤差ξ來決定對(duì)風(fēng)偏航方向：當(dāng)ξ＞0時(shí)，順時(shí)針偏航(cw)；當(dāng)ξ＜0時(shí)，逆時(shí)針偏航(ccw)。

4)當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的塔筒是固定不動(dòng)的，當(dāng)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)達(dá)到預(yù)設(shè)角度時(shí)，則引起塔筒內(nèi)的電纜扭纜，此時(shí)需進(jìn)行解纜優(yōu)化。

5)如圖3b所示，解纜優(yōu)化利用電纜的耐扭特性(如圖4所示)，使機(jī)組在小風(fēng)期間多偏航，大風(fēng)期間少偏航多發(fā)電，以減少機(jī)組大風(fēng)期間由于解纜而導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。具體過程如下：

5.1)將風(fēng)速分為大風(fēng)解纜風(fēng)速和小風(fēng)解纜風(fēng)速兩級(jí)：當(dāng)風(fēng)速大于設(shè)定風(fēng)速v＞v0時(shí)，為大風(fēng)解纜風(fēng)速；當(dāng)風(fēng)速小于設(shè)定風(fēng)速v＜v0時(shí)，為小風(fēng)解纜風(fēng)速；

5.2)對(duì)小風(fēng)解纜風(fēng)速采用小風(fēng)解纜策略對(duì)大風(fēng)解纜風(fēng)速采用大風(fēng)解纜策略其中，為扭纜角度，為小風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，為大風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，絕對(duì)值||符號(hào)表示不區(qū)分順時(shí)針或逆時(shí)針扭纜角度。

5.3)當(dāng)扭纜角度滿足解纜條件后，執(zhí)行偏航解纜跟蹤將塔筒內(nèi)扭纜的電纜順直，這時(shí)根據(jù)扭纜角度來決定解纜方向：當(dāng)時(shí)，順時(shí)針解纜；當(dāng)時(shí)，逆時(shí)針解纜。

上述步驟2)中，當(dāng)采用小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ1|時(shí)，其過程如下：

2.1)判斷對(duì)風(fēng)誤差是否大于小風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，若大于則進(jìn)入下一步；

2.2)判斷風(fēng)速是否小于設(shè)定風(fēng)速，若不小于設(shè)定風(fēng)速則返回步驟2.1)，同時(shí)進(jìn)行大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略；若小于設(shè)定風(fēng)速則進(jìn)入步驟3)。

上述步驟2)中，當(dāng)采用大風(fēng)對(duì)風(fēng)策略|ξ|＞|ξ2|時(shí)，其過程如下：判斷對(duì)風(fēng)誤差是否大于大風(fēng)對(duì)風(fēng)時(shí)的最大對(duì)風(fēng)誤差，若大于則進(jìn)入步驟3)；若不大于則進(jìn)行小風(fēng)對(duì)風(fēng)策略。

上述步驟5.2)中，當(dāng)采用小風(fēng)解纜策略時(shí)，其過程如下：

5.2.1)判斷扭纜角度是否大于小風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，若大于則進(jìn)入下一步；

5.2.2)判斷風(fēng)速是否小于設(shè)定風(fēng)速，若不小于設(shè)定風(fēng)速則返回步驟5.2.1)，同時(shí)進(jìn)行大風(fēng)解纜策略；若小于設(shè)定風(fēng)速則進(jìn)入步驟5.3)。

上述步驟5.2)中，當(dāng)采用大風(fēng)解纜策略時(shí)，其過程如下：判斷扭纜角度是否大于大風(fēng)解纜時(shí)的最大扭纜角度，若大于則進(jìn)入步驟5.3)；若不大于則進(jìn)行小風(fēng)解纜策略。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。