一種基于風(fēng)速影響的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)速風(fēng)向儀，特別是一種風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，目標(biāo)是在保持風(fēng)機(jī)承受較低機(jī)械載荷的同時(shí)盡可能多的發(fā)電。要成功實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，關(guān)鍵是要讓風(fēng)機(jī)葉輪精確的對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。
[0003]如圖1-2所示，根據(jù)風(fēng)機(jī)動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)風(fēng)速恒定且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率與風(fēng)向偏差角度Θ的余弦的三次方成正比。設(shè)風(fēng)向無(wú)偏差時(shí)，風(fēng)機(jī)葉輪獲得的功率為Powerl;當(dāng)風(fēng)速不變而風(fēng)向偏差角度為Θ時(shí)，風(fēng)機(jī)葉輪獲得的功率為power2，則二者滿(mǎn)足如下公式:
[0004]Power2 = Powerl X cos30
[0005]因此，當(dāng)風(fēng)向偏差角度Θ為15度時(shí)，會(huì)帶來(lái)約10%的發(fā)電量損失。另外，葉輪的偏離會(huì)導(dǎo)致在葉輪乃至整個(gè)風(fēng)機(jī)的機(jī)械載荷不平衡。這類(lèi)載荷相比其他載荷會(huì)大得多，如果能降低，就能延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)使用壽命，或者讓現(xiàn)有風(fēng)機(jī)帶動(dòng)更大的葉輪。
[0006]目前，在大多數(shù)風(fēng)機(jī)上，風(fēng)向偏差角度由安裝在機(jī)艙上方的風(fēng)速風(fēng)向儀決定。但在風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)工程中，風(fēng)速風(fēng)向儀所測(cè)量的風(fēng)向偏差角度與葉輪處的實(shí)際風(fēng)向偏差角度之間存在誤差。
[0007]如圖3所示，因?yàn)轱L(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)量的是風(fēng)機(jī)機(jī)艙尾部的風(fēng)向偏差角度02，而風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)需要的是風(fēng)機(jī)葉輪處的實(shí)際風(fēng)向偏差角度，即兩者間的角度測(cè)量誤差表示為:
[0008]δθ = θ2-θ!
[0009]導(dǎo)致風(fēng)向偏差的因素有很多，其中，不同的風(fēng)速就是影響風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差的主要因素之一。
[0010]目前，主控系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向風(fēng)速儀測(cè)量的風(fēng)向偏差角度Θ2控制風(fēng)機(jī)機(jī)艙對(duì)風(fēng)(偏航控制)，而實(shí)際需要被修正的風(fēng)向偏差角度是9:。即對(duì)角度測(cè)量誤差δθ的測(cè)量與補(bǔ)償可以提高風(fēng)機(jī)葉輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向的精度(如圖4所示)。
[0011]關(guān)于不同的風(fēng)速對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差的影響研究，目前還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種能夠考慮不同風(fēng)速影響，并能提高風(fēng)機(jī)葉輪對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向精度的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種基于風(fēng)速影響的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法，包括學(xué)習(xí)周期和運(yùn)行周期兩部分，具體包括以下步驟:
[0014]Α、通過(guò)學(xué)習(xí)周期獲得角度測(cè)量誤差函數(shù)
[0015]Al、數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0016]在學(xué)習(xí)周期內(nèi)，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀所采集到的數(shù)據(jù)按照風(fēng)速段進(jìn)行分類(lèi)，在不同的風(fēng)速段V1統(tǒng)計(jì)風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度與葉輪處獲得的功率之間的分布曲線，并在曲線最高點(diǎn)處獲得風(fēng)速段Vi對(duì)應(yīng)的角度測(cè)量誤差Si，式中，i表示風(fēng)速段的序號(hào)，i = l、2、3、…，m，m代表所分風(fēng)速段總數(shù);所述的數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度和葉輪處功率；
[0017]A2、形成角度測(cè)量誤差函數(shù)
[0018]A21、Sn = l
[0019]A22、采用最小二乘擬合法，對(duì)步驟Al中的各風(fēng)速段V1下的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差&進(jìn)行最小二乘擬合，形成風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差函數(shù):
[0020]5 = f (v) ? ao+ai.v+a2.v2+---+an.vn
[0021]式中，αο、αι、...、αη為常數(shù)，V為實(shí)時(shí)風(fēng)速；
[0022]Α23、如果擬合后的總體相對(duì)誤差優(yōu)于0.01%，則轉(zhuǎn)步驟B;否則令η = η+1，轉(zhuǎn)步驟Α22；
[0023]B、在運(yùn)行周期將角度測(cè)量誤差函數(shù)用于風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償
[0024]B1、風(fēng)速風(fēng)向儀即根據(jù)角度測(cè)量誤差函數(shù)δ = ?.(ν)和此時(shí)的風(fēng)速V對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)測(cè)的風(fēng)向偏差角度θ2進(jìn)行誤差補(bǔ)償，公式如下:
[0025]0i = 02-5 = 02-f (ν)
[0026]Β2、風(fēng)速風(fēng)向儀將補(bǔ)償后的風(fēng)向偏差角度Q1*送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向偏差角度91將風(fēng)機(jī)葉輪正對(duì)風(fēng)向。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028]由于本發(fā)明在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速，將風(fēng)速風(fēng)向儀所測(cè)得的風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，進(jìn)而提高了對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪處風(fēng)向的測(cè)量精度，同時(shí)也提高了風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。如對(duì)河北某風(fēng)場(chǎng)某風(fēng)機(jī)使用本發(fā)明后，獲得其角度測(cè)量誤差曲線的均值在5°左右，進(jìn)而可以將其發(fā)電量提升1.14%。
【附圖說(shuō)明】
[0029]本發(fā)明共有附圖10張，其中:
[0030]圖1是風(fēng)機(jī)機(jī)艙正對(duì)風(fēng)向示意圖。
[0031]圖2是風(fēng)機(jī)機(jī)艙偏航示意圖。
[0032]圖3是實(shí)際風(fēng)速和實(shí)測(cè)風(fēng)速示意圖。
[0033]圖4是角度測(cè)量誤差補(bǔ)償示意圖。
[0034]圖5是風(fēng)向偏差角度與風(fēng)機(jī)葉輪功率的關(guān)系曲線示意圖。
[0035]圖6是數(shù)據(jù)預(yù)處理流程示意圖。
[0036]圖7是實(shí)施例一的角度測(cè)量誤差曲線示意圖。
[0037]圖8是實(shí)施例二的角度測(cè)量誤差曲線示意圖。
[0038]圖9是實(shí)施例二的最小二乘擬合后的角度測(cè)量誤差函數(shù)(曲線)示意圖。
[0039]圖10是本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖重點(diǎn)闡述如何測(cè)量葉輪處的實(shí)際風(fēng)向偏差角度與風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度之間的角度測(cè)量誤差知:
[0041]當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于正常發(fā)電狀態(tài)，且風(fēng)速和機(jī)艙位置保持恒定，若此時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪處無(wú)風(fēng)向偏差，貝lJ風(fēng)機(jī)葉輪處吸收的功率為PowerStandard;若此時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪處的風(fēng)向偏差角度為θι，則風(fēng)機(jī)葉輪處吸收的功率PowerRo tor可以表示為:
[0042]PowerRotor = PowerStandardXcos30i
[0043]則在恒定風(fēng)速下(圖5中以lOm/s為例)，風(fēng)機(jī)葉輪處的風(fēng)向偏差角度Q1與風(fēng)機(jī)葉輪處吸收的功率PowerRotor之間的關(guān)系可以表示為圖5中的實(shí)線曲線，且該曲線會(huì)在風(fēng)向偏差角度θι = 0°時(shí)取得最大值A(chǔ)l。
[0044]與此同時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向儀所測(cè)量到的風(fēng)向偏差角度θ2與風(fēng)機(jī)葉輪處吸收的功率PowerRotor之間的關(guān)系可以表示為圖6中的虛線曲線，因?yàn)轱L(fēng)向偏差角度θ2與實(shí)際風(fēng)向偏差角度Θ!之間存在角度測(cè)量誤差30，所以風(fēng)向偏差角度02與?0￥郎1?於(^之間的函數(shù)關(guān)系為:
[0045]PowerRotor = PowerStandard X cos3( Θ2_δθ)
[0046]即圖5中虛線曲線將在Θ2= δθ處取得最大值Α2，其取得最大值A(chǔ)2時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)向偏差角度θ2即為風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差δθ。(圖5中的曲線表示此風(fēng)機(jī)在lOm/s風(fēng)速時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差為5°)。
[0047]根據(jù)風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使風(fēng)機(jī)尾流等一系列參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差變化。且實(shí)際工況中，風(fēng)速和風(fēng)向偏差角度都是時(shí)刻變化的，為此風(fēng)速風(fēng)向儀將會(huì)以一定頻率統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)向偏差角度、風(fēng)速和功率等數(shù)據(jù)。
[0048]如圖6所示，風(fēng)速風(fēng)向儀將所采集到的數(shù)據(jù)按照風(fēng)速段進(jìn)行分類(lèi)，在不同的風(fēng)速段V1都會(huì)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的角度測(cè)量誤差δ,。
[0049]實(shí)施例一:
[0050]如圖7所示，某風(fēng)機(jī)模型在不同風(fēng)速下，風(fēng)速風(fēng)向儀具有不同的角度測(cè)量誤差，當(dāng)風(fēng)速為4.0m/s時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差為-10° ;當(dāng)風(fēng)速為6.5m/s時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差為0° ;當(dāng)風(fēng)速為9.0m/s時(shí)，風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差為10°。
[0051]按照?qǐng)D10所示流程，對(duì)各風(fēng)速段V1下的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差S1進(jìn)行最小二乘擬合，可以得到角度誤差補(bǔ)償函數(shù)為:
[0052]5 = f (ν) =4ν~36
[0053]此函數(shù)表明，n=l的最小二乘擬合結(jié)果的相對(duì)誤差優(yōu)于0.01%，即該角度測(cè)量誤差函數(shù)為風(fēng)速的一次函數(shù)。若此時(shí)風(fēng)向風(fēng)速儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度為θ2 = 10°，而風(fēng)速為V= 5m/s，貝Ij可以計(jì)算出此時(shí)的角度測(cè)量誤差為5 = f (ν) =4*5-36 = 4°，即此時(shí)風(fēng)機(jī)葉輪處的實(shí)際風(fēng)向偏差角度為Q1 = Q2-S = KT-4° =6°，進(jìn)而風(fēng)速風(fēng)向儀發(fā)給主控系統(tǒng)的風(fēng)向偏差角度為θι = 6°。
[0054]實(shí)施例二:
[0055]將河北某風(fēng)場(chǎng)某臺(tái)風(fēng)機(jī)的所有風(fēng)速段￥,下的角度測(cè)量誤差31進(jìn)行匯總，如圖8所示，按照?qǐng)D10所示流程使用最小二乘法對(duì)其進(jìn)行擬合，進(jìn)而獲得角度測(cè)量誤差函數(shù)為:
[0056]5 = f(v)=0.lv2+l.5v-10
[0057]此函數(shù)表明，在擬合過(guò)程中，當(dāng)η= 2時(shí)，最小二乘擬合結(jié)果的總體相對(duì)誤差優(yōu)于
0.01%，即該角度測(cè)量誤差函數(shù)為風(fēng)速的二次函數(shù)(如圖9所示)。
[0058]風(fēng)速風(fēng)向儀即根據(jù)角度測(cè)量誤差函數(shù)δ= ?.(ν)和此時(shí)葉輪處的風(fēng)速ν對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)測(cè)的風(fēng)向偏差角度02進(jìn)行誤差補(bǔ)償，公式如下:
[0059]0i = 02-5 = 02-f (ν)
[0060]進(jìn)而風(fēng)速風(fēng)向儀會(huì)將補(bǔ)償后的風(fēng)向偏差角度Q1*送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)將風(fēng)機(jī)葉輪正對(duì)風(fēng)向。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于風(fēng)速影響的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法，其特征在于:包括學(xué)習(xí)周期和運(yùn)行周期兩部分，具體包括以下步驟: A、通過(guò)學(xué)習(xí)周期獲得角度測(cè)量誤差函數(shù) Al、數(shù)據(jù)預(yù)處理在學(xué)習(xí)周期內(nèi)，對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀所采集到的數(shù)據(jù)按照風(fēng)速段進(jìn)行分類(lèi)，在不同的風(fēng)速段V1統(tǒng)計(jì)風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度與葉輪處獲得的功率之間的分布曲線，并在曲線最高點(diǎn)處獲得風(fēng)速段￥,對(duì)應(yīng)的角度測(cè)量誤差S1，式中，i表示風(fēng)速段的序號(hào)，i = l、2、3、…，m，m代表所分風(fēng)速段總數(shù);所述的數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)速風(fēng)向儀的實(shí)測(cè)風(fēng)向偏差角度和葉輪處功率；A2、形成角度測(cè)量誤差函數(shù)八21、設(shè)11=1 A22、采用最小二乘擬合法，對(duì)步驟Al中的各風(fēng)速段V1下的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差&進(jìn)行最小二乘擬合，形成風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差函數(shù):.5 = f (v) ? ao+ai.v+a2.v2+---+an.vn式中，αο、αι、...、αη為常數(shù)，V為實(shí)時(shí)風(fēng)速； Α23、如果擬合后的總體相對(duì)誤差優(yōu)于0.01%,則轉(zhuǎn)步驟B ；否則令η = η+1，轉(zhuǎn)步驟Α22 ； B、在運(yùn)行周期將角度測(cè)量誤差函數(shù)用于風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償 B1、風(fēng)速風(fēng)向儀即根據(jù)角度測(cè)量誤差函數(shù)δ = ?.(ν)和此時(shí)的風(fēng)速V對(duì)風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)測(cè)的風(fēng)向偏差角度θ2進(jìn)行誤差補(bǔ)償，公式如下:θι = 02-δ = 02-f (ν) Β2、 風(fēng)速風(fēng)向儀將補(bǔ)償后的風(fēng)向偏差角度Q1*送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向偏差角度θι將風(fēng)機(jī)葉輪正對(duì)風(fēng)向。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于風(fēng)速影響的風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償方法，包括以下步驟：在學(xué)習(xí)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理并通過(guò)最小二乘擬合法形成角度測(cè)量誤差函數(shù)；在運(yùn)行周期將角度測(cè)量誤差函數(shù)用于風(fēng)速風(fēng)向儀的角度測(cè)量誤差補(bǔ)償，風(fēng)速風(fēng)向儀將補(bǔ)償后的風(fēng)向偏差角度θ1發(fā)送給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)向偏差角度θ1將風(fēng)機(jī)葉輪正對(duì)風(fēng)向。由于本發(fā)明在風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)的風(fēng)速，將風(fēng)速風(fēng)向儀所測(cè)得的風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，進(jìn)而提高了對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪處風(fēng)向的測(cè)量精度，同時(shí)也提高了風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。如對(duì)河北某風(fēng)場(chǎng)某風(fēng)機(jī)使用本發(fā)明后，獲得其角度測(cè)量誤差曲線的均值在5°左右，進(jìn)而可以將其發(fā)電量提升1.14％。
【IPC分類(lèi)】F03D7/04
【公開(kāi)號(hào)】CN105569922
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510945720
【發(fā)明人】馬丁·費(fèi)舍爾, 孟繁擘, 矯斌
【申請(qǐng)人】大連尚能科技發(fā)展有限公司
【公開(kāi)日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2015年12月16日