一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法技术

本发明专利技术公开了一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，包括：S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；在步骤S4中，包括：S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。通过对机舱风速进行修正，获得风力发电机组风轮中心位置的自由流风速，能更加客观反映机组性能的功率曲线。

【技术实现步骤摘要】
一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法
本专利技术涉及风力发电机组性能评估与功率特性测试
，尤其是一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法。
技术介绍
机组实际功率曲线是对风力发电机组进行性能评估与优化时的重要工具和手段。通过分析机组实际功率曲线并与理论曲线相比较，可以得到机组在各风速段实发功率与理想功率的差别情况，从而指导机组的性能评估与优化。目前绘制机组功率曲线时采用的风速主要为机组风速计的实测风速，因风速计安装在被测风力发电机组机舱上或附近，风速计在这个位置上测得的风速被称为“机舱风速”。由于机舱风速受到风轮和机舱的严重影响，并不能准确反应轮毂处的实际来流风速。因此采用机舱风速对机组性能进行评估并不客观。为获得叶轮扫风面前方的自由流风速,需要首先对机舱风速进行修正。目前对于机舱风速的修正，许多风电研究者基于风轮空气动力学理论，利用某些机组运行数据通过理论计算修正机舱风速，但在实际中存在计算偏差较大，不易应用等问题，其主要原因如下：(1)如图1的流管模型，其中设通过风轮的气流其上游截面积为A1，下游截面积为A2，风轮截面积为A,V1、V2、V分别为上述三个位置对应的风速，计算中需要采用机舱风速，风速计的测量精度往往对计算影响较大，如果风速计测量误差较大则修正风速必然存在偏差；(2)流管模型修正计算中一般将机舱风速等同于V2，由于机舱风速计距离风轮较近，受节流效应的影响，气流的经过风轮的能量损失还未完全体现出来，其值并不等于V2；而且机舱风速计处于风轮后的扰流区，受风轮尾流旋转和机舱类型等因素的影响严重，该区域的平面内风速情况较为复杂，风速计测量的是点风速而不是平面的平均风速V2；(3)计算中不使用机舱风速的计算方法，虽然规避了以上问题，但很多需要使用风能利用系数Cp，而Cp的计算往往采用一些经验公式或机组厂家提供的Cp数据表，前者由于机型不同而不具一般性，后者则是机组设计值，由此推算出来的风速无法评估机组实际发电性能；(4)还有一些研究者利用所建风电场风速时空模型进行实际风速计算，不仅需要风电场各机组和测风塔所处的详细地理条件，而且计算模型参数过多，由于机型的差别和风电场的地理环境的复杂性，这些参数不易确定和获得，模型参数的不准确势必会带来较大计算偏差；(5)这些计算中的理论模型均有理想化假设，实际情况的多样性往往与假设条件不符，造成了计算的偏差。《基于机舱风速计的风力发电机组功率特性测试》(IEC61400-12-2：2013)中给出了这种确定和应用合适的修正来解决上述问题的具体方法。该标准指出：“风速由装在机舱顶部或前部的风速计测量，这个位置与风力发电机组风轮中心相对较近，所以周围地形和障碍物对风在理想测量位置和实际测量位置之间的畸变影响较小。然而，风轮和机舱使风严重畸变，因此需要量化这种畸变并在测试中予以考虑。该方法通过机舱传递函数(NTF)描述了这一畸变，NTF由该文件附录D所述的试验方法确定。一旦获得传递函数，用机舱风速计建立机舱功率曲线(NPC)的方法与《风力发电机组功率特性测试》IEC61400-12-1：2005的方法相同。”这种方法可概括为利用测风塔测风数据与机舱风速的相关性进行传递函数拟合，然后通过传递函数进行机舱风速修正。其修正时不需复杂的理想化数学模型及机组性能参数，同时规避了机舱风速测量精度等实际测量因素的影响，具有简单易用，准确性较高的优点。由于国家能源局已发布《风电功率预测系统功能规范》，这便于获取拟合时所需测风塔数据，非常适合该方法的大量应用。应用该方法绘制的传递函数曲线有多段折线构成，每段直线为每两个风速区间的线性差值，为了使传递函数与实测数据间总体误差较小，风速区间划分时间隔较小(一般取0.5米/秒)，这样总的区间数较多。在实际应用该传递函数进行修正时，需要对数据进行分区间处理和计算，由于分区太多，数学模型形式复杂而导致计算繁琐，实用性较差。因此，目前一种简化的线性拟合方法被广为采用，即将整个工作风速范围作为一个区间进行线性拟合，从而得到传递函数来进行风速修正。此简化方法计算过程简单，容易实现，可以应用在一些对风速修正精确度要求不高的场合。但由于采用一阶线性拟合又没有分区，难免带来一定的拟合误差，这对于绘制精确度要求较高或要进行机组性能评价和优化功率曲线而言，该方法则不适用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于测风塔测风数据的风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该传递函数可对机舱风速进行修正，获得风力发电机组风轮中心位置的自由流风速，能更加客观反映机组性能的功率曲线。并且在保证获得较高准确度的前提下解决了IEC61400-12-2:2013标准方法确定的传递函数(NTF)由于风速分区太多导致计算相对繁杂、实用性较差的问题。本专利技术提出一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该方法包括：S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；优选的，在步骤S4中，包括：S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。优选的，在步骤S2中利用风剪切方法计算，即优选的，其中，α为风剪切系数；VH为测风塔在轮毂高度H处的平均风速；Vz为高度z处的平均风速；Vz1为高度测风塔z1高度通道风速，Vz2为高度测风塔z2高度通道风速。优选的，所述计算目标机组机舱的传递函数通过高阶多项式得到，即y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)；优选的，多项式的系数a0～an采用最小二乘法计算得到，即其中，m为有效数据点(xi,yi)的总数，(xi,yi)为经过剔除后相同时间机舱风速xi、及测风塔风速yi构成的有效数据点；n为多项式阶数。优选的，所述的多项式阶数n的取值通过计算各阶次传递函数的拟合优度和IEC标准中的传递函数的拟合优度进行比较得到，在满足准确度要求的前提下n值应尽量小；即n的取值为各阶次传递函数的拟合优度大于等于IEC标准中的传递函数的拟合优度的最小值的阶次。优选的，所述传递函数通过计算低风速区和高风速区的拟合函数阶数，得到的传递函数公式为：其中，X为机舱风速，Y为测风塔在轮毂高度H处的风速，j、k分别为低风速区和高风速区拟合函数阶数，Vin为切入风速，Vout为切出风速，Ve为额定风速。优选的，所述非正常运行数据包括目标机组和测风塔共同无效扇区数据、目标机组发电机并网转速以下的数据以及目标机组限功率数据。优选的，所述的运行数据至少包括风速、有功功率、发电机转速。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术着眼于实际需求，针对风力发电机组性能评估过程中机舱风速不能准确反映风轮前自由流风速的问题，提出了一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，应用该方法拟合的分区NTF可用以绘制客观反映机组发电能力的功率曲线，为性能评估和优化提供指导，具有很强的实用价值。2)本专利技术根据IEC标准基于测风塔测风数据进行机舱传递函数分区拟合，在保证获得较高准确度的前提下解本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该方法包括：S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；其特征在于，在步骤S4中，包括：S4‑1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；S4‑2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，该方法包括：S1：确定目标机组，采集测风塔和目标机组在相同时间的运行数据；S2：确定目标机组的轮毂高度H计算测风塔在该高度H处的平均风速数据；S3：利用IEC标准以及以步骤S2中所计算的平均风速数据为依据，剔除步骤S1中的非正常运行数据；S4：计算目标机组机舱的传递函数，并修正所述的传递函数；其特征在于，在步骤S4中，包括：S4-1：以额定风速值为界限分低风速区和高风速区分别拟合；S4-2：分别计算低风速区和高风速区的拟合函数阶次。2.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，在步骤S2中利用风剪切方法计算，即优选的，其中，α为风剪切系数；VH为测风塔在轮毂高度H处的平均风速；Vz为高度z处的平均风速；Vz1为高度测风塔z1高度通道风速，Vz2为高度测风塔z2高度通道风速。3.根据权利要求1所述的一种风电机组机舱传递函数分区拟合方法，其特征在于，所述计算目标机组机舱的传递函数通过高阶多项式得到，即y＝anxn+···+a1x+a0(n≥1)；优选的，多项式的系数a0～an采用最小二乘法计算得到，即

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，辛克锋，李清义，
申请(专利权)人：中国大唐集团新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11