一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及風力發電機組性能評估與功率特性測試技術領域，尤其是一種風電機 組機艙傳遞函數分區擬合方法。
【背景技術】
[0002] 機組實際功率曲線是對風力發電機組進行性能評估與優化時的重要工具和手段。 通過分析機組實際功率曲線并與理論曲線相比較，可以得到機組在各風速段實發功率與理 想功率的差別情況，從而指導機組的性能評估與優化。目前繪制機組功率曲線時采用的風 速主要為機組風速計的實測風速，因風速計安裝在被測風力發電機組機艙上或附近，風速 計在這個位置上測得的風速被稱為"機艙風速"。由于機艙風速受到風輪和機艙的嚴重影 響，并不能準確反應輪轂處的實際來流風速。因此采用機艙風速對機組性能進行評估并不 客觀。為獲得葉輪掃風面前方的自由流風速，需要首先對機艙風速進行修正。
[0003]目前對于機艙風速的修正，許多風電研宄者基于風輪空氣動力學理論，利用某些 機組運行數據通過理論計算修正機艙風速，但在實際中存在計算偏差較大，不易應用等問 題，其主要原因如下：
[0004] (1)如圖1的流管模型，其中設通過風輪的氣流其上游截面積為A1，下游截面積為 A2,風輪截面積為A，VI、V2、V分別為上述三個位置對應的風速，計算中需要采用機艙風速， 風速計的測量精度往往對計算影響較大，如果風速計測量誤差較大則修正風速必然存在偏 差；
[0005] (2)流管模型修正計算中一般將機艙風速等同于V2,由于機艙風速計距離風輪較 近，受節流效應的影響，氣流的經過風輪的能量損失還未完全體現出來，其值并不等于V2 ; 而且機艙風速計處于風輪后的擾流區，受風輪尾流旋轉和機艙類型等因素的影響嚴重，該 區域的平面內風速情況較為復雜，風速計測量的是點風速而不是平面的平均風速V2 ;
[0006] (3)計算中不使用機艙風速的計算方法，雖然規避了以上問題，但很多需要使用風 能利用系數Cp，而Cp的計算往往采用一些經驗公式或機組廠家提供的Cp數據表，前者由于 機型不同而不具一般性，后者則是機組設計值，由此推算出來的風速無法評估機組實際發 電性能；
[0007] (4)還有一些研宄者利用所建風電場風速時空模型進行實際風速計算，不僅需要 風電場各機組和測風塔所處的詳細地理條件，而且計算模型參數過多，由于機型的差別和 風電場的地理環境的復雜性，這些參數不易確定和獲得，模型參數的不準確勢必會帶來較 大計算偏差；
[0008] (5)這些計算中的理論模型均有理想化假設，實際情況的多樣性往往與假設條件 不符，造成了計算的偏差。
[0009]《基于機艙風速計的風力發電機組功率特性測試》（IEC61400-12-2 :2013)中給出 了這種確定和應用合適的修正來解決上述問題的具體方法。該標準指出："風速由裝在機艙 頂部或前部的風速計測量，這個位置與風力發電機組風輪中心相對較近，所以周圍地形和 障礙物對風在理想測量位置和實際測量位置之間的畸變影響較小。然而，風輪和機艙使風 嚴重畸變，因此需要量化這種畸變并在測試中予以考慮。該方法通過機艙傳遞函數（NTF) 描述了這一畸變，NTF由該文件附錄D所述的試驗方法確定。一旦獲得傳遞函數，用機艙 風速計建立機艙功率曲線（NPC)的方法與《風力發電機組功率特性測試》IEC61400-12-1 : 2005的方法相同。"這種方法可概括為利用測風塔測風數據與機艙風速的相關性進行傳遞 函數擬合，然后通過傳遞函數進行機艙風速修正。其修正時不需復雜的理想化數學模型及 機組性能參數，同時規避了機艙風速測量精度等實際測量因素的影響，具有簡單易用，準確 性較高的優點。由于國家能源局已發布《風電功率預測系統功能規范》，這便于獲取擬合時 所需測風塔數據，非常適合該方法的大量應用。
[0010] 應用該方法繪制的傳遞函數曲線有多段折線構成，每段直線為每兩個風速區間的 線性差值，為了使傳遞函數與實測數據間總體誤差較小，風速區間劃分時間隔較小（一般 取0. 5米/秒），這樣總的區間數較多。在實際應用該傳遞函數進行修正時，需要對數據進 行分區間處理和計算，由于分區太多，數學模型形式復雜而導致計算繁瑣，實用性較差。因 此，目前一種簡化的線性擬合方法被廣為采用，即將整個工作風速范圍作為一個區間進行 線性擬合，從而得到傳遞函數來進行風速修正。此簡化方法計算過程簡單，容易實現，可以 應用在一些對風速修正精確度要求不高的場合。但由于采用一階線性擬合又沒有分區，難 免帶來一定的擬合誤差，這對于繪制精確度要求較高或要進行機組性能評價和優化功率曲 線而言，該方法則不適用。
【發明內容】
[0011] 本發明要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種基于測風塔測風數 據的風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，該傳遞函數可對機艙風速進行修正，獲得風力 發電機組風輪中心位置的自由流風速，能更加客觀反映機組性能的功率曲線。并且在保證 獲得較高準確度的前提下解決了IEC61400-12-2:2013標準方法確定的傳遞函數（NTF)由 于風速分區太多導致計算相對繁雜、實用性較差的問題。
[0012] 本發明提出一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，該方法包括：
[0013]Sl:確定目標機組，采集測風塔和目標機組在相同時間的運行數據；
[0014]S2:確定目標機組的輪轂高度H計算測風塔在該高度H處的平均風速數據；
[0015]S3:利用IEC標準以及以步驟S2中所計算的平均風速數據為依據，剔除步驟Sl中 的非正常運行數據；
[0016]S4:計算目標機組機艙的傳遞函數，并修正所述的傳遞函數；
[0017] 優選的，在步驟S4中，包括：
[0018]S4-1:以額定風速值為界限分低風速區和高風速區分別擬合；
[0019]S4-2:分別計算低風速區和高風速區的擬合函數階次。
【主權項】
1. 一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，該方法包括： 51 ;確定目標機組，采集測風塔和目標機組在相同時間的運行數據； 52 ;確定目標機組的輪穀高度H計算測風塔在該高度H處的平均風速數據； 53 ;利用IEC標準化及W步驟S2中所計算的平均風速數據為依據，剔除步驟S1中的非 正常運行數據； 54 ;計算目標機組機艙的傳遞函數，并修正所述的傳遞函數； 其特征在于，在步驟S4中，包括： S4-1 額定風速值為界限分低風速區和高風速區分別擬合； S4-2 ;分別計算低風速區和高風速區的擬合函數階次。
2. 根據權利要求1所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其特征在于，在 步驟S2中利用風剪切方法計算，即
優選的，
其中，a為風剪切系數；Vg為測風塔在輪穀高度H處的平均風速；化為高度Z處的平 均風速；Vzl為高度測風塔zl高度通道風速，Vz2為高度測風塔z2高度通道風速。
3. 根據權利要求1所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其特征在于，所 述計算目標機組機艙的傳遞函數通過高階多項式得到，即 y= 3。又〇+…+aiX+a〇(n> 1); 優選的，多項式的系數a。~a。采用最小二乘法計算得到，即
其中，m為有效數據點（xi，^)的總數，（xi，yi)為經過剔除后相同時間機艙風速xi、 及測風塔風速yi構成的有效數據點；n為多項式階數。
4. 根據權利要求3所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其特征在于，所 述的多項式階數n的取值通過計算各階次傳遞函數的擬合優度巧2。）和IEC標準中的傳遞 函數的擬合優度（R2)進行比較得到，在滿足準確度要求的前提下n值應盡量小；即n的取 值為R2">R2的最小值的階次。
5. 根據權利要求1至4任意一項所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其 特征在于，所述修正傳遞函數通過計算低風速區和高風速區的擬合函數階數，得到的傳遞 函數公式為：
;其中，X為機艙風速，Y為測風塔在輪穀高度H 處的風速，j、k分別為低風速區和高風速區擬合函數階數，Vin為切入風速，Vout為切出風 速，Ve為額定風速。
6. 根據權利要求1所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其特征在于，所 述非正常運行數據包括目標機組和測風塔共同無效扇區數據、目標機組發電機并網轉速W 下的數據W及目標機組限功率數據。
7. 根據權利要求1所述的一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，其特征在于，所 述的運行數據至少包括風速、有功功率、發電機轉速。
【專利摘要】本發明公開了一種風電機組機艙傳遞函數分區擬合方法，包括：S1：確定目標機組，采集測風塔和目標機組在相同時間的運行數據；S2：確定目標機組的輪轂高度H計算測風塔在該高度H處的平均風速數據；S3：利用IEC標準以及以步驟S2中所計算的平均風速數據為依據，剔除步驟S1中的非正常運行數據；S4：計算目標機組機艙的傳遞函數，并修正所述的傳遞函數；在步驟S4中，包括：S4-1：以額定風速值為界限分低風速區和高風速區分別擬合；S4-2：分別計算低風速區和高風速區的擬合函數階次。通過對機艙風速進行修正，獲得風力發電機組風輪中心位置的自由流風速，能更加客觀反映機組性能的功率曲線。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104794347
【申請號】CN201510194944
【發明人】張磊, 辛克鋒, 李清義
【申請人】中國大唐集團新能源股份有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月22日