用于优化风电场操作的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开的实施例大体涉及风力涡轮，并且更具体地涉及用于优化风电场操作的方 法和系统。
【背景技术】
[0002] 可再生能源越来越多地用作石化燃料的较洁净且有成本效益的备选方案，来用于 供应全球能量需求。风能尤其由于丰富、可再生、广泛分布、且清洁而已呈现为最受欢迎的 能源之一。通常，风能可由风力涡轮利用，该风力涡轮设计为响应于大范围的风速而产生电 能。这些风力涡轮典型地定位在横跨特定地理区域分布的风电场中，使得在该区域上方经 过的风导致与风力涡轮相关的叶片旋转。旋转叶片中的各个又导致相关发电机的转子转 动，这有助于生成电能。
[0003] 传统上，风电场以分散的方式被控制来生成功率，使得操作各涡轮来使局部功率 输出最大化，并且使局部故障和极限负载的影响最小化。但是，实际上，风力涡轮的这种独 立优化忽略场水平性能目标，因而导致在风电场水平上的次优性能。例如，风力涡轮的独立 优化可能不解决空气动力互相作用，例如风电场内的相邻涡轮之间的尾流效应，其可影响 场水平功率输出。
[0004] 典型地，尾流效应包括风速降低和由上游风力涡轮的常规操作引起的下游风力涡 轮处的增大的风湍流。降低的风速导致下游风力涡轮的功率输出上的成比例降低。而且， 增大的湍流增大放置于下游风力涡轮上的疲劳负载。若干研究已经报告了因风电场内的相 邻独立优化的风力涡轮之间的尾流效应导致的风电场年发电量（AEP)的多于10%的损失。
[0005] 由此，一些目前可获得的方法试图通过风电场中的风力涡轮的协同控制来缓解尾 流效应的影响，从而在风电场水平上优化功率生成。典型地，缓解尾流效应涉及对风电场中 的不同风力涡轮处经受的尾流效应精确地建模。例如，可使用经验或半经验基于推力的、和 /或高保真基于物理的模型来对风电场中的空气动力互相作用的风力涡轮之间的尾流效应 进行建模。
[0006] 通常，经验或半经验模型（工程尾流模型）基于现场实验数据和/或历史风信息 而生成。由此，这些模型可用来设计风电场的布局，以便在风力涡轮的安装之前优化一个或 更多个性能目标。备选地，这些模型可用来在安装之后优化风电场的性能。
[0007] 例如，一种优化方法采用工程尾流模型来确定用于风力涡轮的控制设置。具体而 言，工程尾流模型确定控制设置，以便以较低的效率操作上游涡轮，这又允许下游涡轮处的 更多的能量回收。另一方法使用工程尾流模型，以用于相对到来的风向调整上游涡轮的偏 航对准，来远离下游涡轮地操纵所得的尾流效应。
[0008] 但是，常规工程模型不解决主要的风流入和其他环境条件，例如大气边界层稳定 性和纵向湍流强度。由于风电场上方的环境条件倾向于频繁地改变，因而使用工程尾流模 型估算的尾流模型对于实时执行期间的使用而言可能是不精确的。尾流条件的不精确建模 又可导致用于风电场中的风力涡轮的错误控制设置的使用。因而，使用工程尾流模型的常 规优化方法通常仅提供场水平性能输出方面的边际改善。
[0009] 由此，例如，已开发基于计算流体力学建模的高保真尾流模型，来提供在建模尾流 互相作用方面的更高精度。该高保真模型需要多种参数的测量和分析，这需要额外的仪表、 复杂的计算、和相关的成本。因而，与高保真模型相关的成本和复杂性，可使得这些模型在 风电场中的每个涡轮中，和/或用于风电场操作的实时优化的更广泛的使用是不可能的。
【发明内容】
[0010] 根据本公开的一方面，提出了用于优化风电场的操作的方法。该方法包括接收新 值，该新值与用于风电场中的风力涡轮的至少一些尾流参数对应。该方法还包括基于新值 从风力涡轮识别互相作用的风力涡轮的新组。此外，该方法包括：基于新值和历史尾流模型 为互相作用的风力涡轮的新组开发场水平预测尾流模型，该历史尾流模型是使用与风电场 中的互相作用的风力涡轮的参考组对应的尾流参数的历史值而确定的。而且，该方法包括 基于场水平预测尾流模型调整至少用于互相作用的风力涡轮的新组的一个或更多个控制 设置。
[0011] 根据本公开的又一方面，公开了用于操作风电场的另一方法。该方法包括：基于尾 流参数的选定组合的历史值，为风电场中的互相作用的风力涡轮的不同组组装历史尾流模 型，该尾流参数与互相作用的风力涡轮的组对应。而且，该方法还包括：基于历史尾流模型， 对于尾流参数的选定组合中的各个，确定用于互相作用的风力涡轮的组中的各风力涡轮的 最优控制设置。此外，该方法包括储存作为尾流参数的选定组合的函数的用于各风力涡轮 的最优控制设置。该方法还包括在获得历史值之后，接收在随后的一段时间中获得的尾流 参数的新值。而且，该方法包括，使用新值和储存的控制设置，为风力涡轮的新组中的各个 中的风力涡轮确定控制设置。
[0012] 根据本公开的又一方面，显示了用于优化风电场的操作的系统。该系统包括：多个 风力涡轮；一个或更多个监控装置，其构造为测量用于多个风力涡轮中的一个或更多个的 多个尾流参数的值；和场控制子系统，其操作地至少联接至监控装置。场控制子系统被编程 为，接收与用于风电场中的多个风力涡轮的至少一些尾流参数对应的新值。场控制子系统 还被编程为，基于该新值从多个风力涡轮识别出互相作用的风力涡轮的新组。而且，场控制 子系统被编程为：基于新值和历史尾流模型为互相作用的风力涡轮的新组开发场水平预测 尾流模型，该历史尾流模型是使用与风电场中的互相作用的风力涡轮的参考组对应的尾流 参数的历史值确定的。此外，场控制子系统被编程为，基于场水平预测尾流模型调整至少用 于互相作用的风力涡轮的新组的一个或更多个控制设置。
[0013] 技术方案1 :一种用于优化风电场的操作的方法，包括： 接收与用于所述风电场中的风力涡轮的至少一些尾流参数对应的新值； 基于所述新值，从所述风力涡轮识别互相作用的风力涡轮的新组； 基于所述新值和历史尾流模型，为所述互相作用的风力涡轮的新组开发场水平预测尾 流模型，所述历史尾流模型是使用与所述风电场中的互相作用的风力涡轮的参考组对应的 尾流参数的历史值而确定的；和 基于所述场水平预测尾流模型来调整至少用于所述互相作用的风力涡轮的新组的一 个或更多个控制设置。
[0014] 技术方案2:根据技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括： 在接收所述新值之前，接收与所述风力涡轮对应的所述尾流参数的所述历史值； 基于所述历史值，从所述风力涡轮识别所述互相作用的风力涡轮的所述参考组；和 基于与所述互相作用的风力涡轮的参考组对应的所述历史值，确定用于所述互相作用 的风力涡轮的参考组的一个或更多个历史尾流模型。
[0015] 技术方案3:根据技术方案2所述的方法，其特征在于，确定所述历史尾流模型包 括使用基于回归的模型来拟合与所述互相作用的风力涡轮的参考组中的各个对应的历史 值。
[0016] 技术方案4:根据技术方案2所述的方法，其特征在于，确定所述历史尾流模型包 括使用基于回归的模型来计算作为上游风力涡轮处的风向、上游和下游风力涡轮的相对位 置、以及与所述上游风力涡轮对应的所述一个或更多个控制设置的函数的下游风速与上游 风速的比率。
[0017] 技术方案5 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，识别所述互相作用的风力 涡轮的新组包括至少使用所述新值的子组和所述风电场的几何布局。
[0018] 技术方案6 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述接收、所述识别、所述 开发和所述调整在一个或更多个指定时间间隔下执行。
[0019] 技术方案7 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，还包括： 持续地监控用于所述风力涡轮的所述尾流参数；和 当所述尾流参数中的一个或更多个的监控值中的改变在对应阈值之外时，重复所述接 收、所述识别、所述开发、和所述调整。
[0020] 技术方案8 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，为所述尾流参数的不同组 合确定不同的历史尾流模型。
[0021] 技术方案9 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述尾流参数包括风向、上 游风力涡轮处的风速、下游风力涡轮处的风速、风湍流、风切变、风变向、环境温度、压力、湿 度、或它们的组合。
[0022] 技术方案10 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述尾流参数包括下列中 的至少一者：所述风力涡轮中的各个的末梢速度比、节距角、偏航未对准、和操作状态。
[0023] 技术方案11 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述尾流参数包括所述风 电场的几何布局信息。
[0024] 技术方案12:根据技术方案1所述的方法，其特征在于，调整所述控制设置包括顺 序地确定用于所述互相作用的风力涡轮的新组中的各个中的后面跟着上游风力涡轮的下 游风力涡轮的控制设置，来实现一个或更多个期望的性能目标。
[0025] 技术方案13 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，调整所述控制设置包括顺 序地确定用于处于稀疏树结构的定位在所述风电场中的所述互相作用的风力涡轮的新组 中的各个的控制设置，使得在所述稀疏树结构中的各位置水平处，所述稀疏树结构中的该 位置水平和前面的位置水平处的风力涡轮的组合功率输出最大化。
[0026] 技术方案14:根据技术方案13所述的方法，其特征在于，还包括：如果为所述风力 涡轮的子组确定的控制设置导致如下性能参数，该性能参数落在为所述风力涡轮的所述子 组处期望的风速指定的容许限制之外，那么重新调整用于所述风力涡轮的所述子组的所述 控制设置，其中，重新调整所述控制设置包括以自上而下的方式顺序地确定用于风力涡轮 的所述子组中的各个的所述控制设置。
[0027] 技术方案15 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，实现期望的性能目标包 括：将所述互相作用的风力涡轮的新组中的风力涡轮上的疲劳负载降低为低于第一阈值， 将所述风电场的年发电量增加到高于第二阈值，或它们的组合。
[0028] 技术方案16 :根据技术方案1所述的方法，其特征在于，风力涡轮的互相作用的组 中的各个包括一对风力涡轮。
[0029] 技术方案17 :-种用于操作风电场的方法，包括： 基于尾流参数的选定组合的历史值，为所述风电场中的互相作用的风力涡轮的不同组 组装历史尾流模型，所述尾流参数与所述互相作用的风力涡轮的组对应； 基于所述历史尾流模型，对于尾流参数的所述选定组合中的各个，确定用于所述互相 作用的风力涡轮的组中的各风力涡轮的最优控制设置； 储存作为尾流参数的所述选定组合的函数的用于各风力涡轮的所述最优控制设置； 在获得历史值之后，接收在随后的一段时间之中获得的所述尾流参数的新值；和 使用所述新值和储存的控制设置，为所述风力涡轮的新组中的各个中的风力涡轮确定 所述控制设置。
[0030] 技术方案18 :-种用于优化风电场的操作的系统，包括： 多个风力涡轮； 一个或更多个监控装置，其构造为测量用于所述多个风力涡轮中的一个或更多个的多 个尾流参数的值；和 场控制子系统，其至少操作地联接至所述监控装置，并且编程为： 接收与用于在所述风电场中的风力涡轮的至少一些尾流参数对应的新值； 基于所述新值，从所述多个风力涡轮识别互相作用的风力涡轮的新