风电机组对风方法、系统、风电机组及存储介质与流程

1.本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风电机组对风方法、系统、风电机组及存储介质。


背景技术：

2.风电机组是将风能转换为机械能，机械能转换为电能的电力设备。风力发电的原理，是利用风力带动风轮叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。
3.在风力发电机实际运行过程中，通常需要根据风向仪测量的风向通过偏航系统进行偏航操作，使得风轮叶面始终保持与来风方向垂直，从而使风轮叶片最大化利用风能。然而受风向标零位安装方位角、风力发电机尾流及机舱与轮毂边界层等的影响，风向仪往往无法准确测量风向，风向仪测量的风向与真实来流风向之间存在偏差，导致风电机组的偏航系统无法准确对风。由于部分风场受到风向变化频繁、风向变化幅度大、风场湍流等问题的影响，风力发电机偏航系统精准对风的难度更大。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种风电机组对风方法、系统、风电机组及存储介质，能够提高偏航系统的对风准确度。
5.为实现上述目的，提供以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种风电机组对风方法，所述风电机组包括偏航平台和风力发电机，所述偏航平台用于调整所述风力发电机的偏航角度，所述风力发电机的塔筒上设置有倾角传感器和加速度传感器，所述风电机组对风方法包括以下步骤：
7.s1、通过倾角传感器检测所述塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测所述塔筒的振动主方向；
8.s2、根据所述塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向；
9.s3、在当前风向下计算出所述偏航平台的目标偏航角度；
10.s4、获取所述偏航平台的当前偏航角度；
11.s5、判断所述偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整所述偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整所述偏航平台的当前偏航角度。
12.进一步地，当风向和风速稳定时，通过所述倾角传感器检测所述塔筒在x轴和y轴上投影的倾斜角度分量，计算出所述塔筒的倾斜角度。
13.进一步地，当风向和风速实时变化时，通过所述加速度传感器检测塔筒在x轴和y轴上投影的加速度分量，根据矢量合成法合成所述塔筒的振动主方向。
14.进一步地，若所述偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度相同或在预设误差范围内，则判断所述偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度一致。
15.第二方面，本发明还提供了一种风电机组对风系统，用于实现如上所述的风电机
组对风方法，所述风电机组对风系统包括检测模块、计算模块和比较模块。检测模块包括倾角传感器和加速度传感器，倾角传感器用于检测塔筒的倾斜角度，加速度传感器用于检测所述塔筒的振动主方向；计算模块用于根据所述塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向，并在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度；比较模块用于判断所述偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整所述偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整所述偏航平台的当前偏航角度。
16.进一步地，还包括数据采集模块，所述数据采集模块包括模拟数字转换器和数据存储器，所述模拟数字转换器用于采集所述倾角传感器和所述加速度传感器的模拟信号，并转换为数字信号以供所述数据存储器暂存。
17.进一步地，所述计算模块还包括主机、从机和数据传输模块，所述从机用于接收所述数据存储器的数据，所述从机处理完数据后通过所述数据传输模块传递至所述主机。
18.进一步地，还包括通讯模块，所述通讯模块用于将所述主机接收的数据传递至电脑终端的上位机进行分析处理。
19.第三方面，本发明还提供了一种风电机组，所述风电机组包括：
20.一个或多个处理器；
21.存储装置，用于存储一个或多个程序；
22.当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上所述的风电机组对风方法。
23.第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序该程序被处理器执行时实现如上所述的风电机组对风方法。
24.与现有技术相比，本发明提供的风电机组对风方法、系统、风电机组及存储介质中，首先，通过倾角传感器检测塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测塔筒的振动主方向，其次，根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向，再次，在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度，然后，获取偏航平台的当前偏航角度，最后，判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。本发明仅需要给每台风力发电机配备若干加速度传感器和倾角传感器，投入成本较低，具备实际推广价值，利用工作数据(振动和倾角)对风向进行测量，避免了复杂的算法，具备较高的应用可靠性，泛化性能强，实时进行风向识别，避免了由于数据的复杂处理而导致偏航调整的滞后性，不仅实现了高精度、高效率、实时性、高可靠性的风力发电机对风优化，还能有效减少风力发电机由于对风不准造成的恶劣振动及停机事件的发生，从而提高风电机组效能，保障风力发电机作业安全，为风场带来可观的经济收益。
附图说明
25.图1为本发明实施例一提供的风电机组对风方法的流程图；
26.图2为本发明实施例三提供的风电机组的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面
将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例一
29.图1为本实施例提供的风电机组对风方法的流程图，风电机组包括偏航平台和风力发电机，偏航平台用于调整风力发电机的偏航角度，风力发电机的塔筒上设置有倾角传感器和加速度传感器，如图1所示，该风电机组对风方法包括如下步骤：
30.s1、通过倾角传感器检测塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测塔筒的振动主方向；
31.s2、根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向；
32.s3、在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度；
33.s4、获取偏航平台的当前偏航角度；
34.s5、判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。
35.偏航对风需要确定准确风向，风作用在风力发电机叶片时，塔筒顶部受力，产生倾斜及振动。当风向风速稳定(处于稳态)时，塔筒受到近似恒定的风力作用，此时塔筒受力变形，顶部产生位移，倾斜方向与风向有关。当风向风速不稳定(处于非稳态)时，塔筒在交变风的作业下产生振动，此外，还会受到风力发电机叶片、机舱等各部分组件相互作用产生的振动，振动的主方向与风向有关。
36.判断准确风向后，偏航系统根据当前风向下计算出的目标偏航角度调整风力发电机叶片位姿，将当前偏航角度向目标偏航角度靠拢，使得风轮叶面始终保持与来风方向垂直，从而使风轮叶片最大化利用风能，实现风力发电机对风。
37.本实施例提供的风电机组对风方法，仅需要给每台风力发电机配备若干加速度传感器和倾角传感器，投入成本较低，具备实际推广价值，利用工作数据(振动和倾角)对风向进行测量，避免了复杂的算法，具备较高的应用可靠性，泛化性能强，实时进行风向识别，避免了由于数据的复杂处理而导致偏航调整的滞后性，不仅实现了高精度、高效率、实时性、高可靠性的风力发电机对风优化，还能有效减少风力发电机由于对风不准造成的恶劣振动及停机事件的发生，从而提高风电机组效能，保障风力发电机作业安全，为风场带来可观的经济收益。
38.由于风力发电机作业空间的特殊性，塔筒只有两个方向倾斜，倾角传感器可以采用双轴倾角传感器，进一步地，当风向和风速稳定时，通过倾角传感器检测塔筒在x轴和y轴上投影的倾斜角度分量，计算出塔筒的倾斜角度，从而判断塔筒在风的作用力和风力发电机叶片轴向受力综合作用下的风向。倾角传感器用于各种测量角度的应用中，可以直接输出角度等倾斜数据。当倾角传感器静止时，也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度，重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角即所测得的倾斜角。
39.进一步地，当风向和风速实时变化时，通过加速度传感器检测塔筒在x轴和y轴上投影的加速度分量，根据矢量合成法合成塔筒的振动主方向。可以根据矢量合成方法获得
塔筒、风力发电机叶片、机舱在变风作用下以及各组件相互作用下对应振动主方向的风向。加速度传感器可以与倾角传感器集成在一块电路板上。加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。加速度传感器在加速过程中，对质量块所受惯性力进行测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。加速度传感器可以采用三轴加速度传感器，但由于风力发电机作业空间的特殊性，塔筒只有两个方向倾斜，可以仅采用其中x轴和y轴两个轴的测量数据。加速度传感器可以为压电式加速度传感器，压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
40.为避免频繁响应造成风电机组的不稳定，进一步地，若偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度相同或在预设误差范围内，则判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度一致。根据风力发电作业需求及所处环境特点，预设误差范围可以选取0至1
°
范围。
41.另外，无论风力发电机处于稳态还是非稳态的情况下，一旦测得的风力发电机偏斜方向在转子平面方向没有分量，就能判断风力发电机无需偏航校正。由此可以对风力发电机偏航进行定性分析，而无需进行定量分析。
42.风向仪在实际风速3m/s-8m/s区间进行风向测量，测得风向存在8
°
左右的偏差，根据发电量损失率η与偏航误差角度β之间关系：η＝(1-cos3β)*100％。可以计算得到，风力发电机风向仪测风偏差会对发电机组造成2.2％的发电损失量。根据上述发电量损失率，假设风力发电机24小时发电，发电利用系数为0.75，2.1mw的风力发电机一天发电：2.1*24*0.75＝37.8mwh＝37800kwh。那么采用该风电机组对风方法，对风向进行精准测量(精度可达到0.01
°
)，每天可以提高发电量：37800*2.2％＝831.6kwh。根据市电价格，每度(1度电＝1kwh)电的价位大约0.56-0.62元，则采用该风电机组对风方法，一台风力发电机每年可以增加收益(最低)：831.6*0.56*365＝169979.04元。
43.本实施例提供的风电机组对风方法，具有以下优点：
44.(1)低成本：方案的实施仅需要给风力发电机配备加速度传感器和倾角传感器，成本低，实用性高，易于推广；
45.(2)泛化能力强：利用振动和倾角数据关联风力发电机偏航角度，然后实现风向识别，无需复杂的算法原理，不必考虑算法应用在不同机型的风力发电机而存在的泛化问题，泛化能力强；
46.(3)实时性强：使用传感器采集的数据直接进行风向识别，避免了由于算法的复杂处理而导致的风向判别的滞后性；
47.(4)应用性强：使用传感器采集的工作数据识别风向，不易受恶劣环境的影响，并且使用风力发电机偏航角度作为参考，与使用大数据预测风向的方法相比，更具有实际应用性。
48.实施例二
49.本实施例提供一种风电机组对风系统，可适用于风力发电领域。本发明实施例提供的风电机组对风系统可执行本发明实施例所提供的风电机组对风方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
50.该风电机组对风系统包括：
51.检测模块，包括倾角传感器和加速度传感器，倾角传感器用于检测塔筒的倾斜角度，加速度传感器用于检测塔筒的振动主方向；
52.计算模块，用于根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向，并在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度；
53.比较模块，用于判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。
54.该风电机组对风系统的大致工作流程如下：首先，通过倾角传感器检测塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测塔筒的振动主方向，其次，通过计算模块根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向，在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度，然后，通过偏航平台获取偏航平台的当前偏航角度，最后，通过比较模块判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。
55.进一步地，该风电机组对风系统还包括数据采集模块，数据采集模块包括模拟数字转换器和数据存储器，模拟数字转换器用于采集倾角传感器和加速度传感器的模拟信号，并转换为数字信号以供数据存储器暂存。模拟数字转换器的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。模拟数字转换器的基本原理是把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止，然后显示出代表此信号的二进制数。模拟数字转换器和数据存储器集成在一块电路板上形成数据采集模块。
56.为方便数据处理与交互，进一步地，计算模块还包括主机、从机和数据传输模块，从机用于接收数据存储器的数据，从机处理完数据后通过数据传输模块传递至主机。从机用于根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向，主机用于在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度。无线传输模块可以采用433mhz无线传输技术，例如市场上最常用的433m发射芯片xc4388。该芯片包括了一个功率放大器，单稳态电路和一个由内部电压控制振荡器和循环过滤的锁相环。单稳态电路用来控制锁相环和功率放大器，使其在操作时可以快速启动。xc4388具备自动待机功能，待机电流小于1ua；所需外部器件很少，频率范围为250mhz～450mhz。
57.进一步地，该风电机组对风系统还包括通讯模块，通讯模块用于将主机接收的数据传递至电脑终端的上位机进行分析处理。通讯模块可以采用异步串口通信协议，串口在嵌入式系统当中是一类重要的数据通信接口，其本质功能是作为cpu和串行设备间的编码转换器。当数据从cpu经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串行的位；在接收数据时，串行的位被转换为字节数据。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口)，通信完成后必须释放资源(关闭串口)。
58.另外，该风电机组对风系统还包括电源模块，电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，电源模块用于对上述各个模块供电，根据不同模块的工作电压相应调整输送的电压。
59.该风电机组对风系统的电脑终端是应用软件，负责将传感器获取的数据实时地进行分析处理。其需要具备通信功能、数据处理功能、数据分析结果显示功能、阈值报警功能。
根据软件系统需求响应，应用软件部分包含下位机与上位机之间的通信接口设计、数据分析算法设计、应用分析显示界面设计、阈值报警响应界面设计。c++语言是一种面向对象的高级程序语言，简洁易开发，适用于windows操作系统软件的开发。因此，本发明使用c++语言设计应用软件并在windows操作系统中安装使用。
60.本实施例提供的风电机组对风系统，仅需要给每台风力发电机配备若干加速度传感器和倾角传感器，投入成本较低，具备实际推广价值，利用工作数据(振动和倾角)对风向进行测量，避免了复杂的算法，具备较高的应用可靠性，泛化性能强，实时进行风向识别，避免了由于数据的复杂处理而导致偏航调整的滞后性，不仅实现了高精度、高效率、实时性、高可靠性的风力发电机对风优化，还能有效减少风力发电机由于对风不准造成的恶劣振动及停机事件的发生，从而提高风电机组效能，保障风力发电机作业安全，为风场带来可观的经济收益。
61.实施例三
62.图2为本实施例中的风电机组的结构示意图。图2示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性风电机组412的框图。图2显示的风电机组412仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
63.如图2所示，风电机组412以通用终端的形式表现。风电机组412的组件可以包括但不限于：风电机组本体(图中未示出)、一个或者多个处理器416，存储装置428，连接不同系统组件(包括存储装置428和处理器416)的总线418。
64.总线418表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储装置总线或者存储装置控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(industry subversive alliance，isa)总线，微通道体系结构(micro channel architecture，mac)总线，增强型isa总线、视频电子标准协会(video electronics standards association，vesa)局域总线以及外围组件互连(peripheral component interconnect，pci)总线。
65.风电机组412典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被风电机组412访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
66.存储装置428可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(random access memory，ram)430和/或高速缓存存储器432。风电机组412可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统434可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图2未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图2中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘，例如只读光盘(compact disc read-only memory，cd-rom),数字视盘(digital video disc-read only memory，dvd-rom)或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线418相连。存储装置428可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
67.具有一组(至少一个)程序模块442的程序/实用工具440，可以存储在例如存储装置428中，这样的程序模块442包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块
442通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
68.风电机组412也可以与一个或多个外部设备414(例如键盘、指向终端、显示器424等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该风电机组412交互的终端通信，和/或与使得该风电机组412能与一个或多个其它计算终端进行通信的任何终端(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口422进行。并且，风电机组412还可以通过网络适配器420与一个或者多个网络(例如局域网(local area network，lan)，广域网(wide area network，wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图2所示，网络适配器420通过总线418与风电机组412的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合风电机组412使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、终端驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、磁盘阵列(redundant arrays of independent disks，raid)系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
69.处理器416通过运行存储在存储装置428中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的风电机组对风方法，该方法包括以下步骤：
70.s1、通过倾角传感器检测塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测塔筒的振动主方向；
71.s2、根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向；
72.s3、在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度；
73.s4、获取偏航平台的当前偏航角度；
74.s5、判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。
75.实施例四
76.本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例所提供的风电机组对风方法，该方法包括以下步骤：
77.s1、通过倾角传感器检测塔筒的倾斜角度，通过加速度传感器检测塔筒的振动主方向；
78.s2、根据塔筒的倾斜角度和/或振动主方向判断当前风向；
79.s3、在当前风向下计算出偏航平台的目标偏航角度；
80.s4、获取偏航平台的当前偏航角度；
81.s5、判断偏航平台的当前偏航角度和目标偏航角度是否一致，若一致，则无需调整偏航平台的当前偏航角度，若不一致，则需根据目标偏航角度调整偏航平台的当前偏航角度。
82.本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储
介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
83.计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
84.计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
85.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或终端上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
86.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。