一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法

本发明涉及风力发电机，特别是一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法。

背景技术：

1、风力发电机是可以有效地将自然界的风能转化为电能的机械装置，其在不同的运行工况下需要采用不同的控制策略，实现不同的控制目标。目前在环境风速高于切入风速且低于额定风速时，通常使用调节发电机扭矩来达到最大风能捕获的目的。但是风力发电机的控制参数的调整与其工作环境风速相关，因此需要提供比较准确的来流风速作为控制器的输入来提高其工作效率。通常风场风速由安装在机舱顶部或底部的风速计实测获得，但风力发电机所处的环境风速在时间和空间上都具有随机分布的特点，并且风速计测量风速会受到风轮扰动的作用，导致所测风速不能被直接使用，随着风力发电机技术的发展，风力发电机结构尺寸逐步增大，风轮扫掠面积逐步增大，导致风速计测量风速的可用性再次降低。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，能够准确计算风力发电机最大功率跟踪阶段的风轮面实时有效风速，并指导控制器的行为。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：选定风力发电机型号和装机位置，获取机组相关参数和环境参数数据；

4、步骤s2：通过理论推导确定与叶尖速比相关的风力发电机复合参数；

5、步骤s3：获取一组叶尖速比与风力发电机参数的映射数据；

6、步骤s4：将步骤s3中获取的叶尖速比与风力发电机参数的映射数据转换为叶尖速比与步骤s2中确定的风力发电机复合参数的映射数据；

7、步骤s5：对步骤s4获取的叶尖速比与风力发电机复合参数的映射数据拟合多项式，将拟合结果作为计算实时叶尖速比的先验公式；

8、步骤s6：通过传感器实时测量环境温度t、发电机转速ωgen和发电机输出功率pgen，计算实时风力发电机复合参数；

9、步骤s7：将实时风力发电机复合参数带入步骤s5的先验公式计算实时叶尖速比；

10、步骤s8：利用实时转子转速和步骤s7获取的实时叶尖速比计算风轮面的有效风速。

11、在一较佳的实施例中：所述步骤s1中获取的机组相关参数包括风轮叶片长度l、轮毂半径r、叶片锥角γ、最佳叶尖速比λopt、齿轮箱传动比i、发电机工作效率η、发电机惯性矩igen、叶轮惯性矩iblades和轮毂惯性矩ihub；

12、所述步骤s1中获取的环境参数数据是空气密度ρ(t,h)和环境温度、风力发电机装机海拔对照表。

13、在一较佳的实施例中：所述步骤s2中的理论推导如下：

14、叶尖速比定义如下：

15、

16、式中，λ是叶尖速比，ωrot是风力发电机的转子转速，r是风轮扫掠面的半径，v是风速；

17、结合等式(1)和等式得：

18、

19、式中，prot是风力发电机的转子功率，cp(λ,β)是风能利用系数；

20、将轮毂半径与叶片在风轮旋转面内的投影长度相加计算风轮扫掠面半径：

21、r＝r+lcosγ (3)

22、最大功率捕获阶段需保持叶片桨距角在最优桨距角，此时风能利用系数看成是叶尖速比的函数，将等式(2)重新改写为下式：

23、

24、式中，h是直接受叶尖速比影响的参数的整合，也即唯一与叶尖速比相关的参数，具体可表示如下式：

25、

26、根据上式看出，h(λ)的数量级过小，不适于用于拟合高阶多项式，因此使用以下方法对上式进行修正：

27、

28、式中，k是修正因子，其值由下式确定：

29、

30、根据等式(4)看出，h同时是风轮扫掠面半径、转子转速和转子功率组成的复合参数，同样引入修正因子k后表示如下式：

31、

32、在一较佳的实施例中：所述步骤s3通过风洞试验或仿真计算采用固定风速，改变转子转速的方式，获取一组叶尖速比与风力发电机参数的映射数据；

33、所述步骤s3中的风力发电机参数包括：风轮扫掠面半径、转子转速和转子功率。

34、在一较佳的实施例中：所述步骤s5拟合的先验公式表达如下：

35、λ(r,ωrot,prot)＝a0+a1h+a2h2+···+anhn (9)

36、式中，a0,a1,a2,…,an是多项式的各项系数。

37、在一较佳的实施例中：所述步骤s6的实现方式如下：

38、利用发电机转速除以齿轮箱传动比计算等式(8)中的实时转子转速：

39、

40、利用发电机输出功率和风力发电机的机械动能变化量计算等式(8)中的实时转子功率：

41、

42、式中，δe是风力发电机的机械动能变化量，δt是控制器的时间步长；

43、风力发电机的机械动能变化量计算如下：

44、δe＝δegen+δerot (12)

45、式中，δegen是发电机侧的机械动能变化量，δerot是转子侧的机械动能变化量；分别计算如下：

46、

47、

48、式中，角标cur和last分别表示当前时刻的参数和上次调用控制器的时刻的参数；

49、实时空气密度通过步骤s1获取的空气密度ρ(t,h)与环境温度、风力发电机装机海拔对照表确定；

50、然后结合等式(8)计算实时风力发电机复合参数h。

51、在一较佳的实施例中：所述步骤s8的转子转速通过等式(10)计算获得，风轮面有效风速计算如下：

52、

53、在一较佳的实施例中：所述风轮扫掠面半径忽略叶片的柔性形变量，统一由等式(3)计算。

54、在一较佳的实施例中：考虑空气密度的变化，所述等式(8)中的实时转子功率进行如下等效修正：

55、

56、式中，ρtest是风洞实验或仿真环境中的空气密度，ρ(t,h)是步骤s6中实测环境温度下的空气密度。

57、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

58、本发明提供了一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，能够准确计算风力发电机最大功率跟踪阶段的风轮面实时有效风速，并指导控制器的行为。

59、本发明提供的一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，可以有效替代安装在机舱顶部或底部的风速计，降低风力发电机的制造和运维成本。

60、本发明提供的一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，易于实现，且实时计算风轮面的有效风速速度较快。

61、本发明提供的一种基于风力发电机功率反馈的有效风速估算方法，考虑了环境温度变化引起的空气密度差异，使用等效转子功率代替实时转子功率，消除了空气密度对转子功率的影响，有效风速估算结果更加准确。