一种风电场定制化场级偏航控制方法及系统

1.本发明属于风力发电的技术领域，尤其涉及一种风电场定制化场级偏航控制方法及系统。


背景技术：

2.风电场运行过程，上游风电机组会形成“低风速、高湍流”的尾流效应，使得下游风电机组的功率输出大大下降，严重影响了风电场的发电效率。为减轻尾流引起的功率损耗，提出了主动尾流控制，主要包括协同偏航控制、感应控制和风机锥角控制。相比之下，协同偏航控制不仅能诱发可观的尾流偏转，而且对结构载荷的影响也较小，因此逐渐被认为是最具有发展前景。协同偏航尾流控制策略，是通过将上游风电机组主动偏航，使产生的尾流发生偏转，从而削弱上游尾流对下游风电机组的干扰。从场级来看，协同偏航控制策略通过牺牲上游风电机组的功率输出效率，增加下游风电机组的能量捕获，可实现风电场整场的功率输出最大化。
3.而实际上风电场动态变化，不同风向、风速下所需的协同偏航优化控制不同。目前，多根据风况实时计算得出协同偏航优化控制数值，再进行风电机组偏航控制使风电场整场功率输出最大化。然而随着风电场的大型化，风电机组的数量不断增加，有限的计算资源不能满足优化控制即时性的要求。也有采用分布式计算，将风电场内各机组分单元进行优化控制。申请号：cn202210908860将每台机组作为子系统，通过优化各子系统控制输入实现目标函数最优。申请号：cn202210449660利用各机组之间尾流关系划分子风电场分别进行协同偏航优化，使各子风电场达到最佳优化控制。以上做法固然减少了单个控制单元生成协同偏航优化控制策略的复杂性和计算量，但由于存在多个控制单元，不能达成全局最佳优化方案，且仍存在一定计算资源要求。因此，如何在减少实时控制计算成本的同时真正实现风电场整场协同偏航控制优化，是目前需要进一步解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点和不足，提供一种风电场定制化场级偏航控制方法及系统，以解决或至少部分解决如何在风电场进行协同偏航时实现整场最优控制，同时降低计算成本的问题。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供一种风电场定制化场级偏航控制方法，包括如下步骤：
6.(1)获取目标风电场的风电机组数据及优化限制条件；
7.(2)根据所述风电机组数据及优化限制条件对风电场进行建模，基于设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案；
8.(3)将设定风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行场级偏航控制；
9.(4)基于判断结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。
10.进一步地，所述风电机组数据包括风电场内各风电机组地理位置信息、轮毂高度、风轮旋转面半径以及功率曲线和推力曲线，所述的优化限制条件包括各风电机组的偏航角阈值以及拟优化的风况范围和精度。
11.进一步地，基于尾流协同重定向控制仿真软件floris version 2.3.2对风电场进行建模。
12.进一步地，所述对设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各风电机组偏航角，包括如下步骤：
13.(2.1)对风电场内各风电机组从最上游到最下游进行排序；
14.(2.2)判断各风电机组的尾流是否影响下游风电机组，若是，则计为优化算法求解的对象，若否，则将该风电机组记为不偏航；
15.(2.3)通过序列最小二乘规划算法计算各目标风电机组使目标风电场整场功率输出最大的最佳偏航角。
16.进一步地，所述将设定风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行偏航控制的具体方式为：若风电场来流的风向与风速包含在设定风况范围内，则进行场级偏航控制，若不包含在内，则不进行场级偏航控制。
17.进一步地，所述对目标风电场内的目标风电机组进行控制，包括如下步骤：
18.(4.1)从设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案中获取当前风况对应的各机组偏航角集合；
19.(4.2)选择当前风况下需要变更偏航角的目标风电机组；
20.(4.3)根据各机组偏航角集合对所述目标风电机组进行控制。
21.另一方面，本发明还提供了一种风电场定制化场级偏航控制系统，所述系统包括：
22.获取模块，用于获取目标风电场的风电机组数据及优化限制条件；
23.优化模块，用于利用获取模块中风电机组数据及优化限制条件对风电场进行建模，基于设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案；
24.判断模块，用于根据风电场来流风况是否在设定风况的取值范围内，判断是否进行场级偏航控制；
25.执行模块，基于判断模块中的结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。
26.本发明的有益效果：本发明建立的风电场定制化场级偏航控制方法是对现存方法的创新和改进，具有更强鲁棒性，对实时控制计算成本要求低和保证功率提升全局性等优点。风电场定制化场级偏航控制方法可针对任意大规模风电场或风电场群，快速实现场级偏航控制。同时由于定制优化条件，可满足不同风电场偏航控制需求。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
28.图1是本发明风电场定制化场级偏航控制方法的流程图；
29.图2是本发明各风况下求解各机组偏航角的主要步骤流程图；
30.图3为本发明控制风电场内的目标风电机组的流程图；
31.图4为本发明风电场定制化场级偏航控制系统的流程图；
32.图5为定制风况下场级偏航控制方法对风电场整场功率提升示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。
34.参图1所示，本发明提供一种风电场定制化场级偏航控制方法，包括步骤如下：
35.步骤s1：获取目标风电场的基础数据及优化限制条件；
36.步骤s2：根据所述基础数据及优化限制条件对风电场进行建模，对定制的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到定制风况下的风电场场级偏航控制方案；
37.步骤s3：将定制风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行场级偏航控制；
38.步骤s4：基于判断结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。
39.所述基础数据包括风电场内各机组地理位置信息、轮毂高度、风轮旋转面半径以及功率曲线和推力曲线，所述的优化限制条件包括各机组的偏航角阈值以及拟优化的风况范围和精度。风况范围具体为风速和风向的取值范围，精度是范围之间的取值间隔。
40.参图2所示，所述对定制的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，包括如下步骤：
41.步骤s2.1：对风电场内各机组从最上游到最下游进行排序；
42.步骤s2.2：判断各机组的尾流是否影响下游风电机组，若是，则跳转至步骤s2.3，若否，则跳转至步骤s2.4；
43.步骤s2.3：将该风电机组记为优化算法求解对象；
44.步骤s2.4：将该尾流不影响其他风电机组的机组记为不偏航；
45.步骤s2.5：通过序列最小二乘规划算法计算各目标风电机组使目标风电场整场功率输出最大的最佳偏航角。
46.各机组功率输出pi可由(1)式计算得出：
[0047][0048]
其中i为机组编号，ρ为空气密度，ai为风轮扫掠面积，c
p
为风轮功率系数，αi为风力机轴向感应因子，ui为风轮处有效风速。在不偏航的理想化条件下，功率系数与每台风机的轴向感应因子有关，定义为αi＝1-u
i,d
/u0，其中u
i,d
为风轮轮毂处风速，u0为风轮前方自由来流风速。
[0049]cp
(αi,γi)可以根据以下公式(2)获得：
[0050][0051]
其中η为c
p
值的恒定比例来计算其他损失，p
γ
为表征偏航角γi对风电机组功率系数影响的余弦指数。
[0052]
在本实施方式中，尾流采用gch模型。
[0053]
参图3所示，所述基于判断结果对目标风电场内的目标风电机组进行控制，包括如下步骤：
[0054]
步骤s4.1：从定制风况下的风电场场级偏航控制方案中获取当前工况对应的各机组偏航角集合；
[0055]
步骤s4.2：联系当前风况下需要变更偏航角的目标风电机组；
[0056]
步骤s4.3：根据各机组偏航角集合对所述目标风电机组进行控制。
[0057]
参图4所示，本发明还提供了一种风电场定制化场级偏航控制系统，采用所述风电场定制化场级偏航控制方法实现，包括：获取模块、优化模块、判断模块、执行模块；
[0058]
所述获取模块，用于获取目标风电场的基础数据及优化限制条件；
[0059]
所述优化模块，用于利用获取模块中基础数据及优化限制条件对风电场进行建模，对定制的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到定制风况下的风电场场级偏航控制方案；
[0060]
所述判断模块，用于根据风电场来流风况是否在定制风况范围内，判断是否进行场级偏航控制；
[0061]
所述执行模块，基于判断模块中的结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。
[0062]
实施例
[0063]
以位于浙江省杭州湾的某大型海上风电场为研究对象，探究了这种风电场定制化场级偏航控制方法具体的实现效果。采用的floris version 2.3.2对应参数设置如下：
[0064]
表1 floris参数设置
[0065]
参数设置空气密度1.225kg
·
m-3
湍流强度0.14偏航角对功率系数影响的余弦指数1.88偏航角阈值
±
25
°
风况范围3-14m
·
s-1
/0
°‑
355
°
风况精度1.0m
·
s-1
/5
°
[0066]
建模求解获得的定制风况下的风电场场级偏航控制方案局部如下：
[0067]
表2目标风电场场级偏航控制方案
[0068][0069]
已知目标风电场一年的风资源情况，将该方案模拟应用于目标风电场进行场级偏
航控制，结果表明采用定制化场级偏航控制方法后风电场年发电量为1137.270gwh，相较原先年发电量提升了4.231gwh。图5展示了目标风电场在定制风况(风速＝3-14m
·
s-1
，风向＝290
°
)下进行协同偏航控制与不进行协同偏航控制的整场功率输出对比。在利用定制方案进行协同偏航控制优化后，在低中风速下整场功率输出提升率在4％以上。结果证明，定制化场级偏航控制方法可使风电场的发电效率得到提升。
[0070]
另外，本实施例中定制化场级偏航控制方法与其他协同偏航控制方法相比，实时风电场优化控制所耗费的计算资源大大减少，鲁棒性更强，且由于以优化风电场整场功率输出考虑，带来的发电效率提升更大。
[0071]
以上所述的实施例只是本发明的一种应用的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出场群系统的优化。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取目标风电场的风电机组数据及优化限制条件；(2)根据所述风电机组数据及优化限制条件对风电场进行建模，基于设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案；(3)将设定风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行场级偏航控制；(4)基于判断结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。2.根据权利要求1所述的一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，所述风电机组数据包括风电场内各风电机组地理位置信息、轮毂高度、风轮旋转面半径以及功率曲线和推力曲线，所述的优化限制条件包括各风电机组的偏航角阈值以及拟优化的风况范围和精度。3.根据权利要求1所述的一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，基于尾流协同重定向控制仿真软件floris version 2.3.2对风电场进行建模。4.根据权利要求1所述的一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，所述对设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各风电机组偏航角，包括如下步骤：(2.1)对风电场内各风电机组从最上游到最下游进行排序；(2.2)判断各风电机组的尾流是否影响下游风电机组，若是，则计为优化算法求解的对象，若否，则将该风电机组记为不偏航；(2.3)通过序列最小二乘规划算法计算各目标风电机组使目标风电场整场功率输出最大的最佳偏航角。5.根据权利要求1所述的一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，所述将设定风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行偏航控制的具体方式为：若风电场来流的风向与风速包含在设定风况范围内，则进行场级偏航控制，若不包含在内，则不进行场级偏航控制。6.根据权利要求1所述的一种风电场定制化场级偏航控制方法，其特征在于，所述对目标风电场内的目标风电机组进行控制，包括如下步骤：(4.1)从设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案中获取当前风况对应的各机组偏航角集合；(4.2)选择当前风况下需要变更偏航角的目标风电机组；(4.3)根据各机组偏航角集合对所述目标风电机组进行控制。7.一种实现权利要求1-6任一项所述的风电场定制化场级偏航控制方法的风电场定制化场级偏航控制系统，其特征在于，所述系统包括：获取模块，用于获取目标风电场的风电机组数据及优化限制条件；优化模块，用于利用获取模块中风电机组数据及优化限制条件对风电场进行建模，基于设定的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到设定风况下的风电场场级偏航控制的定制化方案；判断模块，用于根据风电场来流风况是否在设定风况的取值范围内，判断是否进行场级偏航控制；
执行模块，基于判断模块中的结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。

技术总结
本发明公开了一种风电场定制化场级偏航控制方法及系统。该方法包括：获取目标风电场的基础数据及优化限制条件；根据基础数据及优化限制条件对风电场进行建模，对定制的各风况求解使风电场整场输出功率最大的各机组偏航角，得到定制风况下风电场场级偏航控制方案；将定制风况的取值范围作为判断标准，根据风电场来流风况判断是否进行场级偏航控制；基于判断结果，对目标风电场内的目标风电机组进行控制。相比其他协同偏航控制方法，本发明的场级偏航控制方法的鲁棒性更好，同时大大降低了实时控制时所需的计算资源要求，有效提升了风电场整场发电效率。场整场发电效率。场整场发电效率。


技术研发人员：王强 谭郡瑶 罗坤 樊建人
受保护的技术使用者：浙江大学嘉兴研究院
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/6