CN101196164A - 用于预测风力涡轮机的功率曲线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种计算用于风力涡轮机的高海拔功率曲线的方法，这种方法包括以下步骤：确定用于所述风力涡轮机的预定叶片螺距角的c_p－λ曲线；以c_p－λ曲线为基础计算无功率极限的第一功率曲线；以及从所述第一功率曲线计算有功率极限的高海拔功率曲线，从而利用现场空气密度。

Description

用于预测风力涡轮机的功率曲线的方法

技术领域

本发明涉及一种用于预测风力涡轮机的功率曲线的方法，尤其涉及一种用于获得适合于风力涡轮机的高海拔运行的功率曲线的方法。本发明还涉及一种利用这种功率曲线的控制方案并涉及一种风力涡轮机，这种控制方案在这种风力涡轮机中实施。

背景技术

风力涡轮机从风中捕获动能并将动能转化成电力。由于可将风力涡轮机设计成独立的或岛式方案，所以风力涡轮机尤其适合于向偏远地区供电。例如，这些地区可位于山区或升高的平原地区，即处于高海拔。由于这些地区位置的升高，所以安装在这些场所的风力涡轮机所面临的空气密度要低于海平面的空气密度。较低的空气密度导致与在海平面的“标称(normal)”运行的极大偏差。尤其是，风力涡轮机的功率曲线不同，以在高海拔运行。由于功率曲线用于预测涡轮机的年功率输出，所以这种功率曲线偏差可对功率输出预测的品质造成不利影响。而且，功率曲线用作在涡轮机控制器中实施的控制方案的基础。因此，若所实施的功率曲线并不正确地反映涡轮机的实际表现，则涡轮机的控制就不会理想。

出于上述原因，现已提出了用于高海拔的功率曲线校正，这种功率曲线校正是本领域中熟练的技术人员公知的用于空气密度标准化的IEC 61400-12。该IEC标准描述了一种可怎样将螺距调节的(pitch-regulated)风力涡轮机的功率曲线进行校正以用于高海拔场所的较低空气密度的方法。不过，这种方法的长时间的结果是根据IEC61400-12标准1998版校正的功率曲线并不正确地反映涡轮机的表现，且通常高估风力涡轮机的部分载荷运行范围内的功率产量。

发明内容

出于上述原因，本发明提供一种获得用于风力涡轮机的功率曲线的方法。这种方法包括以下步骤：确定用于所述风力涡轮机的功率系数c_p与端速比λ之间的关系；利用功率系数c_p与端速比λ之间的关系确定电力输出P与风速v之间的关系以获得功率曲线。

通过从属权利要求、说明书和附图就会明白本发明的其它方面、优点和特征。

根据本发明的第一方面，提供一种获得用于风力涡轮机的功率曲线的方法。在根据第一方面的方法中，确定功率系数对用于所述风力涡轮机的端速比的依赖性(dependency)。然后将所确定的功率系数的依赖性用于计算电力输出与风速之间的关系，以获得用于所述风力涡轮机的功率曲线。

在根据本发明的第一方面的方法中，考虑了功率系数依赖于端速比的变化的变动。因此，放弃了对恒定功率系数进行的假设并以变动的功率系数为基础计算风力涡轮机的功率曲线。结果，通过上述方法所获得的功率曲线反映了在现场所测得的实际功率曲线，这种功率曲线大大优于根据IEC 61400-12标准所获得的校正的功率曲线。这样就可极大地提高年功率输出预测以及涡轮机控制的品质。

根据本发明的另一个方面，提供一种计算用于风力涡轮机的高海拔功率曲线的方法。根据本发明的另一个方面的这种方法包括以下步骤：确定用于所述风力涡轮机的预定叶片螺距角(pitch angle)的c_p-λ曲线；以c_p-λ曲线为基础计算无功率极限的第一功率曲线；以及从所述第一功率曲线计算有功率极限的高海拔功率曲线，从而利用现场空气密度。

根据本发明的再一个方面，提供一种控制风力涡轮机的运行的方法。根据本发明的再一个方面的这种方法包括以下步骤：在所述风力涡轮机的上部分载荷(upper partialload)范围内，在已通过确定用于所述风力涡轮机的预定叶片螺距角的c_p-λ曲线所获得的校正的功率曲线的基础上使用控制方案；在c_p-λ曲线的基础上计算无功率极限的第一功率曲线；以及从所述第一功率曲线计算有功率极限的校正的功率曲线，从而利用现场空气密度。

附图说明

本说明书的余下部分包括对附图的参考更加详细地陈述了本发明的完整的和可实施的公开，包括对于本领域中熟练的技术人员而言的最佳实施方式，在这些图中：

图1示出了根据本发明的第一个实施例的方法的流程图。

图2示出了根据本发明的另外的实施例的方法的流程图。

图3示出了根据本发明的另一个实施例的方法的流程图。

图4示出了在用于本发明的实施例时的c_p-λ曲线。

图5示出了在用于本发明的实施例时的有功率极限和无功率极限的功率曲线。

图6示出了通过根据本发明的实施例的方法所获得的功率曲线与通过标准高海拔校正程序所获得的功率曲线的比较。

图7示出了图6中的偏差的放大视图。

图8示出了通过根据本发明的实施例的方法所获得的功率曲线与通过用于测定的电力输出值的标准程序所获得的功率曲线的比较。

图9示出了通过根据本发明的实施例的方法所获得的功率曲线与通过用于海平面空气密度的标准程序所获得的功率曲线的比较。

图10示出了用于根据本发明的实施例的风力涡轮机的控制模式(control scheme)。

图11示出了根据本发明的另外的实施例的控制方法的流程图。

具体实施方式

现详细参考本发明的各种实施例，这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。每个示例的提供作为对本发明进行说明，并不旨在对本发明进行限制。例如，所示出或描述的作为一个实施例的部分的特征可用在其它实施例或可与其它实施例结合使用，以产生另一个实施例。本发明旨在包括这些修改和变动。

图1示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。在此实施例的第一步骤101中，确定功率系数c_p与端速比λ之间的关系。这种关系通常称为c_p-λ曲线并广泛地用于风力涡轮机的特性描述。这种c_p-λ曲线尤其依赖于转子叶片的形状和数量以及这些叶片的实际螺距角。图4示出了用于螺距角θ的不同值的c_p-λ曲线的几个示例。首先，可以看出功率系数c_p随着端速比λ变动并具有良好限定的最大值。从图4中可以看出最大值c_p的位置和高度基本上随着螺距角θ变化。

再参看图1，功率系数c_p与端速比λ之间的关系用于确定电力输出P与风速v之间的关系。电力输出与风速之间的关系也称为涡轮机的功率曲线，并且是本领域中熟练的技术人员公知的。功率曲线的示例在图5中示出。在该图中，标有“有功率极限的功率曲线”的曲线是用于螺距调节的风力涡轮机的标准功率曲线。从图中可以看出，最大电力输出恒定地与风速无关。这是所谓的在风速的运行满载荷范围，这些风速约为13m/s，或在风力涡轮机持续地产生其最大输出功率时大于13m/s。在从约为4m/s至约13m/s的范围内的较低风速，风力涡轮机处于所谓的部分载荷范围。正如可从图5中看出的那样，在部分载荷范围内的功率产量不是恒定的，并且根据风速变动。在示于图1中的根据本实施例的方法中，利用在前面的步骤101中所确定的c_p-λ曲线在步骤102中确定功率曲线。因此，在确定功率曲线时考虑功率系数c_p随着端速λ的变动(图4)。利用上述方法所确定的功率曲线相应地比并不考虑功率系数c_p的变动的功率曲线更精确。

在本发明中，应理解根据IEC 61400-12标准的标准化方法假设功率系数是恒定的，即与风速和空气密度无关，正如在下面将会描述的那样。从风捕获的机械功率P由下式给出：

$P=\frac{1}{2}{c}_p{\mathrm{\ρv}}^3{\mathrm{\πR}}^2$

式中：ρ是空气密度，v是风速，R是转子半径。根据下面的等式将这种标准化用于风速：

$v_n=v_{10\min }{\left[\frac{{\mathrm{\ρ}}_{10\min }}{{\mathrm{\ρ}}_0}\right]}^{1/3}$

式中：v_n是经过标准化的风速，ρ₀是参考空气密度(海平面)，v_10min是用10分钟平均的所测得的风速，ρ_10min是用10分钟平均的所测得的空气密度。从上面的这些公式以及经过标准化的功率等于所测得的功率(P_n＝P_10min)的假设，可得出IEC标准化假设功率系数c_p不是风速和空气密度的函数。不过，从图4中可以看出，这种假设与风力涡轮机的实际运行条件并不相符。

由于通过根据本发明的实施例的方法所获得的功率曲线考虑功率系数c_n随着端速λ的变动，所以，与通过IEC标准化方法所获得功率曲线相比，根据本发明的功率曲线更精确地反映风力涡轮机的实际功率产量。这一点在图6和图7中示出，在这些图中，将用于高海拔条件的基于c_p的功率曲线和IEC调节的功率曲线绘制在一起。从这些图中可以看出，在从约10m/s至约13m/s的上部分载荷范围内的两个功率曲线之间有相当的偏差。这个范围在图7中用放大图示出。从图7中可以看出，与基于c_p的功率曲线相比，IEC调节的功率曲线高估了在上部分载荷区域中的输出功率。在高海拔场所的带有测得的功率值的IEC调节的功率曲线与基于c_p的功率曲线的比较在图8中示出。从图8中可以看出，基于c_p的功率曲线比IEC调节的曲线更适合于上部分载荷范围内的所测得的值。因此，通过根据本发明的实施例的方法所获得的功率曲线比IEC调节的功率曲线更适合于涡轮机的实际功率产量。这种改进对于示于图6、图7和图8中的高海拔场所具有特别重要的意义。换言之，基于c_p的功率曲线合于空气密度低的场所，即可在高海拔和低空气密度的相同意义上使用。图9示出了根据本发明的实施例的方法所获得的基于c_p的功率曲线与IEC调节的功率曲线的比较，其中，所获得的结果用于海平面。正如可从图中看出的那样，这些曲线基本上相同，即两种方法导致在海平面的几乎相同的结果。

图2示出了根据本发明的另一个实施例的方法的流程图。在该实施例中，在第一步骤201中确定固定螺距角θ。在本实施例中，θ＝2°的螺距角选择为最佳螺距角，但也可选择另一种适当的螺距角。在下一个步骤202中，确定用于θ＝2°的螺距角的c_p-λ曲线。正如在图4中所示出的那样，c_p-λ曲线的形状取决于螺距角θ，且用于θ＝2°的c_p-λ曲线是最佳的，因为对于示于图4中的不同螺距值来讲，这种曲线具有所有c_p-λ曲线的最大c_p。在下一个步骤203中，计算功率曲线，并考虑c_p变动。这种计算可以直接进行，也可以通过首先将c_p-λ曲线换算成c_p-v曲线进行，即首先从c_p-λ曲线确定功率系数与风速之间的关系。典型的c_p-v曲线在图5中示出，从图5中可清楚地看出，在下部分载荷范围内，c_p或多或少是恒定的，但在上部分载荷范围内即大于约8m/s中降低。正如在前面所提及的那样，在步骤203中计算无功率极限的功率曲线。这种无功率极限的功率曲线也在图5中示出。当然，实际的功率曲线会有这种限制。因此，在最后的步骤204中从中间的不受限功率曲线计算有功率极限的功率曲线。而且，在该最后的步骤中考虑在风力涡轮机现场的空气密度。本方法通常用于计算用于高海拔场所的涡轮机的功率曲线。在这些场所的局部空气密度通常仅为海平面的空气密度的80％至95％，更典型地为80％至90％。在本示例中计算用于具有(与在海平面时的1.225kg/m³相比)低达1.02kg/m³的空气密度的高海拔场所的功率曲线。这样就获得适合于风力涡轮机的实际输出功率的功率曲线。特别地，通过上述方法所获得的功率曲线比示于图8中的IEC调节的功率曲线更适合于这种实际输出功率。

图3示出了根据本发明的另一个实施例的方法的流程图。在该实施例中描述了可怎样修匀所计算的功率曲线且怎样考虑空气湍流。为了利用c_p-λ曲线计算功率曲线，在步骤301中首先确定N试样风速值N≥1。例如，在介于7m/s至16m/s之间的风速范围内计算功率曲线。然后可通过将风速范围分成N-1个规则的间隔来确定这些N试样风速值。当然，也可通过其它任何适当的方法来确定这些试样值。接着选择第一试样值并在步骤302中生成M随机分布风速值组。通常，根据集中于试样值附近的标称分布将这些风速值分布。不过，若认为其它的分布更接近地类似于这些风速变动，则也可选择这些分布。在下一个步骤303中计算用于随机分布的风速值中的每一个的相应输出功率值，从而利用前面所描述的c_p-λ曲线。在下一个步骤304中求这些风速和电力值的平均值以获得平均风速值和平均输出功率值。对N试样风速值中的任何一个重复这个过程，以使功率曲线由这些平均值修匀。在已获得了平均输出功率和风速值之后，这种方法继续步骤204中的有功率极限的功率曲线的计算。

下面描述如何将根据本发明的实施例所获得的功率曲线用在风力涡轮机的控制方案中。在此方面，参考图10，该图示出了用于根据本发明的实施例的风力涡轮机的控制方案。图中示出了发电机扭矩对发电机速度，且不同的控制阶段用字母A至D标记。在插入阶段A-B，风速达到用于涡轮机运行的最低水平，且涡轮机插入以用于运行。在阶段A-B中，风力涡轮机的控制受限，这是因为涡轮机由于其本身的物理限制而不能够捕获最大能量。在此阶段中将发电机速度保持恒定并通过扭矩进行控制，即通过发电机的电气系统进行控制。在点B与C之间有下部分载荷范围，该范围具有在介于约4m/s至8m/s之间的范围内的典型风速。在此下部分载荷范围内，发电机速度提高，涡轮机则以最佳c_p运行，这样就从风捕获最大能量。当发电机速度达到在点C的额定发电机速度时，上部分载荷范围开始，并通常在从约8m/s至可达13m/s的风速范围内。在此上部分载荷范围内，发电机速度恒定地保持在额定发电机速度，而发电机扭矩提高到额定扭矩。在控制阶段C-D中，螺距角θ是固定的，且如在阶段A-B中那样通过扭矩对发电机速度进行控制。在额定扭矩以上出现涡轮机的满载运行和过载运行，其中，通过叶片螺距对发电机速度进行控制。

图11示出了根据本发明的再一个实施例的控制方法的流程图。在此实施例中，在步骤1101中首先确定涡轮机是否在上部分载荷范围内运行，通常在从约8m/s至约13m/s的风速范围内。若不是，则采用不同的控制方案，如前面所描述的控制方案。若涡轮机在上部分载荷范围内运行，则获得用于预定螺距角θ的基于c_p-λ曲线的功率曲线。通常，预先计算螺距角θ和功率曲线并将它们储存在风力涡轮机控制器的存储器中，如以列表的形式。不过，若涡轮机进入上部分载荷范围内，则也可按照要求获得功率曲线。接着在步骤1103中保持螺距角θ恒定，如在2°。并且在步骤1104中保持发电机速度恒定，通常在额定发电机速度。这通常通过控制发电机的速度来完成，发电机速度的控制通过发电机扭矩来进行。由于前面所描述的控制方案使用了用于发电机控制的基于c_p的功率曲线，所以这种控制方案比基于IEC调节的功率曲线的控制方案更适合。

最后，本发明包括风力涡轮机，根据本发明的实施例的控制方案在这种风力涡轮机中实施。特别地，可将基于c_p的功率曲线储存在涡轮机控制器中，如作为函数关系或列表。由于基于c_p的功率曲线非常适合于实际电力输出，所以与利用IEC调节的功率曲线的涡轮机控制器相比，这种涡轮机控制器得到了改进，尤其是在高海拔场所。

本书面说明利用示例公开了包括最佳实施方式的本发明，并且也使本领域中熟练的任何技术人员能够实施和利用本发明。虽然就各种特定实施例对本发明进行了描述，但本领域中熟练的技术人员会认识到可利用在权利要求的精神和范围内的修改来实施本发明。尤其是前面所描述的实施例的相互之间并不排斥的特征可相互结合。本发明的可获得专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中熟练的技术人员想到的其它示例。若其它的这些示例具有并不与权利要求的文字语言有所不同的的结构性要素，或者，若其它的这些示例包括与权利要求的文字语言无实质性差异的等同的结构性要素，那么旨在其它的这些示例在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种获得用于风力涡轮机的功率曲线的方法，所述方法包括步骤：

(a)确定用于所述风力涡轮机的功率系数c_p与端速比λ之间的关系；

(b)利用所述功率系数c_p与端速比λ之间的关系确定电力输出P与风速v之间的关系以获得所述功率曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定功率系数c_p与端速比λ之间的关系以用于预定的螺距角。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，

(b1)以在步骤(a)中所确定的c_p-λ曲线为基础计算无功率极限的中间功率曲线，然后

(b2)利用风力涡轮机场所的空气密度计算有功率极限的最终功率曲线。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(b1)中，生成随机分布的风速值组，得出用于此组中的风速值中的每一个的功率曲线值，并且确定平均功率输出值和平均风速值。

5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述现场空气密度约为海平面空气密度的80％至90％。

6.如前述权利要求中的任何一项所述的方法，其特征在于，获得所述功率曲线以用于在从7m/s至16m/s范围内的风速，尤其用于在从9m/s至13m/s范围内的风速。

7.一种控制风力涡轮机的运行的方法，所述方法包括步骤：

在所述风力涡轮机的上部分载荷范围内，在校正的功率曲线的基础上使用控制方案，通过如下方式获得所述校正的功率曲线：

确定用于所述风力涡轮机的预定叶片螺距角的c_p-λ曲线；

在所述c_p-λ曲线的基础上计算无功率极限的第一功率曲线；以及

从所述第一功率曲线计算有功率极限的所述校正的功率曲线，从而利用现场空气密度。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，将所述风力涡轮机的叶片螺距恒定地保持在所述预定叶片螺距角值。

9.如权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，将所述风力涡轮机的发电机速度恒定地保持在额定发电机速度。

10.一种风力涡轮机，其包括：

控制器，所述控制器实施了根据权利要求7至9中的任何一项所述的控制方案。

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