風力發電場的風力發電控制系統及其控制方法與流程

本發明屬于風力發電控制領域，特別涉及一種風力發電場的風力發電控制系統及其控制方法。

背景技術：

對風力發電場中最上風位置的風機監測各氣象數據，可以預測整個風力發電場的風速變動，根據上述變動可以及時調整各個風機的工作狀態，進而改變整個風力發電場的電力輸出。因而如何確定哪臺風機為最上風的風力發電裝置非常重要，現有技術中，有人把整個風場的風力發電機的臨近位置都安裝了氣象儀，當風力變動時，氣象儀將變動數據傳遞給控制系統，控制系統根據哪臺風力發電機具有新的風力變動氣象數據，來確定其為最上風裝置，然后通過如下公式1計算其他風機的延遲。

T__delay＝L_cosθ/V

如專利CN101994651B中公開了相關的計算方法，該專利文件中通過集中控制裝置對各個獨立控制裝置進行指示，以便計算出在預定期間恒定維持風力發電場的輸出的控制等級，與控制等級相符合地控制各風力發電裝置。但是在實際應用中，風速和風向都是不停變化的，在預定時間內的強烈變化使預定期間的計算出現誤差，對下一步的預測產生極大地影響；即最上風位裝置的選擇是否恰當，會影響預測，在預定的時間內，特別是由于地形和地貌的限定，風力計算不準確。在風向不確定時，誤差更大。

技術實現要素：

本發明是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種風力發電場的風力發電控制系統及控制方法，可使風力計算準確且穩定，從而更好的抑制從風力發電場輸出的功率的變動，維持恒定輸出的技術。

為了解決上述課題，本發明提供了一種風力發電場的風力發電控制系統，所述風力發電控制系統包括集中控制平臺和由所述集中控制平臺控制的風力發電場，所述風力發電場包括若干依地勢設置的風力發電裝置，與每個風力發電裝置一同設置的風況測定裝置和控制所述風力發電裝置轉速的風力控制裝置，所述集中控制平臺包括控制模塊組、通訊接口及存儲模塊組，所述控制模塊組包括風機組模塊、風速預測模塊、輸出預測模塊、輸出決定模塊、轉速控制模塊；

所述風況測定裝置測定風力和風向數據后經過所述通訊接口傳遞給所述控制組模塊；

所述控制模塊組根據風力和風向的變化值決定至少一組上風位風機組和數個下風位機；所述上風位風機組中包括一個中心發電裝置，以及分別不少于一個的高位發電裝置、低位發電裝置和/或水平發電裝置；

所述風機組模塊通過通訊接口獲取風機組各個發電裝置的風力和風向數據，并傳輸至風速預測模塊；所述風速預測模塊用于根據所述上風位風機組的平均風力和風向，以及所述下風位風機相對于所述上風位風機組的距離和角度來預測所述各下風位風機在固定時間間隔的風速變動；所述輸出預測模塊根據前述確定某組為上風發電機組后，輸出預測模塊接到指令，計算在預定的時間后，整個風場輸出變動，以及各個風力發電機組輸出變動，以及某個風機的輸出變動；所述輸 出決定模塊用于決定每個所述風力發電裝置的實際輸出功率；所述轉速控制模塊用于根據所出決定模塊計算出的實際輸出功率，控制所述風力發電裝置的實際轉速。

進一步地優選方案，所述控制模塊組還包括有風速比較模塊和中心發電機選擇模塊，所述風速比較模塊用于比較上風位風機組中每個發電裝置的實際風速與平均風速，并向中心發電機選擇模塊發送比較數據，并經其模塊選定比較數據中差值最小的發電裝置為中心發電裝置。

進一步地，所述控制模塊組還包括組別修正模塊；當風速變化時，中心發電裝置風速變化前后的差值，按照一定間隔被記錄下來，并與組別修正模塊預設的變動閾值相比較；當超過預設閾值時，向風速預測模塊發出請求，調取高位、低位、水平發電裝置中被記錄的數據進行相似度比較。根據相似度大小是否在規定數值內進行組合上風位風機組。

進一步地，所述存儲模塊組還包括有歷史存儲區域，用于將任一組合的上風位風機組的相應位置與其受風風向組合，并編號進行存儲。

更進一步地，所述控制模塊組還包括有初始化模塊，當上風位風機組的風況測定裝置檢測到風停或風向變化超過預設閾值時，通過初始化模塊將上風位風機組進行初始化，解散組別。根據風向的變化方向，與存儲模塊組的歷史記錄中該方向時的上風位風機組作為參考，作為初始上風位風機組。

本發明的控制系統又一個改進在于：所述存儲模塊組還包括有地表特征存儲區域，用于根據各個風機位置之間的地標特征記錄并進行誤差計算；所述控制模塊組還包括風速預測風速修正模塊，所述預測 風速修正模塊根據各個風機所在的地表特征及高度條件對預測風速進行修正。

本發明另一方面公開了一種風力發電控制方法，包括以下步驟：

S01風速測定裝置監測上風位風機組中各個發電裝置的風速；

S02風速比較模塊接收各個發電裝置的實際風速，并計算出平均風速，向中心發電機選擇模塊發送比較數據，選定差值最小的發電裝置為中心發電裝置；同時風速比較模塊還監測風速變化，當風速不變時至步驟S04，風速變化則至步驟S03；

S03當風速變化時，中心發電裝置風速變化前后的差值，按照一定間隔被記錄下來，并與預設的變動閾值相比較，當超過預設閾值時，風速比較模塊向風速變動預測模塊發出請求，調取高位、低位、水平發電裝置中被記錄的數據進行相似度比較；其中，當中心發電裝置與高位發電裝置和低位發電裝置相似度超過80％，與水平發電裝置相似度超過90％，則重新確定本組風機組為上風位風機組；

S04風速預測模塊根據上風位風機組的平均風力和風向，以及下風位風機相對于中心發電裝置的距離和角度來預測各下風位風機在固定時間間隔的風速變動，并根據風速變動向輸出預測模塊下達風力發電裝置的變動指令；

S05輸出預測模塊接到指令，計算在預定的時間后，對整個風場、各個風力發電機組以及某個風機的輸出進行變動。

其中優選的方案中，所述控制模塊方法還包括：在無風或風向變化超過風向預測模塊預設的閾值時通過初始化模塊將上風位風機組進行初始化，解散組別；其中，當上風位風機組的風況測定裝置5監測的風向角度變化超過預設的角度閾值30°時，所述輸出預測模塊根據 風向與存儲模塊組中的歷史記錄進行匹配，選擇對應編號的上風位風機組，作為初始上風位風機組。

本發明的有益效果在于：

1.通過多個發電裝置組合成上風位風機組，并依據其測定的風速平均值和位置對下風位機進行風速預測，預測結果準確率高；特別是在風速變化大時，相較于單個上風位風機組的預測準確率差的情況，本發明的預測準確率更高。

2.本發明的上風位風機組的組合根據實際情況進行實時組合、最優組合，隨時根據各個發電裝置的風速變化進行調節組合，進一步保障預測值的準確性。

3.本發明系統具有初始化功能，根據風停或風向變化情況，通過初始化模塊決定將上風位風機組進行初始化，解散組別。并根據歷史記錄方向的上風位風機組作為參考，作為初始上風位風機組。這樣節省了上風位風機組的組合工作，提高風機預測的工作效率。

4.地形特征按照高度的不同風況產生的變化會對風速產生影響，本發明控制系統通過設置預測風速修正模塊，盡量克服了地形特征對預測風速產生的誤差，更進一步提高了預測值的準確性。

附圖說明

圖1為本發明風力發電控制系統的第一種實施方式的結構示意圖；

圖2為本發明風力發電控制系統的第二種實施方式的結構示意圖；

圖3為中心發電裝置的實際風速變動曲線和水平發電裝置的實際風速變動曲線的特性比較圖。

具體實施方式

圖1示出了本發明風力發電場的風力發電控制系統的一種實施方式，所述風力發電控制系統1包括集中控制平臺2和由所述集中控制平臺2控制的風力發電場3，所述風力發電場3包括若干依地勢設置的風力發電裝置4，與每個風力發電裝置4一同設置的風況測定裝置5和控制所述風力發電裝置轉速的風力控制裝置6，所述集中控制平臺2包括控制模塊組8、通訊接口7及存儲模塊組9，所述控制模塊組8包括風機組模塊10、風速預測模塊11、輸出預測模塊13、輸出決定模塊14、轉速控制模塊15。

所述風況測定裝置5測定風力和風向數據后經過所述通訊接口7傳遞給所述控制組模塊8。

所述控制模塊組8根據風力和風向的變化值決定至少一組上風位風機組16和數個下風位機17；所述上風位風機組16中包括一個中心發電裝置，以及分別不少于一個的高位發電裝置、低位發電裝置和/或水平發電裝置。

所述風機組模塊10通過通訊接口獲取風機組各個發電裝置的風力和風向數據，并傳輸至風速預測模塊11。

所述風速預測模塊11用于根據所述上風位風機組16的平均風力和風向，以及所述下風位風機17相對于所述上風位風機組16的距離和角度來預測所述各下風位風機17在固定時間間隔的風速變動。

所述輸出預測模塊13根據前述確定某組為上風發電機組后，輸出預測模塊13接到指令，計算在預定的時間后，整個風場輸出變動，以及各個風力發電機組輸出變動，以及某個風機的輸出變動。

所述輸出決定模塊14用于決定每個所述風力發電裝置4的實際輸出功率。

所述轉速控制模塊15用于根據所出決定模塊14計算出的實際輸出功率，控制所述風力發電裝置4的實際轉速。

此外，所述存儲模塊組9的存儲區域包括裝置位置數據存儲區域和輸出特性存儲區域，可用于將各個風機的位置進行標示存儲，以便為控制模塊組8進行預測時提供基點到預測風機位置的相關位置參數，結合風況測定裝置5測定的風速數據，通過公式1進行計算下風位風機的延遲，該具體的計算過程在背景技術所引用的專利中有公開，在此不做詳細說明。

本發明的風力發電控制系統的又一種實施方式：所述控制模塊組10還包括有風速比較模塊12和中心發電機選擇模塊19，如圖2所示。所述風速比較模塊12用于比較上風位風機組16中每個發電裝置的實際風速與平均風速，并向中心發電機選擇模塊19發送比較數據，并經其模塊選定比較數據中差值最小的發電裝置為中心發電裝置。

所述控制模塊組10還包括組別修正模塊18；當風速變化時，中心發電裝置風速變化前后的差值，按照一定間隔被記錄下來，并與組別修正模塊18預設的變動閾值相比較，當超過預設閾值時，向風速預測模塊11發出請求，調取高位、低位、水平發電裝置中被記錄的數據進行相似度比較。當中心發電裝置的風速變動曲線與高位發電裝置和低位發電裝置的風速變化曲線相似度超過80％，與水平發電裝置的風速變化曲線相似度超過90％，則重新確定本組風機組為上風位風機組16；其中，風速變化曲線具體為在評價時間內，發電裝置的風速變動頻率和風速大小的關系特性曲線，相似度具體為不同發電裝置的風速變化曲線的形態相似度。舉例如圖3所示，在評價時間內，中心發電裝置的實際風速變動曲線a和水平發電裝置的實際風速變動曲線b的特性比較圖。

本發明控制系統的所述存儲模塊組9還包括有歷史存儲區域，用于將任一組合的上風位風機組16的相應位置與其受風風向組合，并編號進行存儲。所述控制模塊組10還包括有初始化模塊20，當上風位風機組16的風況測定裝置5檢測到風停或風向變化超過預設閾值時，通過初始化模塊20將上風位風機組16進行初始化，解散組別。

當風向角度變化超過預設的角度閾值30°時，所述輸出預測模塊13根據風向與存儲模塊組9中的歷史記錄進行匹配，選擇對應編號的上風位風機組16，作為初始上風位風機組16。

另外，地形特征按照高度的不同風況產生的變化會對風速產生影響，在如風與地面產生的摩擦會不同，根據高度的不同地面的影響力會不同。為盡量克服地形特征對預測風速產生的誤差，本發明控制系統的所述存儲模塊組9還包括有地表特征存儲區域，用于根據各個風機位置之間的地標特征記錄并進行誤差計算；所述控制模塊組10還包括風速預測風速修正模塊21，所述預測風速修正模塊21根據各個風機所在的地表特征及高度條件對預測風速進行修正。風速預測模塊11對預測風速進行計算時，從地標特征存儲區域提取相應的地標特征編號，并根據相應編號的參數進行誤差計算。誤差計算依據的誤差公式為：

$V_h=V_1\left(\frac{ln\frac{h}{Z_0}}{ln\frac{1}{Z_0}}\right)$

式中，h、l是從地面測量的高度，V_h、V_l是在所屬高度的風速，Z₀是地面粗糙系數。

通過上述公式計算得的預測風速與實際風速的誤差小，更進一步地提高了風機的恒定輸出的穩定性。

本發明的風力發電場根據上述控制系統還提供了風力發電控制方法，包括以下步驟：

S01風速測定裝置5監測上風位風機組16中各個發電裝置的風速；

S02風速比較模塊12接收各個發電裝置的實際風速，并計算出平均風速，向中心發電機選擇模塊19發送比較數據，選定差值最小的發電裝置為中心發電裝置；同時風速比較模塊12還監測風速變化，當風速不變時至步驟S04，風速變化則至步驟S03；

S03當風速變化時，中心發電裝置風速變化前后的差值，按照一定間隔被記錄下來，并與預設的變動閾值相比較，當超過預設閾值時，風速比較模塊12向風速變動預測模塊18發出請求，調取高位、低位、水平發電裝置中被記錄的數據進行相似度比較；其中，當中心發電裝置與高位發電裝置和低位發電裝置相似度超過80％，與水平發電裝置相似度超過90％，則重新確定本組風機組為上風位風機組16；

S04風速預測模塊11根據上風位風機組16的平均風力和風向，以及下風位風機17相對于中心發電裝置的距離和角度來預測各下風位風機17在固定時間間隔的風速變動，并根據風速變動向輸出預測模塊13下達風力發電裝置的變動指令；

S05輸出預測模塊13接到指令，計算在預定的時間后，對整個風場、各個風力發電機組以及某個風機的輸出進行變動。

其中，所述控制模塊方法還包括：在無風或風向變化超過風向預測模塊21預設的閾值時通過初始化模塊20將上風位風機組16進行初始化，解散組別；其中，當所述風況測定裝置5監測的風向角度變化超過預設的角度閾值30°時，所述輸出預測模塊13根據風向與存儲模塊組9中的歷史記錄進行匹配，選擇對應編號的上風位風機組16，作為初始上風位風機組16。

以上所述實施例僅僅是本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。