本技术涉及一种大型风电机组气动性能演化分析方法,以功率系数为核心指标,通过数据补偿和滤波技术处理SCADA风速数据的偏差问题,实现气动性能的准确分析。
背景技术
风电产业潜力巨大。风电机组是将风能转换为电能的装置,捕获空气动能的能力与机组气动性能密切相关。因此,在风电机组设计时,结构与气动性能的分析是关注的焦点,一些气动性能分析方法,如经典的叶素—动量理论(BEM)、计算流体动力学(CFD)等受到广泛关注。例如,Amoretti等人基于BEM理论进行双转轮风电机组的气动设计,而Vaz等人考虑尾流对风轮平面的影响,建立了基于BEM理论的风电机组设计模型,Esfahanian等人则采用CFD和BEM混合分析来模拟机组风轮周围的流场,以预测空气动力学性能。笔者团队在前期研究中,构建了BEM理论和动态失速模型联合的风电机组气动载荷计算模型。气动设计与控制设计相结合,可以设计出风电机组功率特性曲线,作为机组运行控制策略的依据。随着服役年限的增加,风电机组自然老化带来的性能劣化不可避免。这一问题随着大批量风电机组进入“壮老”年,愈发不容忽视。有关风电机组老化及其评价的研究受到越来越多的研究者关注。在风电场,描述现场机组气动性能历史演化行为是事关机组运行维护与优化的一个难点问题。一是因为风电机组是超大型机械结构,现场进行气动流场测试无法进行,二是现场数据有限,没有直接描述气动性能的运行参数。
对现场服役机组而言,额外增加硬件测试系统并不现实,充分利用已有SCADA数据是可行之策。SCADA数据中记录了机舱风速、风轮(发电机)转速、发电机功率等诸多运行参数数据,可以间接反映风电机组气动性能。例如,风电机组气动性能会影响其功率系数,而基于SCADA数据可以进行功率系数计算,这样就在机组气动性能和SCADA参数间建立起关联关系。然而,SCADA数据往往不能直接使用,一些夹杂其间的零值、空值及异常值需要处理。近些年来,各国学者有针对性地开展了数据预处理研究。Xiang等人以功率曲线为基准,利用四分位法分配SCADA数据以剔除异常功率数据;为了解决小幅度传感数据被大幅度传感数据“淹没”的问题,Sun等人将多传感数据归一化在相近范围内;Yao等人提出了一种组合方法,通过识别异常数据类型来处理SACAD数据的异常值。但是,一般的数据预处理不能解决风速的“随机性”和“偏差性”问题。这两个问题是当前影响风电机组现场功率系数可靠计算的主要难点。风速的随机性意味着风速中夹杂着高频成分。从控制论角度,对风轮这样一个大惯性系统而言,高频风速不会对其转速变化产生影响,在进行功率系数分析时应尽量抑制其影响,否则将导致功率系数计算的偏差。风速的偏差性是指机舱测风仪测得的风速比风轮前沿风速要小,需要进行偏差补偿。虽然一些文献开展了风速滤波的研究,但是缺少符合风电机组实际特征的有效滤波方法,比如滤波截至频率(惯性系统时间常数)如何确定的问题没有得到有效解决。
实现思路