一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法。该方法基于包括风速、有功功率、风湍流强度、环境温度以及环境气压等在内的风机数据采集与监视控制(SCADA)系统实时运行数据，在空气密度修正的基础上将风机功率数据修正到相同风湍流强度进行研究；依据一定风速间隔划分数据并计算中心点，进一步从中心点中选出用于功率曲线拟合的主导点，最后基于最小二乘B样条拟合算法拟合得到最终的功率曲线。主导点选取规则简化了模型复杂度，最小二乘B样条拟合算法保证了曲线光滑性与建模精度。本发明专利技术方法基于数据驱动，对风机数据无特殊要求，具有较强的普适性。与现有技术相比，兼顾了曲线的光滑性与准确性，具有较强的理论性与应用性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法
本专利技术涉及一种风机真实功率曲线获取算法，特别涉及一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法。
技术介绍
在传统化石能源资源匮乏和污染严重的现代社会，风能作为一种无污染、可再生的新能源而广泛为大众所青睐，风电产业也由此成为国内外大力发展的新型可再生能源产业之一。在我国，近十年来有关风电场的建设与相关研究工作无论是从数量上还是质量上来说都有着显著的提升，但在大力发展风力发电行业的同时，也伴随着风机自身的不断退化所导致的一系列负面因素。现今风力发电机在使用的过程中，由于风速具有间歇性与高度不确定性的特点，对风力发电机本身的性能评估造成了较大的影响，而正确对风力发电机的性能与健康状况进行评估与诊断则是风力发电运维方面合理规划的重要之处。考虑到风机在正常工作中，其不同情况下额故障大多数都会反映在风机的功率曲线中，因此对于风机功率曲线的准确获取是当前研究风机性能状况方面问题的潜在基础。而对于风机的功率曲线获取而言，如何将包含包括在内等多个维度的数据集信息转变为统一的数据信息并拟合出有实际意义的、满足应用及进一步分析处理的风机真实功率曲线则是目前研究的重点内容。然而，目前现有的功率曲线获取算法在功率曲线拟合过程中主要存在着以下两类不足之处：(1)传统的功率曲线获取方法中未考虑针对不同风湍流强度下功率修正的规范流程；(2)传统功率曲线的建模方法无法兼顾曲线的光滑性与机理特性，无法为湍流强度修正提供可靠有效的数据支撑。因此，现有的功率曲线获取技术在功率曲线的拟合过程中并未全面地考虑数据集的统一性与曲线的可靠性与真实性，需要通过规范化的流程加以改进。
技术实现思路
本专利技术目的在于对现有研究和技术存在的不足之处加以完善与规范化，提出一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法。该方法对风机功率曲线获取算法设计更为规范的风机数据迭代修正流程，可以提高获取功率曲线的准确性与可靠性，更具有实用价值；且一定程度上同时满足了曲线模型的机理特征与光滑程度，模型结果具有较高的扩展性。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，该方法包括以下步骤：1)根据待评估风机功率曲线获取需求，读取相应需求周期内总计N条待评估风机的SCADA系统中测量得到的风机运行数据信息，该信息包含风速{vi}、有功功率{Pi}、环境气压{Bi}、环境温度{Ti}以及风湍流强度{TIi}，将信息数据集记为其中i＝1,2,3,…,N；2)利用步骤1)中的信息数据集计算得出相应时刻的空气密度{ρi}，将数据集中的风速{vi}修正为参考空气密度ρ0下的修正风速3)将步骤2)中修正后的数据集中的修正风速以及有功功率{Pi}合成功率曲线数据集{WTPC}，并以一定的风速间隔将功率曲线数据集{WTPC}划分为M个区间，记第k个区间的数据个数为Nk、功率曲线数据集为其中k＝1,2,3,…,M，i＝1,2,3,…,Nk。计算每个区间内的平均修正风速以及平均有功功率并将记作该区间的初始中心点；4)从步骤3)中划分得到的M个区间的初始中心点中选出用于功率曲线拟合的个主导点其中利用最小二乘B样条拟合算法进行功率曲线拟合，将拟合得到的函数曲线B0(t)作为数据集{WTPC}的初始功率曲线PC0，并设置迭代次数l＝1；5)根据第l-1次迭代得到的功率曲线PCl-1，在第l次迭代中将风机运行数据集{WTPC}中的有功功率{Pi}修正为参考湍流强度TI0下的修正有功功率6)根据步骤5)中第l次迭代得到的修正有功功率重新计算每个区间内的平均修正有功功率并将记作该区间第l次迭代的迭代中心点；7)从第l次迭代的迭代中心点中选出用于功率曲线拟合的主导点，并利用最小二乘B样条拟合算法进行功率曲线拟合，将拟合得到的函数曲线Bl(t)作为数据集{WTPC}第l次迭代修正后的迭代功率曲线PCl，并设置迭代次数l＝l+1；8)重复进行步骤5)至步骤7)，直到迭代功率曲线PCl收敛为止，作为最终功率曲线PC。作为更进一步描述，所述方法步骤2)中，空气密度ρi以及修正风速的计算公式如下：a)空气密度ρi：其中R0为干燥空气的比气体常数；Rw为水蒸气的比气体常数；Pw为水蒸气的气压；Bi为环境气压，通过SCADA系统获取，或者通过估计，其中B0为标准海平面大气压强，e为自然常数，g为重力加速度，z为风机轮毂处海拔高度，R为空气的比气体常数；为相对环境湿度，通过SCADA系统获取，或者设置b)修正风速其中ρ0为参考空气密度。作为更进一步描述，所述方法步骤3)中，功率曲线数据集{WTPC}的区间划分方法如下：a)确定数据集{PCi}中的修正风速中的最大值并记其中vcut_off为风机切出风速；b)确定划分区间数M，则第k个区间的功率曲线数据集定义为其中为第k个区间的风速范围上界，同时为第k+1个区间的风速范围下界，其计算公式为此外，分别表示第1个区间的下界以及第M个区间的上界。作为更进一步描述，所述方法步骤3)中，每个区间内的平均修正风速平均有功功率及初始中心点计算方法如下：a)对第k个区间的功率曲线数据集平均修正风速平均有功功率计算公式如下b)将第k个区间内的平均修正风速与平均有功功率组合为初始中心点作为更进一步描述，所述方法步骤4)中，从初始中心点中选出用于功率曲线拟合的个主导点的方法如下：A)若初始中心点中不包括零点，补充定义中心点B)将初始中心点的平均修正风速与平均有功功率分别进行最大值-最小值归一化，得到归一化的平均修正风速与平均有功功率如下式所示：C)计算每个中心点的参数值公式为其中为归一化后相邻中心点与之间的弦长，公式为d0为所有归一化后中心点间的总弦长，即D)计算第1个至第M-1个中心点的离散曲率计算公式如下：其中为从第k-1个中心点开始的连续三个中心点在归一化后所围成三角形的面积，为归一化后第k+1个中心点与第k-1个中心点的弦长，公式为E)选取首尾两个中心点以及具有离散曲率极大值的中心点作为主导点，具有离散曲率极大值的中心点满足条件：且且其中为满足主导点对应离散曲率的下界，取值为F)将选取出的主导点记为个数记为作为更进一步描述，所述方法步骤4)中，利用最小二乘B样条拟合算法进行功率曲线拟合，具体为：a)确定最小二乘B样条拟合函数B0(t)形式如下式所示：其中Nj,p(t)为阶数为p的第j段B样条拟合函数的标准函数，t为最小二乘B样条拟合函数的自变量；为分段节点，其中计算公式如下：其中f0(j)为转换函数，对应第j个主导点在中心点序列中的下标k；为该最小二乘B样条拟合函数的第j个控制点。b)求解如下最小二乘优化函数确定以上B样条拟合函数B0(t)中的所有控制点c)将求解得到的最小二乘B样条拟合函数B0(t)转换为自变量为风速v的多项式形式，并作为数据集{WTPC}的初始功率曲线PC0。作为更进一步描述，所述方法步骤5)中，有功功率的修正公式如下：其中为第l次迭代得到的原数据集{WTPC}的修正有功功率，PCl-1为第l-1次迭代得到的功率曲线以风速v为自变量的多项式形式。作为更进一步描述，所述方法步骤8)中，对第l次迭代及其所获得的功率曲线PCl，当下述条件至少满足其一时，即认为功率曲线达到收敛：①其中δPC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据待评估风机功率曲线获取需求，读取相应需求周期内总计N条待评估风机的SCADA系统中测量得到的风机运行数据信息，该信息包含风速{vi}、有功功率{Pi}、环境气压{Bi}、环境温度{Ti}以及风湍流强度{TIi}，将信息数据集记为

【技术特征摘要】
1.一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据待评估风机功率曲线获取需求，读取相应需求周期内总计N条待评估风机的SCADA系统中测量得到的风机运行数据信息，该信息包含风速{vi}、有功功率{Pi}、环境气压{Bi}、环境温度{Ti}以及风湍流强度{TIi}，将信息数据集记为其中i＝1，2，3，…，N；2)利用步骤1)中的信息数据集计算得出相应时刻的空气密度{ρi}，将数据集中的风速{vi}修正为参考空气密度ρ0下的修正风速3)将步骤2)中修正后的数据集中的修正风速以及有功功率{Pi}合成功率曲线数据集{WTPC}，并以一定的风速间隔将功率曲线数据集{WTPC}划分为M个区间，记第k个区间的数据个数为Nk、功率曲线数据集为其中k＝1，2，3，…，M，i＝1，2，3，…，Nk；计算每个区间内的平均修正风速以及平均有功功率并将记作该区间的初始中心点；4)从步骤3)中划分得到的M个区间的初始中心点中选出用于功率曲线拟合的个主导点其中利用最小二乘B样条拟合算法进行功率曲线拟合，将拟合得到的函数曲线B0(t)作为数据集{WTPC}的初始功率曲线PC0，并设置迭代次数l＝1；5)根据第l-1次迭代得到的功率曲线PCl-1，在第l次迭代中将风机运行数据集{WTPC}中的有功功率{Pi}修正为参考湍流强度TI0下的修正有功功率6)根据步骤5)中第l次迭代得到的修正有功功率重新计算每个区间内的平均修正有功功率并将记作该区间第l次迭代的迭代中心点；7)从第l次迭代的迭代中心点中选出用于功率曲线拟合的主导点，并利用最小二乘B样条拟合算法进行功率曲线拟合，将拟合得到的函数曲线Bl(t)作为数据集{WTPC}第l次迭代修正后的迭代功率曲线PCl，并设置迭代次数l＝l+1；8)重复进行步骤5)至步骤7)，直到迭代功率曲线PCl收敛为止，作为最终功率曲线PC。2.根据权利要求1所述的一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，所述步骤2)中，空气密度ρi以及修正风速的计算公式如下：a)空气密度ρi：其中R0为干燥空气的比气体常数；Rw为水蒸气的比气体常数；Pw为水蒸气的气压；Bi为环境气压，通过SCADA系统获取，或者通过估计，其中B0为标准海平面大气压强，e为自然常数，g为重力加速度，z为风机轮毂处海拔高度，R为空气的比气体常数；为相对环境湿度，通过SCADA系统获取，或者设置b)修正风速其中ρ0为参考空气密度。3.根据权利要求1所述的一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，所述步骤3)中，功率曲线数据集{WTPC}的区间划分方法如下：a)确定数据集{PCi}中的修正风速中的最大值并记其中vcut_off为风机切出风速；b)确定划分区间数M，则第k个区间的功率曲线数据集定义为其中为第k个区间的风速范围上界，同时为第k+1个区间的风速范围下界，其计算公式为此外，分别表示第1个区间的下界以及第M个区间的上界。4.根据权利要求1所述的一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，所述步骤3)中，每个区间内的平均修正风速平均有功功率及初始中心点计算方法如下：a)对第k个区间的功率曲线数据集平均修正风速平均有功功率计算公式如下b)将第k个区间内的平均修正风速与平均有功功率组合为初始中心点5.根据权利要求1所述的一种考虑风湍流强度的风机真实功率曲线获取方法，其特征在于，所述步骤4)中，从初始中心点中选出用于功率曲线拟合的个主...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秦敏，鲍雨浓，王旭东，林巍，陈积明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33