CN105545592A - 一种角度测量误差曲线的数据预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度测量误差曲线的数据预处理方法，包括以下步骤：按风速值将电磁功率转化为叶轮功率；统计风机的叶轮功率与实测风向偏差角度之间的相互关系；基于最小二乘方法得到一条最小二乘拟合曲线，并选取该曲线最高点对应的实测风向偏差角度作为该风速值下的角度测量误差；采用最小二乘拟合法，对各风速值下的角度测量误差进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数。本发明将从主控系统中获取风机的“电磁功率”转换为不可被主控系统监测的“叶轮功率”，进而通过“叶轮功率”与实测风向偏差角度进行统计和拟合，极大地改善了数据间的曲线相关性，从而提高了整条角度测量误差曲线δ＝f(v)的计算精度。

Description

一种角度测量误差曲线的数据预处理方法

技术领域

本发明涉及一种风速风向仪，特别是一种风速风向仪的角度测量误差补偿方法。

背景技术

风力发电机将风动能转化为电能，目标是在保持风机承受较低机械载荷的同时尽可能多的发电。要成功实现以上目标，关键是要让风机叶轮精确的对准风向。

如图1-2所示，根据风机动力学理论，当风速恒定且发电机转速低于额定转速时,风机的发电功率与风向偏差角度θ的余弦的三次方成正比。设风向无偏差时，风机叶轮获得的功率为Power1；当风速不变而风向偏差角度为θ时，风机叶轮获得的功率为Power2，则二者满足如下公式：

Power2＝Power1×cos³θ

因此，当风向偏差角度θ为15度时，会带来约10％的发电量损失。另外，叶轮的偏离会导致在叶轮乃至整个风机的机械载荷不平衡。这类载荷相比其他载荷会大得多，如果能降低，就能延长风机使用寿命，或者让现有风机带动更大的叶轮。

目前，在大多数风机上，风向偏差角度由安装在机舱上方的风速风向仪决定。但在风机的实际运行过工程中，风速风向仪所测量的风向偏差角度与叶轮处的实际风向偏差角度之间存在误差。

如图3所示，因为风速风向仪测量的是风机机舱尾部的风向偏差角度θ₂，而风机主控系统需要的是风机叶轮处的实际风向偏差角度θ₁，即两者间的角度测量误差表示为：

δ_θ＝θ₂-θ₁

大量实验表明，这个误差不是固定的，而是与风速相关的，并将这个随风速变化的误差定义为如下的角度测量误差曲线或角度测量误差函数：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ

风速风向仪计算角度测量误差曲线的核心是绘制出各风速段下，角度测量误差与功率之间的曲线关系，并在曲线最大值处获得风速风向仪的角度测量误差。为此需要获得风机的风速、风向偏差角度和功率三个参数。

其中风速和风向偏差角度直接来自风速风向仪的实测数据，并经过低通滤波器滤除风速和风向偏差角度中的干扰噪声。

功率参数可以从主控系统中获取，但是从主控系统获取的功率为风机的“电磁功率”，而角度测量误差曲线需要的是“叶轮功率”，为此需要进行数据预处理才能获得更准确的角度测量误差曲线。

关于角度测量误差曲线的数据预处理方法，目前还未见报道。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种角度测量误差曲线的数据预处理方法，以便能够提供更准确数据来提高角度测量误差曲线的补偿精度。

为了获取上述角度测量误差曲线，本发明的技术方案如下：一种风速风向仪的角度测量误差曲线的数据预处理方法，包括以下步骤：

A、风速风向仪以1Hz～10Hz的频率连续采集风场目标风机在1个月内的各项参数，所述的参数包括风速风向仪实测风向偏差角度、风速风向仪实测风速和主控系统实时监测的电磁功率P_Electric；

B、风速风向仪从上述采集的风机参数中，按风速从小至大的顺序选取一个风速值v_i；下标i为风速值的序号，设i＝1；

C、将该风速值v_i对应的实测风向偏差角度θ₂和电磁功率P_Electric进行统计，并用空心圆点描述在角度测量误差统计图中；

D、将电磁功率P_Electric转化为叶轮功率P_Rotor，转化公式如下：

P_Rotor＝P_Electric+P_Generator+P_Gearbox+P_Inertia

式中：P_Rotor为叶轮功率，P_Electric为电磁功率，P_Inertia为转动惯量功率，P_Gearbox为齿轮箱功率流失，P_Generator为发电机功率流失，其中，P_Inertia、P_Gearbox及P_Generator的计算方法从风机的传递函数和风机控制理论中计算获得；

E、统计风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系，并用实心圆点描述在角度测量误差统计图中；

F、对角度测量误差统计图中的实心点进行基于最小二乘方法的余弦曲线拟合，得到一条最小二乘拟合曲线，将风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系用一条余弦形式的拟合曲线表示，并选取该曲线最高点对应的风速风向仪实测风向偏差角度作为该风速值v_i下的角度测量误差δ_i；

G、如果该风速值v_i不是最大值，则选取下一个风速值，即令i＝i+1，返回步骤C；如果该风速值v_i是最大值，即获得风速风向仪在该风速值v_i下的角度测量误差δ_i；

H、采用最小二乘拟合法，对步骤G中的各风速值v_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数或角度测量误差曲线：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过数据预处理方法，将从主控系统中获取的风机“电磁功率”转换为不可被主控系统监测的“叶轮功率”，进而通过“叶轮功率”与风速风向仪的实测风向偏差角度进行统计和拟合，极大地改善了数据间的曲线相关性，能够更准确的表述某一风速值v_i下，风速风向仪的角度测量误差δ_i，从而提高了整条角度测量误差曲线δ＝f(v)的计算精度。

附图说明

本发明共有附图6张，其中：

图1是风机机舱正对风向示意图。

图2是风机机舱偏航示意图。

图3是实际风速和实测风速示意图。

图4是叶轮功率转化为电磁功率示意图。

图5是角度测量误差统计图。

图6是最小二乘拟合曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。一种风速风向仪的角度测量误差曲线的数据预处理方法，核心是绘制出各风速值下，风向偏差角度与功率之间的曲线关系，并在曲线最大值处获得风速风向仪的角度测量误差。具体包括以下步骤：

A、风速风向仪以1Hz的频率连续采集河北某风场某风机在1个月内的各项参数，所述的参数包括风速风向仪实测风向偏差角度、风速风向仪实测风速和主控系统实时监测的电磁功率P_Electric。

B、风速风向仪从上述采集的风机参数中，按风速从小至大的顺序选取一个风速值v_i；下标i为风速值的序号，设i＝1，v₁＝10m/s；

C、将该风速值v_i对应的实测风向偏差角度θ₂和电磁功率P_Electric进行统计，并用空心圆点描述在角度测量误差统计图中，如图5所示；由图5可知，风机的电磁功率P_Electric与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间没有很好的相关性；

D、如图4所示，将电磁功率P_Electric转化为叶轮功率P_Rotor，转化公式如下：

P_Rotor＝P_Electric+P_Generator+P_Gearbox+P_Inertia

式中：P_Rotor为叶轮功率，P_Electric为电磁功率，P_Inertia为转动惯量功率，P_Gearbox为齿轮箱功率流失，P_Generator为发电机功率流失，其中，P_Inertia、P_Gearbox及P_Generator的计算方法从风机的传递函数和风机控制理论中计算获得；

E、统计风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系，并用实心圆点描述在角度测量误差统计图中，如图5所示；由图5可知，实心点的分布有明显的走势变化，其曲线类似于余弦形式；

F、对角度测量误差统计图中的实心点进行基于最小二乘方法的余弦曲线拟合，得到一条最小二乘拟合曲线，将风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系用一条余弦形式的拟合曲线表示，如图6所示，并很容易的发现该曲线的最高点并没有出现在实测风向偏差角度θ₂＝0处，而是当风速风向仪实测风向偏差角度θ₂＝2°时，得到曲线最高点。即说明河北该风场该风机在风速值v₁＝10m/s时，风速风向仪实测风向偏差角度具有的角度测量误差为δ₁＝2°。

G、如果该风速值v_i不是最大值，则选取下一个风速值，即令i＝i+1，返回步骤C；如果该风速值v_i是最大值，即获得风速风向仪在该风速值v_i下的角度测量误差δ_i；

H、采用最小二乘拟合法，对步骤G中的各风速值v_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数或角度测量误差曲线：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ。

Claims (1)

1.一种角度测量误差曲线的数据预处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、风速风向仪以1Hz～10Hz的频率连续采集风场目标风机在1个月内的各项参数，所述的参数包括风速风向仪实测风向偏差角度、风速风向仪实测风速和主控系统实时监测的电磁功率P_Electric；

B、风速风向仪从上述采集的风机参数中，按风速从小至大的顺序选取一个风速值v_i；下标i为风速值的序号，设i＝1；

C、将该风速值v_i对应的实测风向偏差角度θ₂和电磁功率P_Electric进行统计，并用空心圆点描述在角度测量误差统计图中；

D、将电磁功率P_Electric转化为叶轮功率P_Rotor，转化公式如下：

P_Rotor＝P_Electric+P_Generator+P_Gearbox+P_Inertia

式中：P_Rotor为叶轮功率，P_Electric为电磁功率，P_Inertia为转动惯量功率，P_Gearbox为齿轮箱功率流失，P_Generator为发电机功率流失，其中，P_Inertia、P_Gearbox及P_Generator的计算方法从风机的传递函数和风机控制理论中计算获得；

E、统计风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系，并用实心圆点描述在角度测量误差统计图中；

F、对角度测量误差统计图中的实心点进行基于最小二乘方法的余弦曲线拟合，得到一条最小二乘拟合曲线，将风机的叶轮功率P_Rotor与风速风向仪实测风向偏差角度θ₂之间的相互关系用一条余弦形式的拟合曲线表示，并选取该曲线最高点对应的风速风向仪实测风向偏差角度作为该风速值v_i下的角度测量误差δ_i；

G、如果该风速值v_i不是最大值，则选取下一个风速值，即令i＝i+1，返回步骤C；如果该风速值v_i是最大值，即获得风速风向仪在该风速值v_i下的角度测量误差δ_i；

H、采用最小二乘拟合法，对步骤G中的各风速值v_i下的风速风向仪的角度测量误差δ_i进行最小二乘拟合，形成风速风向仪的角度测量误差函数或角度测量误差曲线：

δ＝f(v)≈a₀+a₁·v+a₂·v²+…+a_n·vⁿ。