基于预测模型的风电机组载荷测试及仿真验证.pdf
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1、-85-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期三星推荐风电机组在装机完毕后需要对其实际载荷进行测试后方可合规入网。但风电受到工况环境影响较为显著,这使得载荷测试无法对全部的实际环境形成全覆盖,进而导致载荷测试效果与可靠性降低。针对这一情况,通过机器学习等方式形成预测模型在实测数据的基础上对全工况载荷情况进行仿真是一种有效方法。载荷测试系统的构建测试系统的硬件搭建风电机组局部载荷测试系统采用分布式采集的方式,主要由塔顶数据采集系统、主系统、气象测试系统等组成,系统之间采用 CAN 通讯,所有测试数据
2、最终存放于塔筒底部工控机内;系统基本原理图如图 1 所示。测试系统设备的构成与测试指标 各个测试子系统的组成及功能如下:(1)主系统:该测试系统配置数据采集主机模块,它具备 CAN 通讯入口,实现塔顶数据的收集与存储。同时,该模块可以同时采集 8路模拟信号和 8 路数字信号,实现塔底弯矩信号(双方向)、风电机组有功功率、偏航方位角、机舱风速、三个叶片桨距角、叶轮转速、发电机转矩等的测量;(2)塔顶数据采集系统;该测试系统配置一台模拟量采集器,该模块具备 16 个模拟信号通道通过组桥模块实现塔顶弯矩(双方向)、塔顶扭矩等的测量。在上述硬件结构下,可以对风电机组如下现场指标进行测试。(1)气象量:
3、主要包括轮毂高度风速、风向;温度、行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于预测模型的风电机组载荷测试及仿真验证窦智勇 王 稳 刘秉涛窦智勇1 王 稳2 刘秉涛31.国电电力河北新能源开发有限公司2.中电建新能源集团股份有限公司宁夏分公司3.中核汇能河北新能源有限公司 窦智勇(1982),山西大同,本科,工程师,研究方向:新能源安全生产运检管理。王稳(1984),湖南湘潭,本科,高级工程师,研究方向:风力发电。刘秉涛(1988),天津,副高级工程师,研究方向:风力发电。图 1 风电机组局部载荷测试系统原理图中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA
4、SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-86-三星推荐气压、湿度等;(2)电气量:主要包括有功功率、桨距角、偏航角、叶轮方位角等;(3)载荷量:主要包括塔底弯矩(俯仰弯矩和倾覆弯矩)、塔顶弯矩(俯仰弯矩和倾覆弯矩)、塔顶扭矩等。通过粘贴应变片组建惠斯通电桥的方式实现弯矩的测量。经过测试数据分析可以得出:(4)其他量:主要包括并网信号、状态信号、故障信号、刹车信号等。风电机组多工况条件下的载荷预测模型设计在上述硬件基础结构上,通过利用数据集对模型的训练可以实现测试模型对非实测工况下载荷结果的预测,该模型的建立大致包括如下几个主要方面。风电静止载荷模
5、型的构建在实际测试过程中能够获得风能信息与风电机组的载荷信息,二者能够形成严谨的对应关系。在固定的时间序列下,载荷变化较小,进而可以作为一个统一的结构单元来进行分析。基于风电系统的这一特征,可以利用湍流模型加以优化而表征此种对应关系。其模型函数如式(1)所示。()()()()nSnSnSfrCxx0,=(1)其中,C(r,f)为相干系数;r 为叶片在风向平面内的投影面积;f 为风平均频率;n 为网格点总数;Sx(n)为 X点位对应网格的变化谱线;S0(n)为原点对应网格的变化谱线。通过相干函数可以建立投影与风速之间的相关关系,具体的仿真方程式(2)所示。(2)其中,V 为轮毂高度风速;L 为相
6、干尺度参数;exp 为自然常数e为底的指数函数。通过公式(1)与公式(2)进行联立,可以利用风速替代风电载荷对其进行仿真。风电多工况条件下的载荷模型在实际运行过程中,风电系统存在多种的运行状态,其中较为典型的包括了变桨、变流与急停三种。上述三种工况由于运行状态不同,不能单一的以风速来进行描述,进而需要对其进行对应的工况模型建设。变桨状态变桨系统主要通过控制桨叶角度来调节机组发电机转速,从而控制功率输出和安全停机。当机组受到风剪、湍流等因素的影响时,风电的载荷会发生显著的变化,为了降低此种变化对发电机组甚至是对电网的冲击,需要通过变桨的方式对载荷进行调节,从变桨指令的发出到设备完成变桨在到发电机
7、组载荷平稳存在一定的时间延迟,既变桨响应。此种延迟需要在载荷预测方程中得以体现,通过对应变桨响应的计算实现对此类状态的载荷模拟,从而实现更为精准的预测,具体通过二阶传递函数对延迟状况进行模拟,如式(3)所示。(3)其中,x(t)为变桨响应;t为时间;为阻尼比;w为频率;u(t)为输出指令。通过上述方式能够实现变桨响应与输出指令之间的函数关系,进而对延迟情况进行了解,通过后续的机器学习严格控制延时误差,从而实现更好的预测。变流状态在实际的发电操作中通过变流器对发电机组的转矩进行调节,从而保持风量载荷与发电载荷之间的协调。当变流器出现故障或异常时,可能导致发电机输出电能的质量下降,从而增加机组的电
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