用于评估功率升级的性能影响的方法

摘要

公开了一种用于评估风电场(1)的一个或更多风力涡轮机(2、3、4)的功率升级的性能影响的方法。将所述风电场(1)的所述风力涡轮机(2、3、4)中的至少一些风力涡轮机(2、3、4)划分成目标风力涡轮机(3)的组和参考风力涡轮机(2)的组，并且在风力涡轮机处测量局部风速。对于目标风力涡轮机(3)中的每一个目标风力涡轮机(3)，生成传递函数，所述传递函数建立所述目标风力涡轮机(3)处所述局部测量的风速与所述参考风力涡轮机(2)中的每一个参考风力涡轮机(2)处所述局部测量的风速之间的关系。对目标风力涡轮机(3)中的每一个目标风力涡轮机(3)执行功率升级，并且随后在一个或更多风速区间内对参考风力涡轮机(2)和目标风力涡轮机(3)获得功率性能数据。对于目标风力涡轮机(3)，风速区间基于估计的风速，估计的风速基于传递函数和在参考风力涡轮机(2)处局部测量的风速。这容许将目标风力涡轮机(3)的功率性能数据直接与参考风力涡轮机(2)的功率性能数据进行比较，以评估功率升级的性能影响。

说明书

技术领域

本发明涉及用于评估风电场(wind farm)的一个或更多风力涡轮机的功率升级(upgrade)的性能影响的方法。

背景技术

通常给风力涡轮机提供有能够旋转的轮轴的形式的转子，该轮轴具有一组风力涡轮机叶片。风作用在风力涡轮机叶片上，由此使得轮轴旋转。轮轴的旋转运动被经由齿轮布置传递给发电机，或者在风力涡轮机为所谓的直接驱动类型的情况下，轮轴的旋转运动被直接传递给发电机。在发电机中，生成可以被供应至电网的电能。

为了提高现有的风力涡轮机的性能，可以对风力涡轮机执行一个或更多功率升级。功率升级可以例如是硬件升级的形式和/或软件升级的形式。硬件升级能够例如包括替换风力涡轮机叶片、改变风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓(profile)(例如，以涡流发电机、板条(slat)、辅助轮廓等的形式)、替换或改变风力涡轮机的其他部件等。软件升级能够例如包括风力涡轮机的控制软件等的升级。

在风力涡轮机的功率升级后，期望能够评估执行的功率升级是否已经导致了风力涡轮机的提高的性能，以及性能提高到了什么程度。然而，功率升级可能影响局部测量的风速，例如归因于相对于转子的风流动下游的变化，其中，风速计等通常布置在转子的风流动下游。此外，从功率升级之前的时间段到功率升级之后的时间段，其他状况可能会改变，例如风状况、天气状况、温度、湿度等。因此，在执行功率升级之前和执行功率升级之后的风力涡轮机的性能的直接比较通常将不提供关于归因于功率升级而对风力涡轮机的性能的影响的可靠的信息。

WO2015/077337A1公开了一种用于评估风力涡轮机升级的性能影响的方法。该方法包括确定风力涡轮机升级之前对于风力涡轮轮机的基线功率曲线，并确定风力涡轮机升级之前对于风力涡轮轮机的基线风速传递函数，风速传递函数将参考风速与对于风力涡轮机的局部风速相关联。该方法也可以包括确定风力涡轮机升级之后对于风力涡轮轮机的升级的风速传递函数，并基于基线风速传递函数和升级的风速传递函数来确定对于风力涡轮机的校正的局部风速。可以基于校正的局部风速来确定对于风力涡轮机的升级的功率曲线。

发明内容

本发明的实施例的目的是提供用于评估一个或更多风力涡轮机的功率升级的性能影响的方法，该方法提供关于由功率升级引起的对性能的影响的可靠的信息。

本发明的实施例的另一目的是提供用于评估一个或更多风力涡轮机的功率升级的性能影响的方法，其中，确保了可靠的风数据在所有时间可用。

本发明提供了一种用于评估风电场的一个或更多风力涡轮机的功率升级的性能影响的方法，所述方法包括以下步骤：

-将所述风电场的所述风力涡轮机中的至少一些风力涡轮机划分成目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组；

-操作所述风电场的所述风力涡轮机，同时获得所述风力涡轮机中的每一个风力涡轮机处局部测量的风速；

-对于所述目标风力涡轮机中的每一个目标风力涡轮机，生成传递函数，所述传递函数建立所述目标风力涡轮机处所述局部测量的风速与所述参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机处所述局部测量的风速之间的关系；

-对所述目标风力涡轮机中的每一个目标风力涡轮机执行功率升级；

-操作所述风电场的所述风力涡轮机，同时获得至少所述参考风力涡轮机处局部测量的风速；

-在一个或更多风速区间内，基于所述参考风力涡轮机处局部测量的风速，来获得对于所述参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机的功率性能数据；

-在所述一个或更多风速区间内，基于估计的风速，来获得对于所述目标风力涡轮机中的每一个目标风力涡轮机的功率性能数据，所述估计的风速是借助于所述参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机处局部测量的风速和对所述目标风力涡轮机中的每一个目标风力涡轮机的先前生成的传递函数而获得的；

-将对所述参考风力涡轮机和对所述目标风力涡轮机所获得的功率性能数据进行比较；以及

-基于所述比较，评估所述功率升级的性能影响。

从而，本发明涉及用于评估风电场的一个或更多风力涡轮机的功率升级的性能影响的方法。在本上下文中，术语“功率升级”应当解释为意指被执行以提高风力涡轮机的功率输出的故意的行为。因而，根据本发明的方法是评估执行的功率升级是否导致风力涡轮机的性能的提高以及执行的功率升级导致风力涡轮机的性能的何种程度的提高。

在本上下文中，术语“风电场”应当解释为意指布置在现场内的风力涡轮机的组，现场即良好限定的地理区域。风电场可以布置在陆上或海上。风电场的风力涡轮机有时依赖于彼此地至少部分受到控制。风电场有时也称为‘风力发电站(wind power plant)’或‘风力发电厂(wind park)’。

根据本发明的方法，将风电场的至少一些风力涡轮机初始划分成目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组。这可以涉及风电场的所有风力涡轮机，在该情况下，风电场的每一个风力涡轮机被分配至目标风力涡轮机的组或参考风力涡轮机的组。作为替代，可以忽略风电场的一些风力涡轮机，在该情况下，这些风力涡轮机既不分配给目标风力涡轮机的组，也不分配给参考风力涡轮机的组。然而，没有风电场的风力涡轮机将被分配给目标风力涡轮机的组，同时也分配给参考风力涡轮机的组。

在目标风力涡轮机以及参考风力涡轮机跨风电场的现场分布的意义上可，风电场现场内的目标风力涡轮机和参考风力涡轮机的分别的位置可以混合。作为替代，目标风力涡轮机和/或参考风力涡轮机可以布置在风电场的现场的特定部分中。

接下来，以正常方式操作风电场的风力涡轮机，同时在每一个风力涡轮机处获得局部测量的风速。可以例如借助于布置在每一个风力涡轮机处或附近的诸如风速计的测量装置来获得局部风速。

对于每一个目标风力涡轮机，然后生成传递函数。传递函数建立目标风力涡轮机处局部测量的风速与参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机处局部测量的风速之间的关系。从而，对于给定目标风力涡轮机的传递函数能够用于基于参考风力涡轮机处局部测量的风速来估计或计算目标风力涡轮机处局部测量的风速。此外，因为在风力涡轮机以正常方式操作时，并且在执行任何功率升级之前，生成传递函数，所以传递函数反映测量的风速之间的实际关系，就如其在执行功率升级之前发生的那样。此时间段可以称为‘训练时段’。

接下来，对每一个目标风力涡轮机执行功率升级，而参考风力涡轮机保持不变。

在目标风力涡轮机的功率升级之后，再次以正常方式操作风电场的风力涡轮机，同时至少在每一个参考风力涡轮机处获得局部测量的风速。还可以在目标风力涡轮机处获得局部测量的风速。此时间段可以称为‘测试时段’。

在风力涡轮机的操作期间，在目标风力涡轮机的功率升级之后，对每一个参考风力涡轮机和每一个目标风力涡轮机获得功率性能参数。

在一个或更多风速区间内基于参考风力涡轮机处局部测量的风速来获得对于参考风力涡轮机的功率性能数据。从而，对于参考风力涡轮机的功率性能数据，依赖于在相应的参考风力涡轮机处测量的局部测量的风速来限定风速区间。

然而，目标风力涡轮机的功率性能数据是在所述一个或更多风速区间内基于估计的风速来获得的，所述估计的风速是借助于参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机处局部测量的风速和对于相应的目标风力涡轮机的先前生成的传递函数而获得的。从而，关于目标风力涡轮机的功率性能数据，不依赖于局部测量的风速。而是，依赖于基于传递函数和参考风力涡轮机处的测量的风速的局部风速的估计值来提供功率性能数据所需的风速。由此，功率升级可能对目标风力涡轮机处局部测量的风速的任何影响不反映在对于目标风力涡轮机的获得的功率性能数据中。因而，能够易于比较对于参考风力涡轮机和对于目标风力涡轮机获得的功率性能数据，以容许可靠地评估源自功率升级的性能影响。

因而，比较对于参考风力涡轮机和对于目标风力涡轮机获得的功率性能数据，并且基于该比较来评估功率升级的性能影响。

基于参考风力涡轮机处局部测量的风速来生成对于每一个目标风力涡轮机的传递函数是有利的，因为这容许避免用于提供参考风速数据的例如气象桅杆(metmast)形式的独立测量站。此外，因为传递函数依赖于来自多个测量装置的测量的风速，所以能够获得可靠的测量结果，甚至在测量装置中的一个或更多测量装置发生故障或不可用时也是如此。最后，获得了统计上可靠的结果。

执行功率升级的步骤可以包括执行所述目标风力涡轮机的硬件升级和/或软件升级。

如上所述，硬件升级能够例如包括替换风力涡轮机叶片、改变风力涡轮机叶片的空气动力学轮廓(profile)(例如，以涡流发电机、板条(slat)、辅助轮廓等的形式)、替换或改变风力涡轮机的其他部件等。软件升级能够例如包括风力涡轮机的控制软件等的升级。

生成传递函数的步骤可以包括训练学习算法。根据此实施例，在时间段期间逐渐生成对于相应的目标风力涡轮机的传递函数，并且基于经验风速数据来获得传递函数，经验风速数据是在充分长的时间段期间收集的以提供用于估计目标风力涡轮机处的局部风速的统计上可靠的基础。

替代地或附加地，可以使用线性回归方法来执行生成传递函数的步骤。

对于给定目标风力涡轮机的传递函数的目的是为了能够基于在参考风力涡轮机处局部测量的风速来估计或预测目标风力涡轮机处的局部风速。对于第i目标风力涡轮轮机的传递函数可以有利地是以下形式：

其中，表示估计的风速，f_i是对于第i个目标风力涡轮机的预测器函数，且X_R表示从参考风力涡轮机获得的参考风速数据。假定存在n_R个参考风力涡轮机，可以例如创建获得n_R个拟合线性回归函数的目标风速关于参考风速的线性回归。然后可以将单个风速分数合成为预测值的平均值：

其中a_ij+b_ijv_ij表示时间t处的第j个参考预测。

作为替代，可以使用使用所有参考风力涡轮机风速作为回归量的目标风速的多重回归。

目标风力涡轮机的组可以包括至少两个目标风力涡轮机和/或参考风力涡轮机的组可以包括至少两个参考风力涡轮机。优选地，目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组包括多个风力涡轮机。然而，本发明也应当被视为涵盖其中目标风力涡轮机的组包括仅一个风力涡轮机和/或参考风力涡轮机的组仅包括一个参考风力涡轮机的方法。

目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组组合可以基本上包括风电场的所有风力涡轮机。根据此实施例，风电场中的每一个风力涡轮机与参考风力涡轮机的组或目标风力涡轮机的组相关联。

作为替代，可以从过程忽略风电场的一些风力涡轮机。例如，风电场的一些风力涡轮机可以因为一些原因而产生通常不代表风电场的风力涡轮机的功率性能数据和/或风速测量结果。由此，由该风力涡轮机获得的数据实际上可能扰乱或劣化生成的传递函数，而不是对传递函数的统计可靠性做贡献，并且如果忽略该风力涡轮机，则获得了更可靠的传递函数。忽略的风力涡轮机能够例如布置在风电场的现场的部分中，其中会发生特殊状况，例如，就地形、风尾流、湍流、风切变等来说。替代地或附加地，相比于与目标风力涡轮机的组或参考风力涡轮机的组相关联的风力涡轮机，忽略的风力涡轮机可以是不同的类型。

目标风力涡轮机的数量可以基本上等于参考风力涡轮机的数量。例如，风电场的近似一半的风力涡轮机可以与参考风力涡轮机的组相关联，并且风电场的近似一半的风力涡轮机可以与目标风力涡轮机的组相关联。

目标风力涡轮机和参考风力涡轮机可以跨风电场的现场分布，使得目标风力涡轮机和参考风力涡轮机混合在彼此之间。风力涡轮机的分布可以例如被选择成使得最小化传递函数中的不确定性。

从而，目标风力涡轮机和参考风力涡轮机可以在风电场内空间上分布在彼此之间。

可以使用合成函数获得借助于参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机处局部测量的风速和先前生成的传递函数而获得的估计的风速，合成函数将对于每一个参考风力涡轮机至每一个目标风力涡轮机的估计减少至一个估计。合成函数能够例如是简单平均值、中值、几何平均数或另一简单的聚合。

从而，合成函数可以是每风速区间的平均值或加权平均值。在合成函数是加权平均值的情况下，能够例如基于每一个参考风力涡轮机与讨论的目标风力涡轮机之间的距离来计算或选择权重。例如，权重能够是(1/距离)或(1/距离×传递函数的不确定性)。由此，相比于来自布置为远离目标风力涡轮机的参考风力涡轮机的风速测量结果，对来自布置为靠近讨论的目标风力涡轮机的参考风力涡轮机的风速测量结果给予更大的权重。然而，可以替代地使用简单平均值，或者可以以另一方式计算或选择权重，例如，考虑现场处的特定状况，诸如风尾流、预期的湍流、预期的风切变、山和谷等。

例如，合成函数可以包括克里金(Kriging)作为内插方法。在此情况下，将表面拟合到风速数据，执行对于感兴趣的位置，即目标风力涡轮机的位置，的内插。普通克里基本上是对空间分布数据的加权平均，其中，通过空间相关来估计权重。通用克里金假定多项式表面，而不是平均，并且还存在薄板样条版本。替代地，合成方法可以是回归学习算法或空间-时间动态模型的形式。

方法还可以包括对目标风力涡轮机中的每一个目标风力涡轮机，生成功率传递函数的步骤，功率传递函数建立目标风力涡轮机的所获得的功率性能数据与参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机的功率性能数据之间的关系。

根据此实施例，对每一个目标风力涡轮机生成第二传递函数，即功率传递函数。此第二传递函数建立目标风力涡轮机的所获得的功率性能数据与参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机的所获得的功率性能数据之间的关系，而不是建立局部测量的风速之间的关系。由此，可以基于使用第二传递函数获得的估计的功率性能数据与测量的功率性能数据之间的比较来评估功率升级的性能影响。

获得对于参考风力涡轮机的功率性能数据的步骤可以包括获得对于参考风力涡轮机的年能量生产数据和/或获得对于目标风力涡轮机的功率性能数据的步骤可以包括获得对于目标风力涡轮机的年能量生产数据。

对于风力涡轮机的年能量生产表示风力涡轮机在年期间能够生产的能量的量。因为风力涡轮机的能量生产可以在一个季度与另一季度之间变化很大，所以年能量生产提供了对于风力涡轮机的拥有者可以预期风力涡轮机将生产的能量水平的合适的度量。

替代地或附加地，获得对于参考风力涡轮机和/或目标风力涡轮机的功率性能数据的步骤可以包括生成功率曲线。

一个或更多风速区间可以包含从切入风速至名义风速的范围内的风速。在本上下文中，术语‘名义风速’应当解释为意指用以产生风力涡轮机的名义功率输出的风速。从切入风速至名义风速的风速范围有时称为部分负载区域。许多风力涡轮机被设计成使得他们大多数时间在此区域操作。此外，一旦达到名义风速，则风力涡轮机将被操作成使得由风力涡轮机产生名义功率。因此，部分负载区域是预期功率升级对风力涡轮机的性能具有最显著影响的区域。

还可以针对多个不同的风向扇区的每个计算传递函数。风电场中的给定风力涡轮机的性能可以显著变化，取决于风的方向，例如由于风尾流的影响、地形的变化等。因此，在生成传递函数时考虑风的方向是有利的。

根据一个实施例，可以组合多个目标风力涡轮机的功率性能数据以增大比较的统计强度，并且由此增大对功率升级的性能影响的评估的统计强度。

对目标风力涡轮机执行的功率升级不必对所有的目标风力涡轮机为相同的功率升级。例如，对于一些目标风力涡轮机，可以升级控制软件，而对一些其他风力涡轮机，可以将涡流发电机花样翻新到风力涡轮机叶片上。作为替代，可以对所有目标风力涡轮机执行相同的功率升级。

方法还包括在评估功率升级的性能影响的步骤揭示功率升级导致了目标风力涡轮机的性能的提高的情况下，对参考风力涡轮机中的每一个参考风力涡轮机执行功率升级的步骤。

根据此实施例，如果其证明功率升级实际上对目标风力涡轮机的性能具有积极的影响，则可以得出功率升级合适并提供期望的结果的结论。因此对风电场的其余风力涡轮机，即对参考风力涡轮机，执行功率升级被视为是合适的。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，附图中：

图1示出了包括目标风力涡轮机和参考风力涡轮机的风电场的布局；

图2示出了风别对于目标风力涡轮机和参考风力涡轮机的功率曲线；以及

图3是示例根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了包括多个风力涡轮机2、3、4的风电场1的布局。将几乎风电场1的所有风力涡轮机2、3、4划分成参考风力涡轮机2的组和目标风力涡轮机3的组。参考风力涡轮机2的位置标注有三角形，而目标风力涡轮机3的位置标注有实心圆(filled circle)。可以看出，参考风力涡轮机2和目标风力涡轮机3在风电场1的整个现场分布，并且由此参考风力涡轮机2和目标风力涡轮机3布置在彼此之间。

小数量的风力涡轮机4由开圆标注。这些风力涡轮机4不用于执行根据本发明的方法。这可以例如因为已知风力涡轮机4产生的风速测量结果和/或功率性能数据通常不代表风电场1的风力涡轮机的风速测量结果和/或功率性能数据。因此，在执行本发明的方法时，包括来自这些风力涡轮机4的数据是不合适的。

如上所述，在已经将风电场1的风力涡轮机2、3、4划分成参考风力涡轮机2的组、目标风力涡轮机3的组以及未使用的风力涡轮机4的组时，风电场1的风力涡轮机2、3、4以正常方式操作，同时获得每个参考风力涡轮机2和每个目标风力涡轮机3处的局部测量的风速。

接下来，对每个目标风力涡轮机3生成传递函数。传递函数建立目标风力涡轮机3处局部测量的风速与每个参考风力涡轮机2处局部测量的风速之间的关系。由此，能够使用与目标风力涡轮机3相关联的传递函数，基于参考风力涡轮机2处测量的风速来估计给定目标风力涡轮机3处的局部风速。

一旦已经生成了传递函数，就对每一个目标风力涡轮机3执行功率升级。功率升级能够例如是硬件升级和/或软件升级，如上所述。

在目标风力涡轮机3的功率升级之后，风力涡轮机2、3、4再次以正常方式操作，同时至少在参考风力涡轮机2处获得局部测量的风速。

在风力涡轮机2、3、4的操作期间，对每一个参考风力涡轮机2和每一个目标风力涡轮机3获得功率性能数据。在一个或更多风速区间(interval)内，基于参考风力涡轮机2处的局部测量的风速，来获得对于参考风力涡轮机2的功率性能数据。还在该一个或更多风速区间内，但是基于借助于先前生成的传递函数和每一个参考风力涡轮机2处局部测量的风速获得的估计的风速，来获得对于目标考风力涡轮机3的功率性能数据。因而，由功率升级引起的对目标风力涡轮机3处的局部测量的风速的任何影响将不影响目标风力涡轮机3的获得的功率性能数据，并且因此参考风力涡轮机2的功率性能数据和目标风力涡轮机3的功率性能数据是易于可供比较的。

因而，对对于参考风力涡轮机2和目标风力涡轮机3的获得的功率性能数据进行比较，并基于比较评估功率升级的性能影响。

在性能影响的评估揭示功率升级对目标风力涡轮机3的功率性能具有积极的影响的情况下，也可以对参考风力涡轮机2执行功率升级。

图2示出了分别对于目标风力涡轮机和参考风力涡轮机的功率曲线。更具体地，图2的曲线示例了作为风速的函数的风力涡轮机的标准化功率输出。功率曲线可以是例如基于从图1的风电场1的参考风力涡轮机2和目标风力涡轮机3获得的功率性能数据生成的。

标注有三角形的曲线是基于从参考风力涡轮机的组获得的功率性能数据生成的，而标注有圆的曲线是在功率升级之后，以以上描述的方式，基于从目标风力涡轮机的组获得的功率性能数据生成的。

在部分负载区域，即在切入风速与名义风速(即对应于名义输出功率的风速)之间的风速区域，在给定风速处，目标风力涡轮机的标准化功率输出通常比参考风力涡轮机的标准化功率输出高。因而，比较图2的两条曲线揭示了至少在部分负载区域，对目标风力涡轮机执行的功率升级对目标风力涡轮机的性能具有积极的影响。

图3是示例根据本发明的实施例的方法的流程图。过程在步骤5开始。在步骤6，在风电场的多个风力涡轮机处局部测量风速数据，即收集风速数据。

在步骤7，将风电场的风力涡轮机划分成目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组，并且，取决于与风速测量结果所源自的目标风力涡轮机相关联的组，将收集的风速数据相应地标注为与目标风力涡轮机或参考风力涡轮机相关联。

应当注意，能够以颠倒的方式执行步骤6和7，即可以在收集风速数据之前，将风力涡轮机划分成目标风力涡轮机的组和参考风力涡轮机的组。

在步骤8，基于收集的风速数据，对每一个目标风力涡轮机生成传递函数，并且在步骤9，将合成方法拟合到传递函数和风速数据。每一个传递函数建立目标风力涡轮机处局部测量的风速与每一个参考风力涡轮机处局部测量的风速之间的关系。在步骤10，这导致受过教育的算法。

在步骤11，生成对于目标风力涡轮机的功率性能的基线结果。

在步骤12，在对目标风力涡轮机执行功率升级之后，至少从参考风力涡轮机再次收集风速数据。在步骤13，基于在步骤12收集的风速数据并使用步骤10的受过教育的算法，预测目标风力涡轮机的预期的功率性能。在步骤14，将目标风力涡轮机的预测的功率性能与在步骤11获得的基线结果进行比较。

基于此比较，在步骤15，评估对目标风力涡轮机执行的功率升级的影响，之后，在步骤16，过程结束。