考虑风速传递函数修正的风力发电机组功率曲线测试方法与流程

本发明涉及风力发电机组功率特性测试，具体涉及考虑风速传递函数修正的风力发电机组功率曲线测试方法。

背景技术：

1、功率曲线是衡量风力发电机组发电性能的核心指标，其精准测试对机组验收、发电量评估与运维管理具有重要意义。按照国际电工委员会功率特性测试标准的定义，功率曲线是机组输出功率随自由来流风速变化的关系曲线，其中横轴自由来流风速的测量准确度直接决定功率曲线的可靠性。

2、传统功率曲线测试主要采用测风塔位置风速与机组实际功率相对应的方式获取功率曲线。测风塔按标准安装于机组上风向两倍至四倍风轮直径处，其测得的风速被近似作为自由来流风速。然而测风塔建设成本高昂、占地受限，且与被测机组之间存在空间距离，在山区等复杂地形条件下测风塔位置风速对机组轮毂位置来流的代表性有限，难以对大批量在役机组逐台开展长期测试。

3、为降低对测风塔的依赖，业界转而利用机组机舱位置直接安装的风速仪进行测量。机舱风速仪安装便捷、随机自带，但机舱位于风轮尾部，其测得的机舱风速受到风轮转动扰动与机舱体绕流的严重影响，与自由来流风速之间存在显著偏差，直接使用机舱风速将严重影响功率曲线测试精度。为此，需要建立由机舱风速映射为自由来流风速估算值的机舱风速传递函数，对机舱风速进行修正。

4、公开号为wo2011101475a2的世界知识产权组织专利申请，公开了一种运行风力发电机组以提供修正功率曲线的方法，该方法为每台机组提供个体化机舱风速传递函数以同时补偿机组结构效应与地形环境效应，并基于计算机选址模型生成期望功率曲线，通过将期望功率曲线与实测功率曲线相比较得到修正因子，进而由机舱风速估算自由来流风速并绘制修正后的功率曲线。然而，该方案依赖单向的处理流程，即先由模型或测量确定机舱风速传递函数、再套用该传递函数修正机舱风速、最后拟合功率曲线，机舱风速传递函数的辨识仅由风速仪一路观测支撑，一旦该路观测在低风速分仓与高风速分仓样本不足或机舱风速仪发生结冰、漂移、污染，传递函数辨识误差便无从被校验与纠正，测试精度受限于单一观测源，构成该方案在机舱风速传递函数辨识环节缺乏自洽约束这一核心技术瓶颈。

5、发明人进一步研究发现，上述核心技术瓶颈的根源在于：现有功率曲线测试流程将实时功率数据仅作为待拟合的因变量置于纵轴，而忽视了在额定风速以下区间功率与自由来流风速之间存在单调对应关系，实时功率本身即构成一路与机舱风速仪相互独立的自由来流风速观测量。现有单向处理流程丢弃了测试数据中本已存在的这第二路独立观测，致使机舱风速传递函数的辨识无法借助两路观测量之间的自洽比对形成闭环校验，从而在数据不均衡处无从纠偏、在传感器失效时无从告警。因此，如何在仅依赖单路机舱风速仪且分仓样本不均衡的约束下，利用测试数据内部已有的第二路独立观测将机舱风速传递函数辨识闭环自洽化，成为提升功率曲线测试精度亟待解决的关键问题。

6、公开号为cn112861429a的专利申请公开了一种风力机机舱传递函数计算方法，该方法获取单机理论功率曲线，选取切入风速到额定风速区域采用神经网络对该区域进行反推，将风电场实际运行的功率数据输入训练好的神经网络获取对应的来流风速值，并将机舱风速数据划分为高频区和低频区，分别在各个区间内对机舱风速与对应来流风速进行线性函数拟合，从而形成风机的机舱传递函数。

7、然而，该方案的功率反推与机舱拟合是两条并行开环支路，功率反推得到的来流风速没有被用来校验或重辨识传递函数，在测风塔样本稀疏的低风速与高风速分仓处辨识误差无从纠正；且现有技术中机舱传递函数由机舱风速与测风塔自由来流风速的同步测量数据通过分仓法建立，数学函数拟合不允许外推，该方案亦未引入功率反演风速作为独立观测源参与传递函数辨识，缺乏自洽约束。

技术实现思路

1、针对现有技术中风力发电机组功率曲线测试存在的机舱风速传递函数辨识仅由风速仪单路观测支撑、缺乏自洽约束致使测试精度受限于单一观测源的核心技术瓶颈，本发明提供考虑风速传递函数修正的风力发电机组功率曲线测试方法，通过将实时功率反转为一路与机舱风速仪相互独立的自由来流风速观测量、并以两路观测量在各风速分仓上的一致性为闭环约束对机舱风速传递函数进行观测一致性加权迭代联合辨识，在不新增测量硬件的前提下，从测量问题闭环可观测性的原理层面上实现机舱风速传递函数的自洽辨识与功率曲线的精准测试。

2、本发明的技术方案为：

3、考虑风速传递函数修正的风力发电机组功率曲线测试方法，包括以下步骤：

4、获取待测风力发电机组附近测风塔位置风速仪实测的自由来流风速与所述待测风力发电机组机舱风速仪同步实测的机舱风速，构成同步风速样本对；

5、对所述同步风速样本对按风向扇区辨识由机舱风速映射为自由来流风速估算值的机舱风速传递函数；

6、接入所述待测风力发电机组数据采集与监视控制系统提供的实时功率，在额定风速以下区间依据健康基准功率曲线对所述实时功率求逆得到功率反演风速；

7、将所述自由来流风速估算值与所述功率反演风速作为两路相互独立的自由来流风速观测量，以两路观测量在各风速分仓上的一致性为闭环约束，通过观测一致性加权交替迭代联合辨识，使机舱风速传递函数参数在测风塔标定样本稀疏的低风速分仓与高风速分仓处借助功率反演风速得到补充约束并收敛自洽，得到自洽机舱风速传递函数；

8、基于所述自洽机舱风速传递函数修正所述待测风力发电机组机舱风速长期实测数据得到自由来流风速估算值，将所述自由来流风速估算值与所述实时功率按风速分仓统计后以最小二乘法拟合得到功率曲线并评定测试结果不确定度。

9、优选的，所述交替迭代联合辨识包括交替执行第一子步与第二子步至收敛：

10、所述第一子步依据当前观测一致性权重按风向扇区重辨识所述机舱风速传递函数；

11、所述第二子步依据两路相互独立的自由来流风速观测量在各风速分仓上的一致性更新所述观测一致性权重，使一致性高的风速分仓样本的观测一致性权重增大、一致性低的风速分仓样本的观测一致性权重减小；

12、所述收敛以相邻两次迭代所述自由来流风速估算值在各风速分仓上的变化量小于预设收敛阈值为判据。

13、优选的，所述功率反演风速由额定风速以下区间内所述健康基准功率曲线的功率与风速单调段求逆得到；

14、所述机舱风速传递函数被限定为与待测风力发电机组功率性能无关的风速轴传递函数；所述待测风力发电机组功率性能判定所用自由来流风速估算值仅由所述机舱风速传递函数对机舱风速修正得到，功率反演风速不参与功率性能判定；

15、对同一风向扇区的所述自由来流风速估算值与所述功率反演风速之差登记为观测偏差，对所述观测偏差按时间序列执行累积和持续性检验，检验统计量超过预设漂移阈值时输出机舱风速仪漂移告警。

16、优选的，在所述第一子步重辨识所述机舱风速传递函数时施加可容许性约束，所述可容许性约束依据风轮致动盘动量关系要求所述机舱风速传递函数输出的自由来流风速估算值随机舱风速单调变化且所对应的风轮轴向诱导因子处于贝兹极限界内；

17、施加所述可容许性约束后所述机舱风速传递函数由数据驱动模型转为物理约束灰箱模型，所述物理约束灰箱模型用于对测风塔样本稀疏的高风速分仓的自由来流风速估算值进行物理约束下的修正与不确定度评估。

18、优选的，收敛后的所述观测一致性权重在风向扇区与风速分仓二维上构成观测一致性图谱；

19、对所述观测一致性图谱中观测一致性权重低于预设一致性阈值的区域聚类识别为畸变扇区，并依据所述观测一致性图谱对风向扇区执行数据驱动重划分，以重划分后的风向扇区替代固定几何风向扇区重新执行所述交替迭代联合辨识。

20、优选的，所述测风塔安装于距所述待测风力发电机组 2 倍至 4 倍风轮直径的上风向位置，所述测风塔位置风速仪与所述机舱风速仪以同一采样周期同步采集，同步采集时长覆盖预设风速区间与预设风况条件。

21、优选的，所述按风速分仓统计以 0.5 m/s 分仓宽度对所述自由来流风速估算值分仓，各风速分仓内样本数达到预设最小样本数后取分仓平均，所述不确定度按 a 类分量与 b 类分量合成得到。

22、优选的，所述 b 类不确定度分量包含机舱风速传递函数修正引入的不确定度，该分量取各风速分仓内自由来流风速估算值与功率反演风速的收敛残差标准差，经由局部功率曲线斜率传递为功率不确定度。

23、优选的，依据所述功率曲线与所述不确定度自动生成结构化功率曲线测试报告，并对所述功率曲线中低于设计功率曲线的运行区间自动标注。

24、优选的，将所述功率曲线、所述不确定度与机舱风速仪漂移告警按待测风力发电机组编号归档，形成机组性能动态档案，供机组质保期考核与运维策略评估调用。

25、本发明的有益效果在于：

26、第一，通过将额定风速以下的实时功率经健康基准功率曲线求逆得到功率反演风速、并使其与机舱风速传递函数输出的自由来流风速估算值构成两路相互独立的自由来流风速观测量，实现了测试数据内部第二路独立观测的显式利用。其机理在于，在额定风速以下区间功率随自由来流风速单调递增，功率数据因而蕴含了独立于机舱风速仪的自由来流风速信息，将其反转为观测量即为原本仅作纵轴因变量的功率赋予了风速轴的观测能力；相比仅由风速仪一路观测支撑传递函数辨识的单向流程，本方案在不新增任何测量硬件的前提下凭空为辨识环节增添了一路独立约束源。

27、第二，通过以两路相互独立的自由来流风速观测量在各风速分仓上的一致性为闭环约束、对机舱风速传递函数进行观测一致性加权迭代联合辨识，实现了机舱风速传递函数辨识的自洽化。其机理在于，同一自由来流风速被两路相互独立的观测量共同观测时构成闭环可观测结构，二者的分仓一致性可反向约束并重辨识传递函数参数，使测风塔样本稀疏的低风速与高风速分仓借助功率反演风速这一路观测得到补充约束；相比现有单向流程中辨识误差在数据不均衡处无从纠偏，本方案将后置的功率反演环节反向作用于前置的传递函数辨识参数，形成后置结果反哺前置参数的闭环，两路观测量的协同校验效果远超任一路观测量单独作用之和。

28、第三，通过对同一风向扇区的观测偏差按时间序列执行持续性检验，实现了机舱风速仪失效的自诊断。其机理在于，机舱风速传递函数一经自洽辨识固定后，若机舱风速仪发生结冰、漂移或污染，其输出的自由来流风速估算值将系统性偏离功率反演风速，两路观测量之间的观测偏差随时间呈现持续性累积，据此可在测试精度受损之前提前告警；相比现有方案在单一观测源下无从察觉传感器失效，本方案将闭环观测所固有的观测偏差转化为传感器健康的诊断信号。

29、第四，通过依据观测一致性图谱对风向扇区执行数据驱动重划分并对机舱风速传递函数施加基于风轮致动盘动量关系的可容许性约束，实现了畸变扇区的自动定位与高风速分仓的物理可信外推。其机理在于，收敛后的观测一致性权重在风向扇区与风速分仓二维上刻画了两路观测量自洽的空间分布，一致性低的区域恰对应尾流与地形畸变，据此重划分扇区可替代固定几何扇区的经验划分；施加致动盘动量可容许性约束后，机舱风速传递函数由纯数据驱动模型升级为物理约束灰箱模型，使测风塔样本稀疏的高风速分仓外推被约束在动量理论可容许范围内。