一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法与流程

1.本发明涉及风电机组自适应变桨控制的技术领域，尤其是指一种限功率运行情况下用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法。


背景技术：

2.当气流经过风电机组叶轮扫风平面时，叶片吸收部分风能，对气流的阻挡和分离作用，导致风机下风处风速大幅衰减、湍流增强，这就是风机尾流效应。目前随着大型风电场的发展，海上风电机组趋于大型化，机组受尾流影响更加显著，机组间和风电场内部的风机尾流叠加效应尤为明显。
3.机组振动故障较多发生在尾流工况限功率条件下，尤其是因为限电限功率而导致机组运行转速在共振区间下界，此时转矩易达到饱和，因此转速控制主要由变桨系统来完成，但变桨响应速度按常规设计存在无法快速响应外部风况变化导致机组运行转速进入共振区间，特别在尾流工况下，尾流的影响叠加共振影响常常较容易发生振动故障。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于为解决现有技术中的不足，提供了一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，通过设计一种自适应变桨控制来优化尾流工况下因限电原因导致机组运行转速在共振区间下界，此时通过加快变桨系统响应提升机组变桨系统对外部风速变化的响应，起到稳定转速的目的。
5.本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，包括以下步骤：
6.s1、根据风电机组的限功率指令a、风电机组设计的转矩控制最优增益值b以及风电机组的共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速或是设计转速；
7.s2、对风电机组的限功率指令a进行限变化率，得到限变化率指令a'；
8.s3、根据限变化率指令a'、转矩控制最优增益值b、额定转速以及并网转速，计算实际风电机组的转矩给定c，即风电机组所能输出的最大转矩约束；
9.s4、根据限变化率指令a'和转矩给定c计算转速给定d＝a'/c，即变桨控制的参考转速；
10.s5、根据步骤s1至步骤s4，对风电机组在非限功率正常运行条件下以及在限功率条件下的变桨控制器进行控制参数整定，同时计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数；
11.s6、根据风电机组的桨叶角度、发电机转速、共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的所处条件，选择对应的变桨控制参数进行控制，从而稳定风电机组转速；
12.s7、进行仿真验证，评估风电机组在限电条件下响应限功率过程中的运行特性。
13.进一步，所述步骤s1包括以下步骤：
14.判断是否满足a＞b*(共振区间下界转速)3且a＜b*(共振区间上界转速)3，若满足则风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速，若不满足则风电机组的额定转速设置为设计转速。
15.进一步，所述步骤s3包括以下步骤：
16.s301、判断此时是否满足限变化率指令a'＞b*(额定转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/额定转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s302；
17.s302、判断此时是否满足限变化率指令a'＜b*(并网转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/并网转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s303；
18.s303、计算转矩给定进入步骤s4。
19.进一步，在步骤s5中，所述对风电机组在限功率条件下的变桨控制器进行控制参数整定，包括以下步骤：
20.首先，计算风电机组共振区间下界对应的最优运行功率p1、共振区间上界对应的最优运行功率p2，当限功率指令a处于p1《a《p2时，风电机组的转速给定设置为共振区间下界转速；
21.调整风电机组模型参数，将风电机组模型的额定功率设置为限功率值a，根据该额定功率及最优增益值计算出额定转速、额定转矩，然后调整风电机组模型中对应的设计参数；
22.最后，对调整的风电机组模型进行线性化，进行变桨控制器的参数整定。
23.进一步，在步骤s5中，所述计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数，包括以下步骤：
[0024][0025]
其中，e1为风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数，e2为风电机组在限电条件下的变桨控制参数，e3为不发生阶跃性变化的变桨控制参数。
[0026]
进一步，所述步骤s6包括以下步骤：
[0027]
s601、获取桨叶角度、风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数以及风电机组在限电条件下的变桨控制参数；
[0028]
s602、判断是否满足发电机转速大于共振区间上界转速，若满足则选择风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足，则进入步骤s603；
[0029]
s603、判断是否满足发电机转速不大于共振区间下界转速，若满足则选择风电机组在限电条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足则选择不发生阶跃性变化的变桨控制参数进行控制。
[0030]
本发明所提供的一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据上述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法的步骤。
[0031]
本发明所提供的一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法。
[0032]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0033]
本发明通过设计一种自适应变桨控制来优化风电机组在尾流工况下因限电原因导致运行转速在共振区间下界，加快变桨系统的响应，提升风电机组变桨系统对外部风速变化的响应，起到稳定转速的作用，使风电机组转速不会进入到共振区，减小振动故障发生的可能性。
附图说明
[0034]
图1为输出变桨控制参考转速的控制逻辑框图。
[0035]
图2为风电机组的变桨控制参数计算的逻辑框图。
具体实施方式
[0036]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0037]
实施例1
[0038]
参见图1至图2所示，为本实施例所提供的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，包括以下步骤：
[0039]
s1、根据风电机组的限功率指令a、风电机组设计的转矩控制最优增益值b以及风电机组的共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速或是设计转速，包括以下步骤：
[0040]
判断是否满足a＞b*(共振区间下界转速)3且a＜b*(共振区间上界转速)3，若满足则风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速，若不满足则风电机组的额定转速设置为设计转速。
[0041]
s2、对风电机组的限功率指令a进行限变化率，得到限变化率指令a'；
[0042]
s3、根据限变化率指令a'、转矩控制最优增益值b、额定转速以及并网转速，计算实际风电机组的转矩给定c，即风电机组所能输出的最大转矩约束，包括以下步骤：
[0043]
s301、判断此时是否满足限变化率指令a'＞b*(额定转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/额定转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s302；
[0044]
s302、判断此时是否满足限变化率指令a'＜b*(并网转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/并网转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s303；
[0045]
s303、计算转矩给定进入步骤s4。
[0046]
s4、根据限变化率指令a'和转矩给定c计算转速给定d＝a'/c，即变桨控制的参考转速；
[0047]
s5、根据步骤s1至步骤s4，对风电机组在非限功率正常运行条件下以及在限功率条件下的变桨控制器进行控制参数整定，同时计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数，包括以下步骤：
[0048]
按照公知方法对风电机组在非限功率正常运行条件下的变桨控制器进行变桨控制参数整定，得到变桨控制参数e1，如下表a：
[0049]
变桨角度radkpki0.054630.072960.00720.12130.0532740.005335
0.17030.0440910.004170.23210.0352060.0043280.28730.0290130.004930.33790.0258820.004561
[0050]
表a风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数e1
[0051]
对风电机组在限功率条件下的变桨控制器进行变桨控制参数整定，包括以下步骤：
[0052]
首先，计算风电机组共振区间下界对应的最优运行功率p1、共振区间上界对应的最优运行功率p2，当限功率指令a处于p1《a《p2时，风电机组的转速给定设置为共振区间下界转速；本实施例中，即当p1＝404kw，p2＝1188kw时，可以按照限功率a＝1000kw的条件整定控制器参数。
[0053]
调整风电机组模型参数，将限功率值1000kw设定为风电机组模型的额定功率，根据该额定功率及最优增益值计算出额定转速、额定转矩，然后调整风电机组模型中对应的设计参数；
[0054]
最后，对调整的风电机组模型进行线性化，进行变桨控制器的参数整定，得到变桨控制参数e2，如下表b：
[0055]
变桨角度radkpki0.0454240.3429120.016560.1560670.207580.008170.2617570.134170.005780.3768830.101090.004910.5002240.081330.004450.6069850.069090.00418
[0056]
表b风电机组在限电条件下的变桨控制参数e2
[0057]
计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数，公式如下：
[0058][0059]
其中，e1为风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数，e2为风电机组在限电条件下的变桨控制参数，e3为不发生阶跃性变化的变桨控制参数。
[0060]
s6、根据风电机组的桨叶角度、发电机转速、共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的所处条件，选择对应的变桨控制参数进行控制，从而稳定风电机组转速，包括以下步骤：
[0061]
s601、获取桨叶角度、风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数以及风电机组在限电条件下的变桨控制参数；
[0062]
s602、判断是否满足发电机转速大于共振区间上界转速，若满足则选择风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足，则进入步骤s603；
[0063]
s603、判断是否满足发电机转速不大于共振区间下界转速，若满足则选择风电机组在限电条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足则选择不发生阶跃性变化的变桨控制参数进行控制。
[0064]
s7、进行仿真验证，评估风电机组在限电条件下响应限功率过程中的运行特性，包括以下步骤：
[0065]
s701、编写控制器代码；
[0066]
s702、在正常非限电风电机组模型的基础上进行测试验证，仿真风速设置在额定风速以上，通过外部控制器实现额定功率至限功率至1000kw，然后恢复额定功率运行；
[0067]
s703、评估风电机组在响应限功率过程中，机组转速、振动、功率等运行特性。
[0068]
实施例2
[0069]
本实施例公开了一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，当所述指令由处理器执行时，执行根据实施例1所述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法的步骤。
[0070]
本实施例中的非暂时性计算机可读介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、u盘、移动硬盘等介质。
[0071]
实施例3
[0072]
本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法。
[0073]
本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、pda手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(plc，programmable logic controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。
[0074]
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据风电机组的限功率指令a、风电机组设计的转矩控制最优增益值b以及风电机组的共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速或是设计转速；s2、对风电机组的限功率指令a进行限变化率，得到限变化率指令a'；s3、根据限变化率指令a'、转矩控制最优增益值b、额定转速以及并网转速，计算实际风电机组的转矩给定c，即风电机组所能输出的最大转矩约束；s4、根据限变化率指令a'和转矩给定c计算转速给定d＝a'/c，即变桨控制的参考转速；s5、根据步骤s1至步骤s4，对风电机组在非限功率正常运行条件下以及在限功率条件下的变桨控制器进行控制参数整定，同时计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数；s6、根据风电机组的桨叶角度、发电机转速、共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的所处条件，选择对应的变桨控制参数进行控制，从而稳定风电机组转速；s7、进行仿真验证，评估风电机组在限电条件下响应限功率过程中的运行特性。2.根据权利要求1所述的一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，所述步骤s1包括以下步骤：判断是否满足a＞b*(共振区间下界转速)3且a＜b*(共振区间上界转速)3，若满足则风电机组的额定转速设置为共振区间下界转速，若不满足则风电机组的额定转速设置为设计转速。3.根据权利要求1所述的一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：s301、判断此时是否满足限变化率指令a'＞b*(额定转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/额定转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s302；s302、判断此时是否满足限变化率指令a'＜b*(并网转速)3：若满足则计算转矩给定c＝a'/并网转速，进入步骤s4；若不满足，则进入步骤s303；s303、计算转矩给定进入步骤s4。4.根据权利要求1所述的一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，在步骤s5中，所述对风电机组在限功率条件下的变桨控制器进行控制参数整定，包括以下步骤：首先，计算风电机组共振区间下界对应的最优运行功率p1、共振区间上界对应的最优运行功率p2，当限功率指令a处于p1<a<p2时，风电机组的转速给定设置为共振区间下界转速；调整风电机组模型参数，将风电机组模型的额定功率设置为限功率值a，根据该额定功率及最优增益值计算出额定转速、额定转矩，然后调整风电机组模型中对应的设计参数；最后，对调整的风电机组模型进行线性化，进行变桨控制器的参数整定。5.根据权利要求1所述的一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，在步骤s5中，所述计算不发生阶跃性变化的变桨控制参数，包括以下步骤：
其中，e1为风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数，e2为风电机组在限电条件下的变桨控制参数，e3为不发生阶跃性变化的变桨控制参数。6.根据权利要求1所述的一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，其特征在于，所述步骤s6包括以下步骤：s601、获取桨叶角度、风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数以及风电机组在限电条件下的变桨控制参数；s602、判断是否满足发电机转速大于共振区间上界转速，若满足则选择风电机组在非限电正常运行条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足，则进入步骤s603；s603、判断是否满足发电机转速不大于共振区间下界转速，若满足则选择风电机组在限电条件下的变桨控制参数进行控制，若不满足则选择不发生阶跃性变化的变桨控制参数进行控制。7.一种存储有指令的非暂时性计算机可读介质，其特征在于，当所述指令由处理器执行时，执行根据权利要求1至6任意一项所述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法的步骤。8.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1至6任意一项所述的用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法。

技术总结
本发明公开了一种用于稳定风电机组转速的自适应变桨控制方法，包括以下步骤：S1、根据风电机组的限功率指令、风电机组设计的转矩控制最优增益值以及风电机组的共振区间下界转速和共振区间上界转速，判断风电机组的额定转速设置；S2、对风电机组的限功率指令进行限变化率；S3、计算实际风电机组的转矩给定；S4、根据限变化率和转矩给定计算转速给定；S5、进行变桨控制参数整定；S6、判断风电机组的所处条件，选择对应的变桨控制参数进行控制，从而稳定风电机组转速；S7、进行仿真验证；本发明能够提升风电机组变桨系统对外部风速变化的响应，起到稳定转速的作用，使风电机组转速不会进入到共振区，减小尾流工况下振动故障发生的可能性。性。性。


技术研发人员：任娜 宋革非 曾超 朱光伟 常卡
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/6/27