一种风力发电机组降载控制方法及系统与流程

1.本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组降载控制方法及系统。


背景技术：

2.现在市场上的主流风力发电机组均采用变速变桨控制方案，而额定风速阶段是转矩控制和桨距控制转换的工况情况，其控制稳定性差，并且风力机额定风速情况下的推力最大，寿命周期内疲劳寿命损失占比大，所以该阶段的控制稳定性和载荷水平直接关系到机组的运行效率和安全性。风力发电机正常时，额定风速附近推力出现极值，转矩也达到最大值，多种极端载荷都会出现在额定风速附近，所以该阶段是执行降载控制的关键阶段。
3.目前，风力发电机组主要通过“自适应收桨”方案实现降载，主要过程为：检测风速、转速、桨距角、机组震动等传感器信号，并根据传感器信号估算载荷出现极限载荷的情况，如果分析出风力发电机组可能出现极限载荷，则进行一定角度的收桨控制。其中，估算极限载荷的方法有利用高精度超声波雷达测量风速，将风速与桨距角相对应进行收桨控制；有通过震动信号分析极端载荷出现时刻，并进行收桨控制；也有通过记录风轮气动特性，结合发电机转速、功率及叶片桨距角估算出极端载荷出现时刻，进行收桨控制。上述各种“自适应收桨”方案虽然能起到降低极端载荷，但由于风力机功率和载荷等对桨距角在0
°
附近的敏感性大、不同叶片的特性差异大，控制器直接控制桨距角收桨容易造成功率下跌严重，使得在特定风速范围内周期性触发“进入”+“退出”相关控制流程，容易引起机组震动过大和超载等问题。
4.另外，通过激光雷达测量和预测风速变化的方法虽然控制原理简单，但激光雷达价格昂贵，一般为选配组件，基于该设备的控制器并不具有通用性；基于震动信号的收桨控制方法能降低震动大时的载荷，仅适用于作为补充控制策略；通过记录风轮气动特性估算风速及载荷情况的方法也具有局限性，仿真得到的风轮气动特性数据往往与实际机组风轮有一定误差，容易造成控制器参数整定困难。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种风力发电机组降载控制方法，用以解决现有的降低风力发电机组载荷的方法存在的直接控制桨距角收桨容易造成功率下跌严重，从而容易引起机组震动过大的问题；还提供了一种风力发电机组降载控制系统，用于实现上述控制方法的流程。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电机组降载控制方法，包括如下步骤：
7.采集功率和桨矩角信号，当采集的功率大于设定的降载控制的功率下限pmin，且采集的桨矩角小于设定的降载控制的桨矩角上限时，调整发电机额定转速，使其大于原始额定转速，并根据采集的功率与降载控制的功率下限p
min
和风力机额定功率pe之间的关系，
调整限功率值p
x
以实现降载控制。
8.有益效果：本发明通过采集功率信号和桨矩角信号，并将功率信号和桨矩角信号分别与降载控制的功率下限和降载控制的桨矩角上限进行比较，并在极限载荷范围内且满足降载控制条件时，一方面，调整发电机额定转速，使其大于原始额定转速，能够有效避免因收浆造成功率下跌严重，从而避免引起机组震动过大的问题；另一方面，根据降载控制的功率下限和风力机额定功率对限功率值进行灵活调整，不仅能够在机组达到极限载荷之前进行降载，确保机组安全运行，而且仅需要测量功率信号和桨矩角信号即可实现降载控制，测量成本较低，控制过程简单，具有良好的通用性。
9.进一步地，当限功率值p
x
等于风力机额定功率pe时，若采集的功率p《p
min
，则执行限功率到p
x
＝p
min
；若p》k
·
pe，其中k为控制参数，取值范围为0《k《1，则执行限功率到p
x
＝k
·
pe；若p
min
《p《k
·
pe，则执行限功率到p
x
＝p。
10.有益效果：当限功率值等于风力机额定功率时，根据功率信号与降载控制的功率下限和风力机额定功率之间的关系，对限功率值进行首次调整，使得限功率值位于降载控制的功率下限和风力机额定功率之间，确保机组安全运行。
11.进一步地，当限功率值p
x
小于风力机额定功率pe时，若采集的功率p《k
·
p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝(1+k)/2
·
p
x
；若k
·
p
x
《p《p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝p
x
；若p》p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝(1.5-k/2)
·
p
x
。
12.有益效果：当限功率值小于风力机额定功率时，根据功率信号与降载控制的功率下限和风力机额定功率之间的关系，基于上次调整后的限功率值对当前限功率值进行快速调整，以确保风力发电机组始终处于安全运行状态。
13.进一步地，在分别将采集的功率与设定的降载控制的功率下限p
min
，以及采集的桨矩角与设定的降载控制的桨矩角上限比较之前，对采集的功率和采集的桨矩角分别进行滤波处理，并利用滤波后的功率和桨矩角进行比较判断。
14.有益效果：通过将采集的功率和桨矩角分别进行滤波处理，能够提高所测量的功率和桨矩角的准确性，从而利用经过滤波处理后的功率和桨矩角进行比较判断，有利于提高风力发电机组降载控制的准确性。
15.进一步地，滤波后的功率和桨矩角包括在第一时间段内滤波后的功率和桨矩角和在第二时间段内滤波后的功率和桨矩角，且第一时间段小于第二时间段；当限功率值p
x
等于风力机额定功率pe时，利用在第二时间段内滤波后的功率和桨矩角进行比较判断；当限功率值p
x
小于风力机额定功率pe时，利用在第一时间段内滤波后的功率和桨矩角进行比较判断。
16.有益效果：在对限功率值进行首次调整时，利用较长时间范围内滤波后的功率和桨矩角对限功率值进行调整，能够提高降载控制的准确性；在对限功率值进行实时调整时，利用较短时间范围内滤波后的功率和桨矩角对限功率值进行调整，能够提高降载控制的效率。
17.本发明还提供一种风力发电机组降载控制系统，该系统包括处理器和存储器，其中，存储器用于存储处理器的可执行指令；处理器配置为经由执行可执行指令来执行上述任一项所述的风力发电机组降载控制方法。
附图说明
18.图1是本发明的风力发电机组控制方法流程图。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明技术原理及实际应用进行进一步详细说明。
20.风力发电机组降载控制方法实施例：
21.随着技术发展，目前风力发电机组的单机功率不断增加，叶片长度和塔架高度也不断增长。为保证机组安全运行和降低风力发电机组成本，本发明提出一种新的适用于额定风速工况的风力发电机组降载控制方法,在不额外增加传感器设备的情况下通过改进控制算法，以降低叶片和塔架在额定风速工况下的载荷，从而降低风力发电机组在额定风速工况下的载荷，提高风力发电机组的安全性和适用范围。
22.本实施例的风力发电机组降载控制方法如图1所示，具体的控制流程如下：
23.步骤1：采集功率信号p
t
、发电机转速信号ω
t
、桨矩角信号
ɑ
t
；
24.步骤2：对采集的信号进行1秒滤波，取均值得到p1、ω1、
ɑ1；对采集信号进行5秒滤波，取均值得到p2、ω2、
ɑ2；
25.步骤3：判断功率p2是否大于降载控制的功率下限p
min
，及判断桨矩角
ɑ2是否小于降载控制的桨矩角上限
ɑ
max
。当两个判断结果都为“真”时，进入降载控制策略流程，执行步骤4；否则不启用相关控制策略，恢复发电机额定转速ωe，恢复限功率p
x
＝pe，其中pe为风力机额定功率，返回步骤1。
26.步骤4：执行更改发电机额定转速到ω
ek
，使得ω
ek
大于原始额定转速ωe；
27.步骤5：判断限功率流程状态。如果限功率值p
x
＝pe，其中pe为风力机额定功率，即刚进入降载控制策略流程时刻，执行步骤6；如果限功率值p
x
《pe，即已完成限功率的初始化，则执行步骤7。
28.步骤6：若p2《p
min
，则功率由低升高进入降载控制策略，执行限功率p
x
＝p
min
；若p2》k
·
pe，其中k为控制参数，取值范围为0《k《1，功率由高降低进入降载控制策略，执行限功率到p
x
＝k
·
pe；若p
min
《p2《k
·
pe，则执行限功率p
x
＝p2。返回执行步骤1。
29.步骤7：限功率调整控制流程。若p1《k
·
p
x
，执行限功率到p
x+1
＝(1+k)/2
·
p
x
；若k
·
p
x
《p1《p
x
，执行限功率p
x+1
＝p
x
；若p1》p
x
，执行限功率到p
x+1
＝(1.5-k/2)
·
p
x
；返回执行步骤1。
30.例如，基于3mw机组的降载控制流程如下：
31.步骤1：采集功率信号p
t
、发电机转速信号ω
t
、桨矩角信号
ɑ
t
；
32.步骤2：对采集的信号进行1秒滤波得到p1、ω1、
ɑ1；对采集信号进行5秒滤波p2、ω2、
ɑ2；
33.步骤3：判断功率p2是否大于降载控制的功率下限p
min
＝2.6mw，及判断桨矩角
ɑ2是否小于降载控制的桨矩角上限
ɑ
max
＝3deg。当两个判断结果都为“真”时，进入降载控制策略流程，执行步骤4；否则不启用相关控制策略，恢复发电机额定转速ωe＝1750rpm，恢复限功率p
x
＝3mw。
34.步骤4：执行更改发电机额定转速到ω
ek
＝1820rpm；
35.步骤5：判断限功率流程状态。如果限功率值p
x
＝3.0mw，即刚进入降载控制策略流程时刻，执行步骤6；如果限功率值p
x
《3.0mw，即已完成限功率的初始化，则执行步骤7。
36.步骤6：若p2《2.6mw，则功率由低升高进入降载控制策略，执行限功率p
x
＝2.6mw；若p2》2.91mw(k＝0.97)，功率由高降低进入降载控制策略，执行限功率到p
x
＝2.91mw；若2.6mw《p2《2.91mw，则执行限功率p
x
＝p2。返回执行步骤1。
37.步骤7：限功率调整控制流程。若p1《0.97
·
p
x
，执行限功率到p
x+1
＝0.985
·
p
x
；若0.97
·
p
x
《p1《p
x
，执行限功率p
x+1
＝p
x
；若p1》p
x
，执行限功率到p
x+1
＝1.015
·
p
x
；返回执行步骤1。
38.本实施例中利用对采集的信号进行滤波处理之后的信号进行比较判断，作为其他实施方式，也可根据实际情况直接利用采集的信号进行比较判断，从而实现降载控制。
39.风力发电机组降载控制系统实施例：
40.本实施例的风力发电机组降载控制系统，包括处理器和存储器，处理器执行由存储器存储的计算机程序，以使本发明实现上述方法实施例的方法。也就是说，以上方法实施例中的方法应理解为可由计算机程序指令实现风力发电机组降载控制方法的流程。可提供这些计算机程序下达指令到处理器，使得通过处理器执行这些指令产生用于实现上述方法流程所指定的功能。
41.本实施例所指的处理器是指微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置；本实施例所指的存储器包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方式的媒体加以存储。
42.通过上述存储器、处理器以及计算机程序构成的系统，在计算机中由处理器执行相应的程序指令来实现，处理器可以搭载各种操作系统，如windows操作系统、linux系统、android、ios系统等。
43.作为其他实施方式，系统还可以包括显示器，显示器用于将计算出的各个量的结果展示出来，以供工作人员参考。

技术特征：
1.一种风力发电机组降载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：采集功率和桨矩角信号，当采集的功率大于设定的降载控制的功率下限p
min
，且采集的桨矩角小于设定的降载控制的桨矩角上限时，调整发电机额定转速，使其大于原始额定转速，并根据采集的功率与所述降载控制的功率下限p
min
和风力机额定功率p
e
之间的关系，调整限功率值p
x
以实现降载控制。2.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，当所述限功率值p
x
等于风力机额定功率p
e
时，若采集的功率p<p
min
，则执行限功率到p
x
＝p
min
；若p>k
·
p
e
，其中k为控制参数，取值范围为0<k<1，则执行限功率到p
x
＝k
·
p
e
；若p
min
<p<k
·
p
e
，则执行限功率到p
x
＝p。3.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，当所述限功率值p
x
小于风力机额定功率p
e
时，若采集的功率p<k
·
p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝(1+k)/2
·
p
x
；若k
·
p
x
<p<p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝p
x
；若p>p
x
，则执行限功率到p
x+1
＝(1.5-k/2)
·
p
x
。4.根据权利要求1-3任一项所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，在分别将采集的功率与设定的降载控制的功率下限p
min
，以及采集的桨矩角与设定的降载控制的桨矩角上限比较之前，对所述采集的功率和所述采集的桨矩角分别进行滤波处理，并利用滤波后的功率和桨矩角进行比较判断。5.根据权利要求4所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述滤波后的功率和桨矩角包括在第一时间段内滤波后的功率和桨矩角和在第二时间段内滤波后的功率和桨矩角，且第一时间段小于第二时间段；当所述限功率值p
x
等于风力机额定功率p
e
时，利用在第二时间段内滤波后的功率和桨矩角进行比较判断；当所述限功率值p
x
小于风力机额定功率p
e
时，利用在第一时间段内滤波后的功率和桨矩角进行比较判断。6.一种风力发电机组降载控制系统，其特征在于，该系统包括处理器和存储器，其中，所述存储器用于存储所述处理器的可执行指令；所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1-5任一项所述的风力发电机组降载控制方法。

技术总结
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组降载控制方法及系统。本方案通过采集功率和桨矩角信号，根据降载控制的功率下限和风力机额定功率，调整发电机额定转速，使其大于原始额定转速，并根据采集的功率与所述降载控制的功率下限和风力机额定功率之间的关系，调整限功率值以实现降载控制。该方案通过调整发电机额定转速大于原始额定转速，能有效避免因收浆造成功率下跌严重而引起机组震动过大的问题；根据降载控制的功率下限和风力机额定功率对限功率值进行灵活调整，能在机组达到极限载荷之前进行降载，确保机组安全运行，且仅需要测量功率信号和桨矩角信号即可实现降载控制，测量成本较低，控制过程简单，具有良好的通用性。具有良好的通用性。具有良好的通用性。


技术研发人员：冯俊恒 扶麟 郭敏 刘晓辉
受保护的技术使用者：许昌许继风电科技有限公司
技术研发日：2023.02.10
技术公布日：2023/6/7