CN102011692A

CN102011692A - 一种在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法

Info

Publication number: CN102011692A
Application number: CN2010105612148A
Authority: CN
Inventors: 史晓鸣; 翁海平
Original assignee: Zhejiang Windey Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Windey Co Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2011-04-13

Abstract

一种在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，包括以下步骤：1)根据待安装风力发电机组的地址的气象数据，确定以风力发电机组为中心的湍流位置分布；2)在所述风力发电机组上安装用以检测风向的风向传感器和用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风向和风速；3)根据当前的风向传感器的信号，当风向位于所述其余角度范围内时，控制风力发电机组按照当前风速对应的运行功率运行；当风向位于所述一个角度范围时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行，所述比例系数为0~1之间的小数，实现风力发电组的稳定运行。本发明依照不同湍流地形进行分段控制、降低了风力发电机组的成本、具有良好的经济性。

Description

一种在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组领域，尤其是一种风电机组的运行控制方法。

背景技术

目前安装的大型风电机组是根据各风场的风资源数据进行设计安装，风场等级是决定风机设计的重要因数。下表为GL规范中根据风场风况对风电机组的安全等级的定义：

为保证风电机组的安全性和长期稳定可靠运行，风电机组的设计需要考虑运行环境条件等影响，这些影响主要体现在载荷、寿命和正常工作等几个方面。各类环境条件分为正常外部条件和极端外部条件，其中正常外部条件涉及的是机组的长期疲劳载荷和运行状态。极端外部条件出现的机会很少，但它是潜在的临界外部设计条件，风电机组载荷设计需要同时考虑这些外部条件和风力机运行模式。

风况是风力发电机组承受的最基本的外部载荷条件，因此风电机组安全等级分类的主要参数是风况。轮毂高度处的年平均风速、湍流强度以及极端风况是进行风机分类的三个主要参数。本发明主要研究的是如何通过变速变桨风电机组功率控制的方法来降低湍流对风电机组的影响。

湍流强度（turbulence intensity，简写为TI）是指10 分钟内风速随机变化幅度大小，是10分钟平均风速的标准偏差与同期平均风速的比率，是风电机组运行中承受的正常疲劳载荷。湍流产生的原因主要有两个：一个是由于空气密度差异和大气温度差异引起的气流垂直运动，另一个原因是当气流流动时，气流会受到地面粗糙度的摩擦或者阻滞作用。通常情况下，上述两种原因往往同时导致湍流的发生。

风电机组的安装、运行是在保证安全可靠的前提下综合考虑其经济性的，当风电机组的安装点在某个特定的方向上出现湍流强度有所超标时，可考虑采用如下几种处理方案：

（1）提高该台风电机组的设计等级。

（2）更换风电机组的安装位置。

（3）提高或降低该台机组的塔架高度。

（4）调整该台机组的周围环境。

但无论采用哪个方案，都需要花费大量人力和财力。

依照目前现有的风电机组的设计方案，通产采用（1）的处理方案，即将风电机组的设计等级提高，存在的缺陷：增加了风力发电机组的成本、经济性较差。

发明内容

为了克服已有风力发电机组在不同湍流地形下需要按照最高等级进行设计、增加了风力发电机组的成本、经济性较差的不足，本发明提供一种依照不同湍流地形进行分段控制、降低了风力发电机组的成本、具有良好的经济性的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

1）根据待安装风力发电机组的地址的气象数据，确定以风力发电机组为中心的湍流位置分布，所述湍流位置分布包括第一等级湍流强度的一个角度范围内，以及第二等级湍流强度的其余角度范围，所述第一等级湍流强度比第二等级湍流强度高，且两个等级相差一个单位等级；以所述第二等级湍流强度为所述风力发电机组的设计等级；

2）在所述风力发电机组上安装用以检测风向的风向传感器和用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风向和风速；

3）根据当前的风向传感器的信号，当风向位于所述其余角度范围内时，控制风力发电机组按照当前风速对应的运行功率运行；当风向位于所述一个角度范围时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行，所述比例系数为0~1之间的小数，实现风力发电组的稳定运行。

本发明的比例系数，即降低功率运行的比例，通常可以选择0.9、0.95、0.85等；只要通过降低运行功率，能够在高湍流强度时也满足载荷设计要求即可；对于是否满足载荷设计要求，可以通过本领域的普通技术人员的技术手段，例如仿真等进行测试来实现。

作为优选的一种方案：所述步骤1）中，设定需要进行功率调整的风速阈值；所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；所述步骤3）中，当风向位于所述一个角度范围时，再判断风速是否超出风速阈值，当风速未超出所述风速阈值时，仍然控制风力发电机组按照当前风速下的运行功率运行，当风速超出所述风速阈值时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行。

进一步，在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，所述额定风速大于所述风速阈值时，当风速超出所述风速阈值且小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

作为优选的另一种方案：所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，当风速小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

更进一步，所述湍流位置分布还包括过渡角度，所述过渡角度范围一侧与一个角度范围相接，所述过渡角度范围另一侧与其余角度范围相接；所述过渡角度范围内的比例系数与角度呈线性变化。

所述湍流位置分布包括至少两个以上湍流强度，将其中最大湍流强度设定为第一等级湍流强度，将其余湍流强度均设定为第二等级湍流强度。当然，也可以采用其他的分类方式，例如最大揣流强度和次最大揣流强度设为第一等级揣流强度，其余揣流强度均设为第二等级揣流强度等。

本发明的技术构思为：本发明是通过控制风电机组的输出功率，在该湍流强度过大时，以牺牲部分发电量的方式来降低载荷，使得机组能够达到载荷设计要求，从而避免了因湍流强度过大使极限载荷对机组造成的影响，降低疲劳载荷，延长风电机组的使用寿命。

鉴于风力发电机组的额定功率对应额定风速，如果风速过大时，对风力发电机组的载荷更大，因此，如果当前的风速超出额定风速时，可以考虑降低更多的功率运行，例如在风速超出风速阈值且小于额定风速时，设定第一比例系数0.9，当风速超出额定风速后，设定第二比例为0.85，通过降低更多的功率，来有效降低风力发电机组的载荷，使其满足设计要求。

本发明的有益效果主要表现在：依照不同湍流地形进行分段控制、降低了风力发电机组的成本、具有良好的经济性。

附图说明

图1是湍流位置分布及降功率运行的示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作进一步描述。

所述步骤1）中，设定需要进行功率调整的风速阈值；所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；所述步骤3）中，当风向位于所述一个角度范围时，再判断风速是否超出风速阈值，当风速未超出所述风速阈值时，仍然控制风力发电机组按照当前风速下的运行功率运行，当风速超出所述风速阈值时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行。

在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，所述额定风速大于所述风速阈值时，当风速超出所述风速阈值且小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，当风速小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

所述湍流位置分布还包括过渡角度，所述过渡角度范围一侧与一个角度范围相接，所述过渡角度范围另一侧与其余角度范围相接；所述过渡角度范围内的比例系数与角度呈线性变化。

所述湍流位置分布包括至少两个以上湍流强度，将其中最大湍流强度设定为第一等级湍流强度，将其余湍流强度均设定为第二等级湍流强度。

本实施例针对1500kW试验机组，通过测试可以得出，在湍流强度A下降10%功率（1350kW）运行，其载荷略小于同类机组在湍流强度B下的载荷。通过降低10%的功率，该机组能够在湍流强度A下运行。

针对其他机型或湍流强度跨度更大的情况，可以通过各功率载荷比较图可以看出，基本一致呈线性下降趋势，即最终能够找到一个值，即能够通过仿真测试得到设定的比例系数，使得载荷达到控制的要求。

因此，通过测量实时风速、风向，在某个湍流地形下的特定区域内，调整风机发电功率来避免出现较大的载荷的大型风电机组功率控制方法是可行的。

当在某个湍流地形下的特定区域内，就需要对风速、风向实时监控，确定开始降功率的时刻。对于风向：如图1所示，当来风方向处于小湍流位置时，显然不需要进行降功率的动作。当来风方向处于超过机组湍流强度设计值的位置时，就需要启动这个策略：对于风速：在DLC1.5/1.6中，同功率下，叶根和塔底在额定风速时的载荷大于切出风速的载荷，塔顶两者载荷相接近。

以DLC1.6举例，由于风机的控制策略，极大载荷不是沿风速升高而线性增加的；湍流强度增加以后，在很宽的风速范围内（从额定风速到切出风速），都可能产生极大载荷，同时疲劳载荷也相应增加。根据额定风速的工况的定义，1350kW的额定风速要小于1500kW的额定风速。

所以要保证机组的安全运行和使用寿命，就需要使机组在风速到达1350kW的额定风速前就按降10%功率运行，当超出额定风速后，可以选择按降15%功率运行。

通过实际的测试，在到达各额定功率前，降功率运行和不降功率运行对发电量的影响很小，我们也可以选择简化启动降功率运行的控制策略，即：当在风向来于高湍流位置时，就按降10%功率运行，不参考风速变化，只参考风向变化。

当来风风向从低湍流位置（B）向高湍流位置（A）变化时，经过过度地带，可按线性变化控制，即功率从1500kW~1350kW，依照设定的角度变化进行线性控制。如图1所示（局部湍流强度区域和过渡区域的跨度可根据微观选址预先测定）。

Claims

1.一种在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

2）在所述风力发电机组上安装用以检测风向的风向传感器，并实时检测当前风力发电机组的风向；

3）根据当前的风向传感器的信号，当风向位于所述其余角度范围内时，控制风力发电机组按照当前风速下的运行功率运行；当风向位于所述一个角度范围时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行，所述比例系数为0~1之间的小数，实现风力发电组的稳定运行。

2.如权利要求1所述的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：所述步骤1）中，设定需要进行功率调整的风速阈值；所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；所述步骤3）中，当风向位于所述一个角度范围时，再判断风速是否超出风速阈值，当风速未超出所述风速阈值时，仍然控制风力发电机组按照当前风速下的运行功率运行，当风速超出所述风速阈值时，控制风力发电机组依照设定的比例系数降低运行功率运行。

3.如权利要求1所述的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：所述步骤2）中，在所述风力发电机组上安装用以检测风速的风速传感器，并实时检测当前风力发电机组的风速；在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，当风速小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

4.如权利要求2所述的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：在所述步骤3）中，风力发电机组的额定功率对应额定风速，所述额定风速大于所述风速阈值时，当风速超出所述风速阈值且小于等于所述额定风速时，控制风力发电机组依照设定的第一比例系数降低运行功率运行；当风速超出所述额定风速时，控制风力发电机依照设定第二比例系数降低额定功率运行，所述第二比例系数小于所述第一比例系数。

5.如权利要求1~3之一所述的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：所述湍流位置分布还包括过渡角度，所述过渡角度范围一侧与一个角度范围相接，所述过渡角度范围另一侧与其余角度范围相接；所述过渡角度范围内的比例系数与角度呈线性变化。

6.如权利要求1~3之一所述的在不同湍流地形下风电机组稳定运行的控制方法，其特征在于：所述湍流位置分布包括至少两个以上湍流强度，将其中最大湍流强度设定为第一等级湍流强度，将其余湍流强度均设定为第二等级湍流强度。