CN102305179B - 风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法，该系统包括偏航扇区位置检测模块、扇区控制策略模块、控制模式切换模块。该方法包括：对风力发电机组偏航扫过的所有空间划分扇区；根据各扇区的风能特性设计运行和控制算法；实时检测风机叶轮当前对风的位置，并确定风机当前所进入的扇区；根据所进入的扇区，切换至相应的运行和控制算法，并根据结果输出控制信号进行控制。将本发明应用于现代水平轴风力发电机组，可以提高地形条件复杂的风场内机组的运行条件，降低运行载荷，优化潮间带风场风机的控制效果，提高风能利用效率。

Description

风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法。

背景技术

现代水平轴风力发电机组通常为上风向风机，如果风向改变，叶轮扫掠面和风向不垂直，不但功率输出减少，而且承受的载荷更加恶劣，所以需要有主动式的偏航系统跟踪风向，驱动机舱围绕塔架中心线旋转，使叶轮扫掠面与风向垂直，降低运行载荷，获取最大的动能。

随着风电产业的发展，越来越多的风场建在地形条件比较复杂的地区或者潮间带。地形复杂的地区，气流因受周围地形的影响，风速和风向都将发生很大的变化，导致某些方位风的平均风速较低而湍流强度很大，如果风机偏航进入这些区域，运行时疲劳载荷会大很多，严重影响风机的使用寿命。对于潮间带风场，白天风多是从海上吹向陆地(海风)；夜间，风则从陆地吹向海上(陆风)。因为白天海陆温差大，而夜间海陆温差较小，一般海风比陆风要大很多，并且相应空的气密度也有不同。如果风机运行过程中对海风和陆风采用同样的控制曲线会导致风机的风能利用率偏低。

针对上述问题，如何能创设一种可保证机组能在运行过程中避开高湍流的区域带来的大疲劳载荷，在风能质量较好的区域后使用单独设计的运行和控制方案，提高机组的风能利用效率的新的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法，是当前业界的重要研究课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法，使其可保证机组能在运行过程中避开高湍流的区域带来的大疲劳载荷，在风能质量较好的区域后使用单独设计的运行和控制方案，提高机组的风能利用效率。

为解决上述技术问题，本发明一种风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，包括：通过传感器测量机舱当前位置、判断是否进入特定扇区的偏航扇区位置检测模块；存储各扇区特定控制算法的扇区控制策略模块；以及根据机舱进入的扇区位置切换到对应控制算法并输出控制信号的控制模式切换模块。

作为本发明的一种改进，所述的传感器为加装在偏航轴承上的传感器，或为偏航系统原有的传感器。

所述的传感器为绝对值型旋转编码器。

所述的控制信号包括变桨距控制信号和发电机电磁扭矩控制信号，通过通信回路分别传输至风力发电机组的变桨距系统和变流器系统。

所述的控制模式切换模块和扇区控制策略模块均设置在风力发电机组主控系统的PLC中。

此外，本发明还提供一种应用上述系统的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制方法，包括以下步骤：对风力发电机组偏航扫过的所有空间划分扇区，扇区的绝对位置坐标与偏航系统的坐标一致；根据各扇区的风能特性设计运行和控制算法；实时检测风机叶轮当前对风的位置，并确定风机当前所进入的扇区；根据所进入的扇区，切换至相应的运行和控制算法，并根据结果输出控制信号进行控制。

作为进一步改进，所述的扇区的划分方法为：首先根据海陆边界进行扇区划分，之后根据风场多年的气象数据和风玫瑰图，如果某个风向的湍流强度大于风场平均湍流强度20％以上，则该方向左右16度划分为一个扇区，每个扇区应不小于32度，扇区总数不超过6个。

所述的运行和控制算法包括变桨距控制算法和发电机扭矩控制算法。

所述的扭矩控制算法的计算公式为：其中，Q_d为最优电磁扭矩，ω_g为发电机的转速，K_opt为最优比例系数，K_opt通过以下公式计算得到：

其中，C_pmax为机组最优风能利用系数，λ_max为最优风能利用系数对应的叶尖速比值，R为叶轮的半径，ρ为空气密度，G为齿轮箱的传动比。

当叶轮进入风速较小而湍流强度较大的扇区时，通过调整C_pmax和λ_max取较小的K_opt值。

采用这样的设计后，将本发明风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统及其方法，应用于现代水平轴风力发电机组，可以提高地形条件复杂的风场内机组的运行条件，降低运行载荷，优化潮间带风场风机的控制效果，提高风能利用效率。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统的组成示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，包括偏航扇区位置检测模块、控制模式切换模块和扇区控制策略模块。

其中，偏航扇区位置检测模块，主要通过传感器测量机舱当前位置，判断是否进入特定的扇区，为控制模式切换模块提供依据。传感器优选为绝对值型旋转编码器，可以单独设置在偏航轴承上的，也可以借用现有偏航系统的传感器，对现有偏航系统测量信号进行处理确定目前机舱的绝对位置。

扇区控制策略模块存储各扇区特定的控制算法，主要是根据不同扇区的风特性制定的变桨距控制算法和发电机电磁扭矩控制算法。

控制模式切换模块是根据机舱进入的扇区位置切换到对应控制算法并输出控制信号，例如如图所示，将变桨距控制信号和发电机电磁扭矩控制信号，通过通信回路分别传输至风力发电机组的变桨距系统和变流器系统，执行相应的动作，实现控制目标。

控制模式切换模块和扇区控制策略模块均设置在风力发电机组主控系统的PLC中。

本发明风力发电机组偏航扇区管理和优化控制方法，首先需对风力发电机组偏航扫过的所有空间划分扇区，扇区的绝对位置坐标与偏航系统的坐标一致，并将每个扇区具体位置参数设置在偏航扇区位置检测模块中。

对于陆上风场，分析风场多年的气象数据及风玫瑰图，根据平均风速和湍流强度的大小，结合周围地形的复杂程度，把风机偏航扫过的空间划分不同扇区。

对于潮间带风场，首先根据海陆边界进行扇区划分，陆上扇区部分再根据多年气象数据及风玫瑰图进行进一步的细分。

具体来说，如果某个风向的湍流强度大于风场平均湍流强度20％以上，则可在该方向左右16度划分为一个扇区，每个扇区以不小于32度为宜，扇区总数以不超过6个为宜。

之后，根据各扇区的风能特性设计运行和控制算法。具体可包括变桨距控制算法和发电机扭矩控制算法。

对于扭矩控制，在叶片翼型确定以后，可以计算出机组最优风能利用系数C_pmax及对应的叶尖速比值λ_max。结合叶轮的半径R、空气密度ρ和齿轮箱的传动比G，即可得到最优比例系数 $K_{\mathrm{opt}}=\mathrm{\π\ρ}{R}^5{C}_{p\max }/2{\mathrm{\λ}}_{\max }^3{G}^3.$

当风机运行在并网转速与额定转速之间的状态时，可以计算出发电机不同转速ω_g时的最优电磁扭矩

对于陆上型风机，如果进入湍流强度大的扇区，则采用降功率发电策略，选取较低的C_p(λ)值计算K_opt，同时降低发电机功率上限设定值，使变桨控制系统在较低的风速时就开始变桨，增大桨距角，从而降低整机运行疲劳载荷，延长风机寿命。如果风机进入风能质量比较好的扇区，则切换回原有的控制策略。

对于潮间带风机，由于海上气流密度ρ_sea大于陆上ρ_land，所以对于同样的叶片翼型最优风能利用系数C_pmax及对应的叶尖速比值λ_max会有所不同。因此，在风机进入海风扇区时采用与陆上扇区不同的K_opt值控制发电机的电磁扭矩，并采用与之相匹配的变桨控制算法，从而利于风机运行在最优风能吸收状态，提高风机的风能利用率。

系统运行时，实时检测风机叶轮当前对风的位置，并确定风机当前所进入的扇区，之后根据所进入的扇区，切换至相应的运行和控制算法，并根据结果输出控制信号进行控制。

把本发明偏航扇区管理优化控制算法用软件实现，作为外部控制器对同一机型进行仿真研究。仿真条件是：在IEC3类风场中，将传统控制器和本发明实现的控制器进行比对试验。对于陆上风机，通过本发明方法回避湍流强度较大扇区得到的叶片局部疲劳载荷数据如表格1所示。

表1疲劳载荷数据对比

从表1的数据可以看出采用本发明方法以后，风力发电机组的性能将得到明显的改善。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，其特征在于包括：

通过传感器测量机舱当前位置、判断是否进入特定扇区的偏航扇区位置检测模块，

存储各扇区特定控制算法的扇区控制策略模块，以及

根据机舱进入的扇区位置切换到对应控制算法并输出控制信号的控制模式切换模块；

所述的偏航扇区是依据以下方法划分的：

首先对风力发电机组偏航扫过的所有空间划分扇区，扇区的绝对位置坐标与偏航系统的坐标一致，并将每个扇区具体位置参数设置在偏航扇区位置检测模块中，

对于陆上风场，分析风场多年的气象数据及风玫瑰图，根据平均风速和湍流强度的大小，结合周围地形的复杂程度，把风机偏航扫过的空间划分不同扇区，

对于潮间带风场，首先根据海陆边界进行扇区划分，陆上扇区部分再根据多年气象数据及风玫瑰图进行进一步细分；

所述的各扇区特定控制算法是根据各扇区的风能特性设计的运行和控制算法，包括变桨距控制算法和发电机扭矩控制算法：

所述的发电机扭矩控制算法，是在叶片翼型确定以后，计算出机组最优风能利用系数C_pmax及对应的叶尖速比值λ_max，结合叶轮的半径R、空气密度ρ和齿轮箱的传动比G，得到最优比例系数

当风机运行在并网转速与额定转速之间的状态时，计算出发电机不同转速ω_g时的最优电磁扭矩

对于陆上型风机，如果进入湍流强度大的扇区，则采用降功率发电策略，选取较低的C_p(λ)值计算K_opt，同时降低发电机功率上限设定值，使变桨控制系统在较低的风速时就开始变桨，增大桨距角，从而降低整机运行疲劳载荷，延长风机寿命，如果风机进入风能质量比较好的扇区，则切换回原有的控制策略，

对于潮间带风机，在风机进入海风扇区时采用与陆上扇区不同的K_opt值控制发电机的电磁扭矩，并采用与之相匹配的变桨控制算法。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，其特征在于所述的传感器为加装在偏航轴承上的传感器，或为偏航系统原有的传感器。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，其特征在于所述的传感器为绝对值型旋转编码器。

4.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，其特征在于所述的控制信号包括变桨距控制信号和发电机电磁扭矩控制信号，通过通信回路分别传输至风力发电机组的变桨距系统和变流器系统。

5.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制系统，其特征在于所述的控制模式切换模块和扇区控制策略模块均设置在风力发电机组主控系统的PLC中。

6.一种应用权利要求1-5中任一项所述系统的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制方法，其特征在于包括以下步骤：

对风力发电机组偏航扫过的所有空间划分扇区，扇区的绝对位置坐标与偏航系统的坐标一致；

根据各扇区的风能特性设计运行和控制算法；

实时检测风机叶轮当前对风的位置，并确定风机当前所进入的扇区；

根据所进入的扇区，切换至相应的运行和控制算法，并根据结果输出控制信号进行控制。

7.根据权利要求6所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制方法，其特征在于所述的扇区的划分方法为：

首先根据海陆边界进行扇区划分，之后根据风场多年的气象数据和风玫瑰图，如果某个风向的湍流强度大于风场平均湍流强度20%以上，则该方向左右16度划分为一个扇区，每个扇区应不小于32度，扇区总数不超过6个。

8.根据权利要求6所述的风力发电机组偏航扇区管理和优化控制方法，其特征在于当叶轮进入风速较小而湍流强度较大的扇区时，通过调整C_pmax和λ_max取较小的K_opt值。