CN102562450A - 一种风力发电机及其变桨控制方法、变桨控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机的变桨控制方法，包括：1)获取安装风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取风力发电机的自身参数；2)根据已知风速、风力发电机的自身参数确定当风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；3)实时检测当前风速或者未来时段的风速；4)查询风速-桨距角数据库中当前风速或者未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至对应的稳定桨距角。该方法能加快变桨控制过程，减少风速对叶片造成的载荷冲击，提高风力发电机的工作稳定性。本发明还提供一种变桨控制系统及包括该系统的风力发电机。

Description

一种风力发电机及其变桨控制方法、变桨控制系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机的变桨控制方法和变桨控制系统。此外，本发明还涉及一种包括上述变桨控制系统的风力发电机。

背景技术

风力发电机是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车；风力发电是将风力发电机的叶片迎风扫掠面积内截获的风能转化成电能的过程。风力发电机组的控制系统的目标是在保证风力发电机安全运行的条件下从风能中获得最大的发电量。当风力发电机运行状态达到额定阶段以后，通常会通过控制桨距角来减少对风能的吸收，同时调整风轮转子的转速，保证风力发电机稳定运行，因此变桨控制系统在风力发电机的运行过程中至关重要。

请参考图1，图1为现有技术中的用于风力发电机的变桨控制方法的流程框图。

如图1所示，现有技术中风力发电机的变桨控制方法主要包括如下步骤：

S1′：实时检测当前安装风力发电机的风场的风资源参数，并获取风力发电机的自身参数；

S2′：获取风力发电机的当前转速；

S3′：根据风资源参数、风力发电机的自身参数和当前转速计算当风力发电机稳定工作时需要的稳定桨距角，并将当前桨距角调整为该稳定桨距角。

采用这种变桨控制方法，通过对风资源参数、风力发电机的转速的实时检测，并对风力发电机的桨距角的实时计算、调整，实现了风力发电机的桨距角随现场风速的而实时调整，使得风力发电机获得的发电量较多，其工作效率较高。

然而，由于上述变桨控制方法通过获取风场风资源参数-轮毂的当前转速-桨距角这一过程进行变桨控制，控制过程中需要一定的分析、运算时间，而现场的风速及其气动性具有极大的不确定性，因此，这种变桨控制方法相对于风速来说具有一定的滞后性，导致风速对风力发电机的叶片造成较大的载荷冲击，且造成风力发电机的工作效率较低。

有鉴于此，亟待针对上述技术问题，针对现有风力发电机的变桨控制系统进行优化设计，加快变桨控制过程，减少风速对叶片的冲击，提高风力发电机的工作稳定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题为提供一种用于风力发电机的变桨控制方法和变桨控制系统，使其加快变桨控制过程，减少风速对叶片造成的载荷冲击，提高风力发电机的工作稳定性。此外，本发明还提供一种包括上述变桨控制系统的风力发电机。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电机的变桨控制方法，包括如下步骤：

1)获取安装所述风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取所述风力发电机的自身参数；

2)根据所述已知风速、所述风力发电机的自身参数确定当所述风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

3)实时检测当前风速或者未来时段的风速；

4)查询所述风速-桨距角数据库中所述当前风速或者所述未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至所述对应的稳定桨距角。

优选地，还包括：

将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入所述风速-桨距角数据库中，更新所述风速-桨距角数据库的数据。

优选地，建立所述数据库后，还包括：剔除所述风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对所述不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

优选地，通过判断所述风速-桨距角数据库中一组数据中的所述风力发电机的电磁转矩大小与其对应的风速大小是否符合正确对应关系来确定该组数据是否为不良数据。

采用这种方法，仅将测得的当前风速输入，在已知的风速-桨距角数据库进行比对、查询，就能迅速找到对应的稳定桨距角，再将当前桨距角调整至该稳定桨距角，能够迅速将风力发电机调整到稳定运行状态。相比现有技术中的根据当前风资源参数、风力发电机的自身参数计算获得稳定桨距角的控制过程，本发明所提供的变桨控制方法只需进行简单的查询动作即可获得稳定桨距角，从而避免了现有技术中的变桨控制方法由于其滞后性导致风速给风力发电机的叶片带来载荷冲击，提高了风力发电机的叶片的使用寿命，增强风力发电机的工作稳定性。

本发明还提供一种用于风力发电机的变桨控制系统，包括检测装置和控制器；所述检测装置包括：

评估模块，用于获取安装所述风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取所述风力发电机的自身参数；

采集模块，用于实时检测当前风速或者未来时段的风速；

所述控制器包括：

建立数据库单元，用于根据所述已知风速、所述风力发电机的自身参数确定当所述风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

信号输出单元，用于查询所述风速-桨距角数据库中所述当前风速或者所述未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至所述对应的稳定桨距角。

优选地，所述建立数据库单元还用于将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入所述风速-桨距角数据库中，更新所述风速-桨距角数据库的数据。

优选地，所述建立数据库单元还用于剔除所述风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对所述不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

优选地，所述数据库为表格或者函数关系。

本发明还提供一种风力发电机，包括叶片；还包括如上所述的变桨控制系统，所述变桨控制系统与所述叶片连接。

由于上述用于风力发电机的变桨控制方法具有上述的技术效果，因此，与之对应的变桨控制系统及包括该系统的风力发电机也应当具有相应的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为现有技术中的用于风力发电机的变桨控制方法的流程框图；

图2为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制方法的第一种具体实施方式的流程框图；

图3为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制方法的第二种具体实施方式的流程框图；

图4为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制系统的一种具体实施方式的流程框图。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种用于风力发电机的变桨控制方法和变桨控制系统，其能够加快变桨控制过程，减少风速对叶片造成的载荷冲击，提高风力发电机的工作稳定性。此外，本发明的另一核心为提供一种包括上述变桨控制系统的风力发电机。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2，图2为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制方法的一种具体实施方式的流程框图。

在一种具体实施方式中，如图2所示，本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制方法，可以包括如下步骤：

S11：获取安装风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取风力发电机的自身参数；

具体地，步骤S11中可以针对风力发电机的轮毂高度处的风速进行检测，这样计算出的轮毂转速大小会更加精确，减小计算过程中产生的误差，提高风速-桨距角数据库的准确性和可靠性。当然，步骤S11中也可以检测其他位置的风速。这里“风资源参数”可以具体指：不同时段的平均风速、空气密度、风速频率分布和风能频率分布等参数，“风力发电机的自身参数”可以具体指：风力发电机的额定转速、变桨速率、风机塔筒高度、叶片长度等参数。此外，这里“每个预定时间段”是指在总的时间段内的具体预定时间段，例如可以将整个时间段取为十年，每个预定时间段具体可以为每年、每月、每周。。。等具体时间段，用户可以根据需要自行选择。

S12：根据已知风速、风力发电机的自身参数确定当风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

步骤S12中主要根据以往的控制经验和实验仿真结果来确定风力发电机在不同风速下的桨距角，通过借鉴多年的控制经验来保证风速-桨距角数据库的准确性。具体地，上述风速-桨距角数据库可以具体为表格或者函数关系式，当然，该数据库还可以为其他形式的数据库。此外，这里“稳定工作”指的是风力发电机在输出额定功率、且各个叶片不受载荷冲击的工作状态。

S13：实时检测当前风速；

S14：查询风速-桨距角数据库中当前风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至对应的稳定桨距角。

当然，这里发出变桨指令对桨距角进行控制时，还应当参考现场的实际突发状况等其他因素对叶片造成的影响，例如突发的雨雪天气对叶片的桨距角的影响等。

采用这种方法，仅将测得的当前风速输入，在已知的风速-桨距角数据库进行比对、查询，就能迅速找到对应的稳定桨距角，再将当前桨距角调整至该稳定桨距角，能够迅速将风力发电机调整至稳定运行状态。相比现有技术中的根据当前风资源参数、风力发电机的自身参数计算获得稳定桨距角的控制过程，本发明所提供的变桨控制方法只需进行简单的查询动作即可获得稳定桨距角，从而避免了现有技术中的变桨控制方法由于其滞后性导致风速给风力发电机的叶片带来载荷冲击，提高了风力发电机的叶片的使用寿命，增强风力发电机的工作稳定性。

请参考图3，图3为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制方法的第二种具体实施方式的流程框图。

在另一种具体实施方式中，如图3所示，本发明所提供用于风力发电机的变桨控制方法，可以具体包括如下步骤：

S21：获取安装风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取风力发电机的自身参数；

S22：根据已知风速、风力发电机的自身参数确定当风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

S23：实时检测未来时段的风速；

具体的方案中，这里可以在风力发电机安装的风场中架设风速仪，通过风速仪来检测当前风速或者未来时段的风速。由于检测未来时段的风速的方法为现有技术，这里不再赘述。具体地，上述“未来时段的风速”可以具体表示为未来5秒的风速，当然，这里并未限定“未来时段”的时间长短，本领域技术人员可以根据现有的检测技术自行决定。

S24：查询风速-桨距角数据库中未来时段的风速对应的给定桨距角稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至对应的给定桨距角稳定桨距角。

采用这种方法，仅将测得的未来时段的风速输入，在已知的风速-桨距角数据库进行比对、查询，就能迅速找到对应的稳定桨距角，再将当前桨距角调整至该稳定桨距角，能够实现在风速来临前将桨距角调整至稳定运行的状态。此外，由于本发明所提供的变桨控制方法是针对未来时段的风速对桨距角进行调整，相比较第一种具体实施方式来说，这种变桨控制方法具有一定的前瞻性，能够保证在风速来临前将桨距角调整至稳定运行的状态，更好地避免了风速给风力发电机的叶片带来载荷冲击，进一步增强风力发电机的工作稳定性。

还可以进一步设置上述变桨控制方法的具体步骤。

在另一种具体实施方式中，上述变桨控制方法还可以包括步骤：

将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入风速-桨距角数据库中，更新风速-桨距角数据库的数据。

这样，将该变桨控制过程中的风速、与风速对应的桨距角输入风速-桨距角数据库中，对现有数据库实时更新，这使得风速-桨距角数据库的数据得到进一步充实，具有更高的准确性和可靠性。

需要说明的是，上述具体实施方式中并未限定更新数据库的步骤的具体次序和次数，凡是包括更新数据库的步骤的上述控制方法均应当属于本发明的保护范围内。例如，如图3所示，可以将上述更新数据库的步骤设于步骤S24之后，并在每一次调整桨距角之后，都将本次控制过程的风速及其对应的桨距角输入风速-桨距角数据库，对数据库进行实时更新，增强数据库的工作可靠性和稳定性。

再例如，还可以将上述更新数据库的步骤设于步骤S22和步骤S23之间，通过编程设定“更新周期”，当上述控制方法的控制时间达到该周期后，将该周期内的所有风速及其对应的桨距角一一输入风速-桨距角数据库，对数据库进行阶段性更新；还可以通过编程设定“更新次数”，当上述控制方法中调整桨距角的次数达到该次数后，将该次数的所有风速及其对应的桨距角一一输入风速-桨距角数据库，对数据库进行阶段性更新。具体地，上述“更新周期”可以设置为24小时，上述“更新次数”可以设置为50次，当然，上述两个参数还可以设置为其他值。

更进一步的方案中，上述变桨控制方法在建立风速-桨距角数据库后，还包括：剔除风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

采用这种方法，能进一步保证风速-桨距角数据库中的数据的可信度，增强变桨控制方法的准确性和可靠性。具体地，这里可以采用“定期处理”的方法，例如每过一小时对数据库中的不良数据进行一次删除和修正；还可以采用“定量处理”的方法，例如每当控制数据增加一百条时进行一次删除和修正工作。用户可以根据实际需要进行自行选择。

关于如何确定风速-桨距角数据库中的数据是否为不良数据，本发明也提出了几种具体实施方式：

例如，可以通过判断风速-桨距角数据库中一组数据中的风力发电机的电磁转矩大小与其对应的风速大小是否符合正确对应关系来确定该组数据是否为不良数据。若符合，则该数据属于正确数据，否则属于不良数据，应当进行重新修正和更新。在另外一种具体实施方式中，还可以通过判断风力发电机的功率波动范围等其他参数来判断其所在的一组数据是否为不良数据。

特别说明的是，上述剔除不良数据的步骤不仅可以针对初始的风速-桨距角数据库，还可以针对更新后的风速-桨距角数据库，即上述剔除不良数据的步骤可以在控制方法的任意阶段进行，凡是包括剔除不良数据的上述控制方法均应当属于本发明的保护范围内。

请参考图4，图4为本发明所提供的用于风力发电机的变桨控制系统的一种具体实施方式的流程框图。

如图4所示，本发明还提供一种用于风力发电机的变桨控制系统，包括检测装置和控制器；检测装置包括：

评估模块，用于获取安装风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取风力发电机的自身参数；

采集模块，用于实时检测当前风速或者未来时段的风速；

控制器包括：

建立数据库单元，用于根据已知风速、风力发电机的自身参数确定当风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

信号输出单元，用于查询风速-桨距角数据库中当前风速或者未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至对应的稳定桨距角。

具体地，建立数据库单元还用于将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入风速-桨距角数据库中，更新风速-桨距角数据库的数据。建立数据库单元还用于剔除风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

更具体地，上述数据库可以为表格或者函数关系。

此外，本发明还提供一种风力发电机，包括叶片；还包括如上的变桨控制系统，变桨控制系统与叶片连接。

由于上述用于风力发电机的变桨控制方法具有上述的技术效果，因此，与之对应的变桨控制系统及包括该系统的风力发电机也应当具有相应的技术效果，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种风力发电机及其变桨控制方法、变桨控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护内。

Claims (9)

1.一种用于风力发电机的变桨控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取安装所述风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取所述风力发电机的自身参数；

2)根据所述已知风速、所述风力发电机的自身参数确定当所述风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

3)实时检测当前风速或者未来时段的风速；

4)查询所述风速-桨距角数据库中所述当前风速或者所述未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至所述对应的稳定桨距角。

2.根据权利要求1所述的用于风力发电机的变桨控制方法，其特征在于，还包括：

将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入所述风速-桨距角数据库中，更新所述风速-桨距角数据库的数据。

3.根据权利要求2所述的用于风力发电机的变桨控制方法，其特征在于，建立所述风速-桨距角数据库后，还包括：剔除所述风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对所述不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

4.根据权利要求3所述的用于风力发电机的变桨控制方法，其特征在于，通过判断所述风速-桨距角数据库中一组数据中的所述风力发电机的电磁转矩大小与其对应的风速大小是否符合正确对应关系来确定该组数据是否为不良数据。

5.一种用于风力发电机的变桨控制系统，包括检测装置和控制器；其特征在于，所述检测装置包括：

评估模块，用于获取安装所述风力发电机的风场的风资源参数，统计每个预定时间段的已知风速，并获取所述风力发电机的自身参数；

采集模块，用于实时检测当前风速或者未来时段的风速；

所述控制器包括：

建立数据库单元，用于根据所述已知风速、所述风力发电机的自身参数确定当所述风力发电机稳定工作时的风速和桨距角的对应关系，建立风速-桨距角数据库；

信号输出单元，用于查询所述风速-桨距角数据库中所述当前风速或者所述未来时段的风速对应的稳定桨距角；并输出变桨指令，调整当前桨距角至所述对应的稳定桨距角。

6.根据权利要求5所述的用于风力发电机的变桨控制系统，其特征在于，所述建立数据库单元还用于将变桨控制过程中的获取的当前风速及其对应的桨距角，或者获取的未来时段的风速及其对应的桨距角输入所述风速-桨距角数据库中，更新所述风速-桨距角数据库的数据。

7.根据权利要求6所述的用于风力发电机的变桨控制系统，其特征在于，所述建立数据库单元还用于剔除所述风速-桨距角数据库中明显不符合正确对应关系的不良数据，对所述不良数据进行修正，并加入修正后的正确数据。

8.根据权利要求5-7任一项所述的用于风力发电机的变桨控制系统，其特征在于，所述数据库为表格或者函数关系。

9.一种风力发电机，包括叶片；其特征在于，还包括如权利要求5-8任一项所述的变桨控制系统，所述变桨控制系统与所述叶片连接。

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