CN102767473B - 风电机组控制策略的最优增益在线计算方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于风电机组控制策略的最优增益在线计算方法、系统及装置，在线计算方法包括以下步骤：采集风电机组外围环境的实时温度；读取系统时间；根据读取的系统时间，将获得的实时温度和当月历史月平均气温进行加权计算，得到加权温度；根据加权温度以及当地的海拔高度计算空气密度；根据空气密度，结合风电机组的特性参数计算最优增益值。本发明可实时测量风电机组的外围环境温度，根据历史统计的月平均温度，加权计算空气密度，然后结合风电机组的特性，在线计算出功率满发转速以下转速转矩控制策略中的最优增益值，对风电机组实现在线优化，以提高风电机组的运行性能，本发明实现较为容易，且成本较低，利于推广。

Description

风电机组控制策略的最优增益在线计算方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组控制策略的最优增益在线计算方法、系统及装置。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，已逐渐成为了一种常规能源。随着风电机组装机容量的不断提高，行业对风电机组的性能要求也越来越高。在风电机组功率满发转速以下的转速转矩控制策略中，涉及一个跟踪最大风能利用捕获的增益值，该增益值与实际风能资源情况越吻合，风电机组的控制策略就能更加准确的捕获风能，提高风电机组的发电量。如果该增益值与实际发生了偏离，则会影响控制策略的效果，影响风电机组捕获风能，从而影响风电机组发电量。在与该增益值密切相关的参数中，有的与风电机组自身的特性密切相关，比如叶尖速比和风能利用系数等，也有与风资源密切相关的参数，如空气密度等。叶尖速比和风能利用系数等参数随着风电机组设计的完成而固定，难以进行设计和控制上的修改，而空气密度随着风电场地理位置的不同而各有区别。

现在的控制策略中，往往采用年平均空气密度，或者采取年平均气温经过计算得到年平均空气密度，然后利用这个年平均空气密度计算转速转矩控制策略中的增益值。由于空气密度受季节和温度影响较大，显然用这 种方法计算出来的增益值总是与实际值有较大的偏差。因此，为了提高风电机组对风能的捕获能力，提高风电机组在同等风资源情况发现的发电量，同时提升风电机组稳定运行的性能，需要根据实际环境情况，在线的计算出转速转矩控制策略的最优增益值，实时对风电机组进行在线优化校正，以提高风电机组的运行性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组控制策略的最优增益在线计算方法、系统及装置，使其可实时测量风电机组的外围环境温度，根据历史统计的月平均温度，加权计算空气密度，然后结合风电机组的特性，在线计算出功率满发转速以下转速转矩控制策略中的最优增益值，对风电机组实现在线优化，以提高风电机组的运行性能。

为解决上述问题，本发明一种风电机组控制策略的最优增益在线计算方法，包括以下步骤：A. 采集风电机组外围环境的实时温度；B. 读取系统时间；C. 根据读取的系统时间，将获得的实时温度和当月历史月平均气温进行加权计算，得到加权温度；D. 根据加权温度以及当地的海拔高度计算空气密度；E. 根据空气密度，结合风电机组的特性参数计算最优增益值。

作为进一步地改进，所述步骤A中的实时温度，是对实时采集到的电机组外围环境温度进行整形处理、滤波处理和计算得到。

作为进一步地改进，所述加权温度的计算公式为：t_p=p·t_history+(1-p)·t_actual。所述空气密度的计算公式为： 。所述最优增益值的计算公式为： 。

本发明还提供了一种风电机组控制策略的最优增益在线计算系统，包括：环境温度计算模块，用于实时计算风电机组外围环境温度；系统时间 读取模块，用于读取系统时间；温度加权计算模块，用于根据读取的系统时间，将获得的实时温度和当月历史月平均气温进行加权计算，得到加权温度；空气密度计算模块，用于根据加权温度以及当地的海拔高度计算空气密度；以及最优增益计算模块，用于根据空气密度，结合风电机组的特性参数计算最优增益值。

本发明还提供了一种风电机组控制策略的最优增益在线计算装置，包括通过电路连接的温度传感器、信号处理电路和内置有上述系统的单片机。

作为进一步地改进，所述的信号处理电路包括信号采集电路、整形电路和滤波电路。

采用以上设计后，本发明具有以下有益效果：

1、解决了风电机组在功率满发转速以下转速转矩控制策略中最优增益值无法在线计算的问题。

2、最优增益值根据实时温度在线计算，减小了最优增益值与实际值的误差，提高了风电机组捕获风能的能力。

3、采用历史月平均气温和实时采集温度进行加权计算，有利于防止温度采集误差对系统的影响，提高系统运行的稳定性。

4、本发明实现较为容易，且成本较低，利于推广。

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是转速-转矩主控策略示意图。

图2是本发明风电机组控制策略的最优增益在线计算装置结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图中BC段为风电机组在功率并网转速和功率满发转速之间的控制策略，也是最优增益值K_opt所作用的转矩区域。

请配合参阅图2所示，风电机组控制策略的最优增益在线计算装置包括通过通过电路连接的温度传感器、信号处理电路和单片机。其中，信号处理电路包括信号采集电路、整形电路和滤波电路，单片机内置有风电机组控制策略的最优增益在线计算系统。

风电机组控制策略的最优增益在线计算系统包括环境温度计算模块、系统时间读取模块、月平均气温表、温度加权计算模块、空气密度计算模块、机组特性参数以及最优增益计算模块。各组成部分功能如下：

环境温度计算模块通过对温度处理电路处理之后的温度信号进行计算，得到风电机组外围环境的实时温度值。

系统时间读取模块用于读取系统时间，用于后续从月平均气温表中读取历史月平均气温。

月平均气温表根据当地的气象信息历史数据，记录当地一年中每个月份的平均气温，然后根据系统时间查出表中当月的历史月平均气温，用于后续温度的加权计算。

温度加权计算模块根据温度采集模块采集的实时温度和月平均气温表所记录当月历史平均气温，通过加权计算，得到温度信息，用于后续空气密度计算。

空气密度计算模块根据空气密度计算公式，结合温度加权计算模块得到的实时温度信息以及当地的海拔数据，计算出实时空气密度。

机组特性参数记录了风电机组该机型的特性参数，包括叶尖速比、最优风能利用系数、齿轮箱变比、叶轮半径等参数，用于后续最优增益值的 计算。

最优增益计算模块根据空气密度计算模块计算出来的实时空气密度，结合风电机组的特性参数，实时在线计算功率满发转速以下转速转矩控制策略的最优增益值，用于风电机组主控策略。

本发明风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线计算的方法包括以下步骤：

1、采集实时温度：温度采集电路通过温度传感器采集环境温度，对温度信号进行整形和滤波等处理，处理后的温度信号，通过环境温度计算模块计算得到风电机组外围环境的实时温度值t_actual，单位为摄氏度。

2、读取当月历史平均气温：通过系统时间读取模块读取系统时间，然后在月平均气温表中查出当月历史月平均气温t_history，用于后续温度加权计算。

3、计算加权温度：温度加权计算模块根据环境温度计算模块得到的实时温度t_actual和月平均气温表记录的当月历史月平均气温t_actual进行加权计算，根据先验知识设加权系数为p，则加权温度t_p为：

t_p=p·t_history+(1-p)·t_actual(1)

4、计算空气密度：空气密度计算模块根据温度加权计算模块得到的加权温度为t_p以及当地的海拔高度h，计算空气密度ρ_air为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}=\frac{353.05}{273+t_p}\·e^{\frac{-0.034h}{273+t_p}}---\left(2\right)$

5、计算最优增益值：根据空气密度计算模块计算得到的空气密度ρ_air，结合风电机组的特性参数，包括叶轮半径R，最优风能利用系数C_p，叶尖速比λ，齿轮箱变比G，则功率满发转速下转速转矩控制策略的最优增益值K_opt为：

$K_{\mathrm{opt}}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{air}}{R}^5{C}_p}{2{\mathrm{\λ}}^3{G}^3}---\left(3\right)$

通过上述方法和装置，即可实现空气密度的在线实时计算，从而实现风电机组在功率满发转速下转速转矩控制策略的最优增益值K_opt的在线计算，通过实时校正提高风电机组的运行性能，成本较低，易于实现和推广。

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 (5)

1.一种风电机组控制策略的最优增益在线计算方法，其特征在于包括以下步骤：

A.采集环境温度，对温度信号进行处理，并对处理后的温度信号计算得到风电机组外围环境的实时温度值；

B.读取系统时间；

C.根据读取的系统时间，将获得的实时温度和当月历史月平均气温进行加权计算，得到加权温度，计算公式为：t_p＝p·t_history+(1-p)·t_actual，其中，t_p为加权温度，p为加权系数，t_history为当月历史月平均气温，t_actual为步骤A测得的实时温度值；

D.根据加权温度以及当地的海拔高度计算空气密度，计算公式为：其中，ρ_air为空气密度，h为当地的海拔高度；

E.根据空气密度，结合风电机组的特性参数计算最优增益值，计算公式为：其中，K_opt为最优增益值，R为叶轮半径，C_p为最优风能利用系数，λ为叶尖速比，G为齿轮箱变比。

2.根据权利要求1所述的风电机组控制策略的最优增益在线计算方法，其特征在于：所述步骤A中的处理包括整形处理和滤波处理。

3.一种风电机组控制策略的最优增益在线计算系统，其特征在于包括：

环境温度计算模块，用于采集环境温度，对温度信号进行处理，并对处理后的温度信号计算得到风电机组外围环境的实时温度值；

系统时间读取模块，用于读取系统时间；

温度加权计算模块，用于根据读取的系统时间，将获得的实时温度和当月历史月平均气温进行加权计算，得到加权温度，计算公式为：t_p＝p·t_history+(1-p)·t_actual，其中，t_p为加权温度，p为加权系数，t_history为当月历史月平均气温，t_actual为环境温度计算模块得到的实时温度值；

空气密度计算模块，用于根据加权温度以及当地的海拔高度计算空气密度，计算公式为：其中，ρ_air为空气密度，h为当地的海拔高度；以及

最优增益计算模块，用于根据空气密度，结合风电机组的特性参数计算最优增益值，计算公式为：其中，K_opt为最优增益值，R为叶轮半径，C_p为最优风能利用系数，λ为叶尖速比，G为齿轮箱变比。

4.一种风电机组控制策略的最优增益在线计算装置，其特征在于：包括通过电路连接的温度传感器、信号处理电路和内置有权利要求3所述系统的单片机。

5.根据权利要求4所述的风电机组控制策略的最优增益在线计算装置，其特征在于：所述的信号处理电路包括信号采集电路、整形电路和滤波电路。