CN102797631A - 一种风电机组的最优增益在线自校正方法、系统及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组的最优增益在线自校正方法、系统及其装置，该方法包括：采集外围环境实时温度；采集机组运行实测数据；绘制实测转速-转矩曲线，将其与理论曲线进行对比，求取均方根误差；计算最优增益值并进行校正；计算实时增益值，对最优增益值进行增益修正；对最优增益输出进行增益限制；最优增益值通过网络通讯传回主控PLC。该系统包括：温度计算模块、数据采集模块、误差分析模块、增益校正模块、增益修正模块、增益限值模块。该装置主要由温度传感器、温度处理电路、自校正系统以及主控PLC组成。本发明可实现对最优增益的在线校正，且成本较低，利于推广。

Description

一种风电机组的最优增益在线自校正方法、系统及其装置

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的最优增益在线自校正方法、系统及其装置。

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。然而，在目前的控制策略中，增益值往往是在初始化时设定了一个固定的值，而不能根据实际环境进行在线的校正。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，需要根据实际环境以及风电机组的实际运行情况，在线的对转速转矩控制策略的最优增益值进行校正，实时对风电机组进行在线优化，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的最优增益在线自校正方法、系统及其装置，使其可采集风电机组运行状态，分析机组运行状态对理论控制策略曲线的跟踪误差，实现对最优增益的在线校正，从而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转速转矩控制策略的最优增益在线自校正方法，包括以下步骤：A.采集并计算风电机组外围环境实时温度；B.采集风电机组运行实测数据；C.根据风电机组运行实测数据绘制实测转速-转矩曲线，将其与主控策略中的理论曲线进行对比，求取均方根误差；D.根据均方根误差、均方根误差历史值、最优增益历史值计算最优增益值并进行校正；E.根据风电机组外围环境实时温度计算实时增益值，对最优增益值进行增益修正；F.根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值和极小值，对最优增益输出进行增益限制；G.最优增益值通过网络通讯传回主控PLC。

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

所述均方根误差的计算公式为： $e=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}(\mathrm{Gen}\_\mathrm{Toreque}-\mathrm{Des}\_\mathrm{Toreque}{)}^2}{n}},$ 其中，e为均方根误差，Gen-Torque为实测转矩，Des-Torque为理论转矩，n为测量点个数。

所述步骤D中最优增益值的计算和校正公式为：k=k_p-1+sign(k_p-1-k_p-2)*sign(e_p-1-e_p)/1000，其中，e_p为本次计算中根据步骤C计算得到的均方根误差，e_p-1为上一次求得的均方根误差值，k_p-1为上一次求得的最优增益值，k_p-2为上两次求得的最优增益值。

所述增益修正是根据风电机组外围环境的实时温度值t及一天内上下温度t-up、t-low，分别计算出实时增益值k_t、k_up、k_low，然后将k_t与k_up、k_low进行比较，设修正阈值为ρ=(k_up-k_low)/24，若|k_t-k_p|≤ρ，则k=k_p；若|k_t-k_p|>ρ，则令k值等于上一次计算得出k_p-1值，即k=k_p-1。

本发明还提供了一种风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线自校正系统，包括：温度计算模块，用于采集并计算风电机组外围环境实时温度；数据采集模块，用于采集风电机组运行实测数据；误差分析模块，用于根据风电机组运行实测数据绘制实测转速-转矩曲线，将其与主控策略中的理论曲线进行对比，求取均方根误差；增益校正模块，用于根据均方根误差、均方根误差历史值、最优增益历史值计算最优增益值并进行校正；增益修正模块，用于根据风电机组外围环境实时温度计算实时增益值，对增益校正模块计算出的最优增益值进行增益修正；增益限值模块，用于根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值和极小值，对最优增益输出进行增益限制。

最后，本发明还提供了一种风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线自校正装置，主要由通过电路连接的温度传感器、温度处理电路、上述的自校正系统以及主控PLC组成。

作为进一步地改进，所述的温度处理电路包括采集电路和滤波电路。

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自校正的问题。

2、最优增益值根据实测数据进行误差分析，然后对最优增益进行校正，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、采用实时温度计算出的实时最优增益值作为参考对其进行修正，有利于提高风电机组运行的稳定性。

4、采用当地极端气温计算出的最优增益极大值和极小值作为限值，有利于进一步保证风电机组的运行稳定性。

5、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是本发明风电机组转速转矩控制策略的最优增益值自校正装置结构示意图。

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自校正装置包括通过电路连接的温度传感器、温度处理电路、主控PLC及本发明的风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线自校正系统（增益校正PLC）。

其中，温度处理电路包括采集电路和滤波电路，校正PLC系统得到的最优增益值通过网络通讯传回主控PLC，参与风电机组主控策略，形成闭环控制。校正PLC系统包括数据计算模块、数据采集模块、误差分析模块、增益校正模块、增益修正模块、增益限值模块。上述各模块的功能如下：

温度计算模块，用于采集并计算风电机组外围环境实时温度；

数据采集模块通过网络通讯采集风电机组运行数据，主要包括发电机转速和发电机转矩数据，用于后续环节分析；

误差分析模块根据风电机组运行实测数据绘制实测转速-转矩曲线，将其与主控策略中的理论曲线进行对比，求取均方根误差，用于后续对最优增益值的校正；

增益校正模块根据均方根误差、均方根误差历史值、最优增益历史值计算最优增益值并进行最优增益值的校正；

增益修正模块根据风电机组外围环境实时温度计算实时增益值，对增益校正模块计算出的最优增益值进行进一步修正；

增益限值模块根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值和极小值，对最优增益输出进行增益限制。

本发明风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线自校正的方法包括以下步骤：

1、通过温度计算模块，采集并计算风电机组外围环境实时温度t。

2、采集风电机组运行实测数据：数据采集模块通过网络通讯采集主控PLC的实时数据，包括发电机转速Gen_Speed和发电机转矩Gen_Torque，并将数据进行储存。

3、误差分析：误差分析模块将采集的发电机转速Gen_Speed和发电机转矩Gen_Torque绘制出实测转速-转矩曲线，然后将实测的转速-转矩曲线与主控策略中的理论曲线进行对比。若同一转速Gen_Speed下，实测转矩为Gen_Torque，理论转矩为Des_Torque，则求取均方根误差e为：

$e=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}(\mathrm{Gen}\_\mathrm{Toreque}-\mathrm{Des}\_\mathrm{Toreque}{)}^2}{n}}---\left(1\right)$

其中，n为测量点个数

4、增益校正：增益校正模块根据均方根误差e_p、均方根误差历史值e_p-1、最优增益历史值k_p-1，计算最优增益值k_p，并对最优增益值k_p进行校正。设二者误差为e_r=e_p-e_p-1，最优增益值k_p在最优增益历史值k_p-1的基础上增加c*sign(-e_r)/1000，c为增益校正系数，且c的符号代表上一次校正时k值的变化趋势，即c＝sign(k_p-1-k_p-2)。

5、增益修正：根据风电机组外围环境的实时温度值t及一天内上下温度t-up、t-low，分别计算出实时增益值k_t、k_up、k_low，然后将k_t与k_up、k_low进行比较，设修正阈值为ρ=(k_up-k_low)/24，若|k_t-k_p|≤ρ，则k=k_p；若|k_t-k_p|>ρ，则令k值等于上一次计算得出k_p-1值，即k=k_p-1，以保证风电机组运行的稳定性。

6、增益限值：增益限值模块对最优增益输出进行限制。根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值k_max和极小值k_min，作为最优增益值k的限值，即，当k_min≤k≤k_max时，保持k不变；当k＞k_max时，令k＝k_max；当k＜k_min时，令k＝k_min，进一步保证机组运行的稳定性。

7、增益闭环反馈：通过上述流程计算出的最优增益值k，由校正PLC通过网络通讯传回主控PLC参与主控策略控制，形成最优增益值自校正的闭环控制，提高机组运行性能，同时提升机组运行的稳定性。

通过上述方法和装置，即可实现风电机组转速转矩控制策略的最优增益值K_opt的计算，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 (8)

1.一种风电机组的最优增益在线自校正方法，其特征在于包括以下步骤：

A.采集并计算风电机组外围环境实时温度；

B.采集风电机组运行实测数据；

C.根据风电机组运行实测数据绘制实测转速-转矩曲线，将其与主控策略中的理论曲线进行对比，求取均方根误差；

D.根据均方根误差、均方根误差历史值、最优增益历史值计算最优增益值并进行校正；

E.根据风电机组外围环境实时温度计算实时增益值，对最优增益值进行增益修正；

F.根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值和极小值，对最优增益输出进行增益限制；

G.最优增益值通过网络通讯传回主控PLC。

2.根据权利要求1所述的风电机组的最优增益在线自校正方法，其特征在于：所述步骤A中的实时温度，是对实时采集到的风电机组外围环境温度进行滤波处理和计算得到的。

3.根据权利要求1所述的风电机组的最优增益在线自校正方法，其特征在于：

所述均方根误差的计算公式为： $e=\sqrt{\frac{\mathrm{\Σ}(\mathrm{Gen}\_\mathrm{Toreque}-\mathrm{Des}\_\mathrm{Toreque}{)}^2}{n}},$

其中，e为均方根误差，Gen_Torque为实测转矩，Des_Torque为理论转矩，n为测量点个数。

4.根据权利要求1所述的风电机组的最优增益在线自校正方法，其特征在于：

所述步骤D中最优增益值的计算和校正公式为：

k=k_p-1+sign(k_p-1-k_p-2)*sign(e_p-1-e_p)/1000，

其中，e_p为本次计算中根据步骤C计算得到的均方根误差，e_p-1为上一次求得的均方根误差值，k_p-1为上一次求得的最优增益值，k_p-2为上两次求得的最优增益值。

5.根据权利要求1所述的风电机组的最优增益在线自校正方法，其特征在于：

所述增益修正是根据风电机组外围环境的实时温度值t及一天内上下温度t-up、t-low，分别计算出实时增益值k_t、k_up、k_low，然后将k_t与k_up、k_low进行比较，设修正阈值为ρ=(k_up-k_low)/24，若|k_t-k_p|≤ρ，则k=k_p；若|k_t-k_p|>ρ，则令k值等于上一次计算得出k_p-1值，即k=k_p-1。

6.一种风电机组的最优增益在线自校正系统，其特征在于包括：

温度计算模块，用于采集并计算风电机组外围环境实时温度；

数据采集模块，用于采集风电机组运行实测数据；

误差分析模块，用于根据风电机组运行实测数据绘制实测转速-转矩曲线，将其与主控策略中的理论曲线进行对比，求取均方根误差；

增益校正模块，用于根据均方根误差、均方根误差历史值、最优增益历史值计算最优增益值并进行校正；

增益修正模块，用于根据风电机组外围环境实时温度计算实时增益值，对增益校正模块计算出的最优增益值进行增益修正；

增益限值模块，用于根据当地全年历史极端气温计算出最优增益值的极大值和极小值，对最优增益输出进行增益限制。

7.一种风电机组转速转矩控制策略的最优增益在线自校正装置，其特征在于：主要由通过电路连接的温度传感器、温度处理电路、权利要求6所述的自校正系统以及主控PLC组成。

8.根据权利要求7所述的风电机组的最优增益在线自校正装置，其特征在于：所述的温度处理电路包括采集电路和滤波电路。

Images