CN102889174B - 一种防止风电机组空转的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止风电机组空转的方法，包括：（1）给出风电机组转速与功率匹配逻辑表，其中设定转速与功率匹配的限制；（2）分别采集风电机组的转速以及功率信号值；（3）根据采集得到的转速及功率信号值来查找所述转速与功率匹配逻辑表，进行判断；（4）如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则判断风电机组出现异常空转现象，发出故障信号，通知风电机组停机。采用本发明的方法，在风电机组因某些异常情况发生导致风电机组空转时，可以提供相关故障信号，使风电机组停止下来，以便维护人员去检修，防止风电机组更大事故的发生。

Description

一种防止风电机组空转的方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，具体地，涉及一种防止风电机组空转的方法。

背景技术

风电机组的规模越来越大，故障也会越来越多。其中空转现象的出现对风电机组的安全稳定运行提出了新的挑战，如果风电机组出现空转现象且在大风时期不能收桨停机，那将对整个风电机组造成很大的危险，甚至会导致风电机组发生倒塌造成巨大的经济损失与名誉损失。

目前风电机组在此空转故障上还没有相关保护装置，当风电机组因某些故障导致空转时，转子转速由于没有负荷限制，很快就会上升到额定转速或是超过额定转速，但是主控系统没有相关空转保护，所以变桨系统就不停的在调节角度从而限制转子转速。如果人员没有及时发现，风电机组就这样不输出有功功率而空转运行，给风电机组带来不稳定，以及经济损失。

综上所述，风电机组空转现象应该迅速发现，并且报出相应故障，之后立即停机，通知现场人员来检修。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防止风电机组空转的方法，在风电机组因某些异常情况发生导致风电机组空转，而不能自动判断时，给控制系统提供相关故障信号，使风电机组停止下来，以便维护人员去检修。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防止风电机组空转的方法，包括：

（1）给出风电机组转速与功率匹配逻辑表，其中设定转速与功率匹配的限制。

（2）分别采集风电机组的转速以及功率信号值。

（3）根据采集得到的转速及功率信号值来查找所述转速与功率匹配逻辑表，进行判断。

（4）如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则判断风电机组出现异常空转现象，发出故障信号，通知风电机组停机。

进一步地，所述风电机组转速与功率匹配逻辑表包括两种：一种是用于风电机组实验时确实需要风电机组空转测试的情况；一种是用于风电机组正常运行情况。

进一步地，在进行所述步骤（3）的判断前，先对步骤（2）得到的转速信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效转速判断环节，负转速判断环节；同时，对功率信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效功率判断环节，负功率判断环节；经过信号处理后的转速及功率信号值再进行步骤（3）的判断。

进一步地，在所述步骤（2）中，风电机组的转速信号值是通过安装在风电机组上的转速测量装置实时采集得到的；所述风电机组的功率信号值的采集方法是：通过设置在风电机组电网端口的电能质量装置实时采集风电机组电网端口的电压、电流并计算得出风电机组功率信号值。

进一步地，所述步骤（4）中，发出的故障信号直接接入风电机组主控系统，或是风电机组安全链装置，控制发电机组停机。

进一步地，所述步骤（4）中，如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则先延迟一定时间再发出故障信号。

进一步地，所述风电机组转速与功率匹配逻辑表根据功率曲线来确定。

进一步地，所述功率曲线的功率计算公式为：P=1/2CpA ρV³η，其中：P为风轮输出功率，Cp为风轮功率系数,A为风轮扫掠面积,ρ为空气密度,V为风速，η为机组效率，是风机机械效率与风机电功率效率的乘积。

进一步地，所述Cp最高取值为0.43。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明通过风电机组转速检测与功率检测，经过查找风电机组转速与功率匹配逻辑表，从而判断风电机组是否发生空转现象，当发生空转时，可将故障信号发给主控系统或风电机组安全链，起到将风电机组停机作用，防止风电机组更大事故的发生，解决了风电机组因某些特殊故障发生而导致风电机组空转不停机的问题，方便维护人员去检修。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的一种防止风电机组空转的方法对应的装置结构示意图；

图2为图1中的综合分析器工作逻辑图；

图3为风电机组转速与功率匹配逻辑表曲线示意图；

图4为风电机组转速与功率匹配逻辑表曲线示意图（根据功率曲线设定匹配度）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种防止风电机组空转的方法，包括：

（1）给出风电机组转速与功率匹配逻辑表，其中设定转速与功率匹配的限制；逻辑表就是风电机组的转速与功率对应的曲线，如图3所示，其中横坐标为转速，纵坐标为功率。

由于不同风电机组的功率曲线是不一样的，所以转速与功率对应的曲线就不一样，根据不同的功率曲线来确定转速与功率匹配逻辑表，图3中只是以1.5MW风电机组为例，对于其它功率风电机组的逻辑表可以根据功率曲线进行修改。对于相关风电机组如何去确定功率曲线，可参照相关专业书籍。

功率曲线相关定义：

对于风力发电机组的功率曲线的计算是一个比较复杂的过程，需要对机组的实际运行情况进行较长时间的观测，记录的数据包括风速、大气压力、空气密度以及环境温度、地形等，然后换算成标准值和经验值，对测得的功率进行纠差与修正，再对修正后的数据进行分组、统计，最后绘制出比较精确的功率曲线趋势图。

在这之前要首先了解几项参数及其定义：要了解风力发电机组的功率是如何计算的，它的计算公式可以表示为：

P=1/2CpAρV³η;

P为风轮输出功率，Cp为风轮功率系数,A为风轮扫掠面积,ρ为空气密度,V为风速，η为机组效率，是风机机械效率与风机电功率效率的乘积。

其次从上述公式中可以看出风轮的功率与速度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风轮的功率便增加八倍。这是一个很重要的概念。上述公式中还有一个比较重要的参数就是风轮功率系数Cp，其定义就是风轮吸收的能量与总能量之比，叶尖速比λ与桨距角β是它的重要参数。叶尖速比是叶尖的圆周旋转速度与风速的比值。功角是叶片的翼弦与气流速度矢量v的夹角。在实际的风轮旋转过程中，接近风力发电机前的空气动能是不可能全部被风轮的叶片吸收，否则风轮后的空气就不流动了，空气流动是不可能完全停止的，所以Cp总是小于1的。那么Cp到底是多少呢？在这里就必须引入一个贝兹极限理论的概念。这个理论是一个假想理论：假设风轮是一个圆盘（叶片无数多，空气没有摩擦和黏性的，流过风轮的气流是均匀的，且垂直于风轮旋转平面，气流可以看作是不可压缩的，利用动量理论、气流冲量原理、导入轴向干扰因子a,经过一系列的积分公式推算可以得出,也就是59%，这表明在最理想的情况下接近风力发电机前的空气动能经过风轮旋转被风轮吸收的最大能量为它的59.3%，这就是贝兹极限理论。而在实际运行过程中，考虑到风机自身条件的限制以及天气客观的影响，Cp最高取值为0.43，这是因为对于变速变桨风力发电机组在运行过程中通过改变叶片只有三片、且是靠桨距角（0°-90°）来调节风机的受风面积以达到风轮转速，以达到限制输出功率的目的。也就是说风轮的输出功率或者是吸收风能的能量与叶尖速比存在一定的关系，根据现场实际运行及相关试验可以看出在额定低风速下由于风机发电机恒定转速不变，风速在小风区间风机发电功率不高，虽然叶尖速比在10-13之间，但是利用风能系数很低。在额定满发风速下，风机输出功率达到最大，叶尖速比在5—6之间此时风机的出率最大，风能利用系数最高。在风速超过满发额定风速时，由于叶片本身最大迎风角度已接近0度，叶尖速比持续降低。

（2）分别采集风电机组的转速以及功率信号值。

（3）根据采集得到的转速及功率信号值来查找所述转速与功率匹配逻辑表，进行判断。

（4）如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则判断风电机组出现异常空转现象，发出故障信号，通知风电机组停机。

在上述方法中，风电机组转速与功率匹配逻辑表可以包括两种：一种是用于风电机组实验时确实需要风电机组空转测试的情况；一种是用于风电机组正常运行情况。

在上述方法中，在进行步骤（3）的判断前，可先对步骤（2）得到的转速信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效转速判断环节，负转速判断环节；同时，对功率信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效功率判断环节，负功率判断环节；经过信号处理后的转速及功率信号值再进行步骤（3）的判断。

在上述方法中，在步骤（2）中，风电机组的转速信号值是通过安装在风电机组上的转速测量装置实时采集得到的；风电机组的功率信号值的采集方法是：通过设置在风电机组电网端口的电能质量装置实时采集风电机组电网端口的电压、电流并计算得出风电机组功率信号值。

在上述方法中，在步骤（4）中，发出的故障信号可直接接入风电机组主控系统，或是风电机组安全链装置，控制发电机组停机。

在上述方法中，在步骤（4）中，如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则先延迟一定时间再发出故障信号。

如图1所示，本发明的一种防止风电机组空转的方法对应的装置主要由三部分组成：

1、综合分析器，主要用于判断转速与功率的匹配度，当实际风电机组超过设定值时，将向外部发出故障信号。

2、转速测量装置，主要将发电机组转速信号传入综合分析器。

3、电能质量装置，主要采集风电机组电网端口的电压、电流信号，经过该装置的处理计算得出功率信号值后，将功率信号值传入综合分析器。

上述装置的工作原理是：转速测量装置实时采集发电机组转速，将转速送给综合分析器。综合分析器接收到转速后进行相关处理，例如进行低通滤波处理环节，有效转速判断环节，负转速判断环节，之后作为合格转速参与综合分析器防空转逻辑判断。电能质量装置实时采集风电机组电网端口的电压、电流，通过计算得出实时风电机组功率信号值，将该功率信号值送入综合分析器进行处理。综合分析器收到功率信号值后，做相应的信号处理，例如低通滤波处理环节，有效功率判断环节，负功率判断环节，之后将功率信号值作为合格功率参与综合分析器的防空转逻辑判断。

如图2所示，当综合分析器收到风电机组转速与功率信号值后，进行查表。查表中如果转速与功率没有在设定匹配值内，综合分析器将会延迟一定时间发出故障信号给外部，其中时间延迟是防止外界通过干扰而导致判断错误，加延迟后可以提高风电机组可利用率，一般此故障信号可以接入风电机组主控系统的主控程序，或是风电机组安全链装置。

综合分析器中的风电机组转速与功率匹配逻辑表主要分为两种，一种是用于风电机组实验时确实需要风电机组空转情况；一种是用于风电机组正常运行情况。逻辑表要根据风电机组功率曲线设定匹配度，通过调试软件可以修改匹配值，从而可以灵活控制匹配度，达到输出故障信号，通知风电机组停机。其中，根据功率曲线设定匹配度这部分为公知常识，但需要注意的是在设定误差值时得由设计人员根据需要自行设定。如图4所示，黑色实线为逻辑表值，正负误差范围是黑色虚线与灰色曲线，也就是说在黑色虚线与灰色曲线之间时，不会报故障，只有在黑色虚线与灰色曲线外，综合分析器才会报转速与功率不匹配。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防止风电机组空转的方法，其特征在于，包括：

（1）给出风电机组转速与功率匹配逻辑表，其中设定转速与功率匹配的限制；

（2）分别采集风电机组的转速以及功率信号值；

（3）根据采集得到的转速及功率信号值来查找所述转速与功率匹配逻辑表，进行判断；

（4）如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则判断风电机组出现异常空转现象，发出故障信号，通知风电机组停机。

2.根据权利要求1所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述风电机组转速与功率匹配逻辑表包括两种：一种是用于风电机组实验时确实需要风电机组空转测试的情况；一种是用于风电机组正常运行情况。

3.根据权利要求1或2所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，在进行所述步骤（3）的判断前，先对步骤（2）得到的转速信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效转速判断环节，负转速判断环节；同时，对功率信号值进行信号处理，包括低通滤波处理环节，有效功率判断环节，负功率判断环节；经过信号处理后的转速及功率信号值再进行步骤（3）的判断。

4.根据权利要求1或2所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，风电机组的转速信号值是通过安装在风电机组上的转速测量装置实时采集得到的；所述风电机组的功率信号值的采集方法是：通过设置在风电机组电网端口的电能质量装置实时采集风电机组电网端口的电压、电流并计算得出风电机组功率信号值。

5.根据权利要求1或2所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，发出的故障信号直接接入风电机组主控系统，或是风电机组安全链装置，控制发电机组停机。

6.根据权利要求1或2所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，如果转速与功率信号值没有在设定匹配值内，则先延迟一定时间再发出故障信号。

7.根据权利要求1或2所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述风电机组转速与功率匹配逻辑表根据功率曲线来确定。

8.根据权利要求7所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述功率曲线中的功率计算公式为：P=1/2CpAρV³η，其中：

P为风轮输出功率，Cp为风轮功率系数,A为风轮扫掠面积,ρ为空气密度,V为风速，η为机组效率，是风机机械效率与风机电功率效率的乘积。

9.根据权利要求8所述的防止风电机组空转的方法，其特征在于，所述Cp最高取值为0.43。