CN103925156A - 一种风力发电机组变桨控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机组变桨控制方法和系统。方法包括：获取风轮的当前转速；计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；按照公式y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*)，x＝ω-ω_n计算变桨需求角度；控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。采用本发明公开的风力发电机组变桨控制方法和系统，能够减小对变桨需求角度产生的超调，增强变桨动作对风速变化的跟随性。

Description

一种风力发电机组变桨控制方法和系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制技术领域，尤其涉及一种风力发电机组变桨控制方法和系统。

背景技术

随着能源与环境的压力增加，清洁可再生的新能源近年受到普遍重视。在各类绿色能源中，风能是前景与潜力巨大的可再生能源之一，风力发电技术相对比较成熟，并且最具有大规模商业开发条件、成本相对较低。利用风能发电日益受到关注并展现出广阔的成长空间。

风力发电机组是利用风能发电的重要组件，目前，风力发电机组主要通过对变桨需求角度的控制，达到对风力发电机组风轮转速进行控制的目的。

但是，目前对风力发电机组的变桨需求角度的控制方式，容易使控制后的变桨需求角度产生超调，降低变桨动作对风速变化的跟随性。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机组变桨控制方法和系统，用以解决现有技术中，对风力发电机组的变桨需求角度的控制方式，容易使控制后的变桨需求角度产生超调，变桨动作对风速变化的跟随性弱的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种风力发电机组变桨控制方法，包括：

获取风轮的当前转速；

计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

按照公式y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

优选的，获取风轮的当前转速之后，还包括：

对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理。

优选的，对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理之后，还包括：

对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理。

优选的，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作之前，还包括：

把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内。

优选的，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作之前，还包括：

依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。

一种风力发电机组变桨控制系统，包括：

当前转速获取模块，获取风轮的当前转速；

转速偏差计算模块，用于计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

变桨需求角度计算模块，用于按照公式：

y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

控制模块，用于控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

优选的，还包括：

低通滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理。

优选的，还包括：

陷波滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理。

优选的，还包括：

变桨需求角度调整模块，用于把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内。

优选的，还包括：

叶片转速调整模块，用于依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。

本发明提供的一种风力发电机组变桨控制方法和系统，方法包括：获取风轮的当前转速；计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；依据变桨控制参数、调整系数和所述转速偏差，计算变桨需求角度；控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。本发明提供的技术方案，能够依据变桨控制参数、调整系数和所述转速偏差，较精确计算变桨需求角度，减小对变桨需求角度产生的超调，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作，能够克服现有技术中因产生超调造成惯性大引起的变桨动作对风速变化的跟随性差的问题，能够增强变桨动作对风速变化的跟随性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组变桨控制方法的流程图；

图2为本发明实施例公开的一种风力发电机组变桨控制系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种风力发电机组变桨控制方法的流程图。如图1所示，该方法包括：

步骤S101：获取风轮的当前转速；

具体的，获取风轮的所述当前转速,记为ω。

步骤S102：计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

具体的，，所述参考转速预先设定，记为ω_n。计算风轮的所述当前转速ω与所述参考转速ω_n的差值，记为转速偏差x。

步骤S103：按照公式：

y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n    (1)

计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

具体的，变桨控制比例增益Kp-pitch的值和变桨控制积分增益Ki-pitch的值随着变桨需求角度的大小变化而变化。

本发明提供的技术方案，根据转速偏差绝对值的大小分为5个变桨控制区，具体为，区间1(0～A),区间2(A～A+B),区间3(A+B～A+B+C),区间4(A+B+C～A+B+C+D)和区间5(A+B+C+D～+∞)5个变桨控制区。

区间1为稳定区，风轮转速变化平稳，变桨控制输入转速偏差绝对值小于等于A，需要较大的积分控制参数Ki-pitch消除静差。

区间2为变参数区，变桨控制输入转速偏差绝对值大于A小于等于(A+B)，该区间内根据转速偏差值增大而减小变桨控制参数Ki-pitch以减小超调的趋势。

区间3为完全比例控制区，变桨控制输入转速偏差绝对值大于(A+B)小于等于(A+B+C)，该区间内仅由比例控制环进行调节，以消除变桨超调。

区间4为变参数区，风轮转速大于变桨控制参考转速且偏差过大时需要适当增加变桨角度的变化量以降风能吸收减小低转速过大引起机组超速停机，风轮转速小于变桨控制参考转速且偏差过大时同样需要适当增加变桨角度的变化量以增加风能的吸收减小风能损失。因此，当变桨控制输入转速偏差绝对值大于(A+B+C)小于等于(A+B+C+D)时，需要逐渐增大积分控制参数。

区间5为全局区，当变桨控制输入转速偏差绝对值大于(A+B+C+D)时，需要以最大控制参数增加变桨角度变化量来调整风能吸收从而提高机组运行的稳定性。各分区转速偏差的设定值A、B、C和D,可选的，分别为20转/分钟、15转/分钟、20转/分钟和25转/分钟。

具体的，f(x)为与技术方案中根据所述转速偏差大小调整积分项作用的调整系数，x为输入的所述转速偏差，所述调整系数f(x)可由下式计算：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|x\right|\&le;A\\ \frac{A+B-\left|x\right|}{B}& A<\left|x\right|\&le;A+B\\ 0& A+B<\left|x\right|\&le;A+B+C\\ 1-\frac{A+B+C+D-\left|x\right|}{D}& A+B+C<\left|x\right|\&le;A+B+C+D\\ 1& \left|x\right|>A+B+C+D\end{array}\right.---\left(2\right).$

步骤S104：控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

具体的，依据所述变桨需求角度，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作，从而达到控制风轮转速的目的。

进一步的，本发明提供的风力发电机组变桨控制方法，所述步骤S101之前，还包括：

对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理；

然后，对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理。

本发明提供的风力发电机组变桨控制方法，执行所述步骤S104之前，还可以包括：

把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内。具体的，所述变桨角度工作位置范围，可选的，为(0°～90°)，若超出变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度小于0°，比如-1°，则调整到0°；若超出变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度大于90°，比如，92°，则调整到90°。

本发明提供的风力发电机组变桨控制方法，执行所述步骤S104之前，还可以包括：

依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。具体的，将当前变桨需求角度与上一时刻变桨需求角度作差，所得到的差值除以所述间隔时间得到的商，即为叶片转速。所述间隔时间，可选的，为0.02秒。所述预设叶片转速范围，可选的，为(-6°/S～+6°/S)。若计算得到的所述叶片转速小于-6°/S，则调整到-6°/S；若计算得到的所述叶片转速大于+6°/S，则调整到+6°/S。

本发明提供的一种风力发电机组变桨控制方法，包括：获取风轮的当前转速；计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；依据变桨控制参数、调整系数和所述转速偏差，计算变桨需求角度；控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。本发明提供的技术方案，能够依据变桨控制参数、调整系数和所述转速偏差，较精确计算变桨需求角度，减小对变桨需求角度产生的超调，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作，能够克服现有技术中因产生超调造成惯性大引起的变桨动作对风速变化的跟随性差的问题，能够增强变桨动作对风速变化的跟随性。

另外，本发明提供的一种风力发电机组变桨控制方法，因为能够依据变桨控制参数、调整系数和所述转速偏差，较精确计算变桨需求角度，减小对变桨需求角度产生的超调，所以能够减小类似于极端风速等风况下风力发电机组所受的极限载荷，提高风力发电机组运行的稳定性和安全性。

对应于本发明实施例公开的风力发电机组变桨控制方法，本发明实施例公开一种风力发电机组变桨控制系统。图2为本发明实施例公开的一种风力发电机组变桨控制系统的结构图。如图2所示，该系统包括：

当前转速获取模块201，用于获取风轮的当前转速；

转速偏差计算模块202，用于计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

变桨需求角度计算模块203，用于按照公式：

y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

控制模块204，用于控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

进一步的，本发明实施例公开的风力发电机组变桨控制系统还包括：

低通滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理；

陷波滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理；

变桨需求角度调整模块，用于把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内；

叶片转速调整模块，用于依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的风力发电机组变桨控制系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种风力发电机组变桨控制方法，其特征在于，包括：

获取风轮的当前转速；

计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

按照公式y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取风轮的当前转速之后，还包括：

对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理之后，还包括：

对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作之前，还包括：

把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作之前，还包括：

依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。

6.一种风力发电机组变桨控制系统，其特征在于，包括：

当前转速获取模块，获取风轮的当前转速；

转速偏差计算模块，用于计算风轮的所述当前转速与参考转速的转速偏差；

变桨需求角度计算模块，用于按照公式：

y＝y^*+K_p-pitchG(y^*)(x-x^*)+f(x)(dT/2)K_i-pitchG(y^*)(x+x^*),x＝ω-ω_n计算变桨需求角度，其中，y为所述变桨需求角度，x为所述转速偏差，Kp-pitch为变桨控制比例增益，Ki-pitch为变桨控制积分增益，dT为时间步长，G(y^*)变桨控制参数增益，ω为风轮的所述当前转速，ω_n为变桨控制的所述参考转速，f(x)为调整系数，所述*表示上一时间点相应参数对应值；

控制模块，用于控制风力发电机组执行与所述变桨需求角度相对应的变桨动作。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

低通滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行低通滤波处理。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括：

陷波滤波模块，用于对风轮的所述当前转速的信号进行陷波滤波处理。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

变桨需求角度调整模块，用于把超过变桨角度工作位置范围的所述变桨需求角度调整到属于所述变桨角度工作位置范围之内。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：

叶片转速调整模块，用于依据所述变桨需求角度、上一时刻变桨需求角度和间隔时间，计算叶片转速，把超过预设叶片转速范围的所述叶片转速调整到属于所述预设叶片转速范围之内。