CN104775985A - 风力发电机组控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风力发电机组控制系统和控制方法，包括：风速仪，通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据；仲裁器，从风速仪接收风速数据，基于风速数据执行风速预测，并基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器；正常模式控制器，对风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率进行控制；应急模式控制器，首先将叶轮转速限制到安全范围之内，随后控制风力发电机组的输出功率达到最大值；监控装置，用于实时监控风力发电机组的工作状态，为工作人员提供保养依据。本发明有利于风力发电机组更好的工作，提高发电效率，同时弥补了没有监控装置的空白。

Description

风力发电机组控制系统和控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及风力发电机组控制系统和控制方法。

背景技术

随着技术的发展，可再生能源的关注和利用程度日益增加，其中，风力发电是一种已经发展相对成熟的能源技术。风力发电要求有较强的环境适应能力，因此控制风力发电机组稳定运行的技术日益受到关注。

现有的风力发电机组控制系统缺少监控装置，无法随时掌握设备运行状况。

发明内容

本发明的目的在于提供风力发电机组控制系统和控制方法，旨在解决现有的风力发电机组控制系统缺少监控装置，无法随时掌握设备运行状况的问题。

本发明是这样实现的，风力发电机组控制系统，该风力发电机组控制系统包括：

风速仪，通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据；

仲裁器，与风速仪连接，从风速仪接收风速数据，基于风速数据执行风速预测，并基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器；

正常模式控制器，与仲裁器连接，对风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率进行控制；

应急模式控制器，与仲裁器连接，首先将叶轮转速限制到安全范围之内，随后控制风力发电机组的输出功率达到最大值；

监控装置，与风力发电机组连接，用于实时监控风力发电机组的工作状态，为工作人员提供保养依据；

监控装置耦接于电脑系统，包括：

第一电路，具有主通讯接口和第一从属通讯接口，第一电路经由主通讯接口接收多个温度信号，并根据每一个温度信号分别控制对应的风扇的转速，以及接收每一个风扇的转速信号，第一电路经由第一从属通讯接口耦接于电脑系统，并且从电脑系统接收至少一系统状态信号；及第二电路，其具有第二从属通讯接口，第二电路经由第二从属通讯接口耦接于第一电路的主通讯接口，第二电路从第一电路接收一功能选择信号、温度信号、转速信号及至少系统状态信号，并且依据功能选择信号，显示每一个温度信号和每一个转速信号所对应的数值及系统状态信号所对应的状态灯号；其中第一电路包括功能选择开关及第一处理器，第一处理器耦接于主通讯接口和第一从属通讯接口，功能选择开关耦接于第一处理器，第一处理器从功能选择开关接收功能选择信号，并将功能选择信号转送至第二电路；其中主通讯接口、第一从属通讯接口及第二从属通讯接口为具有两支脚位的内部整合电路序列总线。

进一步，风速仪安装在风力发电机组的机舱的正上方，仲裁器、正常模式控制器和应急模式控制器安装在风力发电机组的机舱中。

进一步，仲裁器包括用于对从风速仪接收的风速数据进行滤波的低通滤波单元。

进一步，仲裁器从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn，从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J，计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p，则将风速突变预警标志设置为真，否则将风速突变预警标志设置为假，其中，n和k为正整数，n大于等于3且大于k，f和p为预先设置的阈值；

Vmax和Vmin不唯一，则仲裁器记录|I-J|最小的I和J；

仲裁器采用先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队列重新确定风速突变预警标志的真假；

当风速突变预警标志为真时，仲裁器计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率，如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则仲裁器切断正常模式控制器对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器来对风力发电机组进行控制；

仲裁器还接收正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号；

当风速突变预警标志为假时，仲裁器将正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较，如果正常模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则仲裁器切断应急模式控制器对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器来对风力发电机组进行控制。

本发明的另一目的在于提供风力发电机组控制方法，所述风力发电机组控制方法包括以下步骤：

(a)通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据；

(b)基于风速数据执行风速预测；

(c)基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器。

进一步，步骤(b)包括：从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn，从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J，计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p，则将风速突变预警标志设置为真，否则将风速突变预警标志设置为假，其中，n和k为正整数，n大于等于3且大于k，f和p为预先设置的阈值。

进一步，步骤(b)还包括：如果Vmax和Vmin不唯一，则仲裁器记录|I-J|最小的I和J。

进一步，步骤(b)还包括：采用先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队列重新确定风速突变预警标志的真假。

进一步，步骤(c)包括：当风速突变预警标志为真时，计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率；

如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则切断正常模式控制器对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器来对风力发电机组进行控制。

进一步，还包括以下步骤：

(d)当在投入应急模式控制器之后风速突变预警标志变为假时，将正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较；

(e)如果正常模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则切断应急模式控制器对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器来对风力发电机组进行控制。

本发明提供的风力发电机组控制系统和控制方法，在原有设备的技术上加入监控系统，不损失风力发电机组运行功率，并且同时可保证风力发电机组稳定运行，有利于风力发电机组更好的工作，提高发电效率，同时弥补了没有监控装置的空白。

附图说明

图1是本发明实施例提供的风力发电机组控制系统的框图；

图2是本发明实施例提供的风力发电机组控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

图1是示出根据本发明实施例的风力发电机组控制系统的框图。

参照图1，根据本发明实施例的风力发电机组控制系统包括风速仪10、仲裁器20、正常模式控制器30和应急模式控制器40。风速仪10可安装在风力发电机组的机舱的正上方，仲裁器20、正常模式控制器30和应急模式控制器40可安装在风力发电机组的机舱中。

然而，本发明不限于此，风速仪10还可安装在叶轮导流罩顶端。

风速仪10可以由现有的各种常用测风装置来实现。然而，本发明不限于此，风速仪10还可实现为安装在叶轮导流罩顶端的无线微型风速仪。风速仪10用于实时测量风力发电机组所处位置处的风速，并将测量到的风速数据提供给仲裁器20。

仲裁器20可以由现有的各种处理器(例如但不限于CPU、DSP、ARM芯片等)来实现。仲裁器20接收从风速仪10输出的风速数据，基于风速数据执行风速预测，并基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器30或应急模式控制器40。根据本发明实施例，可通过在风力发电机组中设置各种传感器来测量风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率。

仲裁器20中可设置有低通滤波单元，该低通滤波单元用于对从风速仪10接收的风速数据进行滤波。特别地，该低通滤波单元的截止频率可根据风力发电机组的变桨响应时间、叶轮惯性以及塔筒和叶片的动态性参数确定。仲裁器20首先从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn(其中，n和k为正整数，n大于等于3且大于k)，然后从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J。如果Vmax和Vmin不唯一，则仲裁器20记录|I-J|最小的I和J。接下来，仲裁器20计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p(f和p为预先设置的阈值)，则仲裁器20将风速突变预警标志设置为真，否则仲裁器20将风速突变预警标志设置为假。这里，阈值f是风速变化的敏感性参数，与风力发电机组的变桨响应速度等有关，如果变桨响应较快，可以选取较大的f值，否则要选取较小的f值。最后，仲裁器20可采用先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队列重新确定风速突变预警标志的真假。

当风速突变预警标志为真时，仲裁器20计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率。如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则仲裁器20切断正常模式控制器30对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器40来对风力发电机组进行控制。

正常模式控制器30对风力发电机组进行一般的控制。例如，正常模式控制器30可对风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率进行控制。此外，正常模式控制器30还可执行风力发电机组的变桨控制。正常模式控制器30可以由现有的各种处理器(例如但不限于CPU、DSP、ARM芯片等)来实现，并且可以执行一般的风力发电机组的控制器所执行的各种操作。

应急模式控制器40对风力发电机组进行应急控制。例如，在应急控制模式下，风力发电机组的控制是以风力发电机组稳定为目标，并且兼顾风力发电机组最大出力。具体地讲，应急模式控制器40可以由现有的各种处理器(例如但不限于CPU、DSP、ARM芯片等)来实现，并且应急模式控制器40的控制方法采用智能控制方法(例如但不限于模糊控制)对风力发电机组进行控制，首先限制叶轮转速，并且在将叶轮转速限制到安全范围内之后，控制风力发电机组的输出功率达到最大值。

监控装置50，与风力发电机组连接，用于实时监控风力发电机组的工作状态，为工作人员提供保养依据；

监控装置50耦接于电脑系统，包括：

第一电路，具有主通讯接口和第一从属通讯接口，第一电路经由主通讯接口接收多个温度信号，并根据每一个温度信号分别控制对应的风扇的转速，以及接收每一个风扇的转速信号，第一电路经由第一从属通讯接口耦接于电脑系统，并且从电脑系统接收至少一系统状态信号；及第二电路，其具有第二从属通讯接口，第二电路经由第二从属通讯接口耦接于第一电路的主通讯接口，第二电路从第一电路接收一功能选择信号、温度信号、转速信号及至少系统状态信号，并且依据功能选择信号，显示每一个温度信号和每一个转速信号所对应的数值及系统状态信号所对应的状态灯号；其中第一电路包括功能选择开关及第一处理器，第一处理器耦接于主通讯接口和第一从属通讯接口，功能选择开关耦接于第一处理器，第一处理器从功能选择开关接收功能选择信号，并将功能选择信号转送至第二电路；其中主通讯接口、第一从属通讯接口及第二从属通讯接口为具有两支脚位的内部整合电路序列总线。

根据本发明实施例，正常模式控制器30和应急模式控制器40始终独立运行。然而，在任意时刻，正常模式控制器30和应急模式控制器40中只有一个能够在仲裁器20的仲裁下对风力发电机组进行控制。

再次参照图1，仲裁器20还接收正常模式控制器30和应急模式控制器40的反馈信号。当仲裁器20确定风速突变预警标志为假时，仲裁器20将正常模式控制器30和应急模式控制器40的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较。如果正常模式控制器30的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器40的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则仲裁器20切断应急模式控制器40对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器30来对风力发电机组进行控制。根据本发明实施例，正常模式控制器30和应急模式控制器40的控制输入可根据实际需要(例如但不限于，风力发电机组的安装位置)由风力发电机组的设计人员预先确定，也可以由风力发电机组的操作人员随时调整。

图2是示出根据本发明实施例的风力发电机组控制方法的流程图。

参照图2，在步骤S201，通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据。

在步骤S202，基于风速数据执行风速预测。可选择地，可以在对风速数据进行低通滤波之后执行风速预测。具体地讲，在步骤202，可从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn；从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J；如果Vmax和Vmin不唯一，则记录|I-J|最小的I和J；然后计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p，则将风速突变预警标志设置为真，否则将风速突变预警标志设置为假。此外，可以以先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队重新确定风速突变预警标志的真假。

在步骤S203，基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器。具体地讲，在步骤203，当风速突变预警标志为真时，计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率。其后，如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则切断正常模式控制器对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器来对风力发电机组进行控制。

接下来，在步骤S204，当在投入应急模式控制器之后风速突变预警标志变为假时，将正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较。

在步骤S205，如果正常模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则切断应急模式控制器对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器来对风力发电机组进行控制。

通过应用根据本发明实施例的风力发电机组控制系统和方法，既可以解决复杂地形强阵风下风力发电机组稳定运行的问题，又最大限度的减少风力发电机组运行功率损失，因此能够提高风力发电机组运行发电量。同时，根据本发明实施例的风力发电机组控制系统和方法的控制原理具有开放性，如在风力发电机组噪声控制、振动载荷、甚至叶片结冰、异常风况机组运行等情况下，只要设计适当的控制算法，就能最大限度增加风力发电机组出力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.风力发电机组控制系统，其特征在于，该风力发电机组控制系统包括：

风速仪，通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据；

仲裁器，与风速仪连接，从风速仪接收风速数据，基于风速数据执行风速预测，并基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器；

正常模式控制器，与仲裁器连接，对风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率进行控制；

应急模式控制器，与仲裁器连接，首先将叶轮转速限制到安全范围之内，随后控制风力发电机组的输出功率达到最大值；

监控装置，与风力发电机组连接，用于实时监控风力发电机组的工作状态，为工作人员提供保养依据；

监控装置耦接于电脑系统，包括：

第一电路，具有主通讯接口和第一从属通讯接口，第一电路经由主通讯接口接收多个温度信号，并根据每一个温度信号分别控制对应的风扇的转速，以及接收每一个风扇的转速信号，第一电路经由第一从属通讯接口耦接于电脑系统，并且从电脑系统接收至少一系统状态信号；及第二电路，其具有第二从属通讯接口，第二电路经由第二从属通讯接口耦接于第一电路的主通讯接口，第二电路从第一电路接收一功能选择信号、温度信号、转速信号及至少系统状态信号，并且依据功能选择信号，显示每一个温度信号和每一个转速信号所对应的数值及系统状态信号所对应的状态灯号；其中第一电路包括功能选择开关及第一处理器，第一处理器耦接于主通讯接口和第一从属通讯接口，功能选择开关耦接于第一处理器，第一处理器从功能选择开关接收功能选择信号，并将功能选择信号转送至第二电路；其中主通讯接口、第一从属通讯接口及第二从属通讯接口为具有两支脚位的内部整合电路序列总线。

2.如权利要求1所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，风速仪安装在风力发电机组的机舱的正上方，仲裁器、正常模式控制器和应急模式控制器安装在风力发电机组的机舱中。

3.如权利要求1所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，仲裁器包括用于对从风速仪接收的风速数据进行滤波的低通滤波单元。

4.如权利要求1所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，仲裁器从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn，从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J，计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p，则将风速突变预警标志设置为真，否则将风速突变预警标志设置为假，其中，n和k为正整数，n大于等于3且大于k，f和p为预先设置的阈值；

Vmax和Vmin不唯一，则仲裁器记录|I-J|最小的I和J；

仲裁器采用先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队列重新确定风速突变预警标志的真假；

当风速突变预警标志为真时，仲裁器计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率，如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则仲裁器切断正常模式控制器对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器来对风力发电机组进行控制；

仲裁器还接收正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号；

当风速突变预警标志为假时，仲裁器将正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较，如果正常模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则仲裁器切断应急模式控制器对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器来对风力发电机组进行控制。

5.风力发电机组控制方法，其特征在于，所述风力发电机组控制方法包括以下步骤：

(a)通过测量风力发电机组所处位置处的风速获得风速数据；

(b)基于风速数据执行风速预测；

(c)基于风速预测结果、风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率来启用正常模式控制器或应急模式控制器。

6.如权利要求5所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，步骤(b)包括：从风速数据中选取一个时间段的风速数据队列Vn-k、…、Vn-1、Vn，从风速数据队列中选取最大值Vmax、最小值Vmin并记录对应的时刻I和J，计算如果|m|>＝|f|且|I-J|>p，则将风速突变预警标志设置为真，否则将风速突变预警标志设置为假，其中，n和k为正整数，n大于等于3且大于k，f和p为预先设置的阈值。

7.如权利要求5所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，步骤(b)还包括：如果Vmax和Vmin不唯一，则仲裁器记录|I-J|最小的I和J。

8.如权利要求5所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，步骤(b)还包括：采用先进先出滚动策略来实时更新风速数据队列，并基于更新的风速数据队列重新确定风速突变预警标志的真假。

9.如权利要求5所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，步骤(c)包括：当风速突变预警标志为真时，计算风力发电机组的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率；

如果计算的叶轮转速、输出扭矩和输出功率的变化率中的至少一个大于预定阈值，则切断正常模式控制器对风力发电机组的控制，并投入应急模式控制器来对风力发电机组进行控制。

10.如权利要求9所述的风力发电机组控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

(d)当在投入应急模式控制器之后风速突变预警标志变为假时，将正常模式控制器和应急模式控制器的反馈信号与它们各自的设定的控制输入进行比较；

(e)如果正常模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值以及应急模式控制器的反馈信号与设定的控制输入之间的差值均处于允许范围之内时，则切断应急模式控制器对风力发电机组的控制，并投入正常模式控制器来对风力发电机组进行控制。