CN105649896B

CN105649896B - 风电机组智能监控运行控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN105649896B
Application number: CN201610027629.4A
Authority: CN
Inventors: 孔屹刚; 渠晓刚; 张国晨; 常争艳; 杨明亮; 徐格宁; 范小宁; 孙超利
Original assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Current assignee: Taiyuan University of Science and Technology
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2036-01-07
Also published as: CN105649896A

Abstract

本发明公开了一种风电机组智能监控运行控制系统及其控制方法，还包括智能监控运行控制器、运行环境差异模块、风资源差异模块和机组性能差异模块。本发明采用智能控制算法，具有自学习、自适应运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的功能，控制系统具有很强的鲁棒性和容错能力，大大减弱了对电网产生安全隐患；实时监测运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的变化，操作员可以更精确地判断风电机组的工作状态，大大提高了风电机组及电网的安全性；增加了运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异三个模块，大大提高了风电机组的功率稳定输出和安全稳定运行性能。

Description

风电机组智能监控运行控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种风电机组智能监控运行控制系统及其控制方法。

背景技术

风能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，风力发电已经成为当今世界最主要的可再生能源技术之一。然而，风力发电目前还不能完全取代煤电的最主要制约因素是其发电的不稳定性，当其总量过大后会对电网产生安全隐患。运行环境、风资源对风电机组的工况影响很大，即使安装于同一风电场的不同的风电机组，运行环境差异、风资源差异也是或多或少存在的。另外风电机组即使容量相同，机组个体性能也是存在差异的。运行环境差异、风资源差异、机组个体性能差异之间还存在耦合关系，例如，风速大小(运行环境)决定了风力机输出功率，而风速大小还和塔架高度、轮毂半径、风轮半径、桨叶弦长、悬垂距离、桨叶升力系数、阻力系数等风力机参数(机组个体性能)和风湍流、风剪切、塔影效应(风资源)有关。这些差异的存在及耦合关系导致风电机组难以控制，这是风力发电不稳定性的根源所在。因此，研究一种具有自学习能力、可自动适应运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的风电机组智能监控运行控制系统和方法是十分必要的。

图1显示了风电机组传统监控运行控制系统的结构，它包括：风力机A～N 1，主控制器2、电网3、光纤环网4、光纤环网交换机5、交换机6、数据库服务器7、操作员站8、Internet9、远程监控中心10。图1中本发明风力机A～N 1为常规的双馈电机风力机，它可以为任何形式的风力机。风电机组传统监控运行控制系统特点是针对运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异，不具备自学习、自适应的能力。

1)传统监控运行控制系统不考虑运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异对风电机组的实时影响，风机主控只是根据实时风速采用传统控制算法输出控制命令来控制风力机动作，控制精度和稳定性不高；

本发明中智能监控运行控制器采用智能控制算法，具有自学习、自适应运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的功能，控制系统具有很强的鲁棒性和容错能力，大大减弱了对电网产生安全隐患。

2)智能监控运行控制系统深入细化了运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的参数指标，应用于不同地域的风场、不同类型的风力机都有很高的通用性，传统监控运行控制系统通用性不高。

3)传统监控运行控制系统不考虑运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的实时影响，对应的操作员站和远程监控中心可监控的数据有限。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种风电机组智能监控运行控制系统及其控制方法，通过该方法可以有效地对风电机组进行智能监控运行控制，大大提高了风电机组的稳定性、可靠性和安全性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

风电机组智能监控运行控制系统，包括风力机A～N、电网、光纤环网、光纤环网交换机、交换机、数据库服务器、操作员站、Internet、远程监控中心，操作员站与数据库服务器相连，数据库服务器与交换机相连，交换机与光纤环网交换机、操作员站分别相连，操作员站通过Internet与远程监控中心相连，其特征在于，还包括智能监控运行控制器、运行环境差异模块、风资源差异模块和机组性能差异模块。

所述的智能监控运行控制器包括：

运行环境参数分析模块，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器；

风资源参数分析模块，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器；

机组性能参数分析模块，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器；

智能控制器，采用智能控制算法，综合运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异对风电机组的影响，输出给定控制信号控制风力机A～N的动作，并同时与光纤环网相连实现数据通讯。

所述的运行环境差异模块包括：

第一操作员PLC，用于负责运行环境参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

运行环境参数应用程序模块，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块，用于储存管理运行环境参数数据，生成运行报告，以及历史数据报表；

传感器组，包括风速传感器、风向传感器、海拔传感器、噪声传感器、湿度传感器、波浪仪、海流计、验潮仪，分别用于实时监测风速大小、方向、海拔高度、风轮和发电机噪声、大气湿度、海浪高度和波谱、海流速度和方向、潮汐涨落高度值；其中波浪仪、海流计、验潮仪只是风力机A～N为海上风力机时才工作，为陆上风力机时这三个传感器无需工作；

运行环境信息组模块，包括风速信息模块、风向信息模块、海拔信息模块、噪声信息模块、湿度信息模块、海浪信息模块、海流信息模块、潮汐信息模块，分别用于分析处理传感器组传送来的数据；同样海浪信息模块、海流信息模块、潮汐信息模块只是风力机A～N为海上风力机时才工作。

所述的风资源差异模块包括：

第二操作员PLC，用于负责风资源参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

风资源参数应用程序模块，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块，用于储存管理风资源参数数据，生成运行报告，以及历史数据报表；

风资源信息组模块，包括年平均风速信息模块、季平均风速信息模块、月平均风速信息模块、日平均风速信息模块、时平均风速信息模块、风湍流信息模块、风剪切信息模块、塔影效应信息模块，分别用于分析处理风速的年、季、月、日、时平均风速，及风湍流、风剪切、塔影效应的数据。

所述的机组性能差异模块包括：

第三操作员PLC，用于负责机组性能参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

机组性能参数应用程序模块，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块，用于储存管理机组性能参数数据，生成运行报告，以及历史数据报表；

机组性能信息组模块，包括风机基本信息模块、风机塔筒信息模块、风机机舱信息模块、风机叶片信息模块、风机传动链信息模块、风机变桨机构信息模块、风机发电机信息模块、风机变流器信息模块，分别用于分析处理风机基本数据及塔筒、机舱、叶片、传动链、变桨机构、发电机、变流器的数据。

上述风电机组智能监控运行控制系统的控制方法，包括如下步骤：

S1、启动风电机组、并网，同时启动运行环境差异模块、风资源差异模块、机组性能差异模块；

S2、运行环境差异模块、风资源差异模块、机组性能差异模块实时监测参数变化情况，并输出数据到智能监控运行控制器中的运行环境参数分析模块、风资源参数分析模块、机组性能参数分析模块；

S3、运行环境参数分析模块、风资源参数分析模块、机组性能参数分析模块采用智能控制算法对输入的数据分析处理，对应的每个输出量经乘以一个加权因子后输入到智能控制器；

S4、智能控制器采用智能控制算法分析运算后，输出转矩给定控制信号和变桨角度给定控制信号到风力机中变速变桨控制器；

S5、智能监控运行控制器输出的风机实时运行数据依次经光纤环网、光纤环网交换机、交换机传输交换后，输入到数据库服务器、操作员站，并通过Internet输入到远程监控中心

本发明具有以下有益效果：

本发明采用智能控制算法，具有自学习、自适应运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的功能，控制系统具有很强的鲁棒性和容错能力，大大减弱了对电网产生安全隐患；实时监测运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异的变化，操作员可以更精确地判断风电机组的工作状态，大大提高了风电机组及电网的安全性；增加了运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异三个模块，其中运行环境差异模块增加了八个传感器，大大提高了风电机组的功率稳定输出和安全稳定运行性能，性价比实则要更高，对于提高风电机组整个系统的性能具有积极意义，且通用性高。

附图说明

图1为风电机组传统监控运行控制系统的结构框图；

图2为本发明实施例风电机组智能监控运行控制系统的结构框图；

图3为本发明实施例风电机组智能监控运行控制系统中智能监控运行控制器图；

图4为本发明实施例风电机组智能监控运行控制系统中运行环境差异模块图；

图5为本发明实施例风电机组智能监控运行控制系统中风资源差异模块图；

图6为本发明实施例风电机组智能监控运行控制系统中机组性能差异模块图。

具体实施方式

为了使本发明的目的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。

本发明三个差异模块中的各PLC及运行环境差异模块中的传感器均采用的是市售成熟产品，对其具体的结构、工作原理及安装不再另行说明。

如图2-6所示，本发明实施例提供了风电机组智能监控运行控制系统，包括风力机A～N1、电网3、光纤环网4、光纤环网交换机5、交换机6、数据库服务器7、操作员站8、Internet9、远程监控中心10，还包括智能监控运行控制器11、运行环境差异模块12、风资源差异模块13、机组性能差异模块14，风机实时运行数据经光纤环网4传送到光纤环网交换机5，再经交换机6连接数据库服务器7、操作员站8，并通过Internet9连接到远程监控中心10，

智能监控运行控制器11包括：

运行环境参数分析模块110，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器113；

风资源参数分析模块111，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器113；

机组性能参数分析模块112，采用智能控制算法对输入的数据分析处理，输出量分别乘以一个加权因子后输入至智能控制器113；

智能控制器113，采用智能控制算法，综合运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异对风电机组的影响，输出给定控制信号控制风力机A～N1的动作，并同时与光纤环网4相连实现数据通讯。

运行环境差异模块12包括：

第一操作员PLC120，用于负责运行环境参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

运行环境参数应用程序模块121，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC120互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块122，用于储存管理运行环境参数数据，生成运行报告，以及历史数据报表；

传感器组123，包括风速传感器1230、风向传感器1231、海拔传感器1232、噪声传感器1233、湿度传感器1234、波浪仪1235、海流计1236、验潮仪1237，分别用于实时监测风速大小、方向、海拔高度、风轮和发电机噪声、大气湿度、海浪高度和波谱、海流速度和方向、潮汐涨落高度值，其中波浪仪、海流计、验潮仪只是风力机A～N1为海上风力机时才工作，为陆上风力机时这三个传感器无需工作；

运行环境信息组模块124，包括风速信息模块1240、风向信息模块1241、海拔信息模块1242、噪声信息模块1243、湿度信息模块1244、海浪信息模块1245、海流信息模块1246、潮汐信息模块1247，分别用于分析处理传感器组123传送来的数据，同样海浪信息模块、海流信息模块、潮汐信息模块只是风力机A～N1为海上风力机时才工作。

风资源差异模块13包括：

第二操作员PLC130，用于负责风资源参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

风资源参数应用程序模块131，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC130互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块132，具有对风资源参数数据的储存管理功能，生成运行报告，以及历史数据报表；

风资源信息组模块133，包括年平均风速信息模块1330、季平均风速信息模块1331、月平均风速信息模块1332、日平均风速信息模块1333、时平均风速信息模块1334、风湍流信息模块1335、风剪切信息模块1336、塔影效应信息模块1337，分别用于分析处理风速的年、季、月、日、时平均风速，及风湍流、风剪切、塔影效应的数据。

机组性能差异模块14包括：

第三操作员PLC140负责机组性能参数的监控及根据程序发出相应控制信号给I/O端口，同时负责各种数据和参数的实时获取；

机组性能参数应用程序模块141，采用IEC 61400-25标准与操作员PLC140互连，经过用户权限识别以后，系统按照进程为相应的用户分配对应的可使用模块；

数据信息备份与恢复模块142，用于储存管理机组性能参数数据，生成运行报告，以及历史数据报表；

机组性能信息组模块143，包括风机基本信息模块1430、风机塔筒信息模块1431、风机机舱信息模块1432、风机叶片信息模块1433、风机传动链信息模块1434、风机变桨机构信息模块1435、风机发电机信息模块1436、风机变流器信息模块1437，分别用于分析处理风机基本数据及塔筒、机舱、叶片、传动链、变桨机构、发电机、变流器的数据。

实施例具体步骤是：

步骤一、风电机组启动、并网，同时运行环境差异模块12、风资源差异模块13、机组性能差异模块14开始工作。

步骤二、运行环境差异模块12、风资源差异模块13、机组性能差异模块14实时监测参数变化情况，具体处理步骤是：

2a)运行环境差异模块：传感器组123中风速传感器1230、风向传感器1231、海拔传感器1232、噪声传感器1233、湿度传感器1234、波浪仪1235、海流计1236、验潮仪1237，分别实时监测风速大小、方向、海拔高度、风轮和发电机噪声、大气湿度、海浪高度和波谱、海流速度和方向、潮汐涨落高度值，并将所采集到的信号传送到运行环境信息组模块124，经过分析处理后的数据通过运行环境参数应用程序模块121，分别传送到操作员PLC120和智能监控运行控制器11，并同时传送到数据信息备份与恢复模块122进行储存管理。

2b)风资源差异模块：风资源信息组模块133中年平均风速信息模块1330、季平均风速信息模块1331、月平均风速信息模块1332、日平均风速信息模块1333、时平均风速信息模块1334、风湍流信息模块1335、风剪切信息模块1336、塔影效应信息模块1337，分别读取数据信息备份与恢复模块132数据，经过分析处理后的数据通过风资源参数应用程序模块131，分别传送到操作员PLC130和智能监控运行控制器11，并同时将处理后的数据再次传送到数据信息备份与恢复模块132进行储存管理。

2c)机组性能差异模块：机组性能信息组模块143中风机基本信息模块1430、风机塔筒信息模块1431、风机机舱信息模块1432、风机叶片信息模块1433、风机传动链信息模块1434、风机变桨机构信息模块1435、风机发电机信息模块1437、风机变流器信息模块1437，分别读取数据信息备份与恢复模块142数据，经过分析处理后的数据通过机组性能参数应用程序模块141，分别传送到操作员PLC140和智能监控运行控制器11，并同时将处理后的数据再次传送到数据信息备份与恢复模块142进行储存管理。

步骤三、运行环境差异模块12、风资源差异模块13、机组性能差异模块14输出数据到智能监控运行控制器中的运行环境参数分析模块110、风资源参数分析模块111、机组性能参数分析模块112。

步骤四、运行环境参数分析模块110、风资源参数分析模块111、机组性能参数分析模块112采用模糊算法对输入的数据分析处理，对应的每个输出量经乘以一个加权因子后输入到智能控制器113，具体处理步骤是：

4a)运行环境参数分析模块输出量为风速信息、风向信息、海拔信息、噪声信息、湿度信息、海浪信息、海流信息、潮汐信息，分别对应加权因子a0、a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7。

4b)风资源参数分析模块输出量为年平均风速信息、季平均风速信息、月平均风速信息、日平均风速信息、时平均风速信息、风湍流信息、风剪切信息、塔影效应，分别对应加权因子b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7。

4c)机组性能参数分析模块输出量为风机基本信息、风机塔筒信息、风机机舱信息、风机叶片信息、风机传动链信息、风机变桨机构信息、风机发电机信息、风机变流器信息，分别对应加权因子c0、c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7。

步骤五、智能控制器113采用神经网络自适应算法分析运算后，输出转矩给定控制信号T*、变桨角度给定控制信号β*到风力机1中变速变桨控制器20，具体处理步骤是：

5a)转矩给定控制信号T*与双馈电机17的转矩输出信号T比较后生成转矩偏差信号输入到变速变桨控制器20，变速变桨控制器20控制变流器19工作完成风力机变速控制。

5b)变桨角度给定控制信号β*与风轮15的变桨角度输出信号β比较后生成变桨角度偏差信号输入到变速变桨控制器20，变速变桨控制器控制变桨机构18工作完成风力机变桨控制。

5c)智能控制器113控制风力机动作并同时与光纤环网4相连实现数据通讯。

步骤六、智能监控运行控制器11输出的风机实时运行数据依次经光纤环网4、光纤环网交换机5、交换机6传输交换后，输入到数据库服务器7、操作员站8，并通过Internet9输入到远程监控中心10。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.风电机组智能监控运行控制系统，包括风力机A～N、电网、光纤环网、光纤环网交换机、交换机、数据库服务器、操作员站、Internet、远程监控中心，操作员站与数据库服务器相连，数据库服务器与交换机相连，交换机与光纤环网交换机、操作员站分别相连，操作员站通过Internet与远程监控中心相连，其特征在于，还包括智能监控运行控制器、运行环境差异模块、风资源差异模块和机组性能差异模块；

所述的智能监控运行控制器包括：

智能控制器，采用智能控制算法，综合运行环境差异、风资源差异和机组个体性能差异对风电机组的影响，输出给定控制信号控制风力机A～N的动作，并同时与光纤环网相连实现数据通讯；

所述的运行环境差异模块包括：

传感器组，包括风速传感器、风向传感器、海拔传感器、噪声传感器、湿度传感器、波浪仪、海流计、验潮仪，分别用于实时监测风速大小、方向、海拔高度、风轮和发电机噪声、大气湿度、海浪高度和波谱、海流速度和方向、潮汐涨落高度值；

运行环境信息组模块，包括风速信息模块、风向信息模块、海拔信息模块、噪声信息模块、湿度信息模块、海浪信息模块、海流信息模块、潮汐信息模块，分别用于分析处理传感器组传送来的数据；

所述的风资源差异模块包括：

风资源信息组模块，包括年平均风速信息模块、季平均风速信息模块、月平均风速信息模块、日平均风速信息模块、时平均风速信息模块、风湍流信息模块、风剪切信息模块、塔影效应信息模块，分别用于分析处理风速的年、季、月、日、时平均风速，及风湍流、风剪切、塔影效应的数据；

所述的机组性能差异模块包括：

2.如权利要求1所述的风电机组智能监控运行控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S5、智能监控运行控制器输出的风机实时运行数据依次经光纤环网、光纤环网交换机、交换机传输交换后，输入到数据库服务器、操作员站，并通过Internet输入到远程监控中心。