CN105927469B - 风力发电机组的限功率控制方法和控制装置 - Google Patents

风力发电机组的限功率控制方法和控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开一种风力发电机组的限功率控制方法，包括：确定风力发电机组的安全转速；根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速；当风力发电机组的限额定转速小于安全转速时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在该安全转速，同时减小风力发电机组的增益，使得风力发电机组的输出功率保持在该限功率值。基于本发明公开的限功率控制方法，能够降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。

Description

风力发电机组的限功率控制方法和控制装置
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的限功率控制方法和控制装置。
背景技术
随着风力发电技术的不断发展，风力发电机组现在已经得到了广泛应用。一般情况下，风力发电机组的控制策略分为四个阶段：第一阶段为最小转速阶段，将最小转速作为风力发电机组的目标转速；第二阶段通过调节风力发电机组的扭矩使叶轮按照最佳叶尖速比λ进行运转，以获得最大风能利用系数Cpmax，从而得到最优增益Kopt，使风力发电机组最大程度地捕获风能；第三阶段为过渡阶段，风力发电机组的叶轮转速到达额定转速，通过PID(比例积分微分)控制方法调节风力发电机组的扭矩，使叶轮转速维持在额定转速；第四阶段为满发阶段，当风力发电机组的扭矩达到额定扭矩后，通过变桨PID控制使风力发电机组恒功率输出。
由于风电在电力系统中的比重不断增加，这导致电网难以消纳全部的风电，因此要根据电网消纳风电的能力对风电场出力进行调度控制。当风电场遇到电网限电的要求时，要采用限功率的方式控制风力发电机组的运行。根据风力发电机组的特性，风力发电机组的输出功率P＝Koptn3，其中Kopt为最优增益，n为叶轮转速。
目前针对风力发电机组的限功率控制通过降低风力发电机组的限额定转速来实现。风力发电机组的限额定转速和最小转速的平均值被称为中间转速，对风力发电机组的扭矩给定的下限为关于风力发电机组的运行转速的分段函数，在正常条件下，该分段函数如图1所示，其中nmin为最小转速，nmid为中间转速，nLrated为限额定转速。当风力发电机组的限功率值很低，使得风力发电机组的限额定转速nLrated接近甚至小于或等于最小转速nmin时(如图2所示)，风力发电机组的限额定转速nLrated、最小转速nmin和额定转速nrated接近重叠，而风力发电机组的扭矩给定受该分段函数钳制，因此风力发电机组会发生扭矩跳变。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供风力发电机组的限功率控制方法和控制装置，以降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种风力发电机组的限功率控制方法，包括：
确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速；
当所述风力发电机组的限额定转速小于所述安全转速时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，所述减小所述风力发电机组的增益，包括：利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，在确定所述风力发电机组的限额定转速之后，还包括：当所述风力发电机组的限额定转速大于或等于所述安全转速时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，所述确定所述风力发电机组的安全转速，包括：确定所述风力发电机组的最小转速；确定所述风力发电机组的转速安全增量；计算所述最小转速和所述转速安全增量的和值，并将其作为所述风力发电机组的安全转速。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，所述根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，包括：获取所述风力发电机组正常运行状态下的转速-功率曲线；在所述转速-功率曲线中查找与所述限功率值对应的转速，查找到的转速作为所述风力发电机组的限额定转速。
第二方面，本发明提供一种风力发电机组的控制装置，包括：
安全转速确定单元，用于确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
限额定转速确定单元，用于根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速；
第一控制单元，在所述风力发电机组的限额定转速小于所述安全转速的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
作为一个示例，在上述限功率控制装置中，所述第一控制单元减小所述风力发电机组的增益，具体为：利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
作为一个示例，在上述限功率控制装置中，还包括第二控制单元，所述第二控制单元在所述风力发电机组的限额定转速大于或等于所述安全转速的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
第三方面，本发明提供一种风力发电机组的限功率控制方法，包括：
确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
根据所述风力发电机组的最优增益和所述安全转速计算所述风力发电机组的安全功率；
当所述风力发电机组的限功率值小于所述安全功率时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，所述减小所述风力发电机组的增益，包括：利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
作为一个示例，在上述限功率控制方法中，在确定所述风力发电机组的安全功率之后，还包括：当所述风力发电机组的限功率值大于或等于所述安全功率时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
第四方面，本发明提供一种风力发电机组的控制装置，包括：
安全转速确定单元，用于确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
安全功率确定单元，用于根据所述风力发电机组的最优增益和所述安全转速计算所述风力发电机组的安全功率；
第三控制单元，在所述风力发电机组的限功率值小于所述安全功率的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
作为一个示例，在上述限功率控制装置中，所述第三控制单元减小所述风力发电机组的增益，具体为：利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
作为一个示例，在上述限功率控制装置中，还包括第四控制单元，所述第四控制单元在所述风力发电机组的限功率值大于或等于所述安全功率的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
由此可见，本发明的有益效果为：
本发明上述公开的风力发电机组的限功率控制方法和控制装置，参照风力发电机组的最小转速确定风力发电机组的安全转速；根据该安全转速和风力发电机组的限功率值确定，若风力发电机组以与该限功率值对应的限额定转速为目标转速运行，是否存在扭矩跳变的风险；若确定存在扭矩跳变风险，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为风力发电机组在正常条件下的扭矩给定下限值的示意图；
图2为风力发电机组在异常条件下的扭矩给定下限值的示意图；
图3为本发明公开的一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图；
图4为本发明公开的另一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图；
图5为本发明公开的一种风力发电机组的控制装置的结构示意图；
图6为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图；
图7为本发明公开的另一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图；
图8为本发明公开的另一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图；
图9为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图；
图10为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图。
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。
本发明公开一种风力发电机组的限功率控制方法，以降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
实施例一
参见图3，图3为本发明公开的一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图。该限功率控制方法包括：
步骤S101：确定风力发电机组的安全转速。其中，该安全转速大于风力发电机组的最小转速。
在风力发电机组运行过程中，判断是否需控制风力发电机组进入限功率控制模式，在确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式的情况下，确定风力发电机组的安全转速。
在一个示例中，比较风力发电机组的输出功率和限功率值以确定是否需要控制风力发电机组进入限功率控制模式。具体的，如果风力发电机组的输出功率大于或等于限功率值，则确定需要控制风力发电机组进入限功率控制模式。
步骤S102：根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速。其中，限额定转速为风力发电机组在正常运行状态下输出限功率值所对应的转速。
步骤S103：当风力发电机组的限额定转速小于安全转速时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
如果风力发电机组的限额定转速小于安全转速，则表明风力发电机组的限额定转速与最小转速的差值较小，如果风力发电机组以该限额定转速为目标转速运行，可能会导致风力发电机组出现扭矩跳变问题。在这种情况下，通过对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，以控制风力发电机组的运行转速保持在安全转速，另外，如果风力发电机组仍按照当前的增益(通常为最优增益)运行，则会导致风力发电机组的输出功率大于限额定功率，因此要减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
风力发电机组的扭矩与风力发电机组的增益之间的关系为：T＝K*n2。其中，T为风力发电机组的扭矩，K为风力发电机组的增益，n为风力发电机组的运行转速。当风力发电机组的增益减小后，风力发电机组的扭矩也就相应减小。
风力发电机组的输出功率P＝K*n3＝T*n。通过该公式可以看到，通过降低风力发电机组的增益，能够降低风力发电机组的扭矩、降低风力发电机组的输出功率。通过调整风力发电机组的增益的取值，就可以控制风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
本发明上述公开的风力发电机组的限功率控制方法，根据风力发电机组的最小转速确定安全转速，并根据风力发电机组的限功率值确定相应的限额定转速，如果风力发电机组的限额定转速小于安全转速，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性；同时，减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得在风力发电机组的运行转速保持在安全转速的前提下，其输出功率保持在限功率值。基于本发明公开的限功率控制方法，能够降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
在图1所示的限功率控制方法中，作为一个示例，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，包括：
1、如果风力发电机组在低风区运行，当风力发电机组的输出功率达到限功率值、且风力发电机组的运行转速n到达安全转速nref后，如果风速增加，会导致风力发电机组的运行转速增大，当风力发电机组的安全转速nref与风力发电机组的运行转速n的差值nerr<0时，为了使风力发电机组的输出功率保持在限功率值处，扭矩控制器发出降低相应扭矩给定的指令，从而调整风力发电机组的输出功率，该输出功率又反馈给转速控制器，由转速控制器降低风力发电机组的运行转速，从而形成一个闭环控制系统，实现将风力发电机组的运行转速保持在安全转速nref的控制。
2、如果风速继续增加，当风力发电机组的运行转速超过最大转速nmax时，为了使风力发电机组的输出功率保持在限功率值处，开启变桨控制器，通过变桨执行机构的动作，实现将风力发电机组的运行转速保持在安全转速nref的控制。
例如，当风力发电机组的运行转速在最大转速nmax以上，通过控制变桨电机使桨距角相应增大，降低叶轮转速，风力发电机组的运行转速就会降低；当风力发电机组的运行转速降低到安全转速nref以下时，桨距角减小到最小桨距角运行，这样形成变桨闭环控制，保持风力发电机组以安全转速nref运行。
实施中，最大转速nmax的取值可以为：nmax＝nLrated+10％nLrated。
3、如果风力发电机在高风区运行，则直接采用变桨控制器调节功率输出，实现将风力发电机组的运行转速保持在安全转速nref的控制。
参见图4，图4为本发明公开的另一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图。该控制方法包括：
步骤S101：确定风力发电机组的安全转速。其中，安全转速大于风力发电机组的最小转速。
步骤S102：根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速。其中，限额定转速为风力发电机组在正常运行状态下输出限功率值所对应的转速。
步骤S103：当风力发电机组的限额定转速小于安全转速时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
步骤S104：当风力发电机组的限额定转速大于或等于安全转速时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速。
在风力发电机组处于限功率控制模式的情况下，如果风力发电机组的限额定转速大于或等于安全转速，表明风力发电机以该限额定转速为目标转速运行，不会发生扭矩跳变，而且风力发电机组的输出功率能够维持在限功率值。
在一个示例中，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速，包括：
1、如果风力发电机组在低风区运行，当风力发电机组的输出功率达到限功率值、且风力发电机组的运行转速n到达限额定转速nLrated后，如果风速增加，会导致风力发电机组的运行转速增大，当风力发电机组的限额定转速nLrated与风力发电机组的运行转速n的差值nerr<0时，为了使风力发电机组的输出功率保持在限功率值处，扭矩控制器发出降低相应扭矩给定的指令，从而调整风力发电机组的输出功率，该输出功率又反馈给转速控制器，由转速控制器降低风力发电机组的运行转速，从而形成一个闭环控制系统，实现将风力发电机的运行转速保持在限额定转速的控制。
由功率计算公式可知，若风力发电机组的运行转速增加，通过降低风力发电机组的扭矩给定，可保持风力发电机组的输出功率不变。
nerr＝nLrated-n
P＝T·n
其中，nerr为转速差值，nLrated为风力发电机组的限额定转速，n为风力发电机组的运行转速，P为风力发电机组的输出功率，T为风力发电机组的扭矩。
2、如果风速继续增加，当风力发电机组的运行转速超过最大转速nmax时，为了使风力发电机组的输出功率保持在限功率值处，开启变桨控制器，通过变桨执行机构的动作，实现将风力发电机的运行转速保持在限额定转速的控制。
例如，当风力发电机组的运行转速在最大转速nmax以上，通过控制变桨电机使桨距角相应增大，降低叶轮转速，风力发电机组的运行转速就会降低；当风力发电机组的运行转速降低到限额定转速nLrated以下时，桨距角减小到最小桨距角运行，这样形成变桨闭环控制，保持风力发电机组以限额定转速nLrated运行。
实施中，最大转速nmax的取值可以为：nmax＝nLrated+10％nLrated。
3、如果风力发电机在高风区运行，则直接采用变桨控制器调节功率输出，实现将风力发电机的运行转速保持在限额定转速的控制。
在本发明图3和图4所示的限功率控制方法中，作为一个示例，减小风力发电机组的增益，可以采用以下方式：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定风力发电机组的变最优增益，将风力发电机组的增益减小至该变最优增益。
其中，Kcopt为风力发电机组的变最优增益，Kopt为风力发电机组的最优增益，Pset为风力发电机组的限功率值，nref为风力发电机组的安全转速。风力发电机组的最优增益其中，ρ为空气密度，Cpmax为最大风能利用系数，R为叶轮半径，λopt为最佳叶尖速比，G为齿轮箱齿数比。
实施中，减小风力发电机组的增益，也可以采用其他方式。例如：预先设定风力发电机组的限功率值和风力发电机组的增益之间的关系，基于该预先设定的关系和风力发电机组当前的限功率值，采用线性插值的方式确定风力发电机组的目标增益，之后将风力发电机组的增益减小至该目标增益。
在本发明图3和图4所示的限功率控制方法中，作为一个示例，确定风力发电机组的安全转速，包括：
确定风力发电机组的最小转速；
确定风力发电机组的转速安全增量；
计算最小转速和转速安全增量的和值，并将其作为风力发电机组的安全转速。
在正常情况下，风力发电机组的最小转速在机组设计之初就已确定，但在由于机组模态特性决定了控制策略需采用调整最小转速以使转频避开特定固有频率，此时需要在前述技术方案概述基础上做改动。
例如，一台2.0MW的风力发电机组设计的最小转速为9rpm、额定转速为18rpm，但机组模态特性决定了含某固有频率振动被激发时，控制策略应执行提升最小转速的操作。当最小转速提升为15rpm、且能量管理平台下发较低限功率指令时，单机主动降低最优增益，使限额定转速保持在15rpm加1.5rpm处，与最小转速保持1.5rpm的差值，避免发生扭矩跳变。
实施中，也可以采用其他方式确定风力发电机组的安全转速。例如：预先设定不同功率的风力发电机组的安全转速，并存储至特定存储空间。当确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式时，在该特定存储空间获取风力发电机组的安全转速即可。
另外，在本发明图3和图4所示的限功率控制方法中，根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速，可以采用以下方式：
获取风力发电机组正常运行状态下的转速-功率曲线；
在转速-功率曲线中查找与限功率值对应的转速，查找到的转速作为风力发电机组的限额定转速。
在风力发电机组正常运行状态下，确定风力发电机组输出不同功率所对应的转速，根据不同功率和对应的转速生成转速-功率曲线。之后，根据风力发电机组的限功率值，在该转速-功率曲线中查找，即可确定相应的限额定转速。
实施例二
本发明实施例一公开了风力发电机组的限功率控制方法，相应的，本发明还公开风力发电机组的控制装置。下文关于控制装置的描述与上文关于限功率控制方法的描述可以相互参见。
参见图5，图5为本发明公开的一种风力发电机组的控制装置的结构示意图。该控制装置包括安全转速确定单元10、限额定转速确定单元20和第一控制单元30。
其中：
安全转速确定单元10，用于确定风力发电机组的安全转速。其中，安全转速大于风力发电机组的最小转速。
限额定转速确定单元20，用于根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速，限额定转速为风力发电机组在正常运行状态下输出限功率值所对应的转速。
第一控制单元30，用于在风力发电机组的限额定转速小于安全转速的情况下，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
本发明图5所示的控制装置，根据风力发电机组的最小转速确定安全转速，并根据风力发电机组的限功率值确定相应的限额定转速，如果风力发电机组的限额定转速小于安全转速，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性；同时，减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得在风力发电机组的运行转速保持在安全转速的前提下，其输出功率保持在限功率值。基于本发明公开的控制装置，能够降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
参见图6，图6为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图。与图5所示控制装置相比，图6所示控制装置进一步包括第二控制单元40。这里着重对第二控制单元40进行说明。
第二控制单元40在风力发电机组的限额定转速大于或等于安全转速的情况下，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速。
在本发明图5和图6所示的控制装置中，作为一个示例，第一控制单元30减小风力发电机组的增益，具体为：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定风力发电机组的变最优增益，将风力发电机组的增益减小至该变最优增益。
其中，Kcopt为风力发电机组的变最优增益，Kopt为风力发电机组在正常运行状态下的最优增益，Pset为风力发电机组的限功率值，nref为风力发电机组的安全转速。
当然，第一控制单元30减小风力发电机组的增益，也可以采用其他方式。例如：预先设定风力发电机组的限功率值和风力发电机组的增益之间的关系。第一控制单元30基于该预先设定的关系和风力发电机组当前的限功率值，采用线性插值的方式确定风力发电机组的目标增益，之后将风力发电机组的增益减小至该目标增益。
在本发明图5和图6所示的控制装置中，作为一个实例，安全转速确定单元10确定风力发电机组的安全转速，具体为：确定风力发电机组的最小转速；确定风力发电机组的转速安全增量；计算最小转速和转速安全增量的和值，并将其作为风力发电机组的安全转速。
作为另一个示例，安全转速确定单元10确定风力发电机组的安全转速，具体为：预先设定不同功率的风力发电机组的安全转速并存储至特定存储空间。当确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式时，安全转速确定单元10在该特定存储空间获取风力发电机组的安全转速即可。
在本发明图5和图6所示的控制装置中，限额定转速确定单元20根据风力发电机组的限功率值确定风力发电机组的限额定转速，可以采用以下方式：获取风力发电机组正常运行状态下的转速-功率曲线；在转速-功率曲线中查找与限功率值对应的转速，查找到的转速作为风力发电机组的限额定转速。
另外，在本发明图5和图6所示的控制装置中，第一控制单元30对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速的过程，请参见前文的相关描述。
在本发明图6所示的控制装置中，第二控制单元40对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得控制风力发电机组的运行转速保持在限额定转速的过程，请参见前文的相关描述。
实施例三
本发明还公开一种风力发电机组的限功率控制方法。请参见图7，该限功率控制方法包括：
步骤S201：确定风力发电机组的安全转速。其中，该安全转速大于风力发电机组的最小转速。
在风力发电机组运行过程中，判断是否需控制风力发电机组进入限功率控制模式，在确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式的情况下，确定风力发电机组的安全转速。
在一个示例中，比较风力发电机组的输出功率和限功率值以确定是否需要控制风力发电机组进入限功率控制模式。具体的，如果风力发电机组的输出功率大于或等于限功率值，则确定需要控制风力发电机组进入限功率控制模式。
步骤S202：根据风力发电机组的最优增益和安全转速计算风力发电机组的安全功率。
具体的，风力发电机组的安全功率为：Pref＝Koptnref 3。其中，Pref为风力发电机组的安全功率，Kopt为风力发电机组的最优增益，nref为风力发电机组的安全转速。
步骤S203：当风力发电机组的限功率值小于安全功率时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
在比较风力发电机组的限功率值和安全功率之后，如果风力发电机组的限功率值小于安全功率，则表明该限功率值对应的转速(也就是限额定转速)与最小转速之间的差值较小，如果风力发电机组以该限额定转速为目标转速运行，可能会导致风力发电机组出现扭矩跳变问题。在这种情况下，通过对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，另外，如果风力发电机组仍按照当前的增益(通常为最优增益)运行，则会导致风力发电机组的输出功率大于限额定功率，因此要减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
本发明图7所示的风力发电机组的限功率控制方法，根据风力发电机组的最小转速确定安全转速，并根据风力发电机组的最优增益和安全转速计算风力发电机组的安全功率，如果风力发电机组的限功率值小于安全功率，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性；同时，减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得在风力发电机组的运行转速保持在安全转速的前提下，其输出功率保持在限功率值。基于本发明公开的限功率控制方法，能够降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
参见图8，图8为本发明公开的另一种风力发电机组的限功率控制方法的流程图。该控制方法包括步骤S201至步骤S204，这里着重对步骤S204进行说明。
步骤S204位于步骤S202之后，具体为：当风力发电机组的限功率值大于或等于安全功率时，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速。
在风力发电机组处于限功率控制模式的情况下，如果风力发电机组的限功率值大于或等于安全功率，表明风力发电机以该限功率值对应的限额定转速为目标转速运行，不会发生扭矩跳变，而且风力发电机组的输出功率能够维持在限功率值。
在本发明图7和图8所示的限功率控制方法中，作为一个示例，减小风力发电机组的增益，可以采用以下方式：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定风力发电机组的变最优增益，将风力发电机组的增益减小至该变最优增益。
其中，Kcopt为风力发电机组的变最优增益，Kopt为风力发电机组的最优增益，Pset为风力发电机组的限功率值，nref为风力发电机组的安全转速。
实施中，减小风力发电机组的增益，也可以采用其他方式。例如：预先设定风力发电机组的限功率值和风力发电机组的增益之间的关系，基于预先设定的关系和风力发电机组当前的限功率值，采用线性插值的方式确定风力发电机组的目标增益，之后将风力发电机组的增益减小至该目标增益。
在本发明图7和图8所示的限功率控制方法中，确定风力发电机组的安全转速的过程，包括：确定风力发电机组的最小转速；确定风力发电机组的转速安全增量；计算最小转速和转速安全增量的和值，并将其作为风力发电机组的安全转速。
实施中，也可以采用其他方式确定风力发电机组的安全转速。例如：预先设定不同功率的风力发电机组的安全转速并存储至特定存储空间。当确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式时，在该特定存储空间获取风力发电机组的安全转速即可。
在本发明图7和图8所示的限功率控制方法中，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速的过程，请参见实施例一中的相关描述。
在图8所示的限功率控制方法中，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速的过程，请参见实施例一中的相关描述。
实施例四
本发明实施例三公开了风力发电机组的限功率控制方法，相应的，本发明还公开风力发电机组的控制装置。下文关于控制装置的描述与实施例三中关于限功率控制方法的描述可以相互参见。
参见图9，图9为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图。该控制装置包括安全转速确定单元50、安全功率确定单元60和第三控制单元70。
其中：
安全转速确定单元50，用于确定风力发电机组的安全转速。该安全转速大于风力发电机组的最小转速。
安全功率确定单元60，用于根据风力发电机组的最优增益和安全转速计算风力发电机组的安全功率。
第三控制单元70，在风力发电机组的限功率值小于安全功率的情况下，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值。
本发明图9所示的风力发电机组的控制装置，根据风力发电机组的最小转速确定安全转速，并根据风力发电机组的最优增益和安全转速计算风力发电机组的安全功率，如果风力发电机组的限功率值小于安全功率，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性；同时，减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，从而使得在风力发电机组的运行转速保持在安全转速的前提下，其输出功率保持在限功率值。基于本发明图9所示的控制装置，能够降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
参见图10，图10为本发明公开的另一种风力发电机组的控制装置的结构示意图。与图9所示控制装置相比，图10所示控制装置进一步包括第四控制单元80。这里着重对第四控制单元80进行说明。
第四控制单元80在风力发电机组的限功率值大于或等于安全功率的情况下，对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在限额定转速。
在图9和图10所示的控制装置中，作为一个示例，第三控制单元70减小风力发电机组的增益，具体为：利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定风力发电机组的变最优增益，将风力发电机组的增益减小至该变最优增益。其中，Kcopt为风力发电机组的变最优增益，Kopt为风力发电机组在正常运行状态下的最优增益，Pset为风力发电机组的限功率值，nref为风力发电机组的安全转速。
当然，第三控制单元70减小风力发电机组的增益，也可以采用其他方式。例如：预先设定风力发电机组的限功率值和风力发电机组的增益之间的关系。第三控制单元70基于该预先设定的关系和风力发电机组当前的限功率值，采用线性插值的方式确定风力发电机组的目标增益，之后将风力发电机组的增益减小至该目标增益。
在本发明图9和图10所示的控制装置中，作为一个示例，安全转速确定单元50确定风力发电机组的安全转速，具体为：确定风力发电机组的最小转速；确定风力发电机组的转速安全增量；计算最小转速和转速安全增量的和值，并将其作为风力发电机组的安全转速。
作为另一个示例，安全转速确定单元50确定风力发电机组的安全转速，具体为：预先设定不同功率的风力发电机组的安全转速，并存储至特定存储空间。当确定需控制风力发电机组进入限功率控制模式时，安全转速确定单元10在该特定存储空间获取风力发电机组的安全转速即可。
在图9和图10所示的控制装置中，安全功率确定单元60根据风力发电机组的最优增益和安全转速计算风力发电机组的安全功率，具体为：利用公式Pref＝Koptnref 3计算风力发电机组的安全功率，其中，Pref为风力发电机组的安全功率，Kopt为风力发电机组的最优增益，nref为风力发电机组的安全转速。
本发明上述公开的风力发电机组的限功率控制方法和控制装置，参照风力发电机组的最小转速确定风力发电机组的安全转速；根据该安全转速和风力发电机组的限功率值确定，若风力发电机组以与该限功率值对应的限额定转速为目标转速运行，是否存在扭矩跳变的风险；若确定存在扭矩跳变风险，则对风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得风力发电机组的运行转速保持在安全转速，同时减小风力发电机组的增益，以降低风力发电机组的扭矩，使得风力发电机组的输出功率保持在限功率值，从而降低风力发电机组出现扭矩跳变的可能性，保证风力发电机组运行的稳定性和安全性。
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。对于实施例公开的装置而言，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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种风力发电机组的限功率控制方法，其特征在于，包括：
确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速；
当所述风力发电机组的限额定转速小于所述安全转速时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
2.根据权利要求1所述的限功率控制方法，其特征在于，所述减小所述风力发电机组的增益，包括：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；
其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
3.根据权利要求1或2所述的限功率控制方法，其特征在于，在确定所述风力发电机组的限额定转速之后，还包括：
当所述风力发电机组的限额定转速大于或等于所述安全转速时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
4.根据权利要求1所述的限功率控制方法，其特征在于，所述确定所述风力发电机组的安全转速，包括：
确定所述风力发电机组的最小转速；
确定所述风力发电机组的转速安全增量；
计算所述最小转速和所述转速安全增量的和值，并将其作为所述风力发电机组的安全转速。
5.根据权利要求1所述的限功率控制方法，其特征在于，所述根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，包括：
获取所述风力发电机组正常运行状态下的转速-功率曲线；
在所述转速-功率曲线中查找与所述限功率值对应的转速，查找到的转速作为所述风力发电机组的限额定转速。
6.一种风力发电机组的控制装置，其特征在于，包括：
安全转速确定单元，用于确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
限额定转速确定单元，用于根据所述风力发电机组的限功率值确定所述风力发电机组的限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速；
第一控制单元，在所述风力发电机组的限额定转速小于所述安全转速的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述第一控制单元减小所述风力发电机组的增益，具体为：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；
其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
8.根据权利要求6或7所述的控制装置，其特征在于，还包括第二控制单元，所述第二控制单元在所述风力发电机组的限额定转速大于或等于所述安全转速的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述限额定转速。
9.一种风力发电机组的限功率控制方法，其特征在于，包括：
确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
根据所述风力发电机组的最优增益和所述安全转速计算所述风力发电机组的安全功率；
当所述风力发电机组的限功率值小于所述安全功率时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
10.根据权利要求9所述的限功率控制方法，其特征在于，所述减小所述风力发电机组的增益，包括：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；
其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
11.根据权利要求9或10所述的限功率控制方法，其特征在于，在确定所述风力发电机组的安全功率之后，还包括：
当所述风力发电机组的限功率值大于或等于所述安全功率时，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速。
12.一种风力发电机组的控制装置，其特征在于，包括：
安全转速确定单元，用于确定所述风力发电机组的安全转速，所述安全转速大于所述风力发电机组的最小转速；
安全功率确定单元，用于根据所述风力发电机组的最优增益和所述安全转速计算所述风力发电机组的安全功率；
第三控制单元，在所述风力发电机组的限功率值小于所述安全功率的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在所述安全转速，同时减小所述风力发电机组的增益，使得所述风力发电机组的输出功率保持在所述限功率值。
13.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述第三控制单元减小所述风力发电机组的增益，具体为：
利用公式Kcopt＝Pset/nref 3*Kopt确定所述风力发电机组的变最优增益，将所述风力发电机组的增益减小至所述变最优增益；
其中，Kcopt为所述风力发电机组的变最优增益，Kopt为所述风力发电机组的最优增益，Pset为所述风力发电机组的限功率值，nref为所述风力发电机组的安全转速。
14.根据权利要求12或13所述的控制装置，其特征在于，还包括第四控制单元，所述第四控制单元在所述风力发电机组的限功率值大于或等于所述安全功率的情况下，对所述风力发电机组进行扭矩控制和/或变桨控制，使得所述风力发电机组的运行转速保持在限额定转速，所述限额定转速为所述风力发电机组在正常运行状态下输出所述限功率值所对应的转速。
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