CN106368898B - 一种大型风力发电机组调节控制方法及装置 - Google Patents

一种大型风力发电机组调节控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大型风力发电机组调节控制方法及装置，属于风力发电机技术领域。本发明通过实时采集风轮加速度值，当风轮加速度值大于风轮加速设定限值时将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；否则采集发电机实时转速，当发电机转速大于发电机转速设定限值时，根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，并利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。本发明保证了变桨系统能够对极端运行阵风做出快速及时的响应，降低了叶根的载荷，保证了整机安全，同时对于额定风速附近的极端升降阵风工况，限制了风轮转速的迅速增加，减少了因超速引起的停机次数，并提高了风机的可利用率。

Description

一种大型风力发电机组调节控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种大型风力发电机组调节控制方法及装置，属于风力发电机技术领域。
背景技术
变桨PID(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative))控制器控制算法简单、鲁棒性好、可靠性高，具有较高的调节能力，是风力发电机组变桨控制中是最常用的一种控制器。参考图1，图1为一种快速、极端变化阵风的风速与时间关系曲线图；图中只显示某一时间内的风速的变化，该阵风的变化其他时间段风速的变化与此类似，图中省略。风力发电机组在实际运行中，经常会受到快速、极端变化的强阵风冲击。如图1所示，该阵风的风速升降非常快。当风力发电机组遭遇这样的阵风时，常规的做法是调节变桨速度，来减小冲击载荷。但是常规变桨PID控制器受控制系统自身带宽的限制，对于这样的强阵风常常不能做出快速、及时的响应，从而会导致叶片承受巨大的载荷冲击，出现极限载荷，甚至大于设计极限，这给风电机组的运行带来极大的安全隐患。近几年，随着风力发电机组叶片长度的增加，该问题尤为突出。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型风力发电机组调节控制方法及装置，以解决机组遭遇快速、极端变化的阵风时，叶根载荷过大甚至大于设计载荷的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种大型风力发电机组调节控制方法，该控制方法的步骤如下：
1)实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；
2)若风轮加速度值不大于风轮加速设定限值，则采集发电机实时转速，判断发电机转速是否大于发电机转速设定限值，若大于，则根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，并利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。
所述的步骤2)中修正变桨PID控制器的增益的过程如下：
A.计算发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值，将得到比例值分别乘以变桨PID控制器中设定的比例增益、积分增益和微分增益得到对应的附加修正值；
B.检测风机发电机组的实时桨距角，以实时桨距角与阵风调节起始衰减桨距角和终止桨距角之间的关系确定修正因子；
C.将得到修正因子分别乘以步骤A中得到比例增益附加修正值、积分增益附加修正值和微分增益附加修正值，以得到修正后的变桨PID控制器的增益。
当发电机转速是小于发电机转速设定限值时，执行常规的PID变桨控制。
所述步骤A中发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值为其中Genspeed为发电机实时转速；GenspeedThreshold为发电机转速设定限值。
所述步骤B中桨距角的修正因子值FadeOut为：
其中StartFade为阵风调节起始衰减桨距角，EndFade为阵风调节终止桨距角，βmean为发电机组的实时桨距角，当发电机组的实时桨距角βmean小于阵风调节起始衰减桨距角StartFade时，设定修正因子FadeOut＝1；当发电机组的实时桨距角βmean大于阵风调节终止桨距角EndFade时，设定修正因子FadeOut＝0。
本发明还提供了一种大型风力发电机组调节控制装置，该控制装置包括第一控制模块和第二控制模块，
所述第一控制模块用于实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；
所述第二控制模块用于在风轮加速度值不大于风轮加速设定限值时采集发电机实时转速，并在发电机转速大于发电机转速设定限值时，根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。
所述第二控制模块中修正变桨PID控制器的增益的过程如下：
A.计算发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值，将得到比例值分别乘以变桨PID控制器中设定的比例增益、积分增益和微分增益得到对应的附加修正值；
B.检测风机发电机组的实时桨距角，以实时桨距角与阵风调节起始衰减桨距角和终止桨距角之间的关系确定修正因子；
C.将得到修正因子分别乘以步骤A中得到比例增益附加修正值、积分增益附加修正值和微分增益附加修正值，以得到修正后的变桨PID控制器的增益。
该控制装置在发电机转速是小于发电机转速设定限值时，执行常规的PID变桨控制。
所述步骤A中发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值为其中Genspeed为发电机实时转速；GenspeedThreshold为发电机转速设定限值。
所述桨距角的修正因子值为：
其中FadeOut为桨距角的修正因子值，StartFade为阵风调节起始衰减桨距角，EndFade为阵风调节终止桨距角，βmean为发电机组的实时桨距角，当发电机组的实时桨距角βmean小于阵风调节起始衰减桨距角StartFade时，设定修正因子FadeOut＝1；当发电机组的实时桨距角βmean大于阵风调节终止桨距角EndFade时，设定修正因子FadeOut＝0。
本发明的有益效果是:本发明通过实时采集风轮加速度值，当风轮加速度值大于风轮加速设定限值时将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；当风轮加速度值不大于风轮加速设定限值，则采集发电机实时转速，在发电机转速大于发电机转速设定限值时根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，并利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。本发明保证了变桨系统能够对极端运行阵风做出快速及时的响应，降低了叶根的载荷，保证了整机安全，同时对于额定风速附近的极端升降阵风工况，限制了风轮转速迅速增加，减少了因超速引起的停机次数，提高了风机的可利用率。
附图说明
图1是快速、极端变化阵风的风速与时间关系示意图；
图2是本发明大型风力大电机组调节控制方法的流程图；
图3是阵风调节控制中变桨PID控制流程图；
图4是阵风控制中修正因子曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明的一种大型风力大电机组调节控制方法的实施例
针对当机组遭遇快速、极端变化的阵风时，叶根载荷过大甚至大于设计载荷的问题，从整机设计厂家的角度来考虑，增大机组的设计载荷，需要更改机组部件的几何设计，这样会导致机组开发周期加长，成本也会增加。因此，减小叶片冲击载荷理想的方式是优化控制策略，保证变桨控制系统能够对快速、极端变化的运行阵风做出快速的响应，同时保证机组安全稳定运行。为此本发明提供了一种大型风力发电机组调节控制方法，本发明在常规PID变桨控制的基础上，引入阵风控制这一概念，通过实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；若风轮加速度值不大于风轮加速设定限值，则采集发电机实时转速，判断发电机转速是否大于发电机转速设定限值，若大于，则根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，并利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率，以保证变桨系统对极端运行阵风做出快速及时的响应，以降低叶根的载荷，保证整机安全，同时对于额定风速附近的极端升降阵风工况，限制风轮转速迅速增加，以减少因超速引起的停机次数，提高风机的可利用率。该方法的流程如图2所示，具体实施过程如下：
1.实时采集风轮的加速度，并判断风轮加速度是否大于风轮加速设定限值，为了保证所采集到的加速度值更加准确，本实施例中对采集到的风轮的加速度进行短时滤波处理，滤波时间选择为0.3s，并根据所选的滤波算法和时间计算风轮加速度AvgRotorAcc。判断风轮加速度AvgRotorAcc是否大于风轮加速设定限值RotoraccLimit，风轮加速设定限值RotoraccLimit根据机型不同一般设定为0.02rad/s2～0.04rad/s2，当风轮加速度AvgRotorAcc超过风轮加速设定限值RotoraccLimit时，变桨速率不再受变桨PID控制器控制，而是由风轮加速度AvgRotorAcc乘以一个特定的增益Factor决定，即：目标变桨速率＝AvgRotorAcc*Factor，特定的增益Factor的值根据经验确定，一般选择为1s～2s。变桨速率的最大值受常规PID控制器控制时的最大变桨速率除以设定值得到的值限制。
2.当风轮加速度AvgRotorAcc不超过风轮加速设定限值RotoraccLimit时，实时采集发电机转速，当发电机转速超过发电机转速设定限值时，修正变桨PID控制器的比例单元P、积分单元I、微分单元D的增益值，利用修正的PID控制器控制叶片的变桨速率。修正变桨PID控制器的原理如图3所示，具体实施过程如下：
a.检测风力发电机组实时桨距角，并对桨距角进行短时间的滤波处理，滤波时间选择为0.1s。
b.计算发电机实时转速超过发电机转速设定限值的比例值
其中：Genspeed为发电机实时转速；GenspeedThreshold为发电机转速设定限值，发电机转速设定限值一般设定为额定转速的1.02～1.05倍。PID控制器的比例、积分、微分附加修正值根据该比例值分别乘以设定的比例增益EGCkp、积分增益EGCki、微分增益EGCkd获得。
c.根据滤波后的桨距角βmean确定修正因子FadeOut。
当机组的桨距角小于阵风调节起始衰减桨距角StartFade时，设定修正因子FadeOut＝1；当机组的桨距角大于阵风调节终止桨距角EndFade时，设定修正因子FadeOut＝0；在阵风调节起始衰减桨距角与终止桨距角之间，修正因子FadeOut以一定的速率衰减，衰减速率由设定的两个桨距角线性内插得到，如图4所示，修正因子值FadeOut的计算公式如下：
阵风调节起始衰减桨距角StartFade与终止桨距角EndFade根据机组达到额定功率时的桨矩角运行情况确定，StartFade一般选择高于额定风速2m/s左右处对应的桨矩角，EndFade一般选择切出风速附近对应的桨矩角。
d.PID控制器比例、积分、微分增益值分别增多对应的修正值，修正值由步骤b中的附加修正值乘以步骤c中的修正因子FadeOut计算得到。
3.当发电机转速低于设定的限值，同时当风轮的加速度低于设定的限值时，退出阵风调节控制，执行常规的PID变桨控制。
本发明的一种大型风力大电机组调节控制装置的实施例
本实施例中的大型风力大电机组调节控制装置包括第一控制模块和第二控制模块，第一控制模块用于实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率；第二控制模块用于在风轮加速度值不大于风轮加速设定限值时采集发电机实时转速，并在发电机转速大于发电机转速设定限值时，根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。各控制模块的具体实现手段已在方法实施例中进行详细说明，这里不再赘述。
本发明在风力发电机组常规的控制基础上，增加阵风调节控制，当发电机转速或者风轮加速度超过设定的限值时，阵风控制发挥作用，快速收桨，防止风轮转速迅速增加，达到降低叶片载荷的目的。本发明中阵风调节控制是利用风力发电机组控制系统的常规标准信号作为输入的，不需要增加额外的硬件设备，在风力发电机组控制系统作用的所有时间范围内，阵风控制都是同时有效的。
以上所述，仅是本发明的实现实例，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述技术内容作些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型风力发电机组调节控制方法，其特征在于，该控制方法的步骤如下：
1)实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率，所述增益是根据经验确定的时间值；
2)若风轮加速度值不大于风轮加速设定限值，则采集发电机实时转速，判断发电机转速是否大于发电机转速设定限值，若大于，则根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，并利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。
2.根据权利要求1所述的大型风力发电机组调节控制方法，其特征在于，所述的步骤2)中修正变桨PID控制器的增益的过程如下：
A.计算发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值，将得到比例值分别乘以变桨PID控制器中设定的比例增益、积分增益和微分增益得到对应的附加修正值；
B.检测风机发电机组的实时桨距角，以实时桨距角与阵风调节起始衰减桨距角和终止桨距角之间的关系确定修正因子；
C.将得到修正因子分别乘以步骤A中得到比例增益附加修正值、积分增益附加修正值和微分增益附加修正值，以得到修正后的变桨PID控制器的增益。
3.根据权利要求1或2所述的大型风力发电机组调节控制方法，其特征在于，当发电机转速是小于发电机转速设定限值时，执行常规的PID变桨控制。
4.根据权利要求2所述的大型风力发电机组调节控制方法，其特征在于，所述步骤A中发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值为其中Genspeed为发电机实时转速；GenspeedThreshold为发电机转速设定限值。
5.根据权利要求2所述的大型风力发电机组调节控制方法，其特征在于，所述步骤B中桨距角的修正因子值FadeOut为：
其中StartFade为阵风调节起始衰减桨距角，EndFade为阵风调节终止桨距角，βmean为发电机组的实时桨距角，当发电机组的实时桨距角βmean小于阵风调节起始衰减桨距角StartFade时，设定修正因子FadeOut＝1；当发电机组的实时桨距角βmean大于阵风调节终止桨距角EndFade时，设定修正因子FadeOut＝0。
6.一种大型风力发电机组调节控制装置，其特征在于，该控制装置包括第一控制模块和第二控制模块，
所述第一控制模块用于实时采集风轮加速度值，并判断风轮加速度值是否大于风轮加速设定限值，若大于，则将风轮加速度值乘以一个特定的增益作为目标变桨速率，所述增益是根据经验确定的时间值；
所述第二控制模块用于在风轮加速度值不大于风轮加速设定限值时采集发电机实时转速，并在发电机转速大于发电机转速设定限值时，根据发电机组的桨距角和发电机转速超过发电机转速设定限值的比例修正变桨PID控制器的增益，利用修正的变桨PID控制器控制叶片的变桨速率。
7.根据权利要求6所述的大型风力发电机组调节控制装置，其特征在于，所述第二控制模块中修正变桨PID控制器的增益的过程如下：
A.计算发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值，将得到比例值分别乘以变桨PID控制器中设定的比例增益、积分增益和微分增益得到对应的附加修正值；
B.检测风机发电机组的实时桨距角，以实时桨距角与阵风调节起始衰减桨距角和终止桨距角之间的关系确定修正因子；
C.将得到修正因子分别乘以步骤A中得到比例增益附加修正值、积分增益附加修正值和微分增益附加修正值，以得到修正后的变桨PID控制器的增益。
8.根据权利要求6或7所述的大型风力发电机组调节控制装置，其特征在于，该控制装置在发电机转速是小于发电机转速设定限值时，执行常规的PID变桨控制。
9.根据权利要求7所述的大型风力发电机组调节控制装置，其特征在于，所述步骤A中发电机转速超过发电机转速设定限值的比例值为其中Genspeed为发电机实时转速；GenspeedThreshold为发电机转速设定限值。
10.根据权利要求7所述的大型风力发电机组调节控制装置，其特征在于，所述桨距角的修正因子值为：
其中FadeOut为桨距角的修正因子值，StartFade为阵风调节起始衰减桨距角，EndFade为阵风调节终止桨距角，βmean为发电机组的实时桨距角，当发电机组的实时桨距角βmean小于阵风调节起始衰减桨距角StartFade时，设定修正因子FadeOut＝1；当发电机组的实时桨距角βmean大于阵风调节终止桨距角EndFade时，设定修正因子FadeOut＝0。
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