CN107152374A - 一种风力发电机组偏航控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组偏航控制方法。该风力发电机组偏航控制方法，包括以下步骤：通过周期性T(T=T₀+T₁)选择不同风向判定模块，对不同风向区间统计的偏航次数N#做对比分析，结合风速判定区间动态给定偏航误差角Δθ，实现机组偏航控制的有效控制。其有益效果是：基于现有的偏航硬件设备，能够实现机组偏航对风系统的时滞控制；特别对于风向波动较小时，在小风条件下通过动态给定偏航误差角，增大偏航对风角度，实现减小小风下偏航系统工作次数，降低机组的自用电；同样，在大风条件下通过动态给定偏航误差角，减小偏航对风角度，实现偏航对风能力的提高，更多的捕获风能，增加机组的发电量。

Description

一种风力发电机组偏航控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组偏航控制方法。

背景技术

风力发电机组叶轮装置可以实现风能的有效捕获，而叶轮能够有效捕获风能的先决条件是偏航系统的高效对风，从而机组的偏航系统对风机发电性能起着至关重要的作用。现行机组关于偏航系统的研究和控制，主要针对偏航系统本身的保护、偏航系统的对风、偏航系统的降载、偏航系统的风场级控制等进行研究。针对偏航控制主要的技术手段及方法包括：开发新的控制算法；采用新的测风、对风装置；采用新的偏航速率调整装置；采用新的控制方法；上述控制方法及装置的任意结合等形式。目前新的控制算法主要为自适应控制、模糊逻辑和神经网络、反时限控制以及矢量控制；新的测风、对风装置主要为采用雷达测风仪进行测风，并基于遥感测试技术提出机组主动偏航和风向预测；新的偏航速率调整装置主要针对偏航电机采用变频器从而根据不同的偏航形式给定不同的偏航速率，增强机组的偏航对风能力。新的控制方法主要针对风向预测、风向分区、风速风区以及其组合来执行相关偏航动作。

新的控制算法基于较深的基础理论，编写与实现相对繁琐，主要针对相关算法进行研究，未在实际工程应用中大量采用。新的测风、 对风装置以及变频器的采用，一方面增加了机组整机成本，另一方面则增加了机组的监控接口，在增加故障监测点的同时也增加了机组故障触发点。现有的偏航控制方法主要针对风向预测、风向风区、风速风区及组合进行偏航控制，但都没有针对偏航次数进行计数作为机组偏航控制的触发条件。本发明则基于风力发电机组偏航次数，通过相关控制模块，基于现有的硬件设备，动态的给定相关偏航误差角度，实现机组的偏航控制。

CN 102011698的附图1提出了一种风机偏航系统变速率控制方法，偏航速率受到风速区间限制：在小风下偏航速率大；大风下偏航速率小。该方法主要针对风速区间进行判定来给定偏航变频器执行不同的偏航速率，其不足一是添加了变频器，增加了偏航系统成本；二是未考虑风向作为偏航系统的判定条件。CN 102777319则提出了一种基于主、子变频器的偏航控制系统，其实质与CN 102011698相似，优点则是在偏航系统故障时可以更快速的定位相关故障，实现故障的快速诊断，不足则与CN 102011698所述相同。CN 103835879附图2提出了一种反时限控制方法。该方法主要通过经验数据和反时限算法实现偏差角和延时时间的动态调整，根据对应的偏航触发角度进行偏航控制。但是根据滤波风速为控制输入，通过反时限控制进行机组偏航对风，在风速较稳定而风向发生变化情况下，因为此时偏航误差角调节范围有限，会使得机组在风向变化较大情况下偏航电机启动频繁，则一方面增加了偏航设备的损坏程度，另一方面则机组在风向变化情况下进行偏航，导致机组承受陀螺力矩时间增多，增大了偏航系 统的载荷。CN 104314757附图1提出了一种基于不同风速下的模型参考自适应控制。该方法对不同风速下功率值的参考统计出最优偏航对风偏差角度，将实际偏航对风偏差角与最优偏航对风偏差角之差作为反馈信号，通过后续自适应控制模块调整机组的偏航动作，使其逐步追踪最优偏航角度，直到两者之间误差值最小后偏航停止。该方法可以在给定最优偏航误差角度后通过自适应控制实时调整相关参数追踪最优偏航误差角，但是该控制方法需要建立相关实际偏航系统矩阵方程及自适应控制方法，而偏航系统方程并不容易获得，从而最优偏航误差角的确定有待商榷。CN 104373293图2、图3给出基于雷达测风和遥感技术的风机主动偏航控制方法。通过测量到当前时刻N个截面处风向和风速信息，进行后续等效处理获得机组的等效测量风向信息。通过将等效测量风向与偏航误差角阀值对比实现机组的偏航对风工作。该方法可以实现风向预测主动提前偏航对风，从而增强了机组的对风能力，提高了发电水平。但是，因为采用了新的设备，机组的整机成本增高。上述专利中涉及的相关偏航控制方法，或是增加了整机成本，或是控制方法存在不足之处，从而最好能有一种在两者之间取得兼容性的偏航控制方法。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种基于现有偏航条件，使其能够在提高机组偏航对风能力，同时降低整机成本的风力发电机组偏航控制方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种风力发电机组偏航控制方法，包括以下步骤：通过周期性T(T＝T₀+T₁)选择不同风向判定模块，对不同风向区间统计的偏航次数N_#做对比分析，结合风速判定区间动态给定偏航误差角Δθ，实现机组偏航控制的有效控制。

该方法同样针对不同风向判定区间内偏航次数做统计分析，可以有效的统计出该机组在不同风向区间偏航次数的概率分布图，可为风场级机组统一协调偏航做数据参考。

此外，本发明还提供了一种风力发电机偏航控制系统，包含以下模块：

模块1：计时使能选择模块；机组偏航控制周期性选择模块，主要是为后续风向判定模块进行周期性使能选择；

模块2：偏航计数模块1和2；模块2主要包括偏航计数模块和计数判定模块，主要是根据模块1选择的偏航计数模块，执行不同偏航允许误差区间内偏航次数的统计和偏航次数阈值的判定；

模块3：风速判定模块；风速判定模块主要是统计在模块2执行周期内风速的区间值判定，后续结合模块2统计的偏航次数与偏航次数判定阀值为模块4的实施提供判定条件；

模块4：动态偏航误差角给定模块；动态偏航误差角给定模块，主要是针对相关使能条件动态给定机组偏航误差角，实现机组偏航误差角的动态调整，并在一个执行周期T/2内实施；

模块5：偏航计数统计模块，针对偏航次数进行分区汇总，主要统计不同偏航角度误差区间内触发的偏航次数，便于后续对单机偏航 情况的统计分析，也为后续风场级机群偏航提供偏航角度及偏航误差角参考。

进一步，所述模块1在程序执行过程中有：

T＝T₀+T₁；

其中：T₀＝T₁；

进一步，所述模块2包含偏航计数模块和计数判定模块，其中根据偏航风向区间，偏航计数模块主要分为5个风向区间：I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ；并针对不同风向区间进行相关延时判定，需要说明的是上述5个风向区间偏航角度依次增大。当机组在某个风向区间触发偏航动作时，则针对该风向区间进行计数使能选择，触发对应的标志位，并将偏航次数区别记为：N0,N1,N2,N3和N4。计数判定模块中设定了最值N_max。

进一步，所述模块3主要针对模块1对应的时间区间内风速值进行均值统计分析，并给出对应该时间区间内风速的标志位。

进一步，所述模块4为动态偏航控制误差角给定模块，主要步骤包括：

A：通过对上述模块标志位的判定，选择对应的触发标志位；

B:根据对应的触发标志位，给定三种偏航误差角方式：不给定偏航误差角、动态给定偏航误差角模式1、动态给定偏航误差角模式2和动态给定偏航误差角模式3；

进一步，所述步骤B的主要实现形式包括：

不给定偏航误差角：此时对应机组偏航过于频繁，超过偏航设定 最大值N_max，则此时进行初始值给定，即将偏航角度值设定为程序初始化值；

动态给定偏航误差角模式1：根据不同的风速条件和风向区间，偏航误差角Δθ的给定通过如下公式：

其中：K_N为不同风向区间对应的增益调度权重参数，其为正整数，并随风速区间的增大而增大。

则此时动态给定偏航误差角模式1给定的偏航角度θ₁为：

θ₁＝θ_N+Δθ

动态给定偏航误差角模式2和模式3给定的偏航角度θ₂和θ₃为：

θ₂＝θ_N-Δθ

θ₃＝θ_N-Δθ

在小风条件下，增大偏航对风角度，以求降低偏航次数和机组自用电；在风速较好条件下，减小偏航对风角度，以求增强机组的对风能力，更多的捕获风能。

其偏航角度动态给定会在初始设定偏航角度值的基础上设定一个区间阀值，避免机组出现偏航过于频繁或是偏航对风能力下降的情况；偏航计数统计模块会给出针对不同区间下偏航次数的统计数据，根据统计数据可以了解单机的偏航区间位置分布图，便于机组偏航角的调整，也便于为整机群机组的偏航做参考。

本发明的有益效果是：本发明一种风力发电机组偏航控制方法基 于现有的偏航硬件设备，通过该偏航控制方法，能够实现机组偏航对风系统的时滞控制；特别对于风向波动较小时，在小风条件下通过动态给定偏航误差角，增大偏航对风角度，实现减小小风下偏航系统工作次数，降低机组的自用电；同样，在大风条件下通过动态给定偏航误差角，减小偏航对风角度，实现偏航对风能力的提高，更多的捕获风能，增加机组的发电量。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为本发明计时选择模块时序图；

附图2为本发明偏航控制流程图；

附图3为本发明偏航计数模块图；

附图4为本发明偏航控制风速判定模块图；

附图5为本发明偏航动态误差角给定选择判定图；

附图6为本发明偏航计数模块流程图。

具体实施方式

附图1-6为本发明的一种具体实施例。该发明一种风力发电机组偏航控制方法，包括以下步骤：通过周期性T(T＝T₀+T₁)选择不同风向判定模块，对不同风向区间统计的偏航次数N_#做对比分析，结合风速判定区间动态给定偏航误差角Δθ，从而实现机组偏航控制的有效控制。

此外，本发明还提供了一种风力发电机偏航控制系统，包含以下模块：

模块1：计时使能选择模块；机组偏航控制周期性选择模块，主要是为后续风向判定模块进行周期性使能选择；

模块2：偏航计数模块1和2；模块2主要包括偏航计数模块和计数判定模块，主要是根据模块1选择的偏航计数模块，执行不同偏航允许误差区间内偏航次数的统计和偏航次数阈值的判定；

模块3：风速判定模块；风速判定模块主要是统计在模块2执行周期内风速的区间值判定，后续结合模块2统计的相关偏航次数与偏航次数判定阀值为模块4的实施提供判定条件；

模块4：动态偏航误差角给定模块；动态偏航误差角给定模块，主要是针对相关使能条件动态给定机组偏航误差角，实现机组偏航误差角的动态调整，并在一个执行周期T/2内实施；

模块5：偏航计数统计模块，针对偏航次数进行分区汇总，主要统计不同偏航角度误差区间内触发的偏航次数，便于后续对单机偏航情况的统计分析，也为后续风场级机群偏航提供偏航角度及偏航误差角参考。

附图2为本发明提供的一种偏航控制方法过程的流程图，该方法包括：计时使能选择模块(模块1)：机组偏航控制周期性选择模块，主要是为后续风向判定模块进行周期性使能选择，如图1步骤30所示：

步骤30：在机组程序上电初始化过程中，程序中按照使能周期T进行，其中T＝T₀+T₁。在T₀使能阶段，T₁不使能，实现两个周期实现互锁，选择性的进行偏航计数使能标志位的判定。在T₀结束后，此时 T₁周期开始执行，如此往复进行。

需要说明的是，在T₀结束时，此时T₁周期使能，保持偏航计数模块1中偏航计数数据，启动偏航计数模块2，在T₁周期内统计偏航计数模块2中数据，T₁结束后，在T₀运行周期内，将T₁周期中偏航计数模块2统计偏航次数作为该T₀周期内采用的偏航计数数据。

偏航计数模块1和2(模块2)：模块2主要包括偏航计数模块和计数判定模块，主要是根据模块1选择的偏航计数模块，执行不同偏航允许误差区间内偏航次数的统计和偏航次数阈值的判定；

模块2实现方式如图3所示，其主要步骤为：

步骤11：偏航角度区间的划分

在风力发电机组偏航控制过程中，主控系统初始设定了相关的偏航角作为机组偏航对风的初始值。本发明针对偏航控制预设了5个偏航角度分区，实现偏航对风的传感器可为风向传感器，但是并不局限于此，能实现本发明目的的相关分区结构以及相关传感器均在本发明的保护范围之内。

进一步的，关于5个偏航角的初始值设定，根据机组偏航系统要求，可以初步设定为：±5°，±10°，±15°，±25°共5个偏航区间。

值得注意的是，该偏航角的阀值设定为人为事先预设的，风机根据实际运行情况会对偏航角进行修正。

步骤12：偏航触发时间设定

对上述偏航角度下机组实现偏航对风动作时间做约定，以求在满 足机组偏航时间后机组能够进行偏航对风动作。

进一步的，关于5个偏航时间初始值的设定，根据偏航系统响应特性和发电特性要求，可以初步设定为：不延时，延时5m，延时3m，延时1m，延时30s共5个偏航延时时间。

同样，该偏航时间触发阀值设定也为人为实现预设的，后续会结合实际机组偏航情况做相应调整。

步骤13：偏航次数的统计

在步骤11和步骤12中，机组在满足偏航触发条件的情况下，根据每一个偏航角区间情况，给定偏航触发标志位。在该执行周期内，每次偏航动作触发进行机组偏航动作，对应区间内偏航计数进行累加操作，直到下一个T/2周期触发后停止计数。

进一步的，以给定偏航次数N#为例进行机组运行说明：

在风向区间Ⅱ内机组触发偏航动作，主控下发偏航使能信号。对应该信号值触发情况，给定偏航计数模块一个上升沿计数，实现在该风向区间内每次执行偏航动作，对应的偏航计数模块实现一次计数动作，从而实现偏航次数的N#的获取(N#为示例值，不代表具体数值)。

步骤14：偏航计数判定

针对上述偏航计数数据，统计在T/2周期内对应不同风向区间内偏航次数数据N#，并对相关数据做对比分析。

进一步的，在偏航计数判定中N₀和N_max为人为设定值(N₀<N_max)，主要作为偏航判定的限值条件。

更进一步的，通过对上述不同风向区间偏航次数计数，假设在该 T/2周期内对应的偏航次数分别为N₀,N₁,N₂,N₃,N₄，则通过逐步最值选择性判定，获得该T/2周期内最大偏航次数N#。在获取最大偏航次数后与偏航次数设定最大值N_max做对比，根据对比数据触发对应的标志位。在N#＜N_max时，触发对应风向区间的标志位；在N#≥N_max，触发标志位N_Flag_1。

上述步骤主要针对不同风向区间内偏航计数做判定并触发相应的标志位，为后续偏航动态误差角的给定做前提条件。

模块3实现方式如图4所示，结合图4该模块主要步骤为：

步骤21：风速均值统计

通过对风速均值统计，其主要方式为针对该T/2周期内统计滤波风速的数值。

步骤22：风速均值标志位

通过对上述风速均值统计，根据统计值与预设触发阀值做比较，根据不同的阀值触发条件触发不同的标志位。

进一步的，该风速阀值分为三个，将机组风况分为低风速，中风速和高风速三个区间，其触发阀值分别为：V₁,V₂和V₃，该风速阀值对应其触发标志位为Low_wind_spe,Med_wind_spe和High_wind_spe。其中，阀值的给定为人为给定，需要结合机组的运行风况适当做调整。

模块4为偏航控制的关键模块，图5为偏航控制误差角动态给定模块的示意图，其图中主要包含两个过程标志位的判定：

针对偏航误差角不改变的N_Flag_1标志位和通过偏航控制方法动态改变偏航误差角的N#_Flag_1(其中#表示风向区间对应计数号， 其为整数，具体为0,1,2,3,4)标志位。

针对N_Flag_1标志位判定，由如下步骤

步骤17:风向判定标志位，主要对该T/2周期内风速信号做判定；

步骤18:偏航误差角给定，考虑到此时偏航过于频繁，针对该步骤中不给定偏航误差角，即此时维持偏航角为初始设定值。

进一步的，此时设定N#≥N_max则对机组不进行偏航角度的改变，若后续通过对P＝N#/N_max(P为正整数)中P的数值变化对偏航误差角进行动态给定方法，同样属于该发明保护范围。

针对N#_Flag_1标志位，其包含两个偏航计数情况：不进行偏航计数和进行偏航计数过程。该标志位有N₀_Flag_1和N#_Flag_1组成，其主要步骤为：

步骤15：风向判定标志位，主要对该T/2周期内风速信号做判定；

步骤16：偏航误差角动态给定模式，主要包括动态偏航误差角给定模式1、动态偏航误差角给定模式2和动态偏航误差角给定模式3。

进一步的，针对动态偏航误差角给定模式1：根据不同的风速条件和风向区间，偏航误差角Δθ的给定通过如下公式：

其中：K_N为不同风向区间对应的增益调度权重参数，其为正整数，并随风速区间的增大而增大。

优选的，此时动态给定偏航误差角模式1给定的偏航角度θ₁为：

θ₁＝θ_N+Δθ

优选的，动态给定偏航误差角模式2和模式3给定的偏航角度θ₂和θ₃为：

θ₂＝θ_N-Δθ

θ₃＝θ_N-Δθ

可以理解的是，针对偏航误差角模式1；偏航次数不多且风速为小风条件下，此时为了降低机组自用电和偏航次数，通过进一步增大偏航对风角来实现偏航控制；针对偏航误差角模式2和3给定方式，此时机组的偏航次数不多且风况为中等风速或是较高风速，为了增加机组的发电能力，通过适当减小偏航对风角来增强机组的偏航对风能力，实现该风速段下的有效捕风。

需要注意的是，通过给定偏航误差角来修正机组的偏航角，偏航角的修正值为针对特定风向区间对应的偏航角进行修正，并且其相邻区间临界偏航角的改变会导致风向区间偏航角改变，为进一步说明，举例如下：

例如风向区间Ⅱ触发动态给定偏航误差角模式1，因区间Ⅱ的偏航角预设范围：5°～10°(或-5°～-10°)，区间Ⅲ的偏航角预设范围：10°～15°(或-10°～-15°)，则偏航误差角为：

此时的偏航角为：

θ₁＝10+Δθ

通过偏航误差角的修正，区间Ⅱ临界偏航角10°发生改变，偏航对风角度变为θ₁，而其它非相关风向区间在该T/2周期内偏航角不做调整。

同样的原理，针对动态给定偏航误差角模式2和模式3也可进行类似的处理。

另外，针对不同风向区间内偏航角的调整有各自的调整阀值，误差角的改变受到设定阀值的限制。设定阀值区间是为了避免出现中等风况或是大风下偏航过于频繁以及小风下偏航对风角度过大等情况。

模块5为偏航计数统计模块，参考图6所示，其主要步骤为：

步骤31：该步骤主要对机组不同风向区间触发最大值进行判定；

步骤32：该步骤主要为不同风向区间下偏航次数进行汇总统计，统计周期按照日或是月进行；

步骤33：主要为对单台机组进行不同风向区间内偏航次数进行分析，确认机组的主要偏航区间点和偏航次数，便于进一步修正偏航角的预设值。

进一步的，通过对单台机组偏航次数和区间的统计，可以为后续实现风场级机群智能偏航提供数据参考。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种风力发电机组偏航控制方法，其特征在于，包括以下步骤：通过周期性T(T＝T₀+T₁)选择不同风向判定模块，对不同风向区间统计的偏航次数N_#做对比分析，结合风速判定区间动态给定偏航误差角Δθ，实现机组偏航控制的有效控制；该方法同样针对不同风向判定区间内偏航次数做统计分析，可以有效的统计出该机组不同风向区间偏航次数概率分布图，可为风场级机组偏航做参考。

2.一种风力发电机偏航控制系统，其特征是：包括以下模块：

模块1：计时使能选择模块；机组偏航控制周期性选择模块，主要是为后续风向判定模块进行周期性使能选择；

模块2：偏航计数模块1和2；模块2主要包括偏航计数模块和计数判定模块，主要是根据模块1选择的偏航计数模块，执行不同偏航允许误差区间内偏航次数的统计和偏航次数阈值的判定；

模块3：风速判定模块；风速判定模块主要是统计在模块2执行周期内风速的区间值判定，后续结合模块2统计的相关偏航次数与偏航次数判定阀值为模块4的实施提供判定条件；

模块4：动态偏航误差角给定模块；动态偏航误差角给定模块，主要是针对相关使能条件动态给定机组偏航误差角，实现机组偏航误差角的动态调整，并在一个执行周期T/2内实施；

模块5：偏航计数统计模块，针对偏航次数进行分区汇总，主要统计不同偏航角度误差区间内触发的偏航次数，便于后续对单机偏航情况的统计分析，也为后续风场级机群偏航提供偏航角度及偏航误差角参考。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组偏航控制系统，其特征是：所述模块1在程序执行过程中有：

T＝T₀+T₁；

其中：T₀＝T₁；

4.根据权利要求2所述的一种风力发电机组偏航控制系统，其特征是：所述模块2包含偏航计数模块和计数判定模块，其中根据偏航风向区间，偏航计数模块主要分为5个风向区间：I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ；并针对不同风向区间进行相关延时判定，需要说明的是上述5个风向区间偏航角度依次增大。当机组在某个风向区间触发偏航动作时，则针对该风向区间进行计数使能选择，触发对应的标志位，并将偏航次数区别记为：N₀,N₁,N₂,N₃和N₄。计数判定模块中设定了最值Nmax。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电机组偏航控制系统，其特征是：所述模块3主要针对模块1对应的时间区间内风速值进行均值统计分析，并给出对应该时间区间内风速的标志位。

6.根据权利要求2所述的一种风力发电机组偏航控制系统，其特征是：所述模块4为动态偏航控制误差角给定模块，主要步骤包括：

A：通过对上述模块标志位的判定，选择对应的触发标志位；

B:根据对应的触发标志位，给定三种偏航误差角方式：不给定偏航误差角、动态给定偏航误差角模式1、动态给定偏航误差角模式2和动态给定偏航误差角模式3；

7.根据权利要求6所述的一种风力发电机组偏航控制方法，其特 征是：所述步骤B的主要实现形式包括：

不给定偏航误差角：此时对应机组偏航过于频繁，超过偏航设定最大值N_max，则此时进行初始值给定，即将偏航角度值设定为程序初始化值；

动态给定偏航误差角模式1：根据不同的风速条件和风向区间，偏航误差角Δθ的给定通过如下公式：

其中：K_N为不同风向区间对应的增益调度权重参数，其为正整数，并随风速区间的增大而增大。

则此时动态给定偏航误差角模式1给定的偏航角度θ₁为：

θ₁＝θ_N+Δθ

动态给定偏航误差角模式2和模式3给定的偏航角度θ₂和θ₃为：

θ₂＝θ_N-Δθ

θ₃＝θ_N-Δθ。