CN107420261A - 风力发电机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机的控制方法，该控制方法在弃风限电的情况下，通过计算得到并采用风电机组的最佳桨距角和叶尖速比，从而改变各个风电机组的输出功率，使其满足限电电能。而传统上对于弃风限电情况下风电场输出功率的优化问题通常采取关停一台风电机组，保持其他风电机组运行状态不改变的策略，这种做法既不经济，也不科学。故，该风力发电机的控制方法与传统限电方式相比，保证了风电机组运行的经济性，节约了成本，并能够有效地延长风电机组的使用寿命。

Description

风力发电机的控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机的控制方法。
背景技术
风能作为一种清洁能源，日益受到世界各国的重视。近年来，我国在风力发电领域也取得了巨大的进步。为了保证电力系统的稳定性、保证风能的利用效率最大化、保证较高的电能质量和延长风电机组的使用寿命，通常需要对风力发电机进行一定程度的控制。传统上，对于风电机组的控制主要有变桨控制、转速控制、偏航控制和安全保护控制等。
我国风能资源丰富，主要存在于三北地区(华北、东北、西北)，华北地区的通道不足；东北地区的风电需要给其他电源让路；西北地区的用电负荷过小。这些都导致弃风限电现象盛行，浪费了大量的风资源。所谓弃风限电，是指在风电发展初期，风机处于正常情况下，由于当地电网接纳能力不足、风电场建设工期不匹配和风电不稳定等自身特点导致的部分风电场风机暂停的现象，这样大量的浪费了风资源。所以，如何对风电机组进行运行分析，提出优化控制策略，是风电领域的一个重要问题。
对于一个含有数台机组的风电场，当遇到限电时，传统上最简单的做法是强制关停一台风电机组，以满足风电场整体的风电输出要求。但是，这种做法缺乏经济性，同时会严重影响被关停机组的使用寿命。
因此，如何通过控制所有风电机组的功率达到风电场整体的经济运行最优是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机的控制方法，使风电场中所有风电机组在满足弃风限电的同时，以最优的方式运行，保证了风机运行的经济性，能够有效延长风机的使用寿命。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种风力发电机的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取风电场的相关信息，所述相关信息包括风电机组的台数n，总限电电能Δp，所述风电机组的限电前输出功率p，空气密度ρ，风速v，所述风电机组的风机叶片长度r，所述风电机组的当前桨距角Δβ以及所述风电机组的当前叶尖速比Δλ；
S2、根据所述风电机组台数n和总限电电能Δp，计算每台所述风电机组的减少输出功率Δp’，根据所述减少输出功率Δp’，得到所述风电机组的限电后输出功率p’；
S3、根据所述风机叶片长度r，计算所述风电机组的扫风面积a，根据所述限电后输出功率p’、扫风面积a、空气密度ρ、风速v以及限电后输出功率p’，计算所述风电机组的限电后转矩系数cp’；
S4、根据所述限电后转矩系数cp’和转矩系数的定义公式，得到所述风电机组的最佳桨距角和叶尖速比的组合(β’,λ’)；
S5、根据所述最佳叶尖速比λ’和所述风机叶片长度r，计算所述风电机组的风机转速ω；
S6、调节所述风电机组的桨距角为最佳桨距角β’，根据所述风机转速ω，调节所述风电机组的叶尖速比为最佳叶尖速比λ’。
进一步地，步骤S2中，所述减少输出功率Δp’通过以下公式计算：
Δp’＝Δp/n；
所述限电后输出功率p’通过以下公式计算：
p’＝p-Δp’。
进一步地，步骤S3中，所述扫风面积a通过以下公式计算：
a＝πr2/2；
所述转矩系数通过以下公式计算：
cp’＝2p’/aρv3。
进一步地，步骤S4中，所述转矩系数的定义公式为：
cp＝(0.44-0.167)βsin[π(λ-3)/(15-0.3β)]-0.00184(λ-3)β
其中，cp为所述风电机组的转矩系数，β为所述风电机组的桨距角，λ为所述风电机组的叶尖速比。
进一步地，所述桨距角β的取值范围为[0,90°]，所述叶尖速比λ的取值范围为[1,15]，所述最佳桨距角β’和最佳叶尖速比λ’通过暴力搜索的方式取得。
进一步地，在所述暴力搜索的过程中，所述桨距角的步长为0.5°，所述叶尖速比的步长为0.1。
进一步地，步骤S4具体为：
根据所述限电后转矩系数cp’、转矩系数的定义公式以及所述桨距角β的取值范围[0,90°]和所述叶尖速比的取值范围[1,15]，取所述桨距角的步长为0.5°、所述叶尖速比的步长为0.1，通过所述暴力搜索的方式得到取值范围内所有符合所述限电后转矩系数cp’的桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)；
根据公式计算每个所述桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)与所述当前桨距角Δβ和当前叶尖速比Δλ的标准差，并取所述标准差的最小值为所述最佳桨距角β’和最佳叶尖速比λ’；
其中i＝1,2,…,n。
进一步地，步骤S5中，所述风机转速ω通过以下公式计算：
ω＝λ’/r。
本发明的有益效果在于：本发明的风力发电机的控制方法在弃风限电的情况下，通过计算得到并采用风电机组的最佳桨距角和叶尖速比，从而改变各个风电机组的输出功率，使其满足限电电能。故，该风力发电机的控制方法与传统限电方式相比，保证了风电机组运行的经济性，节约了成本，并能够有效地延长风电机组的使用寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明一实施例所示的风力发电机的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，本发明一实施例所示的风力发电机的控制方法包括以下步骤：
S1、获取风电场的相关信息，所述相关信息包括风电机组的台数n，总限电电能Δp，所述风电机组的限电前输出功率p，空气密度ρ，风速v，所述风电机组的风机叶片长度r，所述风电机组的当前桨距角Δβ以及所述风电机组的当前叶尖速比Δλ；
S2、根据所述风电机组台数n和总限电电能Δp，通过公式Δp’＝Δp/n，计算得到每台所述风电机组的减少输出功率Δp’，根据所述减少输出功率Δp’，通过公式p’＝p-Δp’，计算得到所述风电机组的限电后输出功率p’；
S3、根据所述风机叶片长度r，通过公式a＝πr2/2，计算得到所述风电机组的扫风面积a，根据所述限电后输出功率p’、扫风面积a、空气密度ρ、风速v以及限电后输出功率p’，通过公式cp’＝2p’/aρv3，计算得到所述风电机组的限电后转矩系数cp’；
S4、根据所述限电后转矩系数cp’和定义公式，得到所述风电机组的最佳桨距角和叶尖速比的组合(β’,λ’)，其具体过程如下：
S41、根据所述限电后转矩系数cp’、转矩系数的定义公式
cp＝(0.44-0.167)βsin[π(λ-3)/(15-0.3β)]-0.00184(λ-3)β，以及所述桨距角β的取值范围[0,90°]和所述叶尖速比的取值范围[1,15]，取所述桨距角的步长为0.5°、所述叶尖速比的步长为0.1，通过所述暴力搜索的方式得到取值范围内所有符合所述限电后转矩系数cp’的桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)；其中，cp为所述风电机组的转矩系数，β为所述风电机组的桨距角，λ为所述风电机组的叶尖速比；
S42、根据公式计算每个所述桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)与所述当前桨距角Δβ和当前叶尖速比Δλ的标准差，并取所述标准差的最小值为所述最佳桨距角β’和最佳叶尖速比λ’；其中i＝1,2,…,n；
S5、根据所述最佳叶尖速比λ’和所述风机叶片长度r，通过公式ω＝λ’/r，计算所述风电机组的风机转速ω；
S6、调节所述风电机组的桨距角为最佳桨距角β’，根据所述风机转速ω，调节所述风电机组的叶尖速比为最佳叶尖速比λ’。
综上所述：本发明的风力发电机的控制方法在弃风限电的情况下，通过计算得到并采用风电机组的最佳桨距角和叶尖速比，从而改变各个风电机组的输出功率，使其满足限电电能。而传统上对于弃风限电情况下风电场输出功率的优化问题通常采取关停一台风电机组，保持其他风电机组运行状态不改变的策略，这种做法既不经济，也不科学。故，该风力发电机的控制方法与传统限电方式相比，保证了风电机组运行的经济性，节约了成本，并能够有效地延长风电机组的使用寿命。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种风力发电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取风电场的相关信息，所述相关信息包括风电机组的台数n，总限电电能Δp，所述风电机组的限电前输出功率p，空气密度ρ，风速v，所述风电机组的风机叶片长度r，所述风电机组的当前桨距角Δβ以及所述风电机组的当前叶尖速比Δλ；
S2、根据所述风电机组台数n和总限电电能Δp，计算每台所述风电机组的减少输出功率Δp’，根据所述减少输出功率Δp’，得到所述风电机组的限电后输出功率p’；
S3、根据所述风机叶片长度r，计算所述风电机组的扫风面积a，根据所述限电后输出功率p’、扫风面积a、空气密度ρ、风速v以及限电后输出功率p’，计算所述风电机组的限电后转矩系数cp’；
S4、根据所述限电后转矩系数cp’和转矩系数的定义公式，得到所述风电机组的最佳桨距角和叶尖速比的组合(β’,λ’)；
S5、根据所述最佳叶尖速比λ’和所述风机叶片长度r，计算所述风电机组的风机转速ω；
S6、调节所述风电机组的桨距角为最佳桨距角β’，根据所述风机转速ω，调节所述风电机组的叶尖速比为最佳叶尖速比λ’。
2.如权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述减少输出功率Δp’通过以下公式计算：
Δp’＝Δp/n；
所述限电后输出功率p’通过以下公式计算：
p’＝p-Δp’。
3.如权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述扫风面积a通过以下公式计算：
a＝πr2/2；
所述转矩系数通过以下公式计算：
cp’＝2p’/aρv3。
4.如权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，步骤S4中，所述转矩系数的定义公式为：
cp＝(0.44-0.167)βsin[π(λ-3)/(15-0.3β)]-0.00184(λ-3)β
其中，cp为所述风电机组的转矩系数，β为所述风电机组的桨距角，λ为所述风电机组的叶尖速比。
5.如权利要求4所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，所述桨距角β的取值范围为[0,90°]，所述叶尖速比λ的取值范围为[1,15]，所述最佳桨距角β’和最佳叶尖速比λ’通过暴力搜索的方式取得。
6.如权利要求5所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，在所述暴力搜索的过程中，所述桨距角的步长为0.5°，所述叶尖速比的步长为0.1。
7.如权利要求6所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，步骤S4具体为：
根据所述限电后转矩系数cp’、转矩系数的定义公式以及所述桨距角β的取值范围[0,90°]和所述叶尖速比的取值范围[1,15]，取所述桨距角的步长为0.5°、所述叶尖速比的步长为0.1，通过所述暴力搜索的方式得到取值范围内所有符合所述限电后转矩系数cp’的桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)；
根据公式计算每个所述桨距角-叶尖速比组合(β1,λ1)、(β2,λ2)…(βn,λn)与所述当前桨距角Δβ和当前叶尖速比Δλ的标准差，并取所述标准差的最小值为所述最佳桨距角β’和最佳叶尖速比λ’；
其中i＝1,2,…,n。
8.如权利要求1所述的风力发电机的控制方法，其特征在于，步骤S5中，所述风机转速ω通过以下公式计算：
ω＝λ’/r。
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