CN107762728B - 偏航控制方法、控制系统及风力发电机组 - Google Patents

偏航控制方法、控制系统及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏航和变桨控制方法、控制系统及风力发电机组，所述控制方法包括下述步骤获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表；确定当前风况为强风风况或强阵风风况；根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率，根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。在强风或强阵风工况下，该方法和系统能够通过风向角与风机转动参数的对应关系，控制风机适量偏航，在偏航与变桨的双重作用下，使机组长时间运行在稳定转速，防止机组过速停机，并能充分利用风能，提高发电量。

Description

偏航控制方法、控制系统及风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种偏航和变桨控制方法、控制系统及风力发电机组。
背景技术
风力发电机组为依靠捕获风能，将动能转化为电能的发电设备，变桨系统和偏航系统是风力发电机组的两个重要控制系统。
其中，变桨系统通过对叶片桨距角的调整来使风电机组维持在恒定转速，偏航系统通过调整机舱的对风角度，以跟踪风向变化，达到最大捕捉风能的目的。
现有技术中，变桨系统多通过简单的PID控制来调整叶片桨距角。在强风风况下，由于风速瞬变，单靠PID控制，对转速的稳定效果具有一定的局限性，实际中存在下述问题：
风速骤然变大时，风电机组往往会因为变桨系统调桨不及时而出现过速现象，风电机组过速会导致发电机转速过高，增大机组的疲劳载荷，长期运行在较高的转速，会使机组损耗严重，降低使用寿命；风电机组过速还容易触发过速故障而停机；
遇到强风风况或强阵风风况时，风电机组会因过速或风速超过最大切出风速而停机，浪费掉好的风能资源，降低风电场的整体效益；若因触发过速故障导致停机，风电机组再次启动，一般需要故障自动复位时间及启动并网时间，至少需要10分钟，若是风电场因风况变化频繁停机，会造成很大的发电量损失。
另外，强风风况下，风电机组批量切出，会导致风电场内风机批量脱网，而大风时风电机组发电功率较高，高功率下机组的批量脱网，会对电网造成较大的冲击，甚至引起电网波动。
对于风电机组而言，在最大切出风速以下时，风速越高，发电功率越高，因此，如何提高风能利用率，特别是大风时的利用率，避免风电机组因强风或强阵风而导致过速停机，浪费风能资源，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风力发电机组的偏航和变桨控制方法及控制系统，在强风或强阵风工况下，该方法和系统能够通过风向与风机转动参数(转速或转矩)的对应关系，控制风力发电机组进行适量的偏航，在偏航与变桨的双重作用下，使风电机组长时间运行在稳定转速，防止机组过速停机，并能充分利用风能，提高发电量。此外，本发明还提供一种包括该偏航和变桨控制系统的风力发电机组。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电机组的偏航和变桨控制方法，所述控制方法包括下述步骤：
获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表；
确定当前风况为强风风况或强阵风风况；
根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率，根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；
控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。
可选的，在确定当前风况为强风风况或强阵风风况的步骤中：
若风机运行在功率恒定区，且当前桨距角大于第一预设桨距角阈值，则当前风况为强风风况；
若风机运行在功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于第一设定变化率阈值，则当前风况为强阵风风况。
可选的，在根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率的步骤中，包括：
当前风况为强风风况时，风机的当前转动参数比率为风机的额定转速与当前转速的比值，或者，风机的额定转速与当前转速的比值再乘以当前桨距角比率，其中，当前桨距角比率为偏航后的桨距角设定值与当前桨距角的比值；
当前风况为强阵风风况时，风机的当前转动参数比率为当前风速变化率。
可选的，在使风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度之后，还包括下述步骤：
在检测到当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，控制风机机舱回偏，以接近正对当前风向。
可选的，第二预设桨距角阈值为风机的当前风向角对应的转动参数比率与第三预设桨距角阈值的乘积，其中，第三预设桨距角阈值为风机回偏正对风向的预设桨距角。
可选的，所述对应关系表包括第一关系表和第二关系表；其中，
所述第一关系表包括在风机运行在Cp恒定区的情况下，在风机偏航过程中不同风向角对应的转速比率，Cp为风机的风能利用系数；
所述第二关系表包括在风机运行在转速恒定区的情况下，在风机偏航过程中不同风向角对应的转矩比率。
可选的，所述对应关系表还包括：
第三关系表，其包括将所述第一关系表中和所述第二关系表中，风向角数值相同的风向角所对应的转速比率、转矩比率求平均值，得到的该风向角对应的转动参数比率。
本发明还提供一种用于风力发电机组的偏航和变桨控制系统，所述控制系统包括：
获取单元，用于获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表，其中，风向角为风向与风机机舱之间的夹角；还用于在当前风况为强风风况或强阵风风况时，输出风况信号；
控制单元，根据所述风况信号确定风机的当前转动参数比率，并根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。
可选的，所述获取单元包括检测模块和分析模块；
所述检测模块用于获取检测信息，所述检测信息包括风电场的风向数据、风机的运行区域、风机的转动参数数据以及偏航系统的工作状态；
所述分析模块用于根据所述检测模块的检测信息确定所述对应关系表。
可选的，所述检测模块还用于检测当前桨距角和当前风速；
所述分析模块在判断所述风机的运行区域为功率恒定区，且当前桨距角大于所述第一预设桨距角阈值后，生成当前风况为强风风况的风况信号并输出至所述控制单元；
所述分析模块在判断所述风机的运行区域为功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于所述第一设定变化率阈值后，生成当前风况为强阵风风况的风况信号并输出至所述控制单元。
可选的，所述控制单元在接收强风风况的风况信号后，将所述额定转速与所述检测模块检测的当前转速的比值确定为风机的当前转动参数比率，或者，将所述额定转速与所述检测模块检测的当前转速的比值乘以所述偏航后的桨距角设定值与当前桨距角的比值确定为风机的当前转动参数比率；
所述控制单元在接收强阵风风机的风况信号后，将当前风速变化率确定为风机的当前转动参数比率。
可选的，所述控制单元还在判断出当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，控制风机机舱回偏，以接近正对当前风向。
本发明提供的风力发电机组的偏航控制方法和系统，在风机运行在强风风况或强阵风风况时，通过事先确定的风向角与风机转动参数比率的对应关系，控制风机进行适量偏航，使风机机舱偏离风向，防止转速过大，同时结合已有变桨PID控制器的自动调桨，从而，风电机组在偏航与变桨的双重作用下，能够长时间运行在稳定转速，并能充分利用风能以提高发电量。
此外，本发明还提供一种风力发电机组，包括偏航系统、变桨PID控制器，以及上述任一项所述的控制系统；其中，
所述变桨PID控制器在风机运行过程中自动控制风机调桨；
所述偏航系统接收所述控制单元输出的所述主动偏航角度，并使风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。
由于上述控制系统具有上述技术效果，所以包括该控制系统的风力发电机组也具有相应的技术效果，此处不再赘述。
附图说明
图1a示出了风电机组的叶片的受力示意图；
图1b示出了图1a中叶片升力的分解示意图；
图2为叶片的升力与风向角和桨距角的关系曲线图；
图3为本发明所提供控制方法的一种具体实施例的流程图；
图4示出了风向角与风机转速比率的对应关系的统计流程图：
图5示出了风向角与风机转矩比率的对应关系的统计流程图；
图6为风力发电机组的运行区域示意图；
图7为风力发电机组的转矩值和转速值的关系曲线示意图；
图8为本发明所提供控制方法及系统的原理示意图；
图9为本发明所提供控制系统一种具体实施例的结构框图；
图10为本发明所提供风力发电机组一种具体实施例的结构框图。
具体实施方式
为解决现有技术中风电机组在强风或强阵风风况下因调桨不及时而出现过速现象，本文对风电机组的叶片受力进行了分析，以确定叶片升力的影响因素。
请参考图1a和图1b，其中，图1a示出了叶片的受力示意图；图1b示出了图1a中叶片升力的分解示意图。
如图1a中所示，作用在叶片上的风向力F可以分解成沿叶片表面从叶弦到叶缘方向的升力F1，以及沿叶片表面从叶尖到叶根方向的阻力F2。
如图1b中所示，升力F1又可以分解为与叶片转动圆形相切的旋转切向力F11，以及与叶片表面垂直的轴向推力F12。
其中，风向与机舱方向之间的夹角为a，如图1a中所示；为方便表述，本文将该夹角a称为风向角；图1b中所示角度b为叶片的桨距角。
从而可得叶片的升力F1＝F*cos a*cos b-F*cosa*sin b；
根据三角函数，上式又可变换为：
请一并参考图2，图2为叶片的升力与风向角和桨距角的关系曲线图。
图2中曲线A为cos a的函数曲线，曲线B为cos(b+π/4)的函数曲线，从图中可看出，当a＝0时，cos a的坐标位于余弦曲线的波峰位置，斜率k1的绝对值比较小，即风向角a变化时，y值的变化率比较小；而当b＝0时，cos(b+π/4)的坐标位于余弦曲线上的中间位置，斜率k2的绝对值比较大，即桨距角b变化时，y值的变化率比较大。
可见，风向角的变化和桨距角的变化均对风力发电机组的叶片升力产生影响，在变化同样角度的情况下，风向角的变化对叶片升力的影响比桨距角的变化对叶片升力的影响小。
但是，现有技术中，变桨的速度是不确定的，也就是说，在风速升高之前，若风力发电机的目标转速和实际转速偏差很小，则桨距角的变化很小，会导致调桨不及时；而转速偏差变大后，尽管调桨的速度也会变快，但这此时转速已经升高了。相对而言，偏航的速度是确定，只要启动偏航，偏航系统就能即可响应，从而可通过偏航来对转速进行控制，再辅以变桨。
因此，本文提供了一种用于风力发电机的偏航和变桨控制方法及系统，通过主动偏航控制和自动变桨控制，使风机在强风或强阵风风况下能够稳定转速，充分利用风能。另外，本文还提供了一种包括上述控制系统的风力发电机组。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图3、图9及图10，图3为本发明所提供控制方法的一种具体实施例的流程图；图9为本发明所提供控制系统一种具体实施例的结构框图；图10为本发明所提供风力发电机组一种具体实施例的结构框图。
如图10所示，风力发电机组包括偏航系统30和变桨PID控制器40，其中变桨PID控制器40在风机运行过程中能够自动控制风机调桨，根据PID运算自动控制，如果风机转速值升高，就增大桨距角，如果风机转速值下降，就减小桨距角。
在图3所示的实施例中，所述控制方法包括下述步骤：
在步骤S1中，获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表，其中，风向角为风向与风机机舱之间的夹角；
在步骤S2中，确定当前风况为强风风况或强阵风风况；
在步骤S3中，根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率，根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；
进而，在步骤S4中，控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。
如图9所示，本发明还提供一种用于风力发电机组的偏航和变桨控制系统，该控制系统包括：
获取单元10，用于确定并存储风电场中风向角与风机转动参数比率的对应关系表，其中，风向角为风向与风机机舱之间的夹角；还用于获取当前风况信息，并在当前风况为强风风况或强阵风风况时，输出相应的风况信号；
控制单元20，接收获取单元输出的风况信号，能够根据风况信号确定风机的当前转动参数比率，并根据当前转动参数比率查询获取单元存储的关系表所对应的风向角，该查询得到的风向角即为主动偏航角度，控制单元20还能够输出与得到的主动偏航角度对应的控制信号；
前述风力发电机组的偏航系统30能够接收控制单元20输出的控制信号，并根据控制信号启动偏航，在风机机舱偏离风向的角度接近主动偏航角度后，停止偏航。
该控制方法和系统，在风机运行在强风风况或强阵风风况时，通过事先确定的风向角与风机转动参数比率的对应关系，控制风机进行适量偏航，使风机机舱偏离风向，防止转速过大，同时结合变桨PID控制器40的自动调桨，从而，风电机组在偏航与变桨的双重作用下，能够长时间运行在稳定转速，并能充分利用风能以提高发电量。
具体的方案中，步骤S1中的关系表可通过收集风电场的风向数据及风机的转动参数数据，并进行统计分析来确定。其中，风机的转动参数包括转速和转矩。
相应地，控制系统的获取单元10包括检测模块11和分析模块12；其中，检测模块11用于检测风电场的风向数据、风机的运行区域、风机的转动参数数据以及偏航系统30的工作状态；分析模块12用于根据检测模块11的检测信息确定关系表。
优选地，获取单元10还包括存储模块，用于存储分析模块12确定的关系表。
这里需要指出的是，风机的风向角与转速或转矩的关系，并非简单的线性关系，所以实际中需要根据统计分析来确定。
根据贝兹理论，要使风力发电机组输出功率更大，需要使风力发电机组的风能利用系数Cp最大，风机从风中捕获的功率为：
其中，ρ表示空气密度，b表示桨距角，Cp(λ,b)表示风电机组的风能利用系数，R是风轮的半径，v表示风速，λ表示叶尖速比，即ω为风电机组的角速度。
风能利用系数Cp(λ,b)随着叶尖速比λ的变化而变化，风向变化导致风机转速下降后，其叶尖速比λ也会随着发生变化，风电机组从风中捕获的功率也会随着发生变化。
风机的转速与转矩之间的关系为：T＝9550P1/n (2)
其中，T为转矩值，P1为风机的输出功率，也即上述风机从风中捕获的功率，n为风机的转速值。
从式(1)和式(2)中可以看出，当风机从风中捕获的功率P发生变化时，风机的输出功率P1也会线性变化，要使风机维持在恒定的转速，需要相应地调节转矩值T。
具体地，前述风向角与风机转动参数比率的对应关系表可通过下述方式确定：
在此之前，需要说明的是，如图6所示，变桨距风机的运行区域一般分为启动区、Cp恒定区(图中A-B段)、转速恒定区(图中B-C段)及功率恒定区(图中C-D段)。
请参考图4，图4示出了风向角与风机转速比率的对应关系的统计流程图。
具体地，风向角与风机转速比率的对应关系的统计步骤如下：
在步骤S101中，确定风机运行在Cp恒定区，风向已经发生变化，且风机已经启动偏航系统30；
在步骤S102中，记录偏航过程中每个数据采集周期的风向角和转速值；
在步骤S103中，判断偏航对风是否完成，若是，进入步骤S104，若否，返回步骤S102；
在步骤S104中，记录偏航对风完成后的转速值；
在步骤S105中，将每个数据采集周期的转速值与偏航对风完成后的转速值进行对比，得到不同风向角对应的转速比率，形成第一关系表。
相应地，控制系统的分析模块12在判断检测模块11检测的风机运行区域为Cp恒定区，风向发生变化，且偏航系统30已启动的情况下，记录偏航过程中每个数据采集周期的风向角和转速值，还记录偏航对风完成后的转速值；并将每个数据采集周期的转速值与偏航对风完成后的转速值进行对比，得到不同风向角对应的转速比率，形成第一关系表；其中，Cp为风机的风能利用系数。
下面表1示出了风向角与转速比率的对应关系，该表1只是示例性的说明。
表1 风向角-转速比率的对应关系
序号 风向角 转速比率
1 风向角3 转速比率3
2 风向角2 转速比率2
3 风向角1 转速比率1
4 风向角0 转速比率0
表1中，风向角0表示风机偏航对风完成后的风向角，即风向角0等于0，风向角1、风向角2、风向角3为风机机舱偏离风向的角度值，且风向角0<风向角1<风向角2<风向角3；
转速比率0表示风机偏航对风完成后的转速比率，显然，转速比率0等于1；
转速比率1为风机机舱偏离风向的角度值为风向角1时，发电机转速值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时(即风机机舱正对风向时)发电机转速值的比值；
转速比率2为风机机舱偏离风向的角度值为风向角2时，发电机转速值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时发电机转速值的比值；
转速比率3为风机机舱偏离风向的角度值为风向角3时，发电机转速值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时发电机转速值的比值。
根据图2中的曲线关系，风机机舱偏离风向的角度值从0度相正方向变大时，风机的叶片受到的升力会减小，因此可得出：转速比率0>转速比率1>转速比率2>转速比率3。需要指出的是，由于风向角是一个偏差值，图2中的负值部分可以不用考虑。
请参考图5，图5示出了风向角与风机转矩比率的对应关系的统计流程图。
具体地，风向角与风机转矩比率的对应关系的统计步骤如下：
在步骤S110中，确定风机运行在转速恒定区，风向已经发生变化，且风机已经启动偏航系统30；
在步骤S120中，记录偏航过程中每个数据采集周期的风向角和转矩值；
在步骤S130中，判断偏航对风是否完成，若是，进入步骤S140，若否，返回步骤S120；
在步骤S140中，记录偏航对风完成后的转矩值；
在步骤S150中，将每个数据采集周期的转矩值与偏航对风完成后的转矩值进行对比，得到不同风向角对应的转矩比率，形成第二关系表。
相应地，控制系统的分析模块12在判断检测模块11检测的风机运行区域为转速恒定区，风向发生变化，且偏航系统30已启动的情况下，记录偏航过程中每个数据采集周期的风向角和转矩值，还记录偏航对风完成后的转矩值；并将每个数据采集周期的转矩值与偏航对风完成后的转矩值进行对比，得到不同风向角对应的转矩比率，形成第二关系表。下面表2示出了风向角与转矩比率的对应关系，该表2只是示例性的说明。
表2 风向角-转矩比率的对应关系
序号 风向角 转矩比率
1 风向角3 转矩比率3
2 风向角2 转矩比率2
3 风向角1 转矩比率1
4 风向角0 转矩比率0
表1中，风向角0表示风机偏航对风完成后的风向角，即风向角0等于0，风向角1、风向角2、风向角3为风机机舱偏离风向的角度值，且风向角0<风向角1<风向角2<风向角3；
转矩比率0表示风机偏航对风完成后的转矩比率，显然，转矩比率0等于1；
转矩比率1为风机机舱偏离风向的角度值为风向角1时，发电机转矩值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时(即风机机舱正对风向时)发电机转矩值的比值；
转矩比率2为风机机舱偏离风向的角度值为风向角2时，发电机转矩值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时发电机转矩值的比值；
转矩比率3为风机机舱偏离风向的角度值为风向角3时，发电机转矩值与风机机舱偏离风向的角度值为风向角0时发电机转矩值的比值。
根据前述式(2)可以得到如图7所示的转矩值和转速值的关系曲线，从图7中可以看出，转速升高，转矩也会升高，而功率也随之升高，式(2)中三个参数均是变化的；因此，风机的转矩值和转速值的关系为：要使风机输出更大的功率值，在转速值变大时，转矩值也要随着变大，从而可得：转矩比率0>转矩比率1>转矩比率2>转矩比率3。
这样，第一关系表和第二关系表构成了前述风向角与风机的转动参数比率的对应的关系表。
这里需要特别强调的是，表1和表2只是示例说明，其示出的各风向角均相同，但是实际统计时，由于风资源的不同，会存在第一关系表和第二关系表中的风向角不完全相同的情形，所以前述第一关系表和第二关系表的获取能确保最终关系表的完整性，为后续偏航控制提供更准确的参数参考。
实际中，步骤S3中确定的当前转动参数比率如果均涵盖在第一关系表和第二关系表中，那么既可以参考第一关系表，也可以参考第二关系表。
为综合考虑转矩、转速的影响，在前述确定第一关系表和第二关系表后，还可对第一关系表和第二关系表进行关联处理，关联处理后得到的表作为风向角与风机转动参数比率的对应的关系表。
具体地，第一关系表和第二关系表的关联处理方式为：将第一关系表中和第二关系表中，角度值相同的风向角所对应的转速比率、转矩比率求平均值，作为该风向角对应的转动参数比率，角度值不同的风向角以各自对应的转速比率或转矩比率作为该风向角对应的转动参数比率，形成关系表。
相应地，控制系统的分析模块12还能实现第一关系表和第二关系表的关联。
下面表3为表1和表2关联处理后的关系表
表3 风向角-转动参数比率的对应关系
序号 风向角 转动参数比率
1 风向角3 (转矩比率3+转速比率3)/2
2 风向角2 (转矩比率2+转速比率2)/2
3 风向角1 (转矩比率1+转速比率1)/2
4 风向角0 (转矩比率0+转速比率0)/2
需要指出的是，前述统计中，偏航过程中的数据采集周期可根据实际控制需求和应用情况人为设定。
还需要指出的是，前述统计中，为确保统计准确性，对于同一风向角，可以统计多组对应的转动参数比率，再求平均值。
前述控制方法的步骤S2中，强风风况的判断依据为风机运行在功率恒定区，且当前桨距角大于第一预设桨距角阈值；强阵风风况的判断依据为风机运行在功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于第一设定变化率阈值。
相应地，控制系统的获取单元10的存储模块还预存有第一预设桨距角阈值，以及第一设定变化率阈值；检测模块11还用于检测当前桨距角和当前风速。
分析模块12在判断风机的运行区域为功率恒定区，且当前桨距角大于第一预设桨距角阈值后，生成当前风况为强风风况的风况信号并输出至控制单元20；
分析模块12在判断风机的运行区域为功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于第一设定变化率阈值后，生成当前风况为强阵风风况的风况信号并输出至控制单元20。
这里，第一预设桨距角阈值人为设定，通常为小于桨距角报警值的一个较大范围，比如，若桨距角的故障报警值为15度，那么就可以将第一预设桨距角阈值设定为10～12度。
这里，风速变化率对应的第一设定变化率阈值可依据经验参考设定。
风机运行在功率恒定区，表明风机的转速已达到额定转速，在此基础上，结合桨距角的判断，即桨距角超过一定范围，本文中设定为第一预设桨距角阈值，说明风速很大，两者结合可判断当前风况为强风风况。当然，实际应用中，也可通过测风速等方式来判断风况。
类似地，风机运行在功率恒定区或转速恒定区，表明风机的转速已达到额定转速，在此基础上，结合风速变化率的判断，即当前风速变化率超出一定值，能够判断当前风况是否为强阵风风况。
其中，当前风速变化率为本次风速与上次风速的比值。实际中，检测模块11每次检测的风速可存储在存储模块，分析模块12可调用存储模块的存储数据，根据当前风速和存储的上次风速计算出当前风速变化率，再与存储模块内预存的第一设定变化率阈值进行比较。
前述控制方法的步骤S3中，当前风况为强风风况时，风机的当前转动参数比率可通过下述方式确定：
其一，风机的当前转动参数比率为风机的额定转速与当前转速的比值，即f＝f1＝n0/n1，其中，n0为风机的额定转速，n1为风机的当前转速；
其二，风机的当前转动参数比率为风机的额定转速与当前转速的比值再乘以当前桨距角比率，其中，当前桨距角比率为偏航后的桨距角设定值与当前桨距角的比值，即f’＝f1*f2＝(n0/n2)*(b0/b1)，其中，b0为偏航后的桨距角设定值，该偏航后的桨距角设定值可以根据需要设定为非0值，b1为当前桨距角值，且b1>b0。
相应地，控制系统的存储模块内还预存风机的额定转速及偏航后的桨距角设定值，以便控制单元20在接收到风况信号后，确定风机的当前转动参数比率，并根据当前转动参数比率输出相应的控制信号至偏航系统30。
强风风况时，上述风机当前转动参数比率的第二种确定方式可以看做是对第一种方式的修正，可以理解，本文中采用的是主动偏航控制与变桨系统相结合的方式，其中，变桨系统的变桨PID控制器40在整个过程中都起作用，前述第二种确定方式加入了桨距角比率的修正，相较第二种确定方式而言，相当于增大了偏航的角度，从而使偏航控制完成后，变桨PID控制器40具有更宽的桨距角调节范围。
举例说明，假设偏航前桨距角为14度，采用第一种确定方式偏航后，桨距角为8度，设定桨距角的故障报警值为15度，那么偏航后，桨距角还有7度的调节空间，但是，采用第二种确定方式后，偏航的角度适当增大，使得偏航后，桨距角变为4度，那么偏航后，桨距角就有11(4度～15度)的调节空间。
前述控制方法的步骤S3中，当前风况为强阵风风况时，风机的当前转动参数比率即为当前风速变化率。
再次回到图3，在进一步的方案中，在前述步骤S4之后，还包括下述步骤：
在步骤S5中，在检测到当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，控制风机机舱回偏，以接近正对当前风向。
可以理解，实际中，风况是不断变化的，若出现强风或强阵风后，还可能会出现风速减小的情况，由于前述出现强风或强阵风后，进行了主动偏航及自动变桨控制，若是风速减小时，仍以强风或强阵风时的状况运行，则会出现因偏航导致风机转速下降，因此，在风速减小后，控制风机的偏航系统30回偏，以使风机机舱正对风向，以防止因偏航情况下风速减小导致的风机转速下降。
上述控制方法中，根据桨距角的变化来判断风速是否降低，变桨PID控制器40是根据PID运算自动控制，若转速升高，就增大桨距角，若转速降低，就减小桨距角。所以，通过监测桨距的大小，即可判断风速是否降低。
具体的方案中，设定有第二预设桨距角阈值，当当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，可认为风速已降低，需要重新启动偏航系统30。
其中，第二预设桨距角阈值为风机的当前风向角对应的转动参数比率与第三预设桨距角阈值的乘积，其中，第三预设桨距角阈值为风机回偏正对风向的预设桨距角。
需要说明的是，当风速减小，风机重新偏航对正风向时，应当确保此时的桨距角大于0，以防止因风速下降导致的转速下降，避免发电量损失。
前述第三预设桨距角阈值可根据实际运行需求等人为设定。例如，可以设置为2～5度。
相应地，控制系统的存储模块还预存有第三预设桨距角阈值，控制单元20在偏航系统30停止偏航后，还根据当前风向角查询关系表所对应的转动参数比率，并将该转动参数比率与第三预设桨距角阈值的乘积作为第二预设桨距角阈值。
控制单元20在判断当前桨距角小于第二预设桨距角阈值后，发出重新启动信号至偏航系统30，偏航系统30重启回偏，以使风机机舱正对风向，之后停止偏航。
当然，在这个过程中，变桨PID控制器40也一直自动调节。
请一并结合图8，综上，本发明提供的控制方法及系统的原理为：当出现强风或强阵风时，主动控制偏航系统30进行适度偏航，使风机机舱偏离风向适当角度，即由图8中的M1状态变为M2状态，以减小风机受力，并通过调桨系统的自动调桨，稳定转速；当风速下降时，控制偏航系统30回偏，使风机机舱重新对风，即由图8中的M2状态变回M1状态。图8中的黑色实心箭头表示风向。
需要说明的是，上述控制方法及系统可应用于各类风场中。
实际中，通常根据风资源的性质将风场分为四类：
一类风场：参考风速为50m/s，年平均风速为10m/s。
二类风场：参考风速为42.5m/s，年平均风速为8.5m/s。
三类风场：参考风速为37.5m/s，年平均风速为7.5m/s。
四类风场：参考风速为37.5m/s，年平均风速为6.0m/s。
对于三、四类风场，由于风速较小，风向变化较频繁，机组偏航也会比较多；对于一、二类风场，风速较大，大风时风向变化较小，机组偏航相对比较少；因此，实际应用中，在统计风向角与风机转动参数的对应关系时，可优先采集三、四类风场的数据，得出的风速与风机转动参数的对应关系可应用于各个风场，特别是一、二类风场。
实际中，各风场均有对应的中央监控系统，以采集对应风场内的相关数据，其中，各风场内的风机通常已配备有测风向的风向标，测转速、转矩、偏航角度、机组运行区域等的检测元件，所以，前述控制系统中的检测模块11可以直接选用风机已配备的风向标和检测元件，当然，如果再单独设置也是可以的，相较而言，直接采用已有的元件，能够使系统更简化；前述控制系统中的存储模块、分析模块12及控制单元20在具体设置时均可集成于风场的中央监控系统。
以上对本发明所提供的一种偏航和变桨控制方法、控制系统及风力发电机组均进行了详细介绍。
最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解上述实施例方法中的全部或者部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可以为磁盘、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。
本发明实施例中的各个功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于风力发电机组的偏航控制方法，其特征在于，所述控制方法包括下述步骤：
获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表；
确定当前风况为强风风况或强阵风风况；
根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率，根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；
控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度；
在根据当前的强风风况或强阵风风况确定风机的当前转动参数比率的步骤中，包括：
当前风况为强风风况时，风机的当前转动参数比率为风机的额定转速与当前转速的比值，或者，风机的额定转速与当前转速的比值再乘以当前桨距角比率，其中，当前桨距角比率为偏航后的桨距角设定值与当前桨距角的比值；
当前风况为强阵风风况时，风机的当前转动参数比率为当前风速变化率。
2.根据权利要求1所述的偏航控制方法，其特征在于，在确定当前风况为强风风况或强阵风风况的步骤中：
若风机运行在功率恒定区，且当前桨距角大于第一预设桨距角阈值，则当前风况为强风风况；
若风机运行在功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于第一设定变化率阈值，则当前风况为强阵风风况。
3.根据权利要求1或2所述的偏航控制方法，其特征在于，在使风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度之后，还包括下述步骤：
在检测到当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，控制风机机舱回偏，以接近正对当前风向。
4.根据权利要求3所述的偏航控制方法，其特征在于，第二预设桨距角阈值为风机的当前风向角对应的转动参数比率与第三预设桨距角阈值的乘积，其中，第三预设桨距角阈值为风机回偏正对风向的预设桨距角。
5.根据权利要求1或2所述的偏航控制方法，其特征在于，所述对应关系表包括第一关系表和第二关系表；其中，
所述第一关系表包括在风机运行在Cp恒定区的情况下，在风机偏航过程中不同风向角对应的转速比率，Cp为风机的风能利用系数；
所述第二关系表包括在风机运行在转速恒定区的情况下，在风机偏航过程中不同风向角对应的转矩比率。
6.根据权利要求5所述的偏航控制方法，其特征在于，所述对应关系表还包括：
第三关系表，其包括将所述第一关系表中和所述第二关系表中，风向角数值相同的风向角所对应的转速比率、转矩比率求平均值，得到的该风向角对应的转动参数比率。
7.一种用于风力发电机组的偏航控制系统，其特征在于，所述偏航控制系统包括：
获取单元，用于获取风向角与风机转动参数比率的对应关系表，其中，风向角为风向与风机机舱之间的夹角；还用于在当前风况为强风风况或强阵风风况时，输出风况信号；
控制单元，根据所述风况信号确定风机的当前转动参数比率，并根据所述当前转动参数比率查询所述对应关系表，得到主动偏航角度；控制风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度；
所述控制单元在接收强风风况的风况信号后，将额定转速与当前转速的比值确定为风机的当前转动参数比率，或者，将额定转速与当前转速的比值乘以偏航后的桨距角设定值与当前桨距角的比值确定为风机的当前转动参数比率；
所述控制单元在接收强阵风风机的风况信号后，将当前风速变化率确定为风机的当前转动参数比率。
8.根据权利要求7所述的偏航控制系统，其特征在于，所述获取单元包括检测模块和分析模块；
所述检测模块用于获取检测信息，所述检测信息包括风电场的风向数据、风机的运行区域、风机的转动参数数据以及偏航系统的工作状态；
所述分析模块用于根据所述检测模块的检测信息确定所述对应关系表。
9.根据权利要求8所述的偏航控制系统，其特征在于：
所述检测模块还用于检测当前桨距角和当前风速；
所述分析模块在判断所述风机的运行区域为功率恒定区，且当前桨距角大于第一预设桨距角阈值后，生成当前风况为强风风况的风况信号并输出至所述控制单元；
所述分析模块在判断所述风机的运行区域为功率恒定区或转速恒定区，且当前风速变化率大于第一设定变化率阈值后，生成当前风况为强阵风风况的风况信号并输出至所述控制单元。
10.根据权利要求7-9任一项所述的偏航控制系统，其特征在于：
所述控制单元还在判断出当前桨距角小于第二预设桨距角阈值时，控制风机机舱回偏，以接近正对当前风向 。
11.一种风力发电机组，其特征在于，包括偏航系统、变桨PID控制器，以及如权利要求7-10任一项所述的偏航控制系统；其中，
所述变桨PID控制器在风机运行过程中自动控制风机调桨；
所述偏航系统接收所述控制单元输出的所述主动偏航角度，并使风机机舱偏离当前风向的角度接近所述主动偏航角度。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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