CN108223266B - 在额定风速以下控制风力发电机的方法和装置 - Google Patents

在额定风速以下控制风力发电机的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种在额定风速以下控制风力发电机的方法和装置。所述方法包括：确定风力发电机当前所运行的风速区间；当确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，其中，第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角；当确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第一风速区间运行时的风能利用系数。

Description

在额定风速以下控制风力发电机的方法和装置
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种在低风速下控制风力发电机的方法和装置。
背景技术
通常，根据风能资源状况和工程建设条件，可将用于风力发电的风能资源区划分为四类风能资源区(以下简称“风区”)。
对于年平均风速较低的三类、四类风区，现有技术一般会选择安装叶轮直径较大的各类容量兆瓦风机，通过提高叶轮扫风面积来增加年发电量。在低风速区间或在额定风速以下(即，从风速达到风力发电机开始启动的切入风速，一直到风速达到额定风速并稳定运行的这一阶段)，风力发电机一直采用与最优增益控制对应的叶片角度，即最小桨距角；只要风力发电机运行在这个风速区间段内，叶片角度就固定在最小桨距角，保持不变。
在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间，由于风力发电机的叶尖速比较大，远大于额定风速以下的最优叶尖速比(即，最优增益控制时的叶尖速比)λopt，导致风力发电机风能利用系数大幅降低，发电性能大幅下降。
图1示出了根据现有技术的大叶轮直径兆瓦机组采用对应最优增益控制叶片角度时风力发电机风能利用系数Cp随风速变化的曲线图。对于大叶轮直径兆瓦机组，最优增益控制时的叶尖速比λopt一般取值在10左右，当风力发电机运行在低风速区间时，最优增益控制功能开启时对应的风速相比切入风速变化较大，导致风力发电机运行在切入风速附近时，叶尖速比大幅度增加，基本上达到20以上。如此高的叶尖速比导致此时风力发电机风能利用系数Cp相比最大风能利用系数Cp max大幅降低，风力发电机发电性能较差。
发明内容
本发明针对现有技术的缺点，提出了一种在额定风速以下控制风力发电机的方法和装置。
根据本发明的一方面，提供一种在额定风速以下控制风力发电机的方法，所述方法包括：确定风力发电机当前所运行的风速区间；当确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，其中，第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角；当确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第一风速区间运行时的风能利用系数。
当风力发电机转速等于并网转速时，或者当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值小于预定阈值时，确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值大于或等于预定阈值时，确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
当风力发电机的当前功率小于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
当风力发电机的当前功率等于或大于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
根据本发明的另一方面，提供一种在额定风速以下控制风力发电机的装置，所述装置包括：风速区间确定单元，确定风力发电机当前所运行的风速区间；桨距角设置单元，当风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，其中，第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角；当风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第一风速区间运行时的风能利用系数。
当风力发电机转速等于并网转速时，或者当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值小于预定阈值时，风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值大于或等于预定阈值时，风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
当风力发电机的当前功率小于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
当风力发电机的当前功率等于或大于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
根据本发明，当风力发电机运行在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间时，通过调整桨距角，可大幅度提高在此风速区间风力发电机的风能利用系数。
附图说明
通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
图1示出了根据现有技术的大叶轮直径兆瓦机组采用对应最优增益控制叶片角度时风力发电机风能利用系数随风速变化的曲线图；
图2是根据本发明的在额定风速以下控制风力发电机的装置的框图；
图3是根据本发明的在额定风速以下控制风力发电机的方法的流程图；
图4示出了当采用不同桨距角设定值时风力发电机风能利用系数随叶尖速比的变化曲线图；
图5示出切入风速3m/s定常风作用下采用与最优增益控制对应的桨距角以及低风速期间桨距角时风力发电机输出功率的比较。
具体实施方式
下面对本发明涉及的技术术语进行简要解释。
桨距角：风力发电机的叶片弦线与叶片旋转平面之间的夹角。
切入风速：风力发电机开始并网发电的最低风速。
叶尖速比λ：风力发电机叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，计算公式为其中，ω为叶轮角速度，R为叶轮半径，v为风速。
风能利用系数(也称为功率系数)Cp：风力发电机将风能转化成电能的转换效率，根据贝兹理论，风力发电机的最大风能利用系数为0.593。风能利用系数的大小与叶尖速比和桨距角有关。风能利用系数的计算公式为：Pu为叶轮轴功率，ρ为空气密度，v为风速，S为叶轮掠扫面积。
最优增益控制：在风力发电机的控制中，在与风力发电机的风能利用系数Cp最大、叶尖速比λ为最优叶尖速比λopt对应的转速区间(即，从并网转速至额定转速的区间)，此时风力发电机电磁扭矩给定值正比于发电机转速平方值，两者之间的正比系数即为最优增益，这个区间称为最优增益控制。
在本发明中，将风力发电机所运行的在额定风速以下的风速区间(从切入风速至额定风速的区间)划分为两个区间：从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间、以及在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间。本发明通过风力发电机转速信号的判断，在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间，叶片角度(即，桨距角)设定值采用不同于对应最优增益控制时计算所得的叶片角度。在最优增益控制开启之后叶片角度设定值依然采用对应最优增益控制时计算所得的叶片角度设定值(即风力发电机在额定风速以下运行时，叶片桨距角的设定值有两个，一个是针对切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间设置的一个角度，另一个针对从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的区间设置的第二个角度)，由此来增加风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间运行时的风能利用系数，改善风力发电机的发电性能。同时，由于额定风速以下叶片角度设定值数量较少(仅为两个)，因此避免了桨距角的频繁变换。
以下参照附图来详细描述本发明的实施例。
图2是根据本发明的在额定风速以下控制风力发电机的装置的框图。
参照图2，根据本发明的在低风速下控制风力发电机的装置包括风速区间确定单元210和桨距角设置单元220。
风速区间确定单元210确定风力发电机当前所运行的风速区间。即，风速区间确定单元210确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行，还是在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
桨距角设置单元220可从风速区间确定单元210接收确定结果。当风速区间确定单元210确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，桨距角设置单元220将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，所述第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角。桨距角设置单元220可以是安装在风力发电机中的变桨电机，变桨电机对风力发电机叶片进行变桨操作，从而将叶片的桨距角设置为第一桨距角。
可通过风力发电机设计软件(例如Bladed仿真软件)来计算第一桨距角。具体地，可预先选择多个桨距角，针对每个桨距角计算最优增益控制时的风力发电机风能利用系数，将使得最优增益控制时风力发电机风能利用系数最大的最小桨距角确定为第一桨距角。可在风力发电机的设计阶段确定最小桨距角，该最小桨距角也称为初始最小桨距角。
当风速区间确定单元210确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，桨距角设置单元220将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第一风速区间运行时的风能利用系数。同样，桨距角设置单元220可以是安装在风力发电机中的变桨电机，变桨电机对风力发电机叶片进行变桨操作，从而将叶片的桨距角设置为第二桨距角。第二桨距角可大于第一桨距角。
优选地，可通过风力发电机设计软件(例如Bladed仿真软件)来计算第二桨距角。具体地，在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间，风力发电机转速一直保持在一个恒定的转速(即，风力发电机并网转速)，在其它条件不变的情况下，风力发电机在第二风速区间的风能利用系数与桨距角相关。因此，优选地，可预先选择多个桨距角，针对每个桨距角计算在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间的风力发电机的风能利用系数，将使得在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间的风力发电机的风能利用系数最大的桨距角确定为第二桨距角。
如前所述，在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间，风力发电机转速一直保持在一个恒定的转速，即，风力发电机并网转速。另外，在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的区间，风力发电机转速会高于并网转速，直至达到与额定风速对应的额定转速。因此，风速区间确定单元210可通过检测风力发电机转速来确定风力发电机在哪个风速区间运行(即，在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行，还是在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行)。
风速区间确定单元210可从安装在风力发电机中的转速测量模块接收转速信号，对所述转速信号进行低通滤波，进而获得风力发电机转速。当风力发电机转速等于并网转速时，或者当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值小于预定阈值时，风速区间确定单元210确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值大于或等于预定阈值时，风速区间确定单元210确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。可根据实际工况设置预定阈值。例如，预定阈值可以是0.3转/分钟。
此外，风速区间确定单元210还可根据风力发电机的当前功率来确定风力发电机在哪个风速区间运行。具体地，当风力发电机的当前功率小于风力发电机以初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元210确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。当风力发电机的当前功率等于或大于风力发电机以初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元210确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
图3是根据本发明的在额定风速以下控制风力发电机的方法的流程图。
参照图3，在步骤310，确定风力发电机是否在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。如果确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行，则在步骤320，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，所述第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角。
如果在步骤310确定风力发电机没有在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行，则在步骤330，确定风力发电机是否在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。如果确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行，则在步骤340，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第一风速区间运行时的风能利用系数。
图4示出了当采用不同桨距角设定值时风力发电机风能利用系数Cp随叶尖速比λ的变化曲线图，横轴表示叶尖速比λ，纵轴表示风能利用系数Cp。
在图4中，虚线表示桨距角设定值为Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角(第一桨距角)下的风能利用系数Cp随叶尖速比λ的变化曲线。对应该桨距角设定值，风力发电机风能利用系数Cp可以达到最大值Cp max，这意味着最优增益控制阶段，风力发电机可以最大限度吸收风能。另外，在风力发电机在转速达到额定转速实现额定功率的风速区间运行时，此时发电机运行转速保持在额定转速，随着风速v增加，由叶尖速比计算公式可知，叶尖速比不断减小，当叶尖速比λ小于最优尖速比λopt时，该桨距角对应的功率因数依然较大，确保风力发电机在转速达到额定转速实现额定功率的风速区间运行时风力发电机发电性能依然较好。在最优增益控制功能刚开启时，叶尖速比λ对应于最优叶尖速比λopt；当风速在切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间时，发电机运行转速保持在发电机并网转速，由叶尖速比计算公式可知，此时叶尖速比λ高于最优尖速比λopt，如果依然采用Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角，则风能利用系数Cp偏小。
在图4中，实线表示表示桨距角设定值(第二桨距角)不同于Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角(第一桨距角)时，风力发电机风能利用系数Cp随叶尖速比λ的变化曲线。当风力发电机运行转速维持在并网转速时，即，当风力发电机运行在从切入风速至最优增益控制开启时的风速的区间时，在该风速区间，叶尖速比λ高于最优叶尖速比λopt，该桨距角设定值对应的风能利用系数Cp远大于桨距角设定值为Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角下的风能利用系数，可大幅改善低风速区间大叶轮直径兆瓦机组的发电性能。
图5示出切入风速3m/s定常风作用下采用与最优增益控制对应的桨距角(第一桨距角)以及从切入风速至最优增益控制开启时的风速的区间的桨距角(第二桨距角)时风力发电机输出功率的比较，横轴表示时间(s)，纵轴表示风力发电机输出功率(Kw)。
由切入风速3m/s定常风作用下Bladed软件仿真结果可以看出：虚线表示桨距角设定值为Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角(第一桨距角)下的风力发电机输出功率，平均功率大致在12Kw左右；实线表示叶片角度设定值不同于Bladed软件对应最优增益控制时计算所得的桨距角(第一桨距角)时的风机输出功率，平均功率大致在32Kw左右，风力发电机输出功率增幅达到1.67倍。Bladed软件仿真比较结果与图4中的理论计算结果一致。
根据本发明，当风力发电机运行在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间时，通过调整桨距角，可大幅度提高在此风速区间风力发电机的风能利用系数。对于安装在年平均风速较低的三、四类风电场中的风力发电机，从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的区间在年风频分布小时数占比较大，因此对于各容量类型的大叶轮兆瓦风机，可以较大幅度增加年发电量。
虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (10)

1.一种在额定风速以下控制风力发电机的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定风力发电机当前所运行的风速区间；
当确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，其中，第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角；
当确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第二风速区间以第一桨距角运行时的风能利用系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当风力发电机转速等于并网转速时，或者当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值小于预定阈值时，确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值大于或等于预定阈值时，确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当风力发电机的当前功率小于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当风力发电机的当前功率等于或大于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
6.一种在额定风速以下控制风力发电机的装置，其特征在于，所述装置包括：
风速区间确定单元，确定风力发电机当前所运行的风速区间；
桨距角设置单元，当风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为第一桨距角，其中，第一桨距角为最优增益控制时使得风力发电机风能利用系数最大的初始最小桨距角；当风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行时，将风力发电机叶片的桨距角设置为与第一桨距角不同的第二桨距角，使得风力发电机在第二风速区间运行时的风能利用系数大于风力发电机在第二风速区间以第一桨距角运行时的风能利用系数。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当风力发电机转速等于并网转速时，或者当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值小于预定阈值时，风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当风力发电机转速大于并网转速且两者之间的差值大于或等于预定阈值时，风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当风力发电机的当前功率小于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元确定风力发电机在从切入风速至最优增益控制功能开启时的风速的第二风速区间运行。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当风力发电机的当前功率等于或大于风力发电机以所述初始最小桨距角运行时的功率时，风速区间确定单元确定风力发电机在从最优增益控制功能开启时的风速至额定风速的第一风速区间运行。
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