CN109441722B - 一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，包括风速与转速计算模块、变桨控制模块、脱网与并网控制模块以及桨距角限定值动态控制模块，所述风速与转速计算模块、变桨控制模块和桨距角限定值动态控制模块均与脱网与并网控制模块连接，所述变桨控制模块还分别和桨距角限定值动态控制模块和风速与转速计算模块连接。该系统通过比较发电机转速与脱网转速、空转时间与空转等风最大时间、平均风速与切入风速、转速稳定在并网转速附近的持续时间与并网所需时间的大小关系及比较风速加速度与零的关系控制风电机组进行脱、并网，提高了风电机组对小风段风速波动的适应性，能够缩短风电机组再次进入发电状态的时间，提高风能利用率。

Description

一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域，尤其涉及一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统及方法。
背景技术
在我国大多数风电场，尤其是低风速风电场，由于地形、尾流与湍流等原因，并网运行的风电机组时常遭遇短时或超短时机组风速低于切入风速的工况，采用常规控制策略的风电机组将触发欠速保护而停机。停机之后，即使风速满足再次启机要求，机组需要完成子系统的状态自检以及安全项的自动测试之后才能启机并网，从而导致低风速风电场风能利用率下降。
中国专利公开号CN107420260A,公开日2017年12月01日，发明名称为一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统及方法，该方法包括：风电机组转速低于脱网转速时，继续保持并网状态，通过控制系统改进的PI控制器计算得到负转矩，控制风电机组从发电机工作模式切换到电动机工作模式，并通过转矩控制实现风电机组转速控制；当机组转速维持在并网转速附近，且风速大于切入风速时，通过控制系统改进的PI控制器计算得到正转矩，控制风电机组切换到发电机工作模式，并采用常规控制策略控制风电机组立即发电。其不足之处在于：在风速低于切入风速时，所述的控制方法控制发电机工作在电动机模式，其自耗电量较大，影响发电效率，只适用于超短时间内机组风速低于切入风速的工况。
发明内容
本发明主要解决了现有风电机组控制方法对短时小风段风速波动的适应性不强、导致风能利用率下降的问题，提供了一种根据转速进行脱并网控制并能够缩短风电机组再次进入发电状态所需的时间，提高风能利用率的适应于低风速段风电机组启停机的控制系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是,一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，包括风速与转速计算模块、变桨控制模块、脱网与并网控制模块以及桨距角限定值动态控制模块，所述风速与转速计算模块、变桨控制模块和桨距角限定值动态控制模块均与脱网与并网控制模块连接，所述变桨控制模块还分别和桨距角限定值动态控制模块和风速与转速计算模块连接。
风速与转速计算模块，用于计算机组当前的风速、一段时间内平均风速、风速加速度以及机组发电机转速；变桨控制模块根据当前转速与目标转速的偏差量计算当前所需的桨距角控制值，并能够通过闭环控制将机组发电机转速控制在一定范围内；脱网与并网控制模块，用于判别机组当前发电机转速是否满足并网要求与脱网要求，当机组发电机转速小于脱网转速，控制机组脱网；当机组发电机转速大于并网转速，控制机组并网；桨距角限定值动态控制模块，是根据机组平均风速与切入风速关系，以及机组风速加速度，得出当前机组最小桨距角值限定值，其结果用于限定所述变桨控制模块输出的桨距角。
作为上述方案的一种优选方案，所述变桨控制模块为非线性PI控制器，非线性PI控制器表达式为(a0+a1Z-1)*1/rGS(β)，a0＝Ki(β)*T/2+Kp，a1＝Ki(β)*T/2-Kp，Kp与T分别为非线性PI控制器比例系数与变桨控制器运行周期，Ki(β)和1/rGS(β)分别为与机组当前运行桨距角β相关PI控制器积分系数与变增益系数，Z-1表示当前时刻的上一时刻。
本发明还提供一种适用于低风速段风电机组启停机的控制方法，采用上述适应于低风速段风电机组启停机的控制系统对风机组进行控制，方法包括：
S1：检测机组放电机转速，若转速小于脱网转速，则控制该机组脱网；若转速大于等于脱网转速，则不做处理；
S2：将脱网的风电机组目标控制转速设定为并网转速，并计算桨距角值；
S3：机组空转等风；
S4：若机组空转时间大于机组空转等风最大时间，则将机组桨距角最小值设定为顺桨桨距角，控制机组停机直至叶片达到顺桨位置；若机组控制时间小于等于机组空转等风最大时间，则比较机组单位时间内平均风速和切入风速；机组空转等风最大时间根据具体风电场历史风况设定。
S5：若机组单位时间内平均风速小于切入风速，则将机组桨距角最小值设定为机组空转待机桨距角，回退至步骤S3；若机组单位时间内平均风速大于等于切入风速，则计算机组风速加速度；
S6：若机组风速加速度大于零，则将机组桨距角最小值设定为最优桨距角并控制机组朝最优桨距角开桨，直至机组发电机转速稳定在并网转速附近；若机组风速加速度小于等于零，回退至步骤S3；
S7：若机组发电机转速稳定在并网转速附近的持续时间大于并网所需时间，则控制机组并网；若持续时间小于并网所需时间，则回退至步骤S3。
作为上述方案的一种优选方案，所述的步骤S2中脱网的风电机组的桨距角值保持在机组空转待机桨距角值附近且风电机组保持在开桨状态风电机组始终保持在开桨状态，能够在满足并网条件后，从当前桨距角继续开桨，缩短风电机组再次进入发电状态所需的时间，提高风能利用率。
作为上述方案的一种优选方案，所述的空转待机桨距角值处于10°～15°内。空转待机桨距角值基于风电机组气动特性设置。
作为上述方案的一种优选方案，所述的步骤S7中机组并网后所述系统控制机组发电机转速保持在并网转速附近。
作为上述方案的一种优选方案，所述的单位时间为30秒。
本发明的优点是：根据机组平均风速、风速加速度限定风机叶片桨距角范围，提高了低风速风电机组对小风段风速波动的适应性；在机组脱网时始终保持开桨状态，能够缩短风电机组满足并网条件后再次进入发电状态的时间，提高了风能利用率。
附图说明
图1为本发明所述系统的一种模块连接原理框图。
图2为本发明所述方法的一种流程示意图。
1-风速与转速计算模块2-变桨控制模块3-脱网与并网控制模块4-桨距角限定值动态控制模块
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例：
本实施例一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，如图1所示，包括风速与转速计算模块1、变桨控制模块2、脱网与并网控制模块3以及桨距角限定值动态控制模块4，所述风速与转速计算模块、变桨控制模块和桨距角限定值动态控制模块均与脱网与并网控制模块连接，所述变桨控制模块还分别和桨距角限定值动态控制模块和风速与转速计算模块连接。上述模块均设置在风电机组控制系统的PLC中。
所述变桨控制模块2为非线性PI控制器，非线性PI控制器表达式为(a0+a1Z-1)*1/rGS(β)，a0＝Ki(β)*T/2+Kp，a1＝Ki(β)*T/2-Kp，Kp与T分别为非线性PI控制器比例系数与变桨控制器运行周期，Ki(β)和1/rGS(β)分别为与机组当前运行桨距角β相关PI控制器积分系数与变增益系数，Z-1表示当前时刻的上一时刻。
本实施例中风速与转速计算模块，用于计算机组当前的风速、一段时间内平均风速、风速加速度以及机组发电机转速；变桨控制模块根据当前转速与目标转速的偏差量计算当前所需的桨距角控制值，并能够通过闭环控制将机组发电机转速控制在一定范围内；脱网与并网控制模块，用于判别机组当前发电机转速是否满足并网要求与脱网要求，当机组发电机转速小于脱网转速，控制机组脱网；当机组发电机转速大于并网转速，控制机组并网；桨距角限定值动态控制模块，是根据机组平均风速与切入风速关系，以及机组风速加速度，得出当前机组最小桨距角值限定值，其结果用于限定所述变桨控制模块输出的桨距角。
对应的，本实施例提出一种适用于低风速段风电机组启停机的控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：检测机组放电机转速，若转速小于脱网转速，则控制该机组脱网；若转速大于等于脱网转速，则不做处理；
S2：将脱网的风电机组目标控制转速设定为并网转速，并计算桨距角值；脱网的风电机组通过系统的闭环控制使桨距角值保持在机组空转待机桨距角值附近且风电机组保持在开桨状态。所述的空转待机桨距角值处于10°～15°内
S3：机组空转等风；
S4：若机组空转时间大于机组空转等风最大时间，则将机组桨距角最小值设定为顺桨桨距角，控制机组停机直至叶片达到顺桨位置；若机组控制时间小于等于机组空转等风最大时间，则比较机组30秒内平均风速和切入风速；
S5：若机组30秒平均风速小于切入风速，则将机组桨距角最小值设定为机组空转待机桨距角，回退至步骤S3；若机组30秒内平均风速大于等于切入风速，则计算机组风速加速度；
S6：若机组风速加速度大于零，则将机组桨距角最小值设定为最优桨距角并控制机组朝最优桨距角开桨，直至机组发电机转速稳定在并网转速附近；若机组风速加速度小于等于零，回退至步骤S3；
S7：若机组发电机转速稳定在并网转速附近的持续时间大于并网所需时间，则控制机组并网；若持续时间小于并网所需时间，则回退至步骤S3。机组并网后通过所述系统的闭环控制使机组发电机转速保持在并网转速附近。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：包括风速与转速计算模块（1）、变桨控制模块（2）、脱网与并网控制模块（3）以及桨距角限定值动态控制模块（4），所述风速与转速计算模块、变桨控制模块和桨距角限定值动态控制模块均与脱网与并网控制模块连接，所述变桨控制模块还分别和桨距角限定值动态控制模块和风速与转速计算模块连接，基于该系统的控制方法包括以下步骤：
S1：检测机组发电机转速，若转速小于脱网转速，则控制该机组脱网；若转速大于等于脱网转速，则不做处理；
S2：将脱网的风电机组目标控制转速设定为并网转速，并计算桨距角值；
S3：机组空转等风；
S4：若机组空转时间大于机组空转等风最大时间，则将机组桨距角最小值设定为顺桨桨距角，控制机组停机直至叶片达到顺桨位置；若机组控制时间小于等于机组空转等风最大时间，则比较机组单位时间内平均风速和切入风速；
S5：若机组单位时间内平均风速小于切入风速，则将机组桨距角最小值设定为机组空转待机桨距角，回退至步骤S3；若机组单位时间内平均风速大于等于切入风速，则计算机组风速加速度；
S6：若机组风速加速度大于零，则将机组桨距角最小值设定为最优桨距角并控制机组朝最优桨距角开桨，直至机组发电机转速稳定在并网转速附近；若机组风速加速度小于等于零，回退至步骤S3；
S7：若机组发电机转速稳定在并网转速附近的持续时间大于并网所需时间，则控制机组并网；若持续时间小于并网所需时间，则回退至步骤S3。
2. 根据权利要求1所述的一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：所述变桨控制模块（2）为非线性PI控制器，非线性PI控制器表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，a0
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，a1
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure DEST_PATH_IMAGE010
分别为非线性PI控制器比例系数与变桨控制器运行周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE014
分别为与机组当前运行桨距角
Figure DEST_PATH_IMAGE016
相关PI控制器积分系数与变增益系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示当前时刻的上一时刻。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：所述的步骤S2中脱网的风电机组的桨距角值保持在机组空转待机桨距角值附近且风电机组保持在开桨状态。
4.根据权利要求3所述的一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：所述的空转待机桨距角值处于10°~15°内。
5.根据权利要求1所述的一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：所述的步骤S7中机组并网后所述系统控制机组发电机转速保持在并网转速附近。
6.根据权利要求1所述的一种适用于低风速段风电机组启停机的控制系统，其特征是：所述的单位时间为30秒。
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