CN109578203B - 风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，包括：S01、根据运行工况判断是否需要进入主动降载控制；S02、主动降载控制：向下调整桨距控制的转速参考点；通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿转速下降所影响的发电量。本发明还公开了一种控制装置，包括：主动降载控制判断模块，用于根据运行工况判断是否需要进入主动降载控制；转速参考点调度模块，用于向下调整桨距控制的转速参考点；和转矩给定调度模块，用于通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿转速下降所影响的发电量。本发明的控制方法及装置均具有保障机组可靠运行、提高机组使用寿命等优点。

Description

风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法及装置
技术领域
本发明主要涉及风力发电技术领域，特指一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法及装置。
背景技术
传统的变速变桨型风力发电机组的工作原理可分为四个区间，以某2MW机型为例进行示意，见图1，具体描述如下：
(1)、恒转速区间一(最小稳态转速)：采用传统的PID控制策略，进行转矩速度控制，通过PI控制器动态调节转矩给定，使发电机转速保持在最小稳态运行转速；
(2)、变转速区间二(最小稳态转速～额定转速)：根据转速转矩二次曲线动态调节转矩给定，令机组处于最优叶尖速比运行，使得气动系数Cp最优，从而使风电机组捕获更多风能；
(3)、恒转速区间三(额定转速)：采用传统的PID控制策略，进行转矩速度控制，通过PI控制器动态调节转矩给定，使发电机转速保持在额定转速；
(4)、额定风速及以上(区间四)：转矩给定达到额定值，通过桨距控制算法得到需求的桨距角，变桨执行机构根据需求的桨距角指令，驱动叶片变桨，减小风能捕获，使风电机组维持额定功率运行，此时转矩给定轻微波动并与转速波动成反比，以维持额定功率输出。
如上所述，现有变速变桨风电机组均采用经典PID控制算法，实现变桨控制功能，控制框图见图2，具体原理为：利用发电机转速传感器测量发电机转速，对测量转速进行滤波得到滤波后的发电机转速ωgen，然后与转速设定点ωref(桨距控制的转速设定值为额定转速)进行差值，得到转速误差。PID控制器根据转速误差作为控制输入进行计算得到叶片的桨距角并传递至变桨执行机构，继而变桨驱动器根据该指令驱动叶片变桨。该控制原理的优点是：原理简单，易于工程实现，绝大部分工况下机组能安全、稳定运行。但随着风电机组容量增加、风轮直径增大，当机组在全生命周期内遇到极端工况(如极端风速风向变化的阵风)时，由于现有的变桨控制算法没有将这些因素考虑进去，会造成机组关键部件载荷急剧加大，甚至出现尖峰载荷，影响关键部件的寿命和机组的安全性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种保障机组可靠运行、提高机组使用寿命、控制简便的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，包括以下步骤：
S01、在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制，如需要则进入下一步骤；
S02、主动降载控制：向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速；同时通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述补偿分量的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据转速进行插值表查询。
所述转速参考点的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据功率进行插值表查询。
在步骤S01中，所述运行工况包括风机状态、桨距角、功率和发电机转速。
在步骤S01中，判断进入主动降载控制需同时满足的条件为：风机状态为发电状态、桨距角在限制值范围以内、电功率在限制值范围以内和发电机转速大于阈值。
本发明还公开了一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制装置，包括：
主动降载控制判断模块，用于在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制；
转速参考点调度模块，用于向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速；和
转矩给定调度模块，用于通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法及装置，在风电机组运行时，实时进行是否主动降载的判断，从而在极端工况时及时进行主动降载，保障机组可靠运行，提高关键零部件的使用寿命；在调整转速参考点的同时，对转矩控制进行调节，不仅操作简便、而且保证主动降载控制模式下不损失机组发电性能。
附图说明
图1为现有技术中变速变桨控制区间示意图。
图2为现有技术中变桨控制框图。
图3为本发明的主动降载控制判断逻辑图。
图4为本发明的主动降载控制框图。
图5为本发明的转速参考点调度方式图。
图6为本发明的转矩给定调度方式图。
图中标号表示：1、主动降载控制判断模块；2、转速参考点调度模块；3、转矩给定调度模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图3和图6所示，本实施例的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，包括以下步骤：
S01、在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制，如需要则进入下一步骤；
S02、主动降载控制：向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速，同时通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量。
本发明的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，在风电机组运行时，实时进行是否主动降载的判断，从而在极端工况时及时进行主动降载，保障机组可靠运行，提高关键零部件的使用寿命；在调整转速参考点的同时，对转矩控制进行调节，不仅操作简便、而且保证主动降载控制模式下不损失机组发电性能。
如图5所示，本实施例中，补偿分量的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据转速进行插值表查询；如图6所示，转速参考点的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据功率进行插值表查询。
本实施例中，在步骤S01中，运行工况包括风机状态、桨距角、功率和发电机转速，具体判断进入主动降载控制需同时满足的条件为：风机状态为发电状态、桨距角在限制值范围以内、电功率在限制值范围以内和发电机转速大于阈值。通过以上条件的组合判断，即实用，而且保证其准确性，减小了误动作。
本发明还相应公开了一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制装置，包括：
主动降载控制判断模块1，用于在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制；
转速参考点调度模块2，用于向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速；和
转矩给定调度模块3，用于通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量。
如图4所示，当判断条件满足后，进入主动降载控制，主动降载控制包括两个方面：(1)、转速参考点调度；(2)、转矩给定调度。其中转速参考点调度的目的：当检测到需要进行主动降载控制的时候，向下调整桨距控制的转速参考点(也就是图2中的ωref)，转速参考点的调整方式可以是阶跃型的突变，也可以是按一定斜率线性调整，亦或者是根据够功率进行插值表查询，见图5。转速参考点的调整会使得转速控制PID控制器调节叶片桨距角，继而达到提前降低机组运行转速的，最终实现降低机组极端工况下运行载荷的目的。转速参考点调度模块2会使得主动降载控制模式下机组的额定转速减小继而影响该状态下机组的发电量。因此在主动降载控制中引入转矩给定调度模块3。转矩调度模块的目的是在主动降载控制中通过在转矩控制的输出转矩上开环的增加一个补偿分量用于补偿转度参考点调度模块影响的发电量，转矩给定调度的方式可以是阶跃型的突变，也可以是按一定斜率线性调整，亦或者是根据够转速进行插值表查询，见图6。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制，如需要则进入下一步骤；
S02、主动降载控制：向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速；同时通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量；
在步骤S01中，所述运行工况包括风机状态、桨距角、功率和发电机转速；
在步骤S01中，判断进入主动降载控制需同时满足的条件为：风机状态为发电状态、桨距角在限制值范围以内、电功率在限制值范围以内和发电机转速大于阈值；
所述补偿分量的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据转速进行插值表查询。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，其特征在于，所述转速参考点的调整方式包括阶跃型的突变或按一定斜率线性调整或根据功率进行插值表查询。
3.一种风力发电机组极端工况下的主动降载控制装置，其特征在于，所述控制装置用于执行如权利要求1或2所述的风力发电机组极端工况下的主动降载控制方法，包括：
主动降载控制判断模块（1），用于在风力发电机组运行的情况下，根据风力发电机组的运行工况判断是否需要进入主动降载控制；
转速参考点调度模块（2），用于向下调整桨距控制的转速参考点，从而调节叶片桨距角以降低运行转速；和
转矩给定调度模块（3），用于通过在转矩控制的输出转矩环上增加一个开环转矩补偿分量，用于补偿因转速参考点调度控制下的转速下降所影响的发电量。
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