CN109973299B - 风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置 - Google Patents

风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置。所述控制方法包括：根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率；每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较；如果所述平均功率小于所述额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是风力发电机组的额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据当风力发电机组运行在所述额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能。

Description

风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置。
背景技术
风力发电机组利用风能发电，风是动态变化的，即使预定时长的平均风速小于风力发电机组的额定风速，在预定时长内的某一时间段，风的瞬时速度可能超过额定风速，在这种情况下，由于风力发电机组的额定转矩和额定转速的限值，风力发电机组的输出功率最大只能够达到额定功率，但由于预定时长的平均风速小于额定风速，预定时长的风力发电机组的平均输出功率也小于额定功率，导致无法高效的利用预定时长内瞬时速度超过额定风速的风能，造成了风能的浪费。
为了提高风能的利用率，通常采取提高一段时间内的额定转矩或额定转速的限值的方法来提高一段时间内的输出功率，例如，在瞬时风速较高时，设置提升输出功率2分钟，这可能导致预定时长(例如，10分钟)的平均功率大于风力发电机组的额定功率，使风力发电机组进入超发状态，导致风力发电机组的过载运行，或者，在瞬时风速较低时，设置提升输出功率5分钟，这可能导致10分钟的平均功率仍小于额定功率，无法使风力发电机组满发。
因此，需要一种可以精确地提高输出功率进而使风力发电机组满发运行的方法。
发明内容
为了解决上述问题和/或缺点，并至少提供下面描述的优点，本公开提供了一种风力发电机组的控制方法及装置。
根据本公开的一方面，提供了一种风力发电机组的功率补偿的控制方法，包括：根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率；每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较；如果计算出的平均功率小于所述额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是风力发电机组的额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在所述额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能。
根据本公开的另一方面，提供了一种风力发电机组的功率补偿的控制方法，包括：根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩；每当计算出平均转矩时，对计算出的平均转矩和风力发电机组的额定转矩进行比较；如果计算出的平均转矩小于所述额定转矩，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是所述额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在风力发电机组的额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能。
根据本公开的另一方面，提供了一种风力发电机组的功率补偿的控制装置，包括：功率计算单元，被配置为根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率；控制单元，被配置为：每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较；如果计算出的平均功率小于所述额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是风力发电机组的额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在所述额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能。
根据本公开的另一方面，提供了一种风力发电机组的功率补偿的控制装置，包括：转矩计算单元，被配置为以根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩；控制单元，被配置为：每当计算出平均转矩时，对计算出的平均转矩和风力发电机组的额定转矩进行比较；如果计算出的平均转矩小于所述额定转矩，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是所述额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在风力发电机组的额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能。
本发明的一方面在于提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序可包括用于执行以上所述的风力发电机组的功率补偿的控制方法的操作的指令。
本发明的一方面在于提供一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质，其特征在于，所述程序包括用于执行以上所述的风力发电机组的功率补偿的控制方法的操作的指令。
根据本公开的风力发电机组的功率补偿的控制方法及装置可通过平均功率或平均转矩作为控制信号，更确定地提升风力发电机组的输出功率，使风力发电机组的更进阶满发状态，并不会导致风力发电机组超发运行。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的描述，本发明示例性实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本公开的实施例的风力发电机组的功率补偿的控制装置的框图；
图2是根据本公开的实施例的额定转矩限值的示例控制过程；
图3是根据本公开的实施例的在平均风速为9m/s时控制功率提升的仿真图；
图4是根据本公开的实施例的风力发电机组的功率补偿的控制方法的总流程图；
图5是根据本公开的实施例的控制风力发电机组的功率的方法的详细流程图；
图6是根据本公开的另一实施例的风力发电机组的功率补偿的控制装置的框图；
图7是根据本公开的另一实施例的风力发电机组的功率补偿的控制方法的总流程图；
图8是根据本公开的另一实施例的控制风力发电机组的功率的方法的详细流程图。
具体实施方式
现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图1是根据本公开的实施例的风力发电机组的功率补偿的控制装置100的框图。
风力发电机组的控制装置100包括功率计算单元110和控制单元120。
功率计算单元110可计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率。在风力发电机组运行的过程中，无论是功率提升功能开启之前，还是在功率提升功能开启之后，功率计算单元110始终根据预定的时间间隔计算风力发电机组的平均功率。例如，功率计算单元110可每隔20ms计算一次第一预定时长(即，在当前时刻之前且以当前时刻为结束时刻的时间长度，例如，10分钟或20分钟)的风力发电机组的平均功率，但本公开不限于此。
控制单元120可在每次计算出平均功率时，将计算出的平均功率与风力发电机组的额定功率进行比较，并根据比较结果确定是否开启功率提升功能。
具体地讲，如果计算出的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120不开启功率提升功能。例如，假设风力发电机组的额定功率是2000kW，当功率计算单元110计算出从第一时刻起的10分钟内的平均功率为2000kW时，由于计算出的平均功率2000kW等于额定功率2000kW，因此控制单元120不开启功率提升功能。相反，如果计算出的平均功率小于额定功率，则控制单元120可进一步地将风力发电机组的当前转矩与预定阈值进行比较，并根据比较结果确定是否开启功率提升功能。
具体地讲，在风力发电机组运行的过程中，如果风力发电机组的转矩达到了额定转矩，则转矩将被控制不再继续增加，此时，风力发电机组的输出功率达到额定功率并不再继续增加。在第一预定时长的平均风速小于额定风速的情况下，第一预定时长的风力发电机组的平均功率小于额定功率，如果在第一预定时长内的某一段时间的瞬时风速超过额定风速，则风力发电机组的转矩随着风速的增大达到额定转矩，此时，由于转矩将被控制为不会继续增加，即使风速随后继续增加，风力发电机组的输出功率在达到额定功率后也不会再继续增加，而第一预定时长的平均功率可能仍没有达到额定功率，即，风力发电机组没有满发，会导致风能未被充分利用。在这种情况下，为了更充分的利用瞬时速度高的风能，在转矩达到额定转矩时，可通过增加额定转矩限值来提升输出功率。
在实际环境中，在判断风力发电机组的当前转矩是否达到额定转矩时，允许存在一定的波动。因此，为了能更准确地控制风力发电机组的输出功率，本发明将风力发电机组的当前转矩与通过将额定转矩和第一系数相乘而获得的所述预定阈值进行比较，从而确定当前转矩是否已达到额定转矩，并确定是否开启功率提升功能。其中，第一系数是根据当风电机组运行在额定功率时当前转矩在额定转矩限值附近的波动范围来确定的。例如，风电机组在额定功率下运行时，当前转矩在额定转矩值附近的波动范围为±4％时，可根据该波动范围将第一系数设置为0.96。可选地，可将第一系数设置为1.04，即预定阈值可以是额定转矩的1.04倍。以上示例仅是示例性的，但本公开不限于此。
在根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果来确定是否开启功率提升功能时，如果当前转矩小于所述预定阈值，则控制单元120不开启功率提升功能。如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则控制单元120开启功率提升功能。
具体地讲，在风力发电机组的当前转矩大于或等于预定阈值时，控制单元120可通过提高额定转矩限值来提升功率。详细地讲，控制单元120可通过将额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩，并通过对额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值，并基于预定的攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向着目标转矩限值逐渐提升。第二系数是综合考虑风力发电机组中的电器元件是否能够承受的高电压、高电流带来的负面影响，以及风力发电机组在功率提升后带来的附加载荷之后被确定的系数。例如，第二系数可被确定为0.05。由于不同的风力发电机组具有不同的电器元件，因此，针对不同的风力发电机组可确定不同的第二系数，并计算出不同的附加转矩，从而实现差异化操作。
由于风力发电机组的额定转矩限值被提升，因此当风速瞬时增加时，风力发电机组的转矩可在达到额定转矩之后继续攀升，直到达到额定转矩限值为止，此后风力发电机组的转矩不再继续增加，此时，风力发电机组的输出功率大于额定功率。
为了在风速瞬时增加时不造成转矩的瞬间增加，进而引起风力发电机组的载荷出现明显变化，在提升额定转矩限值的过程中，控制单元120按照预定攀升速率来逐渐地提升额定转矩限值。控制单元120可按照预定攀升速率每隔预定时间间隔提升额定转矩限值一次，提升额定转矩限值的时间间隔与计算平均功率的时间间隔相同。以下将参照图2对此进行描述。图2是根据本公开的实施例的额定转矩限值的控制过程。当额定转矩限值为2000kNm，控制单元120将目标转矩限值设置为2100kNm，并控制在ti1时刻开始按照200kNm/s的速率每隔20ms将额定转矩限值提升一次(即，每20ms将额定转矩限值提升4kNm)时，控制单元120在ti1时刻将额定转矩限值提升4kNm，并在第ti1到ti2期间保持提升了4kNm的额定转矩限值，并在第ti2(即，ti1+20ms)时刻再次将额定转矩限值提升4kNm，依次类推，最终在tin(即，ti1+0.5s)时刻将额定转矩提升到2100kNm。以上示例仅为示例性的，本公开不限于此。
此外，在逐渐提升额定转矩限值的过程中，功率计算单元110始终根据预定的时间间隔来计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率，并且控制单元120可在每次功率计算单元110计算出平均功率时，将计算出的当前平均功率与额定功率进行比较，如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120可关闭功率提升功能，即，控制额定转矩限值不再继续增加，并基于预定的下降速率将提升后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩。例如，如图2所示，在控制单元120在ti1时刻开始按照200kNm/s的速率每隔20ms提升额定转矩限值一次(即，每20ms将额定转矩限值提升4kNm)，以将额定转矩限值从2000kNm向目标转矩限值2100kNm提升的过程中，如果在ti3时刻，控制单元120确定通过功率计算单元110计算出的以当前时刻为结束时刻的之前的10分钟的平均功率大于或等于额定转矩(此时，额定转矩限值为2008kNm)，则控制单元120将不再如图2中所示的在ti3时刻将额定转矩限值提升到2012kNm，而是在ti3时刻立刻按照200kNm/s的速率每隔20ms将额定转矩限值降低一次，即，在第ti3时刻将额定转矩限值降低到2004kNm，并在ti3时刻到ti4时刻将额定转矩限值保持在2004kNm，在ti4时刻将额定转矩限值降低到2000kNm(图2中未示出)。以上示例仅是示例性的，本公开不限于此。
此外，在按照攀升速率逐渐提升额定转矩限值的过程中，如果控制单元120确定在额定转矩限值被提升至目标转矩限值之前由功率计算单元110计算出的所有的平均功率均小于额定功率，则确定在额定转矩限值被提升至目标转矩限值之后的第二预定时长内是否关闭功率提升功能。具体地讲，首先，在将额定转矩限值提升到目标转矩限值之后，将额定转矩限值保持在目标转矩限值。例如图2中所示，如果在从tin时刻到tj1时刻期间计算出的平均功率均小于额定功率，则在tj1时刻开始将额定功率限值保持在目标功率限制。控制单元120可根据湍流强度设置将额定转矩限值保持在目标转矩限值的第二预定时长。
具体地讲，如果在第二预定时长结束之前计算出的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120立刻关闭功率提升功能。换句话说，如果在第二预定时长内，一旦控制单元120确定由功率计算单元110计算出的第一预定时长的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120立即基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩，而不会等到第二预定时长结束时才使提升后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩。
例如，图2所示，控制单元120基于湍流强度将第二预定时长设置为10s，在从第tin开始的10s内，如果计算出的某一次的第一预定时长(例如，10分钟)的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120立即基于下降速率降低额定转矩限值。例如，如果在tin到tj1中间的一个时刻，控制单元120确定计算出的第一预定时长的平均功率大于或等于额定功率，则控制单元120在该时刻，不再如图2所示继续将额定转矩限值保持在目标转矩限值，而是该时刻以每秒降低200kNm的速率每隔20ms将额定转矩限值降低一次(即，每隔20ms将额定转矩限值降低4kNm)，直到将额定转矩限值降低到额定转矩2000kNm(图2中未示出)。
此外，如果在第二预定时长结束之前计算出的所有平均功率均小于额定功率，则在第二预定时长结束时关闭功率提升功能。换句话说，如果在第二预定时长内，控制单元120确定每次由功率计算单元110计算出的第一预定时长的平均功率均小于额定功率，则在第二预定时长结束时，控制单元120才基于预定的下降速率将额定转矩限值从目标转矩限值逐渐降低为额定转矩。
例如，如图2中所示，如果在从tin时刻开始的10s内，计算出的所有的第一预定时长的平均功率均小于额定功率，则在tj1开始的10s时间结束时，即，在tj1时刻，以每秒降低200kNm的速率每隔20ms将额定转矩限值降低一次(即，每20ms将额定转矩限值降低4kNm)，即，在tj1时刻将额定转矩限值降低为2096kNm，并在tj1到tj2期间将额定转矩限值保持在2096kNm，在tj2(tj1+20ms)时刻再次将额定转矩限值降低4kNm，依次类推，直到tjn(tj1+0.5s)时刻将额定转矩限值降低到额定转矩2000kNm为止。
图3是根据本公开的实施例的在平均风速为9m/s时控制功率提升的仿真图。
图3中的(a)示出了风速随时间的曲线，在600s中，平均风速为9m/s。
图3中的(b)中的虚线示出了额定转矩限值被提高到目标转矩限值。由于图2中已具体示出了额定转矩限值的提升和下降过程，因此为了清楚起见，图3中的(b)中没有详细示出示出额定转矩限值提高的过程，而仅示出了额定转矩限值被提升至目标转矩限值后的情况。
图3中的(c)示出了发电机跟随风速的转矩，可见，在额定转矩限值被设置提高时，发电机的转矩随之提高。
图3中的(d)示出了在发电机的额定转矩限值提高时发电机的输出功率的提高的情况。图中的实线表示没有进行功率补偿的发电机的功率曲线，虚线示出了进行了功率提升之后的发电机的功率曲线。下面的表1示出了在图3的情况下在没有进行功率补偿的情况和进行功率补偿的情况之间的对比的结果。从表1中可以看出，在进行功率补偿时风力发电机组在10分钟的平均功率大于没有进行功率补偿时风力发电机组在相应时间段的平均功率，并且风力发电机组在10分钟的平均功率也没有超出图3中的(d)中示出的额定功率2300kW。
表1
无功率补偿 功率补偿
10分钟平均风速(m/s) 9 9
10分钟平均功率(kW) 2053 2073
图4是根据本公开的实施例的风力发电机组的功率控制方法的总流程图。
在步骤401，根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率。例如，每隔20ms计算风力发电机组的10分钟(即，在当前时刻之前且以当前时刻为结束时刻的时间长度)的平均功率。
在步骤402，每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较。
在步骤403，如果计算出的平均功率小于额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能。由于以上已经参照图1对预定阈值进行了详细说明，因此这里将不再进行重复描述。
在步骤404，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和额定功率的比较结果关闭功率提升功能。以下将参照图5对图4的方法进行详细描述。
图5是根据本公开的实施例的控制风力发电机组的功率的方法的详细流程图。虽然图5中未示出图4中的步骤401，但是图5所示出的方法在关闭功率提升功能而使得额定转矩限值恢复到最初的状态之前始终执行图4的步骤401，即，始终按照预定的时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率，因此在下面的步骤中所提及的平均功率均是在图4中的步骤401中计算出的平均功率。
在步骤501，对计算出的风力发电机组的平均功率和额定功率进行比较。如果计算出的风力发电机组的平均功率大于或等于额定功率，则不开启功率提升功能，并返回到步骤501继续判断下一个计算出的平均功率是否大于或等于所述额定功率。如果计算出的平均功率小于额定功率，则进行步骤502。
在步骤502，对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较来确定是否开启功率提升功能。由于以上已经参照图1对预定阈值进行了详细说明，因此这里将不再进行重复描述。
在步骤502，如果风力发电机组的当前转矩小于预定阈值，则不开启功率提升功能，即返回步骤501继续判断下一个计算出的平均功率是否大于或等于额定功率。
在步骤502，如果风力发电机组的当前转矩大于或等于预定阈值，则开启功率提升功能，即进行到步骤503，其中，在步骤503，通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩，通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值(即，设置目标转矩限值)，并基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向目标转矩限值逐渐提升。第二系数是综合考虑风力发电机组中的电器元件是否能够承受的高电压、高电流带来的负面影响，以及风力发电机组在功率提升后带来的附加载荷之后被确定的系数。。由于以上已经参照图1详细说明了如何设置目标转矩限值和提升额定转矩限值，因此在此将不再进行详细描述。
在步骤504，确定在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率与额定功率的大小关系。在步骤504，如果在额定功率限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则进行到步骤509，即进行关闭功率提升功能的操作。
在步骤504，如果在额定功率限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率小于额定功率，则进行至步骤505，其中，在步骤505，确定额定功率限值是否已被提升至目标转矩限值。在步骤505，如果额定功率限值未被提升至目标转矩限值，则返回至步骤504，继续判断计算出的下一个平均功率是否大于或等于所述额定功率。在步骤505，如果额定功率限值已被提升至目标转矩限值，即，如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的所有的平均功率均小于所述额定功率，则进行至步骤506。
在步骤506，设置第二预定时长，第二预定时长指将额定转矩限值保持在目标转矩限值的时间长度。
接下来，需要确定在第二预定时长结束之前计算出的平均功率是否大于或等于所述额定功率。在步骤507，确定在第二预定时长结束之前计算出的平均功率是否小于所述额定功率。如果在第二预定时长结束之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则进行步骤509，即，立即关闭功率提升功能。如果在第二预定时长结束之前计算出的平均功率小于额定功率，则进行至步骤508，其中，在步骤508，确定设置的第二预定时长是否已结束。
在步骤508，如果设置的第二预定时长尚未结束，则返回至步骤507，即，继续判断计算出的下一个平均功率是否大于或等于所述额定功率。在步骤508，如果设置的第二预定时长已结束，则进行至步骤509，即在第二预定时长结束时，关闭功率提升功能。
在步骤509，关闭功率提升功能，即，基于预定的下降速率将提升后的额定转矩限值逐渐降低到额定转矩。此后，根据计算出的平均功率重复上述步骤501到509。
此外，本发明除了可以以计算出的平均功率作为判断是否进行功率补偿的标准之外，还可以以计算出的平均转矩作为判断是否进行功率补偿的标准。以下将参照图6至图8对此进行详细描述。
图6是根据本公开的另一实施例的风力发电机组的功率补偿的控制装置600的框图。
风力发电机组的控制装置600包括转矩计算单元610和控制单元620。
转矩计算单元610可计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩。在风力发电机组运行的过程中，无论是功率提升功能开启之前，还是在功率提升功能开启之后，转矩计算单元610始终根据预定的时间间隔计算风力发电机组的平均转矩。例如，转矩计算单元610可每隔20ms计算一次第一预定时长(即，在当前时刻之前且以当前时刻为结束时刻的时间长度，例如，10分钟)的风力发电机组的平均转矩，但本公开不限于此。
控制单元620可在每次计算出平均转矩时，将计算出的平均转矩与风力发电机组的额定转矩进行比较，并根据比较结果确定是否开启功率提升功能。
具体地讲，如果计算出的平均转矩大于或等于额定转矩，则控制单元620不开启功率提升功能。例如，假设风力发电机组的额定转矩是2000kNm，当转矩计算单元620计算出从第一时刻起的10分钟内的平均转矩为2000kNm时，由于计算出的平均转矩2000kNm等于额定转矩2000kNm，因此控制单元620不开启功率提升功能。相反，如果计算出的平均转矩小于额定转矩，则控制单元620可进一步地将风力发电机组的当前转矩与预定阈值进行比较，并根据比较结果确定是否开启功率提升功能。
具体地讲，在风力发电机组运行的过程中，如果风力发电机组的转矩达到了额定转矩，则转矩将被控制不再继续增加。在第一预定时长的平均风速小于额定风速的情况下，第一预定时长的风力发电机组的平均转矩小于额定转矩，如果在第一预定时长内的某一段时间的瞬时风速超过额定风速，则风力发电机组的转矩随着风速的增大达到额定转矩，此时，即使风速随后继续增加，风力发电机组的转矩也不会再继续增加，导致第一预定时长的平均功率可能仍没有达到额定功率，即，风力发电机组没有满发，会导致风能未被充分利用。在这种情况下，为了更充分的利用瞬时速度高的风能，在转矩达到额定转矩时，可通过增加额定转矩限值来提升输出功率。
在实际环境中，在判断风力发电机组的当前转矩是否达到额定转矩时，允许存在一定的波动。因此，为了能更准确地控制风力发电机组的输出功率，本发明将风力发电机组的当前转矩与通过将额定转矩和第一系数相乘而获得的所述预定阈值进行比较，从而确定当前转矩是否已达到额定转矩，并确定是否开启功率提升功能。第一系数是根据当风电机组运行在额定功率时当前转矩在额定转矩限值附近的波动范围来确定的。例如，风电机组在额定功率下运行时，当前转矩在额定转矩值附近的波动范围为±4％时，可根据该波动范围将第一系数设置为0.96。可选地，可将第一系数设置为1.04，即预定阈值可以是额定转矩的1.04倍。以上示例仅是示例性的，但本公开不限于此。
在根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果来确定是否开启功率提升功能时，如果当前转矩小于所述预定阈值，则控制单元620不开启功率提升功能。如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则控制单元620开启功率提升功能。
具体地讲，在风力发电机组的当前转矩大于或等于所述预定阈值时，控制单元620可通过提高额定转矩限值来提升功率。详细地讲，控制单元620可通过将额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩，并通过对额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值，并基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向所述目标转矩限值逐渐提升。第二系数是综合考虑风力发电机组中的电器元件是否能够承受的高电压、高电流带来的负面影响，以及风力发电机组在功率提升后带来的附加载荷之后被确定的系数。例如，第二系数可被确定为0.05。由于不同的风力发电机组具有不同的电器元件，因此，针对不同的风力发电机组可设置不同的第二系数，并计算出不同的附加转矩，从而实现差异化操作。
由于风力发电机组的额定转矩限值被提升，因此当风速瞬时增加时，风力发电机组的转矩可在达到额定转矩之后继续攀升，直到达到额定转矩限值为止，此后风力发电机组的转矩不再继续增加。
为了在风速瞬时增加时不造成转矩的瞬间增加，进而引起风力发电机组的载荷出现明显变化，在提升额定转矩限值的过程中，控制单元620按照预定攀升速率来逐渐地提升额定转矩限值。控制单元620按照预定攀升速率根据预定的时间间隔提升额定转矩限值。由于以上已参照图2额定转矩限值进行提升的过程进行了详细描述，因此，此处不再进行重复描述。
此外，在逐渐提升额定转矩限值的过程中，转矩计算单元610始终在根据预定的时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩，并且控制单元620可在每次转矩计算单元610计算出平均转矩时，将计算出的当前平均转矩与额定转矩进行比较，如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩大于或等于额定转矩，则控制单元620可关闭功率提升功能，即，控制额定转矩限值不再继续增加，并基于预定的下降速率将提升后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩。由于以上已参照图2额定转矩限值进行下降的过程进行了详细描述，因此，此处不再进行重复描述。
此外，在按照攀升速率逐渐提升额定转矩限值的过程中，如果控制单元620确定在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前由转矩计算单元610每次计算出的平均转矩均小于额定转矩，则确定在额定转矩限值被提升至目标转矩限值之后的第二预定时长内是否关闭功率提升功能。具体地讲，首先，在将额定转矩限值提升到目标转矩限值之后，将额定转矩限值保持在目标转矩限值。例如图2中示出的tin时刻到第tj1时刻。控制单元120可根据湍流强度设置将额定转矩限值保持在目标转矩限值的第二预定时长。
具体地讲，如果在第二预定时长结束之前计算出的平均转矩大于或等于额定转矩，则控制单元120立刻关闭功率提升功能。换句话说，如果在第二预定时长内，一旦控制单元620确定由转矩计算单元610计算出的第一预定间长的平均转矩大于或等于额定功率，则控制单元620立即基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩，而不会等到第二预定时长结束时才使提升后的额定转矩限值逐渐降低为额定转矩。
例如，图2所示，如果在从tin到tj1中间的一个时刻，控制单元620确定计算出的第一预定时长的平均转矩大于或等于额定转矩，则在该时刻不再继续将额定转矩限值保持在目标转矩限值，而是在该时刻立即以预定下降速率降低额定转矩限值。
此外，如果在第二预定时长结束之前计算出的所有平均转矩均小于额定转矩，则在第二预定时长结束时关闭功率提升功能。换句话说，如果在第二预定时长内，控制单元620确定每次由转矩计算单元610计算出的第一预定时长的平均转矩均小于额定转矩，则在第二预定时长结束时，控制单元620才基于预定的下降速率将额定转矩限值从目标转矩限值逐渐降低为额定转矩。
例如图2所示，如果在从tin到tj1期间计算的所有的第一预定时长的平均转矩均小于额定转矩，则在第二预定时长结束时(即在tj1时刻)才开始以阶梯形式降低额定转矩限值。
图7是根据本公开的实施例的风力发电机组的功率补偿的控制方法的总流程图。
在步骤701，根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩。例如，每隔20ms计算风力发电机组的10分钟(即，在当前时刻之前且以当前时刻为结束时刻的时间长度)的平均转矩。
在步骤702，每当计算出平均转矩时，对计算出的平均转矩和风力发电机组的额定转矩进行比较。
在步骤703，如果计算出的平均转矩小于额定转矩，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能。由于以上已经参照图6对预定阈值进行了详细说明，因此这里将不再进行重复描述。
在步骤704，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和额定转矩的比较结果关闭功率提升功能。以下将参照图8对图7的方法进行详细描述。
图8是根据本公开的实施例的控制风力发电机组的功率的方法的详细流程图。虽然图8中未示出图7中的步骤701，但是图8所示出的方法在关闭功率提升功能而使得额定转矩限值恢复到最初的状态之前始终执行图7的步骤701，即，根据预定的时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩，因此在下面的步骤中所提及的平均转矩均是在图7中的步骤701中计算出的平均转矩。
在步骤801，对计算出的风力发电机组的平均转矩和额定转矩进行比较。如果计算出的风力发电机组的平均转矩大于或等于额定转矩，则不开启功率提升功能，并返回到步骤701继续判断下一个计算出的平均转矩是否大于或等于所述额定转矩。如果计算出的平均转矩小于额定功率，则进行步骤502。
在步骤802，对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较来确定是否开启功率提升功能。由于以上已经参照图6对预定阈值进行了详细说明，因此这里将不再进行重复描述。
在步骤802，如果风力发电机组的当前转矩小于预定阈值，则不开启功率提升功能，即返回步骤801继续判断下一个计算出的平均转矩是否大于或等于额定转矩。
在步骤802，如果风力发电机组的当前转矩大于或等于预定阈值，则开启功率提升功能，即进行到步骤803，其中，在步骤803，通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩，通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值(即，设置目标转矩限值)，并基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向目标转矩限值逐渐提升。第二系数是综合考虑风力发电机组中的电器元件是否能够承受的高电压、高电流带来的负面影响，以及风力发电机组在功率提升后带来的附加载荷之后被确定的系数。由于以上已经参照图6详细说明了如何设置目标转矩限值和提升额定转矩限值，因此在此将不再进行详细描述。
在步骤804，确定在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩与额定转矩的大小关系。在步骤804，如果在额定功率限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩大于或等于额定转矩，则进行到步骤809，即进行关闭功率提升功能的操作。
在步骤804，如果在额定功率限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩小于额定转矩，则进行至步骤805，其中，在步骤805，确定额定功率限值是否已被提升至目标转矩限值。在步骤805，如果额定功率限值未被提升至目标转矩限值，则返回至步骤804，继续判断计算出的下一个平均转矩是否大于或等于所述额定转矩。在步骤805，如果额定功率限值已被提升至目标转矩限值，即，如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的所有的平均转矩均小于所述额定转矩，则进行至步骤806。
在步骤806，设置第二预定时长，第二预定时长表示将额定转矩限值保持在目标转矩限值的时间长度。
接下来，需要确定在第二预定时长结束之前计算出的平均转矩是否大于或等于所述额定转矩。在步骤807，确定在第二预定时长结束之前计算出的平均转矩是否小于所述额定转矩。如果在第二预定时长结束之前计算出的平均转矩大于或等于所述额定转矩率，则进行步骤809，即，立即关闭功率提升功能。如果在第二预定时长结束之前计算出的平均转矩小于额定转矩，则进行至步骤808，其中，在步骤808，确定设置的第二预定时长是否已结束。
在步骤808，如果设置的第二预定时长尚未结束，则返回至步骤807，即，继续判断计算出的下一个平均转矩是否大于或等于所述额定转矩。在步骤808，如果设置的第二预定时长已结束，则进行至步骤809，即在第二预定时长结束时，关闭功率提升功能。
在步骤809，关闭功率提升功能，即，基于预定的下降速率将提升后的额定转矩限值逐渐降低到额定转矩。此后，根据计算出的平均转矩重复上述步骤801到809。
此外，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序可包括用于执行上述风力发电机组的控制方法中各种操作的指令。具体而言，所述程序可以包括用于执行图4至图5和图7到图8中所描述的各个步骤的指令。
此外，本发明还提供了一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质，所述程序包括用于执行上述风力发电机组的控制方法中各种操作的指令。具体而言，所述程序可以包括用于执行图4至图5和图7至图8中所描述的各个步骤的指令。
尽管已经使用示例性实施例对本公开进行了描述，但本领域的技术人员可建议各种改变和修改。本公开包含的这样的改变和修改意图落入所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种风力发电机组的功率补偿的控制方法，其特征在于，包括：
根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率；
每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较；
如果计算出的平均功率小于所述额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是风力发电机组的额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在所述额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；
在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能包括：
如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则开启功率提升功能；
如果当前转矩小于所述预定阈值，则不开启功率提升功能。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，开启功率提升功能包括：
通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩；
通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值；
基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向所述目标转矩限值逐渐提升，
其中，所述第二系数根据所述风力发电机组的电器元件特性以及载荷确定。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能包括：
如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则关闭功率提升功能。
5.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能包括：
如果在额定转矩限值被提升到所述目标转矩限值之后的第二预定时长结束之前计算出的所有平均功率均小于所述额定功率，则在所述第二预定时长结束时关闭功率提升功能；
如果在所述第二预定时长结束之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则立刻关闭功率提升功能。
6.如权利要求4或5所述的控制方法，其特征在于，关闭功率提升功能包括：
基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为所述额定转矩。
7.一种风力发电机组的功率补偿的控制方法，其特征在于，包括：
根据预定时间间隔计算第一预定时长的计算风力发电机组的平均转矩；
每当计算出平均转矩时，对计算出的平均转矩和风力发电机组的额定转矩进行比较；
如果计算出的平均转矩小于所述额定转矩，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是所述额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在风力发电机组的额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定，
在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能包括：
如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则开启功率提升功能；
如果当前转矩小于所述预定阈值，则不开启功率提升功能。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，开启功率提升功能包括：
通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩；
通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值；
基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向所述目标转矩限值逐渐提升，
其中，所述第二系数根据所述风力发电机组的电器元件特性以及载荷确定。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能包括：
如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩大于或等于所述额定转矩，则关闭功率提升功能。
11.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能包括：
如果在额定转矩限值被提升到所述目标转矩限值之后的第二预定时长结束之前计算出的所有平均转矩均小于所述额定转矩，则在所述第二预定时长结束时关闭功率提升功能；
如果在所述第二预定时长结束之前计算出的平均转矩大于或等于所述额定转矩，则立刻关闭功率提升功能。
12.如权利要求10或11所述的控制方法，其特征在于，关闭功率提升功能的步骤包括：
基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为所述额定转矩。
13.一种风力发电机组的功率补偿的控制装置，其特征在于，包括：
功率计算单元，被配置为根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均功率；
控制单元，被配置为：
每当计算出平均功率时，对计算出的平均功率和风力发电机组的额定功率进行比较；
如果计算出的平均功率小于所述额定功率，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是风力发电机组的额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在所述额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；
在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能。
14.如权利要求13所述的控制装置，其特征在于，在根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则开启功率提升功能；
如果当前转矩小于所述预定阈值，则不开启功率提升功能。
15.如权利要求14所述的控制装置，在开启功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩；
通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值；
基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向所述目标转矩限值逐渐提升，
其中，所述第二系数根据所述风力发电机组的电器元件特性以及载荷确定。
16.如权利要求15所述的控制装置，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则关闭功率提升功能。
17.如权利要求15所述的控制装置，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均功率和所述额定功率的比较结果关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果在额定转矩限值被提升到所述目标转矩限值之后的第二预定时长结束之前计算出的所有平均功率均小于所述额定功率，则在所述第二预定时长结束时关闭功率提升功能；
如果在所述第二预定时长结束之前计算出的平均功率大于或等于所述额定功率，则立刻关闭功率提升功能。
18.如权利要求16或17所述的控制装置，其特征在于，在关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为所述额定转矩。
19.一种风力发电机组的功率补偿的控制装置，其特征在于，包括：
转矩计算单元，被配置为根据预定时间间隔计算第一预定时长的风力发电机组的平均转矩；
控制单元，被配置为：
每当计算出平均转矩时，对计算出的平均转矩和风力发电机组的额定转矩进行比较；
如果计算出的平均转矩小于所述额定转矩，则根据对风力发电机组的当前转矩和预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能，其中，所述预定阈值是所述额定转矩与第一系数的乘积，所述第一系数根据风力发电机组运行在风力发电机组的额定功率时当前转矩在所述额定转矩左右两边的预定波动范围来确定；
在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能。
20.如权利要求19所述的控制装置，其特征在于，在根据对风力发电机组的当前转矩和所述预定阈值进行比较的结果确定是否开启功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果当前转矩大于或等于所述预定阈值，则开启功率提升功能；
如果当前转矩小于所述预定阈值，则不开启功率提升功能。
21.如权利要求20所述的控制装置，其特征在于，在开启功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
通过将所述额定转矩与第二系数相乘来获得附加转矩；
通过对所述额定转矩与所述附加转矩求和来获得目标转矩限值；
基于预定攀升速率将风力发电机组的额定转矩限值向所述目标转矩限值逐渐提升，
其中，所述第二系数根据所述风力发电机组的电器元件特性以及载荷确定。
22.如权利要求21所述的控制装置，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果在额定转矩限值被提升至所述目标转矩限值之前计算出的平均转矩大于或等于所述额定转矩，则关闭功率提升功能。
23.如权利要求21所述的控制装置，其特征在于，在开启功率提升功能之后，根据计算出的平均转矩和所述额定转矩的比较结果关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
如果在额定转矩限值被提升到所述目标转矩限值之后的第二预定时长结束之前计算出的所有平均转矩均小于所述额定转矩，则在所述第二预定时长结束时关闭功率提升功能；
如果在所述第二预定时长结束之前计算出的平均转矩大于或等于所述额定转矩，则立刻关闭功率提升功能。
24.如权利要求22或23所述的控制装置，其特征在于，在关闭功率提升功能的操作中，控制单元被配置为：
基于预定下降速率将提升之后的额定转矩限值逐渐降低为所述额定转矩。
25.一种计算机可读存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序包括用于执行如权利要求1-12中任一项所述方法的指令。
26.一种计算机，包括存储有计算机程序的可读介质，其特征在于，所述程序包括用于执行如权利要求1-12中任一项所述方法的指令。
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EP4102057A1 (en) * 2021-06-11 2022-12-14 Wobben Properties GmbH Method for controlling the rotor speed of a wind turbine
EP4102056A1 (en) * 2021-06-11 2022-12-14 Wobben Properties GmbH Method of operating a wind turbine, corresponding wind turbine and wind farm

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