CN110345007A - 一种风电机组变桨系统切换控制方法 - Google Patents

一种风电机组变桨系统切换控制方法 Download PDF

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张磊
杨霞
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Abstract

本发明公开了一种风电机组变桨系统切换控制方法，包括按顺序进行的下列步骤：1)采集风电机组运行过程中的数据集；2)将步骤1)获得的数据集输入到预先建立的变桨控制切换模型中，并利用该模型对风电机组变桨系统子控制器模型进行切换输出控制；该子控制器模型通过变桨控制切换模型生成，且将控制输出反馈给变桨控制切换模型；其中，变桨控制切换模型由切换率进行控制；该风电机组变桨系统切换控制方法在保证风电机组能够安全可靠、稳定地运行的前提下，能较好地保证控制器的输出。

Description

一种风电机组变桨系统切换控制方法
技术领域
本发明涉及风电控制系统设计技术领域，特别涉及一种风电机组变桨系统切换控制方法。
背景技术
随着风电机组大型化和工况的日益复杂，目前，变桨控制系统是造成非正常停机最主要的原因，部分机组因控制设置原因被动降容运行。如何合理地建立风电机组运行的数学模型，设计出基于切换模型的鲁棒子控制器，提高变桨控制系统整体稳定性能，提高发电效率和经济收益，降低运维成本，已成为风力发电投资、建设必须尽快解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电机组变桨系统切换控制方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种风电机组变桨系统切换控制方法，包括按顺序进行的下列步骤：
1)采集风电机组运行过程中的数据集；
2)将步骤1)获得的数据集输入到预先建立的变桨控制切换模型中，并利用该模型对风电机组变桨系统子控制器模型进行切换输出控制；该子控制器模型通过变桨控制切换模型生成，且将控制输出反馈给变桨控制切换模型；其中，变桨控制切换模型由切换率进行控制；
该变桨控制切换模型的搭建方法如下：
根据数据集，选定m个风速指标数据，采用新型Kalman滤波和区间回归分析方法在线辨识风能利用系数，选取在线辨识计算得到的风能利用系数衰减率为工作点，建立变桨控制系统切换模型，如下式所示：
其中，x＝(Δωg Δβ1 Δβ2 Δβ3)T的分量依次表示第(i，j)个子控制器的发电机转速增量和三个桨距角增量；(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)为第(i，j)个子控制器待辨识的参数；y＝ΔP表示功率增量；u为桨距角指令；w为风速。
进一步的，所述的子控制器模型的搭建方法为：
将变桨控制切换模型离散化，离散化后得到数据集合，通过模糊聚类的方法选择与指定工作点邻近的数据，采用最小辨识二乘法得到(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)，建立相应的子控制器模型。
进一步的，所述的变桨控制切换模型对子控制器模型进行切换输出控制的方法为：
计算每一个采样数据点的AC值，AC值为区间段内的区间风能利用系数衰减率，该AC值结合指定区间段计算出风能利用系数衰减率，来切换不同的子控制器模型。
进一步的，所述的区间风能利用系数衰减率AC的计算方法为：
其中，Cp(λ，β1，β2，β3)为风电机组所设计的风能利用系数，λ为叶尖速比，λ＝ωR/w，ω为叶轮转速，R为叶片长度，(β1，β2，β3)为三个桨距角，ρ为空气密度，S为扫风面积。
进一步的，所述的变桨控制切换模型进行二维参数切换的方法为，先慢变参数维度切换，再快变参数维度切换。
进一步的，所述的变桨控制切换模型在一个参数维度上进行切换时，采用多个控制器的输出加权的形式，兼顾变桨系统切换时的过渡态。
与现有技术相比，该风电机组变桨系统切换控制方法具有如下优势：
1、针对在役风电机组变桨控制系统，从建模、控制器设计及分析等角度进行了深入研究。
2、采用新型Kalman滤波和区间回归分析方法辨识风能利用系数，辨识速度快，准确率高。并提出以风能利用系数衰减率为要素建立切换控制模型。
3、对于控制器的设计，采用的方法是低增益输出反馈，该方法在保证风电机组能够安全可靠、稳定地运行的前提下，能较好地保证控制器的输出。
附图说明
图1为风电机组变桨控制结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
一种风电机组变桨系统切换控制方法，包括按顺序进行的下列步骤：
1)得到风电机组运行过程中的数据集，该数据集包括12个字段，分别为：时间、风速、风向、叶轮转速、叶片位置、桨距角、变桨速度、发动机转速、并网电流、并网电压、并网功率和并网频率；
2)将步骤1)获得的数据集输入到预先建立的变桨控制切换模型中，并利用该模型对风电机组变桨系统子控制器模型进行切换输出控制；该子控制器模型通过变桨控制切换模型生成，且将控制输出反馈给变桨控制切换模型；
其中，所述的切换率由快变参数和慢变参数进行控制；所述的变桨控制切换模型进行二维参数切换的方法为，先慢变参数维度切换，再快变参数维度切换；所述的变桨控制切换模型在一个维度上进行切换时，采用多个控制器的输出加权的形式，兼顾变桨系统切换时的过渡态。
该变桨控制切换模型的搭建方法如下：
根据数据集，选定m个风速指标数据，采用新型Kalman滤波和区间回归分析方法在线辨识风能利用系数，与系统设定值对比得到衰减率，该系数和衰减率会用在切换子控制器上；选取在线辨识计算得到的风能利用系数衰减率为工作点，建立变桨控制系统切换模型，如下式所示：
其中，x＝(Δωg Δβ1 Δβ2 Δβ3)T的分量依次表示第(i，j)个子控制器的发电机转速增量和三个桨距角增量；(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)为第(i，j)个子控制器待辨识的参数；y＝ΔP表示功率增量；u为桨距角指令；w为风速。
其中，所述的子控制器模型的搭建方法为：
将变桨控制切换模型离散化，离散化后得到数据集合，通过模糊聚类的方法选择与指定工作点邻近的数据，采用最小辨识二乘法得到(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)，建立相应的子控制器模型。
所述的变桨控制切换模型对子控制器模型进行切换输出控制的方法为：
计算每一个采样数据点的AC值，AC值为区间段内的区间风能利用系数衰减率，该AC值结合指定区间段计算出风能利用系数衰减率，来切换不同的子控制器模型。衰减率理论取值在0到100％之间，0代表风能利用系数无衰减，在实际中当衰减率大于维修临界值时变桨控制系统应进入停机状态，从而保证风电机组的安全运行。
进一步的，所述的区间风能利用系数衰减率AC的计算方法为：
其中，Cp(λ，β1，β2，β3)为风电机组所设计的风能利用系数，λ为叶尖速比，λ＝ωR/w，ω为叶轮转速，R为叶片长度，(β1，β2，β3)为三个桨距角，ρ为空气密度，S为扫风面积。
当采用如下所示的输出反馈的控制律：
其中为输出反馈的状态；(Ai，j，K，Bi，j，K，Ci，j，K，Di，j，K)为第(i，j)个子控制器的系统矩阵；
变桨控制系统可以改写为式：
其中，
变桨控制系统一般是慢变参数不变，仅在快变参数一个维度上切换；当出现二维切换情况时，对步骤2)中的切换结果是采用的基本切换策略是先慢变参数维度切换，再快变参数维度切换。变桨系统在一个维度上采用多个控制器的输出加权的形式，兼顾切换子控制器的过渡态。
图1为风电机组变桨控制系统结构框图，风电机组变桨控制系统主要包括子控制器模型、切换控制单元和变桨控制系统数学模型；子控制器模型包括若干个并行设置的子控制器，切换控制单元包括切换控制模型，切换控制模型的输出通过切换率进行控制，子控制器模型的输出反馈给切换控制模型，切换控制模型在切换率的控制下输出控制信号，该控制信号通过变桨控制系统数学模型变换后作用到子控制器模型，控制子控制器输出；该变桨控制系统数学模型可根据实际的需求进行设定。

Claims (7)

1.一种风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，包括按顺序进行的下列步骤：
1)采集风电机组运行过程中的数据集；
2)将步骤1)获得的数据集输入到预先建立的变桨控制切换模型中，并利用该模型对风电机组变桨系统子控制器模型进行切换输出控制；该子控制器模型通过变桨控制切换模型生成，且将控制输出反馈给变桨控制切换模型；其中，变桨控制切换模型由切换率进行控制；
该变桨控制切换模型的搭建方法如下：
根据数据集，选定m个风速指标数据，采用新型Kalman滤波和区间回归分析方法在线辨识风能利用系数，选取在线辨识计算得到的风能利用系数衰减率为工作点，建立变桨控制系统切换模型，如下式所示：
其中，x＝(Δωg Δβ1 Δβ2 Δβ3)T的分量依次表示第(i，j)个子控制器的发电机转速增量和三个桨距角增量；(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)为第(i，j)个子控制器待辨识的参数；y＝ΔP表示功率增量；u为桨距角指令；w为风速。
2.根据权利要求1所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的子控制器模型的搭建方法为：
将变桨控制切换模型离散化，离散化后得到数据集合，通过模糊聚类的方法选择与指定工作点邻近的数据，采用最小辨识二乘法得到(Ai，j，Bi，j，Ti，j，Ci，j)，建立相应的子控制器模型。
3.根据权利要求2所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的变桨控制切换模型对子控制器模型进行切换输出控制的方法为：
计算每一个采样数据点的AC值，AC值为区间段内的区间风能利用系数衰减率，该AC值结合指定区间段计算出风能利用系数衰减率，来切换不同的子控制器模型。
4.根据权利要求3所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的区间风能利用系数衰减率AC的计算方法为：
其中，Cp(λ，β1，β2，β3)为风电机组所设计的风能利用系数，λ为叶尖速比，λ＝ωR/w，ω为叶轮转速，R为叶片长度，(β1，β2，β3)为三个桨距角，ρ为空气密度，S为扫风面积。
5.根据权利要求4所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的切换率由快变参数和慢变参数进行控制。
6.根据权利要求5所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的变桨控制切换模型进行二维参数切换的方法为，先慢变参数维度切换，再快变参数维度切换。
7.根据权利要求5所述的风电机组变桨系统切换控制方法，其特征在于，所述的变桨控制切换模型在一个参数维度上进行切换时，采用多个控制器的输出加权的形式，兼顾变桨系统切换时的过渡态。
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