CN110374806B - 风力发电机组降载控制方法及风力发电机组 - Google Patents

风力发电机组降载控制方法及风力发电机组 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组降载控制方法，同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度，当确定到所述转速大于预设的第一转速且所述加速度大于预设的第一加速度，或所述转速大于预设的第二转速且所述加速度大于预设的第二加速度时，即进入周期性设定目标转速，并通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速的阶段。因为同时基于所述发电机的旋转转速和旋转加速度来监测所述发电机的运行状态，使得所述发电机在高转速高加速的工况下都能更平稳的控制转速，避免出现气动扭矩过大而造成转速超调停机，并损害所述风力发电机组零部件的现象。

Description

风力发电机组降载控制方法及风力发电机组
技术领域
本发明涉及新能源领域，具体涉及一种风力发电机组在极限风况条件下的降载控制方法，以及采用此控制方法的风力发电机组。
背景技术
目前，国内主流风力发电机型都是按照IEC标准进行载荷设计，在长叶片机型的开发过程中，某些特定工况下(如风速和风向同时变化的极限相干阵风)的极限载荷成为了机组设计瓶颈。主要表现在风力发电机组的齿轮箱与发电机之间、塔顶与机舱之间等关键结合部位的极限承载能力较弱，在风速突增(如风速从9m/s到24m/s)且同时发生风向变化(如风向从0度到45度)的情况下，若采用变桨系统采用常规积分控制(PI)方式控制发电机的转速，容易出现风力发电机组超速停机的现象，导致叶根和塔顶出现不对称极限载荷，严重时损害风力发电机组的内部零部件。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供的风力发电机组降载控制方法，通过实时调整发电机转速的控制策略，来平滑发电机的变速曲线，避免超速停机的现象发生。本申请具体包括如下方案：
一种风力发电机组降载控制方法，包括如下步骤：
同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度；
确定到所述转速大于预设的第一转速且所述加速度大于预设的第一加速度，或所述转速大于预设的第二转速且所述加速度大于预设的第二加速度；
周期性设定目标转速；
通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速。
其中，所述周期性设定所述目标转速，包括：
获得上一周期的所述目标转速；
确定当前变桨目标调节量；
基于所述上一周期的目标转速和所述变桨目标调节量的差值确定本周期内的所述目标转速。
其中，所述确定当前变桨目标调节量，包括：
确定变桨系统最大调节量；
分别确定模态自适应系数和风向偏差自适应系数；
设定所述最大调节量、所述模态自适应系数和所述风向偏差自适应系数的乘积作为所述变桨目标调节量。
其中，所述模态自适应系数的确定方法包括：
确定到所述转速与所述第一转速或所述第二转速的差值，与额定转速与所述第一转速或所述第二转速的差值之第一比值；以及
确定到所述加速度与所述第一加速度或所述第二加速度的差值，与最大加速度与所述第一加速度或所述第二加速度的差值的第二比值；
确定到所述第一比值与所述第二比值之和为所述模态自适应系数，且所述模态自适应系数不大于1。
其中，所述风向偏差自适应系数的确定方法包括：
若有效风向偏差角α小于20度，则所述风向偏差自适应系数等于1；
若所述有效方向偏差角α大于20度，则所述风向偏差自适应系数为：“1-(α-20度)/40度”。
其中，所述第一转速为所述发电机额定转速的70％-85％，所述第一加速度为30-50rpm/s；
所述第二转速为所述发电机额定转速的100.5％-105％，所述第二加速度为10-35rpm/s。
其中，在所述通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速之后，还包括：
确定到所述转速小于预设的第一退出转速且所述加速度小于预设的第一退出加速度，或所述转速小于预设的第二退出转速且所述加速度小于预设的第二退出加速度；
采用比例积分控制方式控制所述转速。
其中，所述第一退出转速为所述发电机额定转速的70％-85％，所述第一退出加速度为20-35rpm/s；
所述第二退出转速为所述发电机额定转速的95％-102％，所述第二退出加速度为10-20rpm/s。
其中，所述同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度包括：
对所述转速和所述旋转加速度进行滤波处理。
本申请还涉及一种风力发电机组，采用上述的风力发电机组降载控制方法进行控制。
本申请风力发电机组降载控制方法，通过同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度，使得所述发电机在高转速高加速的工况下，能进入周期性设定目标转速，并通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速的阶段。由此能够更平稳的控制所述发电机的转速，避免风力发电机组超速停机的现象，或导致叶根和塔顶出现不对称极限载荷，严重时损害风力发电机组的内部零部件的现象。
而本发明提供的风力发电机组，因为采用了上述的控制方法进行控制，也提高了可靠性，使用寿命得以延长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明风力发电机组降载控制方法的流程图；
图2为本发明风力发电机组降载控制方法中步骤S30的子步骤流程图；
图3为本发明风力发电机组降载控制方法中步骤S32的子步骤流程图；
图4为本发明风力发电机组降载控制方法中步骤S322的子步骤流程图；
图5为本发明风力发电机组降载控制方法另一实施例中步骤S322的子步骤流程图；
图6为本发明风力发电机组降载控制方法另一实施例的流程图；
图7为本发明风力发电机组降载控制方法的逻辑图；
图8为本发明风力发电机组降载控制方法的发电机转速对比图；
图9为本发明风力发电机组降载控制方法的叶根载荷对比图；
图10为本发明风力发电机组降载控制方法的塔顶载荷对比图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
请参阅图1所示的本申请风力发电机组降载控制方法，包括如下步骤：
S10、同时监测发电机的旋转转速GenSpeed和旋转加速度GenACC；
S20、确定到发电机的转速GenSpeed大于预设的第一转速GenSpeed1且发电机的加速度GenACC大于预设的第一加速度GenACC1，或发电机的转速GenSpeed大于预设的第二转速GenSpeed2且发电机的加速度GenACC大于预设的第二加速度GenACC2；
S30、周期性设定目标转速GenSpeedT；
S40、通过变桨系统基于目标转速GenSpeedT调整发电机的转速GenSpeed。
具体的，在监测发电机的旋转转速GenSpeed同时，还引入发电机的旋转加速度GenACC同时进行监控。因为发电机的旋转转速GenSpeed并不能完全反映处风力发电机组当前的环境情况。在一些非极限环境的场景下，发电机的旋转转速GenSpeed过大时，其旋转加速度GenACC反而较小，此时风力发电机组上不一定会产生不对称极限载荷。因此无需对发电机的转速进行调控。而本申请控制方法因为同时引入了发电机的旋转加速度GenACC来作为判定条件，因此具备更准确的环境判断能力。
当确定到发电机的转速GenSpeed大于预设的第一转速GenSpeed1且发电机的加速度GenACC大于预设的第一加速度GenACC1，或发电机的转速GenSpeed大于预设的第二转速GenSpeed2且发电机的加速度GenACC大于预设的第二加速度GenACC2时，当有效风向偏差不小于20度，会确定到风力发电机组正处于类似极限相干阵风的极限环境中。此时通过控制变桨系统来调整发电机的转速GenSpeed，使得发电机的转速能够匹配到该极限环境下，避免因停机而产生不对称极限载荷。此时，本方法通过周期性的设定目标转速GenSpeedT，来控制变桨系统基于目标转速GenSpeedT来调整发电机的转速GenSpeed，达到自适应环境变化的效果。
相较于现有技术中比例积分控制方式的现有技术设定恒定的转速目标值，本申请通过周期性的调整目标转速GenSpeedT，使得变桨系统的目标转速GenSpeedT一直处于动态变化的过程中。本申请在发电机转速GenSpeed与预匹配的极限环境下转速差距较小时，通过减小目标转速GenSpeedT来减小风力发电机组的叶片往0度变化的增量，进而抑制发电机转速GenSpeed在接近预设目标值时的快速上升；在发电机转速GenSpeed与预匹配的极限环境下转速差距较大时，通过增大目标转速GenSpeedT与实际转速的偏差来增大叶片往90度变化的增量，进而通过快速调节变桨达到有效抑制风机超速的目的。这样动态调节的方式相较于现有技术的恒定目标值，更能保证发电机不会出现超速停机的现象。
一种实施例，参见图2，步骤S30中周期性设目标转速GenSpeedT，还具体包括如下子步骤：
S31、获得上一周期的目标转速GenSpeedT1；
S32、确定当前变桨目标调节量PRGD；
S33、基于上一周期的目标转速GenSpeedT1和变桨目标调节量PRGD的差值来确定本周期内的所述目标转速GenSpeedT。
具体的，可以参见下述公式：
GenSpeedT＝GenSpeedT1-PRGD (1)。
从公式(1)可以看出，在每个周期内，目标转速GenSpeedT都与其上一周期的目标转速GenSpeedT1相关。即变桨目标调节量PRGD的数值一定或增减趋势一定的情况下，目标转速GenSpeedT处于一个渐进的序列中。目标转速GenSpeedT一直趋近于匹配到极限环境下的目标值。
由此，一种实施例参见图3，对于步骤S32，确定当前变桨目标调节量PRGD还包括如下子步骤：
S321、确定变桨系统最大调节量PRGDmax；
S322、分别确定模态自适应系数KA和风向偏差自适应系数KB；
S323、设定最大调节量PRGDmax、模态自适应系数KA和风向偏差自适应系数KB的乘积作为变桨目标调节量PRGD。
具体的，参见如下公式：
PRGD＝PRGDmax*KA*KB (2)
PRGDmax为基于匹配到极限环境下的恒定目标值所允许的最大变桨目标调节量，也可以理解为通过比例积分控制方式所确定到的变桨目标调节量。但本申请为了平滑发电机转速的变化曲线，对于发电机的转速GenSpeed每次调整量更小，避免出现超调的现象。因此，引入了模态自适应系数KA和风向偏差自适应系数KB来实时基于发电机当前状态和风向来调整变桨目标调节量PRGD。
一种实施例参见图4，模态自适应系数KA的确定方法包括：
S3221、确定到转速GenSpeed与第一转速GenSpeed1或第二转速GenSpeed2的差值，与额定转速GenSpeedR与第一转速GenSpeed1或第二转速GenSpeed2的差值形成第一比值A1；以及
S3222、确定到加速度GenACC与第一加速度GenACC1或第二加速度GenACC2的差值，与最大加速度GenACCmax与第一加速度GenACC1或第二加速度GenACC2的差值形成第二比值A2；
S3223、确定到第一比值A1与第二比值A2之和为模态自适应系数KA，且模态自适应系数不大于1。
具体的，请参见如下公式：
KA1＝Min((GenSpeed-GenSpeed1)/(GenSpeedR-GenSpeed1),0.5)+Min((GenACC-GenACC1)/(GenACCmax1-GenACC1),0.5)(3-1)
KA2＝Min((GenSpeed-GenSpeed2)/(GenSpeed2-GenSpeedR),0.5)+Min((GenACC-GenACC2)/(GenACCmax2-GenACC2),0.5)(3-2)
其中，当转速GenSpeed高于第一转速GenSpeed1时，最大加速度GenACCmax1取值到50rpm/s，由此得到模态自适应系数KA1；当转速GenSpeed低于第二转速GenSpeed2时，最大加速度GenACCmax2取值到35rpm/s，由此得到模态自适应系数KA2，即模态自适应系数KA具有两种不同状态的计算和取值方式。
一种实施例参见图5，风向偏差自适应系数KB的确定方法包括：
S3221a、若有效风向偏差角α小于20度，则风向偏差自适应系数KB等于1；
S3222a、若有效风向偏差角α大于20度，则风向偏差自适应系数KB为：
KB＝ 1-(α-20度)/(αmax-20度)。 (4)
通常的，最大有效风向偏差角αmax会取到60度，因此公式(4)也可描述为：
KB＝ 1-(α-20度)/40度。 (4-1)
通过公式(4)或公式(4-1)获得的风向偏差自适应系数KB2基于有效风向偏差角的大小来确定，可以在有效风速较大时适当降低目标转速GenSpeedT，而在有效风速较小时适当提高目标转速GenSpeedT，从而在有效风速较大时消除环境影响。
一种实施例，根据发电机的型号不同，以及风力发电机组的工况不同，第一转速GenSpeed1和第一加速度GenACC1的设定可以在一定范围内进行调整。在本实施例中，第一转速GenSpeed1为发电机额定转速GenSpeedR的70％-85％，第一加速度GenACC1在30-50rpm/s之间调整；相应的，第二转速GenSpeed2为发电机额定转速GenSpeedR的100.5％-105％，第二加速度GenACC2在10-35rpm/s之间调整。
需要提出的是，虽然第一转速GenSpeed1、第二转速GenSpeed2、第一加速度GenACC1、第二加速度GenACC2等可以在一定范围内调整，但其取值一旦确定之后，在实际运用本方法的控制过程中却处于恒定状态。因为发电机的型号或工况不同的调整范围并非动态的调整范围。
一种实施例请参见图6，在步骤S40通过变桨系统基于目标转速GenSpeedT调整发电机的转速GenSpeed之后，还包括：
S50、确定到转速GenSpeed小于预设的第一退出转速GenSpeed01且加速度GenACC小于预设的第一退出加速度GenACC01，或转速GenSpeed小于预设的第二退出转速GenSpeed02且加速度GenACC小于预设的第二退出加速度GenACC02；
S60、采用比例积分控制方式(PI)控制转速GenSpeed。
通过本申请控制方法的提速或降速操作，当发电机的转速GenSpeed和加速度均达到一定的匹配程度后，已经确定风力发电机组不会出现不对称极限载荷，也能够避免过载停机的现象。此时无需再通过本申请控制方法来实时调整目标转速GenSpeedT。而是采用更为传统的比例积分控制方式等控制方法来调整发电机的转速GenSpeed，完成发电机在特定极限环境下的降载动作。
相似的，根据发电机的型号不同，以及风力发电机组的工况不同，第一退出转速GenSpeed01和第一退出加速度GenACC01的设定可以在一定范围内进行调整。第一退出转速GenSpeed01为发电机额定转速GenSpeedR的70％-85％，第一退出加速度GenACC01在20-35rpm/s之间调整；相应的，第二退出转速GenSpeed02为发电机额定转速GenSpeedR的95％-102％，第二退出加速度GenACC02在10-20rpm/s之间调整。
一种实施例，步骤S10同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度还包括：
对转速GenSpeed和旋转加速度GenACC进行滤波处理。
具体的，在监测过程中，受到高频信号干扰等影响，传感器获得的转速GenSpeed和旋转加速度GenACC值可能出现偏差。通过滤波消除相应偏差可以提高控制精度。滤波的方式很多，例如下述公式：
Y＝(Y1*(TF/TS-1)+X)/(TF/TS) (5)
其中，X——输入；Y——输出；Y1——上周期输出；TS——时间步长；TF——时间因子。
至此，本申请风力发电机组的逻辑控制图可以参见图7。在本申请控制方法中，为防止变桨系统的目标转速GenSpeedT频繁变化，当变桨系统的控制目标转速GenSpeedT发生变化以后，变桨系统的目标转速GenSpeedT应至少保持T秒，在T秒以后持续判断发电机转速GenSpeed和发电机转速加速度GenACC是否达到退出条件。也即周期性控制的必要性。通常的，T可以设置为2s。若达到退出条件，变桨系统的目标转速GenSpeedT按常规控制逻辑设定；若未达到退出条件，则继续维持现有变桨系统的目标转速GenSpeedT进行周期性控制，直至达到退出条件以后恢复到常规控制逻辑下的变桨目标转速。
参见图8-图10的控制效果对比。通过本申请控制方法控制的发电机转速GenSpeed的变化曲线(图中粗线)更加平滑。而叶根和塔顶的载荷受力情况也得到了有效改善，可以提升风力发电机组的可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种风力发电机组降载控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度；
确定到所述转速大于预设的第一转速且所述加速度大于预设的第一加速度，或所述转速大于预设的第二转速且所述加速度大于预设的第二加速度，其中，所述第一转速为所述发电机额定转速的70％-85％，所述第一加速度在30-50rpm/s之间；所述第二转速GenSpeed2为所述发电机额定转速的100.5％-105％，所述第二加速度在10-35rpm/s之间调整；
周期性设定目标转速；
通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述周期性设定所述目标转速，包括：
获得上一周期的所述目标转速；
确定当前变桨目标调节量；
基于所述上一周期的目标转速和所述变桨目标调节量的差值确定本周期内的所述目标转速。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述确定当前变桨目标调节量，包括：
确定变桨系统最大调节量；
分别确定模态自适应系数和风向偏差自适应系数；
设定所述最大调节量、所述模态自适应系数和所述风向偏差自适应系数的乘积作为所述变桨目标调节量。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述模态自适应系数的确定方法包括：
确定到所述转速与所述第一转速或所述第二转速的差值，与额定转速与所述第一转速或所述第二转速的差值之第一比值；以及
确定到所述加速度与所述第一加速度或所述第二加速度的差值，与最大加速度与所述第一加速度或所述第二加速度的差值的第二比值；
确定到所述第一比值与所述第二比值之和为所述模态自适应系数，且所述模态自适应系数不大于1。
5.根据权利要求3所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述风向偏差自适应系数的确定方法包括：
若有效风向偏差角α小于20度，则所述风向偏差自适应系数等于1；
若所述有效方向偏差角α大于20度，则所述风向偏差自适应系数为：“1-(α-20度)/40度”。
6.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述第一转速为所述发电机额定转速的70％-85％，所述第一加速度为30-50rpm/s；
所述第二转速为所述发电机额定转速的100.5％-105％，所述第二加速度为10-35rpm/s。
7.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，在所述通过变桨系统基于所述目标转速调整所述发电机的所述转速之后，还包括：
确定到所述转速小于预设的第一退出转速且所述加速度小于预设的第一退出加速度，或所述转速小于预设的第二退出转速且所述加速度小于预设的第二退出加速度；
采用比例积分控制方式控制所述转速。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述第一退出转速为所述发电机额定转速的70％-85％，所述第一退出加速度为20-35rpm/s；
所述第二退出转速为所述发电机额定转速的95％-102％，所述第二退出加速度为10-20rpm/s。
9.根据权利要求1所述的风力发电机组降载控制方法，其特征在于，所述同时监测发电机的旋转转速和旋转加速度包括：
对所述转速和所述旋转加速度进行滤波处理。
10.一种风力发电机组，其特征在于，采用如权利要求1-9所述的风力发电机组降载控制方法进行控制。
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