CN110374807B - 风力发电机组软停机控制方法及风力发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组软停机控制方法，当确定到当前环境进入启动停机模式时，实时监测发电机的当前转速，然后基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率方式降速，并基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩。因为发电机的转速和发电机矩都更细致的划分为两个阶段来进行，可以更多的基于实时参数或启动停机时的参数来调整发电机的转速和转矩。相较于现有技术中固定参数来控制停机的方式，本控制方法能更平稳的同时控制发电机转速和转矩，避免出现风轮左右受力不平衡而造成的不对称极限载荷，防止所述风力发电机组零部件损坏。

Description

风力发电机组软停机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停机控制方法，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，且同时伴有剧烈风向变化的极限风况环境下，风力发电机组因风向偏差过大而触发停机模式，发电机转矩降低，且变桨系统照固定速率对发电机降速并顺桨。此时容易出现风力发电机组的叶根和塔顶不对称极限载荷，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软停机控制方法，通过实时调整发电机转速和转矩的控制策略，来平滑发电机的停机曲线，避免产生过大的不对称极限载荷。本申请具体包括如下方案：

一种风力发电机组软停机控制方法，包括如下步骤：

确定到当前环境进入启动停机模式；

监测发电机当前转速；

基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率方式降速；

基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩。

其中，所述确定到当前环境进入启动停机模式，包括

同时监测风向偏差和风速；

对所述风向偏差滤波得到所述有效风向偏差，对所述风速滤波得到所述有效风速。

确定所述有效风速对应的所述有效风向偏差绝对值大于预设的风向偏差值。

其中，所述基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降速方式和比例积分方式降速，包括：

确定到发电机转速高于预设的第一转速时，通过周期性固定降速方式控制所述发电机降低转速；

确定到发电机转速低于预设的第一转速时，通过恒定变桨速率控制所述发电机降低转速至变桨系统顺桨至90度。

其中，所述通过周期性固定降速方式控制所述发电机降低转速，包括：

确定初始目标转速；

调用上一周期的目标转速；

确定所述上一周期的目标转速减去转速调整值的差值为本周期的所述目标转速。

其中，基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩，包括：

确定到发电机转速高于预设的脱网转速时，通过周期性固定降转矩方式控制所述发电机降低转矩；

确定到发电机转速低于预设的脱网转速时，通过比例积分方式控制所述发电机降低转矩至零。

其中，所述通过周期性固定降转矩方式控制所述发电机降低转矩，包括：

确定转矩控制系数；

基于所述转矩控制系数和当前发电机转速确定所述转矩变化值。

其中，所述确定转矩控制系数包括：

监测发电机启动所述停机模式的起始转速和发电机起始转矩；

基于所述起始转速和所述发电机起始转矩确定所述转矩控制系数。

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软停机控制方法进行控制。

本发明提供的风力发电机组软停机控制方法，在确定到当前环境进入启动停机模式时，实时监测发电机的当前转速，然后基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率降速，并基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩。因为发电机的转速和发电机矩都更细致的划分为两个阶段来进行，可以更多的基于实时参数或启动停机时的参数来调整发电机的转速和转矩。相较于现有技术中固定参数来控制停机的方式，本控制方法能更平稳的同时控制发电机转速和转矩，避免出现风轮左右受力不平衡而造成的不对称极限载荷，防止所述风力发电机组零部件损坏。

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软停机控制方法的流程图；

图2为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S10的子步骤流程图；

图3为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S30的子步骤流程图；

图4为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S31的子步骤流程图；

图5为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S40的子步骤流程图；

图6为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S41的子步骤流程图；

图7为本发明风力发电机组软停机控制方法中步骤S411的子步骤流程图；

图8为本发明风力发电机组软停机控制方法的逻辑图；

图9为本发明风力发电机组的变桨系统参考转速对比图；

图10为本发明风力发电机组的变桨系统变桨角度对比图；

图11为本发明风力发电机组的发电机转速对比图；

图12为本发明风力发电机组软停机控制方法的轮毂中心载荷对比图；

图13为本发明风力发电机组软停机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软停机控制方法，包括如下步骤：

S10、确定到当前环境进入启动停机模式；

S20、监测发电机当前转速GenSpeed；

S30、基于转速GenSpeed控制发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率降速；

S40、基于转速GenSpeed控制发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩Tgen。

具体的，请参见图2，在步骤S10中，确定到当前环境进入启动停机模式，包括

S11、同时监测风向偏差WDDegree0和风速WS0；

S12、对风向偏差WDDegree0滤波得到有效风向偏差WDDegree，对风速WS0滤波得到有效风速WS。

S13、确定有效风速WS对应的有效风向偏差WDDegree绝对值大于预设的风向偏差值WDDegree1。

对于本申请风力发电机组的环境描述，通过有效风向偏差WDDegree和有效风速WS可以完成。在特定的有效风速WS下，都对应有一个预设的最大允许风向偏差值WDDegree1。该预设的风向偏差值WDDegree1可用于判定当前有效风速WS下是否出现了极限相干阵风。当有效风向偏差WDDegree的绝对值(即无论风向正反)大于预设的风向偏差值WDDegree1时，可以判断到风力发电机组进入了极限相干阵风的环境中，需要启动停机模式进行停机顺桨。

停机顺桨的过程中也需要实时监测发电机的转速GenSpeed，以分别基于发电机当前转速GenSpeed来分别控制发电机的转矩Tgen下降，以及通过变桨系统控制发电机的转速GenSpeed。相较于全程使用比例积分控制方式改变力矩，以及采用恒定变桨速率降速的现有技术，本申请分别通过发电机的实时转速GenSpeed来调整恒定变桨速率和比例积分控制方式的介入阶段。而在恒定变桨速率和比例积分控制方式未介入的阶段，更多引进外部参数来实时控制发电机的转矩Tgen通过周期性固定降转矩方式降低转矩Tgen，以及通过周期性固定降速的方式来降低转速GenSpeed。对于转矩Tgen，联系到风力发电机组的变频器。在降低转矩Tgen的过程中需要先基于外部参数缓慢降低，保证变频器的功率接收，然后在变频器脱网之后再将转矩Tgen完全降至零。而对于发电机的转速GenSpeed，则需要先通过周期性固定降速的方式进行较缓慢的降速，然后在变桨系统角度升高之后再通过恒定变桨速率快速降速，避免出现极限冲击载荷。相较于全程使用恒定变桨速率控制方式的现有技术，本申请因为转矩Tgen和转速GenSpeed各自的工作特性差异，来分阶段的控制发电机的工作状态，可以获得更好的停机效果。

另一方面，在风力发电机组工作环境的监测过程中，受到高频信号等干扰的影响，传感器获得的风向偏差WDDegree0和风速WS0可能出现偏差。通过滤波消除相应偏差可以获得更准确描述环境参数的有效风向偏差WDDegree和风速WS。避免误触发停机模式的情况发生。

一种实施例请参见图3，步骤S30中基于转速GenSpeed控制发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率降速，包括如下子步骤：

S31、确定到发电机转速GenSpeed高于预设的第一转速GenSpeed1时，通过周期性固定降速方式控制发电机降低转速；

S32、确定到发电机转速GenSpeed低于预设的第一转速GenSpeed1时，通过恒定变桨速率方式控制发电机降低转速GenSpeed至变桨系统顺桨至90度。

具体的，对于发电机转速GenSpeed的控制目标为变桨系统顺桨至90度。通过预设的第一转速GenSpeed1来进行控制阶段的切换。对于转速GenSpeed调整幅度较大的恒定变桨速率方式控制阶段，与现有技术中的控制方式相同。而对于调整幅度相对较小的周期性固定降速方式降速阶段，可以参见图4的实施例，步骤S31中通过周期性固定降速方式控制所述发电机降低转速GenSpeed，包括：

S311、确定初始目标转速PitchRefSpeedT；

S312、调用上一周期的目标转速GenSpeedTL；

S313、确定所述上一周期的目标转速GenSpeedTL减去转速调整值的差值Prsd为本周期的所述目标转速GenSpeedT。

具体的，作为周期性的调整发电机目标转速GenSpeedT，需要一个基准的初始目标转速PitchRefSpeedT。初始目标转速PitchRefSpeedT可以采用下述公式(1)来确定：

PitchRefSpeedT＝Min(GenSpeedR,GenSpeed-GSDI) (1)

其中，GSDI作为一个常规变量，根据发电机的型号不同，以及风力发电机组的工况不同，取值范围可以设定在50rpm-100rpm之间。即发电机当前转速GenSpeed与GSDI的差值，与发电机的额定转速GenSpeedR之间取更小的值来作为初始目标转速PitchRefSpeedT。然后，将每一周期内的目标转速GenSpeedT设定为上一周期目标转速GenSpeedT减去固定转速差值Prsd，来不停减小目标转速GenSpeedT，达到减小风力发电机组负载的目的。即公式：

GenSpeedT＝ GenSpeedTL-Prsd (2)

固定转速差值Prsd也可以根据发电机的型号不同，以及风力发电机组的工况不同，取值范围可以设定在40rpm-200rpm之间。

需要提出的是，第一转速GenSpeed1需要结合发电机的额定转速GenSpeedR来确定。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通常可以取到发电机额定转速的50％-65％范围内。也即下述的公式：

GenSpeed1＝(50％-65％)*GenSpeedR (3)

在发电机转速GenSpeed高于预设的第一转速GenSpeed1的阶段，通过控制变桨系统周期性的逐步调整发电机的转速GenSpeed，使得发电机更平稳的降速并实现顺桨，避免产生不对称极限载荷。

一种实施例请参见图5，步骤S40中基于转速GenSpeed控制发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩Tgen，包括：

S41、确定到发电机转速GenSpeed高于预设的脱网转速GenSpeed2时，通过周期性固定降转矩方式控制发电机降低转矩Tgen；

S42、确定到发电机转速低于GenSpeed预设的脱网转速时GenSpeed2，通过比例积分方式控制发电机降低转矩Tgen至零。

具体的，脱网转速GenSpeed2属于风力发电机组的固有参数，每一台风力发电机组都预设有固定的脱网转速GenSpeed2。在发电机转速高于GenSpeed脱网转速GenSpeed2时，因为变频器与电网的连接，使得发电机持续与电网连接。此时需要减低发电机的转矩，避免电压出现太大的波动。而当发电机转速低于GenSpeed脱网转速GenSpeed2后，变频器会与电网脱网，此时可以较大幅度的控制发电机的转矩降低，而不用考虑对电网的影响。

一种实施例请参见图6，步骤S41确定到发电机转速GenSpeed高于预设的脱网转速GenSpeed2时，通过周期性固定降转矩方式控制发电机降低转矩Tgen，包括：

S411、确定转矩控制系数KA；

S412、基于所述转矩控制系数KA和当前发电机转速GenSpeed确定转矩变化值Tgen1。

具体的，转矩变化值Tgen的确定，可以根据当前的发电机转速GenSpeed来进行。参见公式(3)

Tgen1＝KA*GenSpeed*GenSpeed (3)

通过转矩控制系数KA和当前转速，来调整发电机的转矩输出，避免输出功率过大，造成风力发电机组的损坏。

一种实施例请参见图7，步骤S411中确定转矩控制系数KA包括：

S4111、监测发电机启动停机模式的起始转速GenSpeed0和发电机起始转矩Tgen0；

S4112、基于起始转速GenSpeed0和发电机起始转矩Tgen0确定转矩控制系数KA。

具体请参见公式(4)：

KA＝ Tgen0/(GenSpeed0*GenSpeed0) (4)

对于发电机起始转速GenSpeed0和发电机起始转矩Tgen0的确定，在启动停机的时刻已经完成。因此可以在启动停机的时刻就得到转矩控制系数KA，并在降速的过程中沿用转矩控制系数KA来实现对发电机的降速。

当然，在监测发电机起始转速GenSpeed0和发电机起始转矩Tgen0时，还可以通过滤波处理来获得更准确的起始转速GenSpeed0和起始转矩Tgen0，进而获得更准确的转矩控制系数KA。

至此，本申请风力发电机组的逻辑控制图可以参见图8。在本申请控制方法中，为防止变桨系统的目标转速GenSpeedT的频繁变化，当变桨系统的控制目标转速GenSpeedT发生变化以后，或发电机转矩Tgen发生变化后，变桨系统的目标转速GenSpeedT或发电机转矩Tgen应至少保持T秒，在T秒以后持续判断发电机转速GenSpeed和相较于第一转速GenSpeed1或脱网转速GenSpeed2是否匹配转换控制方式的条件。也即周期性控制的必要性。通常的，T可以设置为1-3s。若未达到转换控制方式的条件，变桨系统的目标转速GenSpeedT和发电机转矩Tgen均按本申请的控制逻辑周期性设定；若达到转换控制方式的条件，则引入恒定变桨速率控制的方式来进行控制，直至完成顺桨，完成风力发电机组的停机过程。

参见图9-图13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和变桨系统工作的变化曲线(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 (5)

1.一种风力发电机组软停机控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

同时监测风向偏差和风速；对所述风向偏差滤波得到有效风向偏差，对所述风速滤波得到有效风速；确定所述有效风速对应的所述有效风向偏差绝对值大于预设的风向偏差值后，确定到当前环境进入启动停机模式；

监测发电机当前转速；

基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降速方式和恒定变桨速率方式降速；其中，确定到发电机转速高于预设的第一转速时，通过周期性固定降速方式控制所述发电机降低转速；其中，确定初始目标转速；调用上一周期的目标转速；确定所述上一周期的目标转速减去转速调整值的差值为本周期的所述目标转速；确定到发电机转速低于预设的第一转速时，通过恒定变桨速率控制所述发电机降低转速至变桨系统顺桨至90度；

基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组软停机控制方法，其特征在于，基于所述转速控制所述发电机先后通过周期性固定降转矩方式和比例积分方式降低转矩，包括：

确定到发电机转速高于预设的脱网转速时，通过周期性固定降转矩方式控制所述发电机降低转矩；

确定到发电机转速低于预设的脱网转速时，通过比例积分方式控制所述发电机降低转矩至零。

3.根据权利要求2所述的风力发电机组软停机控制方法，其特征在于，所述通过周期性固定降转矩方式控制所述发电机降低转矩，包括：

确定转矩控制系数；

基于所述转矩控制系数和当前发电机转速确定所述转矩变化值。

4.根据权利要求3所述的风力发电机组软停机控制方法，其特征在于，所述确定转矩控制系数包括：

监测发电机启动所述停机模式的起始转速和发电机起始转矩；

基于所述起始转速和所述发电机起始转矩确定所述转矩控制系数。

5.一种风力发电机组，其特征在于，采用如权利要求1-4所述的风力发电机组软停机控制方法进行控制。

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