CN110630438B - 一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置 - Google Patents

一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置，实时获取当前的风速和风向数据以计算机舱的对风偏差；若机舱的对风偏差大于第一对风偏差限定值，则启动对风偏航；在对风偏航启动后的设定时间阈值内，实时判断当前的对风偏差是否大于第二对风偏差限定值，第二对风偏差限定值大于第一对风偏差限定值；若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，对风偏差始终不大于第二对风偏差限定值，则当达到对风偏航启动后的所述设定时间阈值后，若机舱的对风偏差仍大于第一对风偏差限定值，则再次启动对风偏航。本发明减少了偏航启动的次数，有效避免了机组频繁偏航导致的机舱振动大、偏航驱动系统寿命降低的问题。

Description

一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置，属于风力发电技术领域。
背景技术
偏航控制系统是根据风向偏差运行的系统，当风机实际位置与来风存在偏差时，为了最大获取来风中的能量，需保证风机始终处于迎风位置。但是，随着风电产业的发展，地势平坦、年平均风速高的优质风资源已经大量减少，越来越多的风场建设在地形比较复杂、湍流较大、风向变化快且范围大的山区。由于风力发电机组风轮需要保持迎风状态才能获取更多的风能，现有的偏航控制方法通常是若当前偏差角度大于预先设定值，则需要启动偏航，这样当风向频繁变化且波动范围大时，就会出现前一次偏航刚刚结束就需要启动下一次偏航的情况，导致机组需要频繁地进行偏航对风。
但是，机组频繁偏航会使偏航驱动系统的电气部件及机械部件寿命降低，增加维护成本。同时，由于机舱和风轮转动惯量较大，机组偏航在启动和停止时，会对机组产生较大的冲击，使机舱振动加大，导致机组载荷增加，影响机组使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机组的偏航系统的控制方法及装置，用于解决机组频繁偏航导致的机舱振动大、偏航驱动系统寿命降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种风力发电机组的偏航系统的控制方法，步骤如下：
实时获取当前的风速和风向数据，并根据风速和风向数据计算机舱的对风偏差；
判断机舱的对风偏差是否大于第一对风偏差限定值，若机舱的对风偏差大于第一对风偏差限定值，则启动对风偏航；
在对风偏航启动后的设定时间阈值内，实时判断当前的对风偏差是否大于第二对风偏差限定值，第二对风偏差限定值大于第一对风偏差限定值；
若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，对风偏差始终不大于第二对风偏差限定值，则当达到对风偏航启动后的所述设定时间阈值后，若机舱的对风偏差仍大于第一对风偏差限定值，则再次启动对风偏航。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种风力发电机组的偏航系统的控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令，以实现上述的风力发电机组的偏航系统的控制方法。
本发明的有益效果是：在某次对风偏航启动后，设定在偏航启动后的设定时间阈值内，若对风偏差始终不大于某一对风偏差限定值，则不会再次启动对风偏航，只有达到偏航启动后的设定时间阈值后，才会再次启动对风偏航，这样就减少了偏航启动的次数，有效避免了机组频繁偏航导致的机舱振动大、偏航驱动系统寿命降低的问题。
进一步的，为了对极端阵风工况下的机组进行停机保护，降低机组载荷，还包括：实时判断机舱的对风偏差是否大于偏差角阈值，若大于偏差角阈值，则控制风电机组停机。
进一步的，为了避免偏航对风时，扭揽路径过大而对偏航系统造成损坏，还包括：实时判断机舱的对风偏差是否大于第三对风偏差限定值，若大于第三对风偏差限定值，则控制选择最小扭揽路径启动偏航对风，所述第三对风偏差限定值大于第二对风偏差限定值。
进一步的，为了在对风偏差较大时及时进行对风偏航以提高发电效率，还包括：若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，若对风偏差大于第二对风偏差限定值，则立即再次启动对风偏航。
进一步的，为了准确获取对风偏差，以提高控制可靠性，所述根据风速和风向数据计算机舱的对风偏差的步骤为：
根据风速数据，计算在第一设定时间内的风速平均值，根据风向数据，计算在第二设定时间内的风向平均值；
将在第一设定时间内的风速平均值代入到第一滤波时间函数中，计算出机舱对风偏差滤波时间；
根据机舱初始位置、在第二设定时间内的风向平均值以及机舱对风偏差滤波时间，计算风向值；
根据机舱初始位置与风向值之间的差值，确定机舱的对风偏差。
进一步的，为了获取合适的偏差角阈值以提高机组保护的可靠性，所述偏差角阈值的获取步骤为：
根据风速数据，计算在第三设定时间内的风速平均值；
将在第三设定时间内的风速平均值代入到第二滤波时间函数中，得到偏差角阈值。
进一步的，第一对风偏差限定值的取值范围为12～15deg，第二对风偏差限定值的取值范围为20～25deg，第三对风偏差限定值的取值范围为100～155deg，偏差角阈值的取值范围为30～60deg。
进一步的，第一设定时间的取值范围为3min～6min，第二设定时间的取值范围为5s～6s。
进一步的，设定时间阈值为机舱对风偏差滤波时间的2倍。
附图说明
图1是本发明的风力发电机组的偏航系统的控制方法的控制逻辑图；
图2是本发明的最小扭揽路径的确定方式原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
风力发电机组的偏航系统的控制方法实施例：
本实施例提供了一种风力发电机组的偏航系统的控制方法，可根据风场实际风况对机组的偏航进行调整，可有效降低复杂地形风场机组的偏航次数，并对极端阵风工况下的机组进行停机保护，降低了机组载荷。该控制方法对应的控制逻辑图如图1所示，包括以下步骤：
(1)实时获取当前的风速和风向数据，并根据风速和风向数据计算机舱的对风偏差。
其中，在步骤(1)中，为了实时获取当前的风速和风向数据，可以在机舱外部或轮毂中心安装测风仪，该测风仪以Tf为时间间隔采集风速和风向数据，Tf的取值范围为20ms～100ms。对测风仪测得的风速和风向数据进行预处理，剔除异常跳变数据，根据预处理后的风速和风向数据，计算机舱的对风偏差的步骤为：
1.1)根据风速数据，计算在第一设定时间T0内的风速平均值Vt0，根据风向数据，计算在第二设定时间T1内的风向平均值α1。
其中，将风速数据输入到第一低通滤波器中，并以第一设定时间T0作为第一低通滤波器的时间常数，第一低通滤波器的输出值即为在第一设定时间T0内的风速平均值Vt0。将风向数据输入到第二低通滤波器中，并以第二设定时间T1作为第二低通滤波器的时间常数，第二低通滤波器的输出值即为在第二设定时间T1内的风向平均值α1。第一设定时间T0的取值范围为3min～6min，第二设定时间T1的取值范围为5s～6s。在本实施例中，第一设定时间T0取为5min，第二设定时间T1取为5s。
1.2)将在第一设定时间T0内的风速平均值Vt0代入到滤波时间函数f1(V)中，计算出机舱对风偏差滤波时间Tlowf。
其中，滤波时间函数f1(V)是一个风速-时间分段函数，用于计算不同风速条件下的风速偏差滤波器的滤波时间常数，该风速-时间分段函数是根据风力发电机组的整机特性及应用环境的湍流强度Iref来确定的，分段函数的限值与风力发电机组的整体特性有关，需综合考虑实际应用工况中机组的各部件的载荷及强度范围，确定各分段函数的起始点及限值。当机组应用于复杂地形风电场时，湍流较大，需对分段函数的限值进行修正。在低于切入风速情况下，f1(V)需设定最小保护值。
具体的，滤波时间函数f1(V)的确定过程为：根据经验值，确定分段函数的三个端点的横纵坐标；根据机组各部件的载荷及强度情况，对确定的横纵坐标进行不断迭代更新，直至机组各部件的载荷满足设计要求。在本实施例中，最终确定的分段函数的三个端点的坐标分别为(3,120)、(9,60)和(20,10)。当风速低于切入风速3m/s时，设定最小保护值为120s。
1.3)根据机舱初始位置α0、风向平均值α1以及机舱对风偏差滤波时间Tlowf，计算风向值α2。
其中，机舱初始位置α0是指机舱未偏航前的初始位置。将机舱初始位置α0与风向平均值α1之和作为风速偏差滤波器的输入，并将机舱对风偏差滤波时间Tlowf作为该风速偏差滤波器的时间常数，风速偏差滤波器的输出值即为风向值α2。该风速偏差滤波器实际上是一个低通滤波器，风向值α2为机舱初始位置α0与风向平均值α1之和在机舱对风偏差滤波时间Tlowf内的平均值。
1.4)根据机舱初始位置α0与风向值α2之间的差值Δα，确定机舱的对风偏差。
其中，对机舱初始位置α0与风向值α2之差Δα取绝对值，即可得到机舱的对风偏差|Δα|。
(2)根据机舱的对风偏差|Δα|的大小，确定机组是否需要偏航或进行停机保护，此时分为三种情况：
情况1：若对风偏差|Δα|大于第一对风偏差限定值Δαlim1，则启动对风偏航。在对风偏航启动后的设定时间阈值内，实时判断当前的对风偏差是否大于第二对风偏差限定值。若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，对风偏差始终不大于第二对风偏差限定值Δαlim2，则当达到对风偏航启动后的设定时间阈值时，若此时的对风偏差大于第一对风偏差限定值Δαlim1，再次启动对风偏航。若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，一旦出现对风偏差大于第二对风偏差限定值Δαlim2，则立即启动对风偏航。
其中，在本实施例中，当对风偏差|Δα|大于第一对风偏差限定值Δαlim1时，则启动偏航，在机舱旋转|Δα|角度后，停止偏航对风。同时启动禁止连续偏航定时器TOF，定时器的时间长度为2*Tlowf。在定时器TOF未记满前，持续判断机舱的对风偏差|Δα|是否超过第二对风偏差限定值Δαlim2，如果超过第二对风偏差限定值Δαlim2，则定时器停止计时，立即开始第二次偏航；若未超过第二对风偏差限定值Δαlim2时，需等待计时器记满后，方可开始第二次偏航，此时风向偏差限定值为Δαlim1。
情况2：若机舱的对风偏差|Δα|大于第三对风偏差限定值Δαlim3，则确定风从机舱尾部吹来，需选择最小扭揽路径，立即启动偏航，完成对风。其中，最小扭揽路径就是以最少的扭揽角度偏航，达到目标位置的路径。如图2所示：黑色实线为已经扭揽的角度，超过360度，如果风从尾部吹来，则沿虚线路径到达目标位置，而非点画线路径。
情况3：若机舱的对风偏差|Δα|大于偏差角阈值Δαmax，则控制系统执行停机保护，控制风电机组停机。
其中，在情况3中，偏差角阈值Δαmax的获取步骤为：根据风速数据，计算在第三设定时间T2内的风速平均值Vt2。即将风速数据输入到第三低通滤波器中，并以第三设定时间T2作为第三低通滤波器的时间常数，第三低通滤波器的输出值即为在第三设定时间T2内的风速平均值Vt2。第三设定时间T2的取值范围为20～60s，在本实施例中，第三设定时间T2的取值为60s。
根据风力发电机组的整机特性及应用环境的湍流强度Iref，确定滤波时间函数f2(V)，滤波时间函数f2(V)是一个偏差角-时间分段函数。f2(V)与f1(V)的获取方式一样，根据经验值确定f2(V)的起始值及限值，并根据机组各部件的载荷及强度进行多次迭代。在低于切入风速情况下，f2(V)需设定最大保护限值，f2(V)的最大保护限值的初始经验值为60deg。将在第三设定时间T2内的风速平均值Vt2代入到滤波时间函数f2(V)中，得到偏差角阈值Δαmax。其中，偏差角阈值Δαmax的取值范围为30～60deg。
在上述的三种情况中，三个对风偏差限定值，Δαlim1、Δαlim2、Δαlim3为一个固定值，不随风速变化而变化，且满足第三对风偏差限定值Δαlim3>第二对风偏差限定值Δαlim2>第一对风偏差限定值Δαlim1。其中，第一对风偏差限定值Δαlim1的取值范围为12～15deg，第二对风偏差限定值Δαlim2的取值范围为20～25deg，第三对风偏差限定值Δαlim3的取值范围为100～155deg。
风力发电机组的偏航系统的控制装置实施例：
本实施例提供了一种风力发电机组的偏航系统的控制装置，包括处理器和存储器，处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现风力发电机组的偏航系统的控制方法实施例中的风力发电机组的偏航系统的控制方法。对于本领域的技术人员来讲，可以根据该风力发电机组的偏航系统的控制方法，得到相应的计算机指令，以获取该风力发电机组的偏航系统的控制装置，此处不再赘述。
最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，步骤如下：
实时获取当前的风速和风向数据，并根据风速和风向数据计算机舱的对风偏差；
判断机舱的对风偏差是否大于第一对风偏差限定值，若机舱的对风偏差大于第一对风偏差限定值，则启动对风偏航；
在对风偏航启动后的设定时间阈值内，实时判断当前的对风偏差是否大于第二对风偏差限定值，第二对风偏差限定值大于第一对风偏差限定值；
若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，对风偏差始终不大于第二对风偏差限定值，则当达到对风偏航启动后的所述设定时间阈值后，若机舱的对风偏差仍大于第一对风偏差限定值，则再次启动对风偏航；还包括：若在对风偏航启动后的设定时间阈值内，若对风偏差大于第二对风偏差限定值，则立即再次启动对风偏航。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，还包括：实时判断机舱的对风偏差是否大于偏差角阈值，若大于偏差角阈值，则控制风电机组停机。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，还包括：实时判断机舱的对风偏差是否大于第三对风偏差限定值，若大于第三对风偏差限定值，则控制选择最小扭揽路径启动偏航对风，所述第三对风偏差限定值大于第二对风偏差限定值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，所述根据风速和风向数据计算机舱的对风偏差的步骤为：
根据风速数据，计算在第一设定时间内的风速平均值，根据风向数据，计算在第二设定时间内的风向平均值；
将在第一设定时间内的风速平均值代入到第一滤波时间函数中，计算出机舱对风偏差滤波时间；
根据机舱初始位置、在第二设定时间内的风向平均值以及机舱对风偏差滤波时间，计算风向值；
根据机舱初始位置与风向值之间的差值，确定机舱的对风偏差。
5.根据权利要求2所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，所述偏差角阈值的获取步骤为：
根据风速数据，计算在第三设定时间内的风速平均值；
将在第三设定时间内的风速平均值代入到第二滤波时间函数中，得到偏差角阈值。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，第一设定时间的取值范围为3min～6min，第二设定时间的取值范围为5s～6s。
7.根据权利要求4所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法，其特征在于，设定时间阈值为机舱对风偏差滤波时间的2倍。
8.一种风力发电机组的偏航系统的控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令，以实现权利要求1-7中任一项所述的风力发电机组的偏航系统的控制方法。
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