CN111075651A - 风电机组的极限载荷降低方法及系统 - Google Patents

风电机组的极限载荷降低方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种风电机组的极限载荷降低方法及系统。所述方法包括：当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值；维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间；将桨角控制到根据风速计算得到的最小桨角的数值上。本发明提供的风电机组的极限载荷降低方法及系统能够实现对风电机组的极限载荷的有效控制。

Description

风电机组的极限载荷降低方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组的极限载荷降低方法及系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，变速变桨风力发电机组在行业内应用越来越广泛。PI控制最为工业生产中最常用的一种控制方式也在变速变桨风力发电机组中得到广泛使用。在风速风向急剧变化过程中，PI输出响应的滞后性会导致发电机转子超速，如果不采取额外措施风机载荷很会超过设计极限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组的极限载荷降低方法及系统，能够实现对风电机组的极限载荷的有效控制。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种风电机组的极限载荷降低方法，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，所述方法包括：当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值；维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间；将桨角控制到根据风速计算得到的最小桨角的数值上。
在一些实施方式中，检测风机转速快速变化，包括：根据如下公式确定风机转速：
ωn′＝ωn-ωn-t0
ωn″＝ωn′-ωn-t1′
其中，ωn表示当前测量转速，ωn-t0表示t0毫秒之前的测量转速，ωn′用于描述测量转速在t0时间段的增量，ωn-t1′表示ωn′在t1毫秒之前的值，ωn″表示ωn′在t1时间段的增量。
在一些实施方式中，检测风机转速快速变化，还包括：
如果满足如下公式，则启动计时：
ωn′＞ω0′
ωn″＞ω0″
其中，ω0′及ω0″为策略触发上限。
在一些实施方式中，ω0′与ω0″使用GH Bladed软件根据ECD风况进行仿真确定值的大小。
在一些实施方式中，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值，包括：根据如下公式将控制目标转速降低指定的数值：
ωe′＝ωe-ω0
其中，ωe为原始的控制目标转速，ωe′为降低后的控制目标转速，ω0为调整值。
在一些实施方式中，ω0的具体数值根据ECD风况的仿真结果确定。
在一些实施方式中，维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间，包括：根据如下公式确定是否将降低后的变桨PI控制的控制目标转速维持指定的时间：
A＝f(t-T′)
其中，t是当前时间；当t的取值大于T′时，A的取值为1；当t的取值小于T′时，A的取值为0；维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间，还包括：根据如下公式将降低后的变桨PI控制的控制目标转速维持指定的时间：
AT″＝m(A)
其中，AT″＝m(A)实现延时功能，若A为真，那么AT″在时间T″内为1，其他时间保持0。
在一些实施方式中，最小桨角根据如下公式确定：
Anglemin＝k(S-S0)+Angle0
Pout′＝max(Anglemin,Pout)
Pout＝Pout′
其中，Anglemin为风速对应的桨角，S为测得得风速值，S0为风速偏置值，Angle0为桨角偏置值，Pout为传给变桨执行器的桨角，k为固定线性增益系数。
此外，本发明还提供了一种风电机组的极限载荷降低系统，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，所述系统包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据前文所述的风电机组的极限载荷降低方法。
此外，本发明还提供了一种风电机组的极限载荷降低系统，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，所述系统包括：降速控制组件，用于当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值，以及维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间；变桨控制组件，用于根据风速计算最小桨角；变桨执行机构，用于在所述变桨控制组件的控制下，将桨角控制到所述最小桨角的数值上。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
通过调整PI控制器目标值加快变桨控制器对风速的响应时间和根据风速线性确定最小桨角相结合的方法，能够大幅度降低风力发电机组极限载荷，尤其是叶根Mz方向的极限载荷。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例提供的风电机组的极限载荷降低方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的风电机组的极限载荷降低方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的桨角随风速变化效果示意图；
图4是本发明实施例提供的风电机组的极限载荷降低系统的结构图；
图5是本发明实施例提供的风电机组的极限载荷降低系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明风电机组的极限载荷降低方法的流程图。本发明提供的风电机组的极限载荷降低方法能够在ECD风况下降低极限载荷。参见图1，风电机组的极限载荷降低方法包括：
S11，当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值。
S12，维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间。
S13，将桨角控制到根据风速计算得到的最小桨角的数值上。
当检测到测量转速快速变化，且变化超过给定值后持续时间，那么将变桨PI控制的目标转速降低并持续一段固定的时间，这时变桨执行机构将产生收桨动作，等到转速呈现下降趋势，由于变桨PI控制的作用，变桨执行机构将产生收桨动作。随着风速风向增大，桨角将会停在根据风速算得到的桨角的位置。
图1提供的风电机组的极限载荷降低方法的优点在于：通过调整PI控制器目标值，加快变桨控制器对风速的响应时间，再同根据风速线性确定最小桨角相结合，能够大幅度降低风力发电机组极限载荷，尤其是叶根Mz方向的极限载荷。
图2是本发明风电机组的极限载荷降低方法的流程图。参见图2，风电机组的极限载荷降低方法包括：
S201，计算风机转速的快速变化。
运行如下公式的计算，以便判断风机转速是否出现了快速变化。
ωn′＝ωn-ωn-t0
ωn″＝ωn′-ωn-t1′
其中，ωn表示当前测量转速，ωn-t0表示t0毫秒之前的测量转速，ωn′用于描述测量转速在t0时间段的增量，ωn-t1′表示ωn′在t1毫秒之前的值，ωn″表示ωn′在t1时间段的增量。
S202，判断计算得到的ωn′及ωn″，是否满足ωn′＞ω0′及ωn″＞ωn″，如果满足，则执行S203，如果不满足，则执行S207。
如果公式ωn′＞ω0′及ωn″＞ωn″均得到了满足，则应该启动计时。
其中,ω0′、ω0″为策略触发下限值，使用GH Bladed软件根据ECD风况进行仿真确定值的大小。
S203，计算计时函数的取值。
计时函数具有如下形式：
A＝f(t-T′)
计时函数实现了当计时t大于T′，A为真(用1表示)，当计时t小于T′时A为假(用0表示)的功能。
S204，判断计时函数的取值是否为真，如果为真，则执行S205，如果为假，则执行S207。
S205，调用上升沿延时功能。
使用延时函数实现上升沿延时功能。具体的，延时函数具有如下形式：
AT″＝m(A)
若A为真，那么在T″时间内AT″为1，其他时间保持0。
S206，判断延时函数的取值是否为真，如果为真，则执行S208，如果为假，则执行S207。
S207，不调整变桨PI控制器。
S208，调整变桨PI控制器。
根据下述公式进行变桨PI控制器的调整：
ωe′＝ωe-AT″ω0
ωe＝ωe′
en＝ωr-ωe
Pn′＝Kp(en-en-1)+Kien
其中，Pn′为增量式变桨PI输出结果，Kp为比例系数，Ki为积分系数，ω0为固定正整数，使用GH Bladed软件根据ECD风况仿真结果确定ω0值的大小。ωe为变桨PI控制器目标值，当AT″为0时ωe保持不变，当AT″为1时ωe被调整为ωe-ω0。
S209，根据风速确定最小桨角。
如果桨角不加限制，PI控制器会将桨角推到最佳桨角，此时在ECD风况下载荷会很大。采用根据风速计算的值作为最小桨角，该方法将限制PI控制器的推桨执令。
根据下述公式计算最小桨角：
Anglemin＝k(S-S0)+Angle0
Pout′＝max(Anglemin,Pout)
Pout＝Pout′
其中，Anglemin为风速对应的桨角，S为测得得风速值，S0为风速偏置值，Angle0为桨角偏执值，Pout为传给变桨执行器的桨角，k为固定线性增益系数，此线性曲线的确定应低于稳态风速对应的桨角。
完成最小桨角的计算之后，控制变桨执行机构将桨角调整至最小桨角。
经过图2示出的上述的各个步骤的操作之后，风电机组在ECD风况下的极限载荷大大降低。图3示出了桨角随风速变化效果示意图。参见图3，图中虚线示意了风速变化趋势，实线是桨角的变化。在A点检测到转速急剧增加，变桨PI的目标值改变，桨角开始增大，在B点已经时间已过，由于风向角变大，发电机转速变低，导致C点开始快速收桨，又由于风速的变大，桨角被卡在D点。
而且，采用图2示出的方法进行降载调节，不需要额外添加另外的传感器，完全依赖风电机组现有具备的传感器就能够实现降载控制。
还有，图2示出的控制方法依据风机的转速突变进行控制，执行机构不会出现误动作。
图4是本发明风电机组的极限载荷降低系统的结构图。参见图4，风电机组的极限载荷降低系统包括：降速控制组件、变桨控制组件以及变桨执行机构。
降速控制组件的作用在于当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值，以及维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间。具体的指定的时间是前文中提及的参数T″。
变桨控制组件的作用在于根据风速计算最小桨角，并将计算得到的最小桨角输出至变桨执行机构。
变桨执行机构的作用在于在所述变桨控制组件的控制下，将桨角控制到所述最小桨角的数值上。
图5是本发明风电机组的极限载荷降低系统的结构图。参见图5，风电机组的极限载荷降低系统包括：中央处理单元(CPU)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的程序或者从存储部分508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有系统操作所需的各种程序和数据。CPU 501、ROM 502以及RAM503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。
以下部件连接至I/O接口505：包括键盘、鼠标等的输入部分506；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分507；包括硬盘等的存储部分508；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分509。通信部分509经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器510也根据需要连接至I/O接口505。可拆卸介质511，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器510上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分508。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，包括：
当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值；
维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间；
将桨角控制到根据风速计算得到的最小桨角的数值上。
2.根据权利要求1所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，检测风机转速快速变化，包括：
根据如下公式确定风机转速：
ωn′＝ωn-ωn-t0
ωn″＝ωn′-ωn-t1′
其中，ωn表示当前测量转速，ωn-t0表示t0毫秒之前的测量转速，ωn′用于描述测量转速在t0时间段的增量，ωn-t1′表示ωn′在t1毫秒之前的值，ωn″表示ωn′在t1时间段的增量。
3.根据权利要求2所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，检测风机转速快速变化，还包括：
如果满足如下公式，则启动计时：
ωn′＞ω0′
ωn″＞ω0″
其中，ω0′及ω0″为策略触发上限。
4.根据权利要求3所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，ω0′与ω0″使用GH Bladed软件根据ECD风况进行仿真确定值的大小。
5.根据权利要求1所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值，包括：
根据如下公式将控制目标转速降低指定的数值：
ωe′＝ωe-ω0
其中，ωe为原始的控制目标转速，ωe′为降低后的控制目标转速，ω0为调整值。
6.根据权利要求5所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，ω0的具体数值根据ECD风况的仿真结果确定。
7.根据权利要求1所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间，包括：
根据如下公式确定是否将降低后的变桨PI控制的控制目标转速维持指定的时间：
A＝f(t-T′)
其中，t是当前时间；当t的取值大于T′时，A的取值为1；当t的取值小于T′时，A的取值为0；
维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间，还包括：
根据如下公式将降低后的变桨PI控制的控制目标转速维持指定的时间：
AT″＝m(A)
其中，AT″＝m(A)实现延时功能，若A为真，那么AT″在时间T″内为1，其他时间保持0。
8.根据权利要求1所述的风电机组的极限载荷降低方法，其特征在于，最小桨角根据如下公式确定：
Anglemin＝k(S-S0)+Angle0
Pout′＝max(Anglemin,Pout)
Pout＝Pout′
其中，Anglemin为风速对应的桨角，S为测得得风速值，S0为风速偏置值，Angle0为桨角偏置值，Pout为传给变桨执行器的桨角，k为固定线性增益系数。
9.一种风电机组的极限载荷降低系统，其特征在于，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至8任意一项所述的风电机组的极限载荷降低方法。
10.一种风电机组的极限载荷降低系统，其特征在于，用于在带方向变化的极端相干阵风ECD风况下降低极限载荷，包括：
降速控制组件，用于当检测到风机转速快速变化时，将变桨PI控制的控制目标转速降低指定的数值，以及维持降低后的变桨PI控制的控制目标转速指定的时间；
变桨控制组件，用于根据风速计算最小桨角；
变桨执行机构，用于在所述变桨控制组件的控制下，将桨角控制到所述最小桨角的数值上。
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