CN111271220B - 一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法 - Google Patents

一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法，包括以下步骤：采集风力发电机的数据信号，包括叶片桨距角、机组转速和机组转速设定值；对采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，得到中间变量；步根据采集到的机组转速和机组转速设定值，以及中间变量计算第一叶片角度给定值；根据采集到的机组转速计算第二叶片角度给定值；计算得到叶片角度给定值，该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号；以人工模糊分析结果对变桨速度控制器的输出进行修正，能够利用人工模糊分析的结果，最大限度避免背景技术中所述情况的产生，从而有效降低风速在风机额定风速附近快速波动；从而提高机组运行稳定性，可靠性及经济性。

Description

一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法
技术领域
本发明属于风力发电机领域，具体涉及提供一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法。
背景技术
目前双馈变速恒频风电机组控制方法，一般按照附图1转矩-转速特性区间运行。其中：I区间：转速为0-A区间，此时机组未并网,风速小或者风轮未加速到并网转速。Ⅱ区间：转速为A-B区间，此时机组启动并网，转速以近似并网转速的恒转速运行。Ⅲ区间：转速为B-C区间，此时机组以CPm曲线运行,获得最优风能转化效率,转矩与转速呈二次方关系。Ⅳ区间：转速为C-D区间，此时转速接近额定转速，风速接近额定风速并逐渐增大，机组功率设定值为额定功率，转速转矩同时增加，提高机组功率。此阶段斜率与电机固有滑差率相关。V区间：转速高于D区间，风速高于额定风速，机组恒功率运行阶段,转矩与转速的乘积为机组额定功率,以变桨系统实现对风轮机械功率的限制。
依据双馈变速恒频风电机组其转矩、转速、功率公式：P＝nT/9550。
其中：P——功率，单位KW；n——转速，单位r/min；T——转矩，单位Nm。
在达到额定风速后，若风电机组采用恒转矩控制方法，由于风机转速跟随风速成比例变化变化，由公式可知，风电机组功率将随风速产生波动，若风速波动较大，功率波动也较大，会对电网产生较大的冲击。在达到额定风速后，若采用恒功率控制方法，即机组在额定功率下运行，机组转速、转矩基本处于额定值，利用变桨系统吸收风速变化造成的波动。该方法的优点是，由于功率较为恒定，对电网影响较低。因此目前双馈变速恒频风机均不采用恒转矩控制方法，而采用恒功率控制方法。
该控制方法，在机组启停、湍流较小的情况下，控制较为有效，但在实际运行中，常常遇到风速在额定风速范围附近快速波动的情况，该情况在具有复杂地形条件的山地风机最为多见。该情况将导致机组在运行区间IV区、V区之间，甚至运行区间Ⅲ-V波动的情况。根据上图所示机组转矩-转速特性区间进行控制的机组在面临风速在额定风速范围附近快速波动的情况时，将不可避免的出现机组超速情况。
例如图2所示工况，在t0时刻开始，风速V0高于额定风速，风机处于V区之间以恒功率运行方法运行，机组控制系统控制机组以额定转速、转矩运行，变桨系统根据风速大小调节桨叶角度处于大于0°度位置，吸收能量来调节机组功率恒定。至t1时刻，风机仍维持恒功率方法运行，当运行至t2时刻时，风速在短时间内从V1衰减值V2，V2低于额定风速，此时机组将处于IV区甚至Ⅲ区运行，机组控制系统控制机组转速、转矩以均低于额定转速、额定转矩，功率低于额定功率，变桨系统调节桨叶角度向0°调节。随后在短时间间隔内，在t3时刻，风速V3高于额定风速，机组通过Ⅲ、IV区，又进入V区间运行。根据机组控制系统进设置机组功率为额定功率，机组转速逐渐增大，转矩按照IV、V区间对应关系调节，但此时由于机组变桨系统由其自身机械特性的限定，仍在缓慢收桨状态，甚至于仍处于t2时刻将桨叶开度向0°调节的状态。由于在该区间内机组为恒功率控制，因此伴随机组转速的快速增加，机组转矩将持续降低。机组转矩的降低导致机组传动系统阻力降低，又因此时变桨系统尚未调节到位，不能依靠变桨系统吸收多余能量，因此将出现由于风速快速升高导致的风机转速持续上升，直至突破安全保护值，触发风电机组安全链，导致机组停机。
可以看出，导致上述情况产生的主要原因是由于变桨系统的相应滞后引起的，针对该情况，本发明提供一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，本控制方法通过对机组转速、叶片桨距角及机组设定转速三个变量作为输入变量，通过增设特有的模糊控制器与原有的变桨速度控制器共同控制机组变桨系统，以模糊分析结果对变桨速度控制器的输出进行修正，能够利用模糊分析的结果，最大限度避免上述情况的产生，从而有效降低风速在风机额定风速附近快速波动，导致的风机转速超速的情况，提高机组运行稳定性，可靠性及经济性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法，解决了现有的风力发电技术中，由于变桨系统的相应滞后引起的风机转速持续上升，直至突破安全保护值，触发风电机组安全链，导致机组停机。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，适于在计算设备中执行，包括以下步骤：
步骤1，采集风力发电机的数据信号，包括叶片桨距角、机组转速和机组转速设定值；
步骤2，对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，得到中间变量；
步骤3，根据步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量计算第一叶片角度给定值；
步骤4，根据步骤1采集到的机组转速计算第二叶片角度给定值；
步骤5，通过对第一叶片角度给定值和第二叶片角度给定值进行计算，得到叶片角度给定值，该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号。
优选地，步骤2中，对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，具体方法是：
对叶片桨距角和机组转速进行滤波、信号增益处理得到中间变量。
优选地，步骤3中，计算第一叶片角度给定值，具体方法是：
对步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量进行增量式抗积分饱和PI运算，得到第一叶片角度给定值。
优选地，步骤4中，计算第二叶片角度给定值，具体方法是：
根据步骤1采集到的机组转速，计算机组转速偏差和机组转速偏差的变化率；
再根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值。
优选地，根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值，具体计算方法是：
S1，对机组转速偏差和机组转速偏差的变化率进行归一化处理，得到[-1，1]论域；
S2，对得到的[-1，1]论域进行模糊化处理，得到三个模糊子集及其对应的隶属度函数；
S3，对S2中得到的三个模糊子集进行蕴含计算，通过取小计算，分别得到每个模糊子集的模糊域截止系数；
S4，对S3中得到经过蕴含计算处理的三个模糊子集按照涵盖三个输入变量所有组合的规则进行推理，得到九个模糊子集，该九个模糊子集均采用线性隶属度函数；
S5，将九个模糊子集的模糊域进行叠加，通过取大计算，得到模糊域截止系数，对九个模糊子集的结果进行求和操作，产生输出变量；输出变量的论域为[-2，3]；
S6，将S5输出变量进行反归一化处理，得到第二叶片角度给定值。
优选地，步骤5中，通过对第一叶片角度给定值和第二叶片角度给定值进行计算，具体方法是：
将接收到的第一叶片角度给定值与第二叶片角度给定值进行比较，将较大值作为叶片角度给定值。
一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统，包括滤波及增益算法模块、变桨速度控制器、模糊控制器和变桨角度设定模块，其中，滤波及增益算法模块用于对采集到的叶片桨距角和机组转速进行预处理得到中间变量，并将得到的中间变量传输到变桨速度控制器；所述变桨速度控制器用于对中间变量和采集到的机组转速和机组转速设定值进行运算，得到第一叶片角度给定值；并将得到的第一叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述模糊控制器用于将采集到的机组转速进行运算，得到第二叶片角度给定值；并将得到的第二叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述变桨角度设定模块用于将接收到的第一叶片角度给定值与第二叶片角度给定值进行计算，得到叶片角度给定值，并将该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号。
一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制设备，包括处理器、以及能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统及方法，通过对机组转速、叶片桨距角及机组设定转速三个变量作为输入变量，通过增设特有的模糊控制器与原有的变桨速度控制器共同控制机组变桨系统，以人工模糊分析结果对变桨速度控制器的输出进行修正，能够利用人工模糊分析的结果，最大限度避免背景技术中所述情况的产生，从而有效降低风速在风机额定风速附近快速波动，由于系统惯性影响，导致机组控制方法不能实现快速跟踪，导致的风机转速超速的情况。从而提高机组运行稳定性，可靠性及经济性。
附图说明
图1是现有的机组转矩-转速特性区间；
图2是现有的风速快速波动趋势图；
图3是现有的增益调度算法控制模型；
图4是本发明涉及的流程结构图；
图5是本发明涉及的模糊子集NB/ZE/PB的隶属度函数。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
本发明通过对电机转速、叶片桨距角及机组设定转速三个变量作为输入变量，通过增设特有的模糊控制器与原有的变桨速度控制器共同控制机组变桨系统，以模糊分析结果对变桨速度控制器的输出进行修正，能够利用模糊分析的结果，最大限度避免上述情况的产生，从而有效降低风速在风机额定风速附近快速波动，由于系统惯性影响，导致机组控制方法不能实现快速跟踪，导致的风机转速超速的情况。
具体地：
本发明提供的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统，包括滤波及增益算法模块、变桨速度控制器、模糊控制器和变桨角度设定模块，其中，滤波及增益算法模块用于对采集到的叶片桨距角和机组转速进行滤波、信号增益处理得到中间变量，并将得到的中间变量传输到变桨速度控制器；
所述变桨速度控制器用于对中间变量和采集到的机组转速和机组转速设定值进行增量式抗积分饱和PI运算，得到第一叶片角度给定值；并将得到的第一叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述模糊控制器用于将采集到的机组转速和采集到的机组转速设定值进行运算，得到机组转速偏差和机组转速偏差的变化率；在根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值；并将得到的第二叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述变桨角度设定模块用于将接收到的第一叶片角度给定值与第二叶片角度给定值进行比较，将较大值作为叶片角度给定值传输到变桨控制系统。
如图4所示，本发明提供的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，包括以下步骤：
步骤1，采集风力发电机的数据信号，包括叶片桨距角、机组转速和机组转速设定值；
步骤2，对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，得到中间变量；
步骤3，根据步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量计算第一叶片角度给定值；
步骤4，根据步骤1采集到的机组转速计算第二叶片角度给定值；
步骤5，通过对第一叶片角度给定值和第二叶片角度给定值进行计算，得到叶片角度给定值，该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号。
对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，具体方法是：
对叶片桨距角和机组转速进行滤波、信号增益处理得到中间变量，具体利用的是现有的如图3所述的增益调度算法控制模型，其中，Ωr为叶轮转速；Ωz为传动轴速度；Ωg为电机转速；e为增益系数；v为速度；β为桨距角；K(θ)为传动模型；G(θ)为电机模型。
步骤3中，计算第一叶片角度给定值，具体方法是：
对步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量进行增量式抗积分饱和PI运算，得到第一叶片角度给定值。
步骤4中，计算第二叶片角度给定值，具体方法是：
根据步骤1采集到的机组转速，计算机组转速偏差和机组转速偏差的变化率；
再根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值。
具体地：所述模糊控制器根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值，采用推理规则和隶属度函数进行计算，具体方法是：
S1，对机组转速偏差和机组转速偏差的变化率进行归一化处理，得到[-1，1]论域；
S2，对得到的[-1，1]论域进行模糊化处理：在[-1，1]论域上定义三个模糊子集，分别为NB、ZE，PB；所述NB子集对应为三角形隶属度函数；ZE子集对应为梯形隶属度函数；PB对应为对称三角形隶属度函数，如图5所示。
S3，对S2中得到的三个模糊子集进行蕴含计算：计算每个模糊子集中的变量隶属度，在得到的变量隶属度中选择最小值计算输出变量的每个模糊子集的截止系数；
S4，对S3中得到的经过蕴含计算处理后的三个模糊子集进行推理规则：设定推理规则共有9个，涵盖两个输入变量的所有组合(分别为NB/NB、NB/ZE、NB/PB；ZE/NB、ZE/ZE、ZE/PB；PB/NB、PB/ZE、PB/PB)，为了弥补输入变量线性隶属度函数的不足并且能够让输出变量达到其论域的上下限，每条规则均定义了不同的权重系数；
S5，规则合成及逆模糊化：将所有规则产生的模糊域截止系数做取大操作后，对所有规则产生的结果进行求和操作，产生输出变量：
输出变量的论域为[-2，3]，定义9个模糊子集，NB、NM、NS、NSS、ZE、PSS、PS、PM、PB，采用线性隶属度函数；
S6，反归一化：将输出变量进行反归一化后，输出风机变桨速度校核信号对原机组变桨控制器给出风机变桨速度进行修正。
本发明通过对机组转速、叶片桨距角及机组设定转速三个变量作为输入变量，通过增设特有的模糊控制器与原有的变桨速度控制器共同控制机组变桨系统，以人工模糊分析结果对变桨速度控制器的输出进行修正，能够利用人工模糊分析的结果，最大限度避免上述情况的产生，从而有效降低风速在风机额定风速附近快速波动，由于系统惯性影响，导致机组控制方法不能实现快速跟踪，导致的风机转速超速的情况。从而提高机组运行稳定性，可靠性及经济性。
本发明提供的控制方法，通过程序写入风机PLC控制系统运行。

Claims (6)

1.一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，适于在计算设备中执行，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集风力发电机的数据信号，包括叶片桨距角、机组转速和机组转速设定值；
步骤2，对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，得到中间变量；
步骤3，根据步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量计算第一叶片角度给定值；
步骤4，根据步骤1采集到的机组转速计算第二叶片角度给定值；
步骤5，通过对第一叶片角度给定值和第二叶片角度给定值进行计算，得到叶片角度给定值，该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号；
其中，步骤4中，计算第二叶片角度给定值，具体方法是：
根据步骤1采集到的机组转速，计算机组转速偏差和机组转速偏差的变化率；
再根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值；
根据机组转速偏差和机组转速偏差的变化率计算得到第二叶片角度给定值，具体计算方法是：
S1，对机组转速偏差和机组转速偏差的变化率进行归一化处理，得到[-1，1]论域；
S2，对得到的[-1，1]论域进行模糊化处理，得到三个模糊子集及其对应的隶属度函数；
S3，对S2中得到的三个模糊子集进行蕴含计算，通过取小计算，分别得到每个模糊子集的模糊域截止系数；
S4，对S3中得到经过蕴含计算处理的三个模糊子集按照涵盖三个输入变量所有组合的规则进行推理，得到九个模糊子集，该九个模糊子集均采用线性隶属度函数；
S5，将九个模糊子集的模糊域进行叠加，通过取大计算，得到模糊域截止系数，对九个模糊子集的结果进行求和操作，产生输出变量；输出变量的论域为[-2，3]；
S6，将S5输出变量进行反归一化处理，得到第二叶片角度给定值。
2.根据权利要求1所述的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，其特征在于，步骤2中，对步骤1采集得到的叶片桨距角和机组转速进行预处理，具体方法是：
对叶片桨距角和机组转速进行滤波、信号增益处理得到中间变量。
3.根据权利要求1所述的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，其特征在于，步骤3中，计算第一叶片角度给定值，具体方法是：
对步骤1采集到的机组转速和机组转速设定值，以及步骤2得到的中间变量进行增量式抗积分饱和PI运算，得到第一叶片角度给定值。
4.根据权利要求1所述的一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制方法，其特征在于，步骤5中，通过对第一叶片角度给定值和第二叶片角度给定值进行计算，具体方法是：
将接收到的第一叶片角度给定值与第二叶片角度给定值进行比较，将较大值作为叶片角度给定值。
5.一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制系统，其特征在于，所述控制系统能够执行权利要求1-4中任一项所述的方法，包括滤波及增益算法模块、变桨速度控制器、模糊控制器和变桨角度设定模块，其中，滤波及增益算法模块用于对采集到的叶片桨距角和机组转速进行预处理得到中间变量，并将得到的中间变量传输到变桨速度控制器；所述变桨速度控制器用于对中间变量和采集到的机组转速和机组转速设定值进行运算，得到第一叶片角度给定值；并将得到的第一叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述模糊控制器用于将采集到的机组转速进行运算，得到第二叶片角度给定值；并将得到的第二叶片角度给定值传输到变桨角度设定模块；
所述变桨角度设定模块用于将接收到的第一叶片角度给定值与第二叶片角度给定值进行计算，得到叶片角度给定值，并将该叶片角度给定值作为变桨控制系统的控制信号。
6.一种双馈变速恒频风力发电机防超速控制设备，包括处理器、以及能够在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4中任一项所述方法的步骤。
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