CN112012883B - 风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质 - Google Patents

风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开一种风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质。该方法包括：检测风力发电机组的转速；若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制风力发电机组进入小风发电状态；小风发电状态被配置为，风力发电机组变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，第二预设转速处于与风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外；其中，第一预设转速小于初始最小转速，第二预设转速小于第一预设转速。采用本发明实施例中的技术方案，能够使得风力发电机组充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。

Description

风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质。
背景技术
图1为风力发电机组的原始运行控制方法的流程示意图。
如图1所示，风力发电机组的原始运行流程为：待机状态-启动状态-加速状态-发电状态-停机状态的循环。其中，待机状态被配置为：风力发电机组静置，桨距角处于90度附近。启动状态被配置为：对风力发电机组执行开桨操作，桨距角从90度向0度变化。加速状态被配置为：增大风力发电机组的转速，直到达到并网转速。发电状态被配置为：风力发电机组发电机启动，发电量通过变流器并入电网。停机状态被配置为：对风力发电机组执行收桨操作，断开风力发电机组与电网的连接。
当风力发电机组运行在正常发电状态时，通过采用恒转速控制策略，即控制风力发电机组的转速保持在最小转速或者最大转速附近运行。
当风速较小(小风)时，风力发电机组在最小转速下运行时可能会因无法达到最优叶尖速比而导致获取风能的能力大大降低，使得机组发电量小于自耗电。针对这种情况，现有技术中的风力发电机组策略为直接停机，但是直接停机不仅会浪费小风所包含的能量，而且在风速反复波动时，容易导致机组频繁启停，使得风力发电机组耗电增大的同时寿命降低。
发明内容
本发明实施例提供了一种风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质，能够使得风力发电机组充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
第一方面，本发明实施例提供一种风力发电机组运行控制方法，该方法包括：
检测风力发电机组的转速；
若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制风力发电机组进入小风发电状态；
小风发电状态被配置为，风力发电机组变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，第二预设转速处于与所述风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外；
其中，第一预设转速小于初始最小转速，第二预设转速小于第一预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，该方法还包括：检测扭矩控制系统的输出扭矩；若输出扭矩大于等于与初始最小转速对应的最优扭矩且持续第二预设时长，或者输出扭矩瞬时大于预定倍数与初始最小转速对应的最优扭矩的乘积，则控制风力发电机组回退至初始发电状态；其中，预定倍数大于1。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，该方法还包括：若转速小于第三预设转速且持续第三预设时长，则控制风力发电机组进入小风加速状态；小风加速状态被配置为，风力发电机组的机侧变流器停止调制，变桨控制系统的目标转速调低至第二预设转速；其中，第三预设转速小于第二预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，该方法还包括：若转速升高至第四预设转速且持续第四预设时长，控制风力发电机组恢复小风发电状态；其中，第四预设转速大于第三预设转速小于第二预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，该方法还包括：若转速降低至第五预设转速且持续第五预设时长，则控制风力发电机组的网侧变流器停止调制；其中，第五预设转速小于第三预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，在控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，该方法还包括：若转速降低至第六预设转速且持续第六预设时长，则控制风力发电机组回退至初始启动状态；其中，第六预设转速小于第五预设转速。
第二方面，本发明实施例提供一种风力发电机组运行控制装置，该装置包括：
转速检测模块，用于检测风力发电机组的转速；
第一风机运行控制模块，用于若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制风力发电机组进入小风发电状态；
小风发电状态被配置为，风力发电机组变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，第二预设转速处于与风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外；
其中，第一预设转速小于初始最小转速，第二预设转速小于第一预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，该装置还包括：第二风机运行控制模块，用于若转速小于第三预设转速且持续第二预设时长，则控制风力发电机组进入小风加速状态；小风加速状态被配置为，风力发电机组的机侧变流器停止调制，变桨控制系统的目标转速调低至第二预设转速；其中，第三预设转速小于第二预设转速。
在第一方面的一种可能的实施方式中，该装置设置在风力发电机组的主控制器中。
第三方面，本发明实施例提供一种存储介质，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组运行控制方法。
与现有技术中的停机策略不同，本发明实施例拓展了风机运行控制策略，增加了小风发电状态，若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长T1，则控制风力发电机组进入小风发电状态。
并且，在小风发电状态下，通过限定变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，使得风机在小风状态下仍然能够持续工作，从而能够充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为风力发电机组的原始运行控制方法的流程示意图。
图2为本发明第一实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。
图3为本发明第二实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。
图4为本发明第三实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。
图5为本发明第四实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。
图6为本发明第五实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。
图7为本发明一实施例提供的风力发电机组运行控制装置的结构示意图。
图8为本发明另一实施例提供的风力发电机组运行控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。
本发明实施例提供一种风力发电机组运行控制方法和装置、存储介质。采用本发明实施例能够使得风力发电机组充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
图2为本发明第一实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。如图2所示，该风力发电机组运行控制方法包括步骤201至步骤202。
在步骤201中，检测风力发电机组的转速。
在步骤202中，若转速小于第一预设转速V1(比如6rpm)且持续第一预设时长T1(比如30s)，则控制风力发电机组进入小风发电状态。
具体地，小风发电状态被配置为：风力发电机组变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速(比如12.8rpm)，风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速Vmin0(比如6.5rpm)调低至第二预设转速V2(比如4rpm)。
其中，变桨控制系统采用反馈调节原理。以PID调节器为例，PID调节器的输入为当前转速，输出为目标转速和当前转速的差值。
扭矩控制系统处于正常发电状态时，会采用恒转速控制策略控制风力发电机组的转速保持在最小转速或者最大转速附近运行。
本发明实施例将缺省状态下扭矩控制系统中最小转速理解为初始最小转速Vmin0，将停机转速理解为第一预设转速V1。现有技术中转速小于第一预设转速V1时，说明风速较小，风力发电机组获取风能的能力大大降低，可能使得机组发电量小于自耗电，则风力发电机组执行停机策略。
根据本发明实施例，初始最小转速Vmin0、第一预设转速V1和第二预设转速V2之间的关系可以表示为：Vmin0＞V1＞V2。
与现有技术中的停机策略不同，本发明实施例拓展了风机运行控制策略，增加了小风发电状态，若转速小于第一预设转速V1且持续第一预设时长T1(比如30s)，控制风力发电机组进入小风发电状态。
进入小风发电状态后，通过限定变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速Vmin0调低至第二预设转速V2，使得风机在小风状态下仍然能够持续工作，从而能够充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
此外，由于风力发电机组的转速长期运行在塔架共振频率对应的转速范围(4.25rpm-5.75rpm)时，可能会严重影响塔架寿命，因此，第二预设转速设置时需要考虑对塔架共振频率对应的转速范围进行避让，即第二预设转速V2可以处于与风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外。
同理，初始最小转速Vmin0设置时也需要考虑对塔架共振频率对应的转速范围进行避让，以免影响塔架寿命。
图3为本发明第二实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。图3与图2的不同之处在于，图3中的风力发电机组运行控制方法还包括步骤203至步骤204。
在步骤203中，检测扭矩控制系统的输出扭矩Qdem。
在步骤204中，若输出扭矩Qdem大于等于与初始最小转速Vmin0对应的最优扭矩且持续第二预设时长T2(比如60s)，或者输出扭矩Qdem瞬时大于与预定倍数(比如1.3)的初始最小转速Vmin0对应的最优扭矩，则控制风力发电机组回退至初始发电状态。
其中，与初始最小转速对应的最优扭矩N1可以表示为：
N1＝Kopt×(Vmin0×π/30)2 (1)
与1.3倍的初始最小转速Vmin0对应的最优扭矩N2可以表示为：
N2＝1.3×Kopt×(Vmin0×π/30)2 (2)
其中，Kopt为最小扭矩控制系数，其由风力发电机组的叶片特性决定。
在该实施例中，风力发电机组运行在小风发电状态，若Qdem≥N1且持续第二预设时长T2，或者Qdem瞬时＞N2，说明风力发电机组的输出扭矩Qdem远大于初始最小转速Vmin0对应的最优扭矩，能够确定此时风速恢复正常，可以控制风力发电机组回退至初始发电状态，从而不会影响到大风时风力发电机组的运行。
图4为本发明第三实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。图4与图2的不同之处在于，图4中的风力发电机组运行控制方法还包括步骤205。
在步骤205中，若转速小于第三预设转速V3(比如3.5rpm)且持续第三预设时长T3(比如30s)，则控制风力发电机组进入小风加速状态。
具体地，小风加速状态被配置为：风力发电机组的机侧变流器停止调制，变桨控制系统的目标转速调低至第二预设转速V2(比如4rpm)。其中，V3＜V2。
当风力发电机组运行在小风发电状态时，若转速继续降低，达到小于第三预设转速V3(3.5rpm)且持续第三预设时长T3(比如30s)时，说明风速持续降低，风力发电机组能够捕获到的风能逐渐减小，为了避免对电网造成影响，此时可以先停止机侧变流器调制，并将变桨控制系统的目标转速调低至第二预设转速V2(比如4rpm)，以期望通过增大桨距角来适应风能捕获能力的减小趋势，维持风力发电机组的稳定运行。
图5为本发明第四实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。图5与图4的不同之处在于，图5中的风力发电机组运行控制方法还包括步骤206至步骤208。
在步骤206中，若转速升高至第四预设转速V4(比如，3.8rpm)且持续第四预设时长T3(比如5s)，控制风力发电机组恢复小风发电状态。V2＞V4＞V3。
当风力发电机组运行在小风加速状态时，若转速升高，直到大于第四预设转速V4(比如，3.8rpm)且持续第四预设时长T3(比如5s)，说明风速停止下降且呈恢复趋势，风力发电机组能够捕获到的风能增大，此时可以控制风力发电机组恢复小风发电状态。
在步骤207中，若转速降低至第五预设转速V5(比如3rpm)且持续第五预设时长T5，则控制风力发电机组的网侧变流器停止调制。其中，V3＞V5。
当风力发电机组运行在小风加速状态时，若转速持续降低，直到小于第五预设转速V5(比如3rpm)，说明风速持续降低，且暂时没有恢复趋势，为了避免对电网造成影响，可以在停止机侧变流器调制的基础上，继续控制风力发电机组的网侧变流器停止调制。
在步骤208中，若转速降低至第六预设转速V6(比如2.5rpm)且持续第六预设时长T6，则控制风力发电机组回退至初始启动状态。其中，V5＞V6。
当风力发电机组仍然运行在小风加速状态时，若转速持续降低，直到小于第六预设转速V6(比如2.5rpm)，说明风速已经很低，无法满足发电需求，可以控制风力发电机组回退至初始启动状态。
如上所述，本发明实施例拓展了风机运行控制策略，在小风发电状态的基础上，还增加了小风加速状态，并结合风速所有可能的变化趋势，设置了多个预设转速(V1-V6)，从而精准地控制风力发电机组在各状态之间的切换，使得风力发电机组尽可能的在小风状态下仍然能够持续工作，从而能够充分利用小风所包含的能量，并彻底避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
图6为本发明第五实施例提供的风力发电机组运行控制方法的流程示意图。风力发电机组初次启动时按照原始设置运行，当风力发电机组处于发电状态时，执行步骤601至步骤609。
在步骤601中，判断风力发电机组的转速是否小于V1且持续T1，若是，则执行步骤602，否则返回正常发电状态。
在步骤602中，进入小风发电状态。
在步骤603中，判断风力发电机组的输出扭矩是否大于等于N1且持续T2或者瞬时大于N2，若是，则返回正常发电状态，否则，执行步骤602。
在步骤604中，判断风力发电机组的转速是否小于V3且持续T3，若是，则执行步骤605，否则返回步骤602。
在步骤605中，进入小风加速状态。
在步骤606中，判断风力发电机组的转速是否小于V4且持续T4，若是，则返回步骤602，否则返回步骤605。
在步骤607中，判断风力发电机组的转速是否小于V5且持续T5，若是，则执行步骤608，否则返回步骤605。
在步骤608中，控制网侧变流器停止调制。
在步骤609中，判断风力发电机组的转速是否小于V6且持续T6，若是，则返回步骤609，否则返回初始启动状态。
需要说明的是，图6中示出的V1-V6的取值及其关系，以及T1-T6的取值可以参考上文中的说明，此处不再赘述。
图7为本发明一实施例提供的风力发电机组运行控制装置的结构示意图。图2中的解释说明可以应用于本实施例。如图7所示，该风力发电机组运行控制装置包括：转速检测模块701(其具有与步骤201对应的功能)和第一风机运行控制模块702(其具有与步骤202对应的功能)。
其中，转速检测模块701用于检测风力发电机组的转速。
第一风机运行控制模块702用于若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制风力发电机组进入小风发电状态。
小风发电状态被配置为，风力发电机组变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，第二预设转速处于与风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外。其中，第一预设转速小于初始最小转速，第二预设转速小于第一预设转速。
与现有技术中的停机策略不同，本发明实施例拓展了风机运行控制策略，增加了小风发电状态，若转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制风力发电机组进入小风发电状态。
并且，在小风发电状态下，通过限定变桨控制系统的目标转速为风力发电机组的额定转速，扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，使得风机在小风状态下仍然能够持续工作，从而能够充分利用小风所包含的能量，并避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
图8为本发明另一实施例提供的风力发电机组运行控制装置的结构示意图。图4中的解释说明可以应用于本实施例。图8与图7的不同之处在于，图8中的风力发电机组运行控制装置还包括：第二风机运行控制模块703(其具有与步骤205对应的功能)，用于若转速小于第三预设转速且持续第二预设时长，则控制风力发电机组进入小风加速状态。
小风加速状态被配置为，风力发电机组的机侧变流器停止调制，变桨控制系统的目标转速调低至第二预设转速。其中，第三预设转速小于第二预设转速。
如上所述，本发明实施例拓展了风机运行控制策略，在小风发电状态的基础上，还增加了小风加速状态，并结合风速所有可能的变化趋势，设置了多个预设转速，从而精准地控制风力发电机组在各状态之间的切换，使得风力发电机组尽可能的在小风状态下仍然能够持续工作，从而能够充分利用小风所包含的能量，并彻底避免因风速反复波动而引起的机组频繁启停问题。
需要说明的是，本发明实施例中的风力发电机组运行控制装置可以设置在风力发电机组的主控制器或者变流器控制器中，从而不需要变更任何硬件，也可以是具有独立运算功能的逻辑器件，此处不进行限定。
本发明实施例还提供一种存储介质，其上存储有程序，程序被处理器执行时实现如上所述的风力发电机组运行控制方法。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。

Claims (10)

1.一种风力发电机组运行控制方法，其特征在于，包括：
检测风力发电机组的转速；
若所述转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制所述风力发电机组进入小风发电状态；
所述小风发电状态被配置为，所述风力发电机组变桨控制系统的目标转速为所述风力发电机组的额定转速，所述风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，所述第二预设转速处于与所述风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外；
其中，所述第一预设转速小于所述初始最小转速，所述第二预设转速小于所述第一预设转速。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，所述方法还包括：
检测所述扭矩控制系统的输出扭矩；
若所述输出扭矩大于等于与所述初始最小转速对应的最优扭矩且持续第二预设时长，或者所述输出扭矩瞬时大于预定倍数与所述初始最小转速对应的最优扭矩的乘积，则控制所述风力发电机组回退至初始发电状态；
其中，所述预定倍数大于1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，所述方法还包括：
若所述转速小于第三预设转速且持续第三预设时长，则控制所述风力发电机组进入小风加速状态；
所述小风加速状态被配置为，所述风力发电机组的机侧变流器停止调制，所述变桨控制系统的目标转速调低至所述第二预设转速；
其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，所述方法还包括：
若所述转速升高至第四预设转速且持续第四预设时长，控制所述风力发电机组恢复所述小风发电状态；
其中，所述第四预设转速大于所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，所述方法还包括：
若所述转速降低至第五预设转速且持续第五预设时长，则控制所述风力发电机组的网侧变流器停止调制；
其中，所述第五预设转速小于所述第三预设转速。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述控制所述风力发电机组进入小风发电状态的步骤之后，所述方法还包括：
若所述转速降低至第六预设转速且持续第六预设时长，则控制所述风力发电机组回退至初始启动状态；
其中，所述第六预设转速小于所述第五预设转速。
7.一种风力发电机组运行控制装置，其特征在于，包括：
转速检测模块，用于检测风力发电机组的转速；
第一风机运行控制模块，用于若所述转速小于第一预设转速且持续第一预设时长，则控制所述风力发电机组进入小风发电状态；
所述小风发电状态被配置为，所述风力发电机组变桨控制系统的目标转速为所述风力发电机组的额定转速，所述风力发电机组扭矩控制系统的最小转速从初始最小转速调低至第二预设转速，第二预设转速处于与所述风力发电机组的塔架共振频率对应的转速范围外；
其中，所述第一预设转速小于所述初始最小转速，所述第二预设转速小于所述第一预设转速。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二风机运行控制模块，用于若所述转速小于第三预设转速且持续第二预设时长，则控制所述风力发电机组进入小风加速状态；
所述小风加速状态被配置为，所述风力发电机组的机侧变流器停止调制，所述变桨控制系统的目标转速调低至所述第二预设转速；
其中，所述第三预设转速小于所述第二预设转速。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述装置设置在风力发电机组的主控制器中。
10.一种存储介质，其上存储有程序，其中，程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的风力发电机组运行控制方法。
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