CN112031996B - 一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法及系统，属于风力发电技术领域，根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；其中，若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组正常启动偏航；若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组进行顺桨动作。本发明通过对测风系统的风速数据分析，控制变桨系统顺桨，降低风轮所受不平衡载荷，然后再对偏航系统下达偏航指令；改善了传统偏航策略忽视风速大小、湍流强度大小而直接偏航导致机组在偏航过程中发生振动超限的问题。

Description

一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法及系统。
背景技术
风电是使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一。由于风电机组受湍流、风切变、风入流角、塔影效应以及机组变转速和变桨距控制等因素的影响，这些因素会导致作用在风轮三个叶片上的气动载荷存在差异，从而引起风轮气动不平衡现象，且风轮直径越大，风轮面受到的不平衡载荷也越大。
当机组进行偏航运动时，受风轮不平衡载荷效应影响，偏航速率并不是恒定不变的，而是以风轮1P或3P波动。同时由于偏航制动器制动压力释放，塔筒支撑机舱的刚度和阻尼减小，风轮不平衡效应加剧，往往导致机舱在偏航过程中振动值增大，超过振动预设报警值，机组报故障停机，造成发电量损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高机组运行稳定性，避免停机导致的发电量损失，提高风电场发电量的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法及系统，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供的一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法，根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
其中，若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组正常启动偏航；
若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组进行顺桨动作，增大叶片桨距角，降低风电机组不平衡载荷。
优选的，根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
优选的，根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；
将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。
优选的，统计各风速区间下振动超限故障前T时间段内的风速湍流强度，取湍流强度最小值作为报警湍流强度。
第二方面，本发明提供一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，包括：
第一计算模块，用于根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断模块，用于判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
指令计算模块，用于根据判断模块的判断结果发出控制指令；
其中，若判断结果为实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组正常启动偏航的控制指令；
若判断结果为实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组进行顺桨动作的控制指令。
优选的，还包括控制模块，用于根据控制指令控制风电机组的动作。
优选的，还包括风速区间划分模块，用于根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
优选的，所述风速区间划分模块，被配置为根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。
第三方面，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如上所述的方法。
第四方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的方法。
本发明有益效果：可以有效的减少偏航过程中机组振动超限故障报警的次数，提高风电机组运行的稳定性，避免停机导致的发电量损失。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统的原理框图。
图2为本发明实施例2所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统的原理框图。
图3为本发明实施例3所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法流程图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，该系统包括：
第一计算模块，用于根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断模块，用于判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
指令计算模块，用于根据判断模块的判断结果发出控制指令。
其中，若判断结果为实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组正常启动偏航的控制指令；
若判断结果为实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组进行顺桨动作的控制指令。
本实施例1中，优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统还包括控制模块，控制模块接收指令计算模块的控制指令，并根据控制指令控制风电机组的动作。
当实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则控制风电机组正常启动偏航。
当实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则控制风电机组进行顺桨动作，增大叶片桨距角，降低风电机组不平衡载荷。
本实施例1中，优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统还包括风速区间划分模块。风速区间划分模块用于根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
本实施例1中，所述风速区间划分模块，被配置为根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。
本实施例1中，优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统在具体工作时，风速区间划分模块首先根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。第一计算模块根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度。判断模块则判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小，并将判断结果发送到指令计算模块。指令计算模块根据判断模块的判断结果发出控制指令给控制模块。控制模块根据控制指令控制风电机组的动作。
实施例2
本发明实施例2提供的风电机组偏航运动时机舱振动超限优化控制系统，通过对测风系统的风速数据分析，控制变桨系统顺桨，降低风轮所受不平衡载荷，然后再对偏航系统下达偏航指令。改善传统偏航策略忽视风速大小、湍流强度大小而直接偏航，容易导致机组在偏航过程中振动超限的问题。
如图2所示，本发明实施例2提供的风电机组偏航运动时机舱振动超限优化控制系统，通过测风系统实时测得实际的风速。
实际风速发送给主控制器PLC。在主控制器PLC中设置有第一计算模块，第一计算模块根据实时采集的风电机组风速，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度。
在主控制器PLC内，存储有风电机组振动超限故障历史数据。有根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
在主控制器PLC内，判断模块判断实际平均风速所处的风速区间，判断该实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与此时的实际湍流强度的大小。
若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则主控制器PLC发出控制风电机组正常启动偏航的控制指令，控制偏航系统正常启动偏航。若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则主控制器发出控制风电机组进行顺桨动作的控制指令控制变桨系统顺桨r度。
实施例3
本发明实施例3提供一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法，具体步骤如下：
(1)将风速划分n个区间，每个风速区间设置报警湍流强度。故障风速区间划分与风速湍流强度示例如表1所示。
(a)对于已投产运行多年的风电机组，有大量的历史数据可供分析。从机组主控系统中将风电场的整年振动超限故障记录导出，统计出振动超限前时间T内的平均风速与湍流强度。
将机组历史振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速细化成n个区间，并获得振动超限报警时每个风速区间下的的湍流强度值(报警湍流强度)。
将振动超限故障最小平均风速Vmin和振动超限故障最大平均风速Vmax范围进行细分，如以1m/s作为间隔，则机组运行风速范围可为(Vin1～Vout1)、(Vin2～Vout2)、(Vin3～Vout3)……
在实际数据统计中，故障风速有一定的规律性，故障最小风速Vmin和最大风速Vmax区间可能跨度很大，如5m/s—25m/s。但是振动超限故障往往集中在某一风速附近，以某风电场项目为例，如12m/s风速附近，报警次数为100次，而20m/s或5m/s风速附近，报警次数仅有10次。
为降低设计冗余，提高优化策略精确性，在故障频发的风速附近，将风速区间详细划分，如以0.5m/s作为间隔；在故障低发的风速附近，将风速区间放大划分，如以2m/s作为间隔。
统计各风速区间下振动超限故障前时间T内风速湍流强度，取湍流强度最小值作为报警湍流强度。
Figure BDA0002655172040000081
(b)对于新装机的风电机组，故障历史数据几乎没有。可以使用自学习算法预测各个风速区间下的报警湍流强度。
首先待机组在大风季节运行一段时间，采集机组偏航动作前时间T内平均风速、湍流强度，机舱振动值。
将上述数据作为自学习算法的输入信号，进行训练，预测不同风速区间下，机舱振动值超过机组振动传感器报警停机值对应的风速湍流强度，并按照上述(a)的方法划分。
表1：故障风速区间划分与风速湍流强度示例
Figure BDA0002655172040000082
Figure BDA0002655172040000091
(2)实时采集风速，在满足偏航条件时，计算偏航时刻前时间T内的平均风速Vi与湍流强度Ii，作为实施优化机组偏航控制策略的依据。
湍流强度的计算如下：
Figure BDA0002655172040000092
σ表示时间T内的风速标准差，v表示时间T内的平均风速
(3)如图2所示当风向变化满足偏航条件时，在机组偏航动作前，判断步骤(2)机组实测平均风速值Vi所处的风速区间，并将实测湍流强度Ii与该风速区间下的报警湍流强度进行对比。
(a)若该风速区间下的实测湍流强度小于报警湍流强度，则机组直接启动偏航动作。
(b)若该风速区间下的实测湍流强度大于报警湍流强度，机组进行顺桨动作，顺桨角度r，即将叶片桨距角增大，降低风轮所受不平衡载荷，然后启动偏航动作。
(4)偏航对风完成后，按照最优变桨逻辑控制策略将叶片回归正常角度运行。
实施例4
本发明实施例4提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法。
所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法包括：
根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
其中，若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组正常启动偏航；
若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组进行顺桨动作，增大叶片桨距角，降低风电机组不平衡载荷。
其中，根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。
统计各风速区间下振动超限故障前T时间段内的风速湍流强度，取湍流强度最小值作为报警湍流强度。
实施例5
本发明实施例5提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法。
所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法包括：
根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
其中，若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组正常启动偏航；
若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组进行顺桨动作，增大叶片桨距角，降低风电机组不平衡载荷。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法，其特征在于：
根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值，具体为：
根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间；
统计各风速区间下振动超限故障前T时间段内的风速湍流强度，取湍流强度最小值作为报警湍流强度；
判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
其中，若实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组正常启动偏航；
若实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则风电机组进行顺桨动作，增大叶片桨距角，降低风电机组不平衡载荷。
2.一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，采用了如权利要求1所述的一种优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的方法，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于根据实时采集的风电机组风速、风向，计算偏航时刻前T时间段内的实际平均风速与实际湍流强度；
判断模块，用于判断实际平均风速所处的风速区间对应的报警湍流强度值与实际湍流强度的大小；
指令计算模块，用于根据判断模块的判断结果发出控制指令；
其中，若判断结果为实际湍流强度小于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组正常启动偏航的控制指令；
若判断结果为实际湍流强度大于或等于该风速区间下的报警湍流强度，则发出控制风电机组进行顺桨动作的控制指令。
3.根据权利要求2所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，其特征在于：
还包括控制模块，用于根据控制指令控制风电机组的动作。
4.根据权利要求2所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，其特征在于：
还包括风速区间划分模块，用于根据风电机组振动超限故障历史数据，将引发风电机组振动超限故障的最小风速到最大风速分成多个风速区间，其中，每个风速区间对应一个振动超限故障发生的报警湍流强度值。
5.根据权利要求4所述的优化风电机组偏航运动时机舱振动超限的系统，其特征在于：
所述风速区间划分模块，被配置为根据风电机组振动超限故障历史数据，计算出振动超限故障前T时间段内的平均风速与湍流强度；将历史数据中风电机组振动超限故障发生时的最小平均风速到最大平均风速区间划分成多个风速区间。
6.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器相互通信，所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令执行如权利要求1所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的方法。
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