CN112196732B - 一种风机主控桨距及转矩指令处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，包括控制器输入单元、桨距控制单元和转矩控制单元；控制器输入单元包括发电机转速模块、转速给定模块和切换控制模块，桨距控制单元包括桨距控制器和桨距限幅模块，转矩控制单元包含转矩控制器和转距限幅模块；发电机转速模块和转速给定模块用于得到转速偏差，切换控制模块用于确定将转速偏差作为桨距控制器或者转矩控制器的输入，通过输入确定获得桨距指令或转矩指令，从而实现变桨或变流。本发明能实现风机的在各种发电工况下的平滑切换，实现风机在各种工况下的最大功率运行；同时通过切换控制模块能避免风机频繁进入和退出额定工作点，有利于提升风机的可靠性和运行寿命。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电电气控制技术领域，具体的是一种风力主控桨距及转矩指令处理系统。
背景技术
风能是一种清洁的可再生资源，近年来风力发电技术飞速发展，陆上风电和海上风电装机容量迅速攀升。随着风电行业的不断发展，一方面要求风电机组满足平价上网需求，另一方面要求风电机组安全、可靠。风电主控系统处于风机本地控制系统的最高层，对外负责与风场级控制系统进行信息交互，对内负责机组的上位控制。
风电机组电控系统主要包含变桨、变流和主控三个子系统。其中：变桨系统负责风机叶片桨距角控制；变流器负责风机电能变换和并网控制；主控系统负责整个风机状态和信号采集，通过逻辑控制和数学计算确定风机的运行模式，将控制指令发送给变流器、变桨系统和其他执行单元。为了实现风机的安全控制和高效运行，主控系统的核心功能是计算得到桨距指令和转矩指令，并分别作为变桨系统和变流器的控制指令。
由于外部环境不同，风机将运行在不同的工作模式，因此主控系统需要根据工作模式分别计算桨距和转矩指令。为了实现风机的优化运行，一方面风机要充分利用风能资源实现风机的最大功率运行，另一方面要实现风机在不同工作模式之间的平滑切换，避免关键零部件频繁启停和过载荷运行导致的可靠性降低和寿命减短。
针对变速变桨风力发电机的控制，现有技术中也有不同的技术方案。
如：公开日为2019年4月12日，申请号为CN201811578145.4，名称为“一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法”的中国发明专利文献，该发明公开了一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法，包括对发电机转速信号进行采集并滤波；按滤波后的发电机转速及桨距角相关状态变量将风力机的运行区域划分成五个区域；按区域查表获取转矩设定值；通过变流器动态改变发电机电磁转矩。采用本发明，消除了风力发电机在额定工作点附近的功率跌落现象和超速现象，以桨距角相关的多个状态变量作为判断条件，将区域V满负荷曲线扩充到发电机额定转速以下的区域，使得当满足判断条件时，即使发电机转速暂低于额定转速，发电机转矩依然按照区域V进行给定；在额定风速以上的转矩调节兼顾了功率和转矩波动幅度调节，对转矩曲线中区域V的转矩进行了权值规划，同时对区域Ⅳ的过渡曲线进行动态优化。该技术方案提出了风电机组在额定点附近的平滑控制策略，但是仅仅提出了一些转矩指令计算策略，没有提出桨距指令计算策略，而实际主控控制时变桨控制和转矩控制需要协同。
又如：公开日为2013年7月3日，申请号为CN201110456072.3，名称为“兆瓦级异步双馈风机转矩/桨距控制器参数自整定方法”的中国专利文献，该发明公开了：风机启动后，偏航系统首先工作到指定位置；此后进入自检程序；自检程序通过后将进入自由转动过程:当发电机转速达到切换速度后，变桨系统桨叶角全开发电机速度继续上升当发电机转速达到并网速度后，转矩控制器控制发电机转速按照一定斜率上升；当发电机转速达到额定转速(额定功率)，变流控制器保持发电机转矩恒定，变桨控制器控制发电机转速稳定在额定转速。桨距、转矩控制器由一个带积分分离算法的BP神经网络PID参数自整定控制器构成，控制器可以根据规则自动调整参数，并根据收敛规则通过在线训练使参数达到最优化，从而提高风机发电量并有效减小风机载荷。该技术方案主要提出了转矩/桨距控制器参数的自诊断方法，主要在于优化控制器参数设计。
再如：公开日为2013年3月27日，申请号为CN201210409315.2，名称为“一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法”的中国发明专利文献，该发明公开了：大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法，由变桨距控制系统与转矩控制系统组成，在风机运行的过程之中，桨距PID控制器与转矩控制器同时运行，其中变桨距控制由桨距PID控制器实现，转矩控制由转矩控制器实现。变桨距控制系统由桨距偏差计算模块、桨距PID控制器模块、桨距限幅模块等组合而成，转矩控制系统由转矩偏差计算模块、转矩PID控制器模块、转矩大小限幅模块等组合而成。该技术方案提出的转矩、桨距解耦控制方法能很好地解决额定点变桨、与转矩控制切换的问题，但是控制算法中的转矩偏差发生器和桨距偏差发生器参数有赖于工程实践，缺乏理论的设计方法，另外该技术方案也没有给出风机在切入并网转速以下时的转矩与桨距指令计算方法。
综合上述相关的现有技术，可以看出，目前还没有特别针对风力发电机组主控系统桨距及转矩指令的处理方法。
发明内容
为了解决风电机组在不同工作模式间切换不平滑的问题，并为了实现风机在各种工作模式最大功率输出，本发明提出了一种风机主控桨距及转矩指令处理系统。
为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，包括控制器输入单元、桨距控制单元和转矩控制单元三个部分；所述控制器输入单元包括发电机转速模块、转速给定模块和切换控制模块；所述桨距控制单元包含桨距控制器和桨距限幅模块，桨距控制器连接有桨距初始化模块、桨距复位控制模块和参数调节模块；所述转矩控制单元包含转矩控制器和转距限幅模块，转矩控制器连接转矩初始化模块、转矩复位控制模块；所述发电机转速模块和转速给定模块用于得到转速偏差，所述切换控制模块用于确定将转速偏差作为桨距控制器或者转矩控制器的输入。
利用上述处理系统，进行桨距及转矩指令处理的过程如下：
首先，发电机转速模块对采集的发电机转速进行滤波处理，转速给定模块根据风机工作模式确定转速给定值，利用转速给定值减去发电机转速模块处理后的发电机转速得到转速偏差；
第二步，通过切换控制模块根据风机的工作模式和运行状况确定得到的转速偏差是作为桨距控制器的输入，还是作为转矩控制器的输入；其中，当转速偏差作为桨距控制器和转矩控制器中某一个的输入，另一个则采用0作为输入；
第三步，当转速偏差作为桨距控制器的输入时，得到桨距指令初始值，桨距控制器接受桨距初始化模块和桨距复位控制模块的控制，参数调节模块根据当前实际桨距角和风机运行状态调节桨距控制器的控制参数，桨距初始化模块用于对桨距控制器进行初始化，桨距复位控制模块负责对桨距控制器进行复位控制；桨距指令初始值经过桨距限幅模块限幅后得到用于变桨控制的桨距指令。
当转速偏差作为转矩控制器输入时，得到转矩指令初始值，转矩控制器接受转矩初始化模块和转矩复位控制模块的控制，转矩初始化模块负责对转矩控制器进行初始化，转矩复位控制模块负责对转矩控制器进行复位控制；转矩指令初始值经过转矩限幅模块限幅后得到用于变流控制的转矩指令。
针对上述处理过程，进一步的，所述桨距控制器先判断桨距初始化模块是否要求初始化。如果桨距初始化模块是否要求初始化，则对桨距控制参数进行初始化，得到桨距初始化值，同时将桨距初始化值作为桨距控制器的输出值。如果桨距初始化模块不要求初始化，则继续判断桨距复位控制模块是否要求复位。如果桨距复位控制模块要求复位，则将复位值作为桨距控制器的输出值；如果桨距复位控制模块不要求复位，则通过参数调节模块更新变桨控制器PID控制参数，同时进行PID计算，将PID的计算结果作为变桨控制器的输出值。
针对上述处理过程，进一步的，所述转矩控制器先判断转矩初始化模块是否要求初始化。如果转矩初始化模块要求初始化，则对转矩控制控制参数进行初始化，得到转矩初始化值，同时将转矩初始化值作为转矩控制器的输出值。如果转矩初始化模块不要求初始化，则继续判断转矩复位控制模块是否要求复位，如果转矩复位控制模块要求复位，则将复位值作为转矩控制器的输出值，如果转矩复位控制模块不要求复位，则进行PID控制运算，将PID运算结果作为转矩控制器的输出值。
所述桨距初始化模块、桨距复位控制模块、转矩初始化模块、转矩复位控制模块的复位值均需要根据风机工作模式和运行状况进行确定和不断更新。
为了避免风机在额定功率点上下频繁切换导致风机变桨系统频繁起停和机组暂态过程带来风机振动等不利影响，本发明采取了两方面的措施：
一方面是设置了迟滞控制区域，具体是设置一个高于额定转速的最高转速，只有当风机转速大于最高转速并且转矩指令大于额定转矩时，机组才切换运行到额定转速以上。而要切换回额定转速以下运行，必须满足风机转速小于额定转速并且转矩指令小于额定转矩。
另一方面是工作模式切换判定周期与主控控制器控制周期不一致，具体是每隔若干个主控控制器的控制周期再进行一次工作模式切换判断，避免系统扰动导致工作模式的频繁切换。所述若干个主控控制器的控制周期，一般为5～20个控制周期。
为了实现风电机组的最大功率输出控制，本发明会根据风机机组运行的地理和气象条件矫正最佳输出系数，实现机组运行在最大功率跟踪控制时的最大功率输出。
本发明的有益效果如下：
本发明能实现风机的在各种发电工况下的平滑切换，实现风机在各种工况下的最大功率运行；同时通过切换控制模块能避免风机频繁进入和退出额定工作点，有利于提升风机的可靠性和运行寿命。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图。
图2是本发明中桨距控制器的原理流程图。
图3是本发明中转矩控制器的原理流程图。
图4是采用本发明，风机在不同工况下的稳态工作曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本实施例中具体设计的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，包括控制器输入单元、桨距控制单元和转矩控制单元三个部分。
其中：所述控制器输入单元包括发电机转速模块、转速给定模块和切换控制模块；所述桨距控制单元包含桨距控制器和桨距限幅模块，桨距控制器连接有桨距初始化模块、桨距复位控制模块和参数调节模块；所述转矩控制单元包含转矩控制器和转距限幅模块，转矩控制器连接转矩初始化模块、转矩复位控制模块。
所述发电机转速模块和转速给定模块用于得到转速偏差，所述切换控制模块用于确定将转速偏差作为桨距控制器或者转矩控制器的输入。
对应上述系统结构，进行桨距及转矩指令处理的过程如下：
首先，发电机转速模块对采集的发电机转速进行滤波处理，转速给定模块根据风机工作模式确定转速给定值，利用转速给定值减去发电机转速模块处理后的发电机转速得到转速偏差。
第二步，通过切换控制模块根据风机的工作模式和运行状况确定得到的转速偏差是作为桨距控制器的输入，还是作为转矩控制器的输入。
第三步，对于转速偏差作为不同控制器的输入情况如下：
当转速偏差作为桨距控制器的输入时，0作为转矩控制器的输入。
桨距控制器受初始化模块、复位控制模块和参数调节模块的控制，桨距控制器得到桨距指令初始值，桨距控制器接受桨距初始化模块和桨距复位控制模块的控制，参数调节模块根据当前实际桨距角和风机运行状态调节桨距控制器的控制参数，桨距初始化模块用于对桨距控制器进行初始化，桨距复位控制模块负责对桨距控制器进行复位控制；桨距指令初始值经过桨距限幅模块限幅后得到用于变桨控制的桨距指令。
如图2所示，进一步的，所述桨距控制器需要先判断桨距初始化模块是否要求初始化。如果桨距初始化模块是否要求初始化，则对桨距控制参数进行初始化，得到桨距初始化值，同时将桨距初始化值作为桨距控制器的输出值。如果桨距角初始化模块不要求初始化，则继续判断桨距复位控制模块是否要求复位。如果桨距复位控制模块要求复位，则将复位值作为桨距控制器的输出值；如果桨距复位控制模块不要求复位，则通过参数调节模块更新变桨控制器PID控制参数，同时进行PID计算，将PID的计算结果作为变桨控制器的输出值。
当转速偏差作为转矩控制器输入时，0作为桨距控制器的输入。
转矩控制器得到转矩指令初始值，转矩控制器接受转矩初始化模块和转矩复位控制模块的控制，转矩初始化模块负责对转矩控制器进行初始化，转矩复位控制模块负责对转矩控制器进行复位控制；转矩指令初始值经过转矩限幅模块限幅后得到用于变流控制的转矩指令。
如图3所示，进一步的，所述转矩控制器先判断转矩初始化模块是否要求初始化。如果转矩初始化模块要求初始化，则对转矩控制控制参数进行初始化，得到转矩初始化值，同时将转矩初始化值作为转矩控制器的输出值。如果转矩初始化模块不要求初始化，则继续判断转矩复位控制模块是否要求复位，如果转矩复位控制模块要求复位，则将复位值作为转矩控制器的输出值，如果转矩复位控制模块不要求复位，则进行PID控制运算，将PID运算结果作为转矩控制器的输出值。
所述桨距初始化模块、桨距复位控制模块、转矩初始化模块、转矩复位控制模块的复位值均需要根据风机工作模式和运行状况进行确定和不断更新。
为了避免风机在额定功率点上下频繁切换导致风机变桨系统频繁起停和机组暂态过程带来风机振动等不利影响，本实施例中的具体措施如下所述。
如图4所示，风机在不同工况下稳态工作曲线。
当风机工作在OA段时，转矩控制进行复位，转矩复位值为0；转速给定模块设定转速给定值斜坡上升直至切入转速ωmin，切换控制模块将转速偏差分配给桨距控制器，转矩控制器输入分配为0。桨距控制器根据控制器输入计算得到桨距指令初始值，桨距指令初始值经过桨距限幅模块限幅最终得到桨距指令，桨距指令发送给变桨系统用于调节桨距角，实现控制风机转速不断上升直至切入转速。
当风机工作在ABCD段时，风机进入发电控制模式，桨距控制器进行复位，桨距复位值由当前实际桨距值斜坡降低至最小桨距值。切换控制模块将转速偏差分配给转矩控制器，桨距控制器输入分配为0。当风机转速小于
时，转速设定模块设定风机给定转速为ωmin，转矩限幅模块将限幅最小值设定为0，最大值设定为最优转矩输出值Topt，最优转矩输出值跟风机转速平方成正比，具体计算公式如下：
Topt＝Kopt·ω2
式子中Kopt为最佳输出系数，ω为风机实时转速。
当风机转速大于
时，转速设定模块设定风机给定转速为ωrated，转矩限幅模块将限幅最小值设定为最优转矩输出值Topt，最大值设定为风机额定转矩Trated。转矩控制器根据转速偏差值运算得到转矩给定初始值，再经过限幅模块得到最终发送给变流器的转矩指令。
当风机转矩指令达到或大于额定转矩时，风机工作在图4所示DE段，当风机转速持续上升达到最大转速ωmax时，转矩复位模块控制转矩控制进行复位，复位值设定为额定转矩Trated。转速设定模块设定风机给定转速为ωrated，切换控制模块将转速偏差分配给桨距控制器，转矩控制器输入分配为0。桨距限幅模块设定最大和最小桨距角分别为风机最大顺桨桨距角和风机最小桨距角。桨距控制器根据控制器输入和控制参数调节模块实时更新的控制参数计算得到桨距指令初始值，经过限幅模块限幅后得到发送给变桨系统的桨距指令。当风速减小导致机组转速低于额定转速并且风机叶片桨距角减小到风机最小桨距角时，风机重新运行在ABCD段，主控系统相应的切入ABCD段控制。
为了避免风机在额定点D上下频繁切换导致风机变桨系统频繁起停和机组暂态过程带来风机振动等不利影响，本发明采取了两方面的措施：
一方面是设置了迟滞控制区域，具体措施是设置一个高于额定转速ωrated的最高转速ωmax，只有当风机转速大于最高转速ωmax并且转矩指令达到或大于额定转矩Trated时，机组才切换运行到额定以上的DE段。而要切换回ABCD段运行，必须满足风机转速小于额定转速ωrated并且转矩指令小于额定转矩Trated。
另一方面是工作模式切换判定周期与主控控制器控制周期不一致，具体是每隔若干个主控控制器的控制周期再进行一次工作模式切换判断，避免系统扰动导致工作模式的频繁切换。所述若干个主控控制器的控制周期，一般为5～20个控制周期，本实施例可采用10个主控周期间隔。
为了实现风电机组的最大功率输出控制，本发明会根据机组运行的地理和气象条件矫正最佳输出系数最Kopt，实现机组运行在BC段时的最大功率输出。
Claims (6)
1.一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：包括控制器输入单元、桨距控制单元和转矩控制单元三个部分；所述控制器输入单元包括发电机转速模块、转速给定模块和切换控制模块；所述桨距控制单元包含桨距控制器和桨距限幅模块，桨距控制器连接有桨距初始化模块、桨距复位控制模块和参数调节模块；所述转矩控制单元包含转矩控制器和转距限幅模块，转矩控制器连接转矩初始化模块、转矩复位控制模块；所述发电机转速模块和转速给定模块用于得到转速偏差，所述切换控制模块用于确定将转速偏差作为桨距控制器或者转矩控制器的输入；
进行桨距及转矩指令处理的过程如下：
首先，发电机转速模块对采集的发电机转速进行滤波处理，转速给定模块根据风机工作模式确定转速给定值，利用转速给定值减去发电机转速模块处理后的发电机转速得到转速偏差；
第二步，通过切换控制模块根据风机的工作模式和运行状况确定得到的转速偏差是作为桨距控制器的输入，还是作为转矩控制器的输入；
第三步，对于转速偏差作为不同控制器的输入情况为：
当转速偏差作为桨距控制器的输入时，0作为转矩控制器的输入；
当转速偏差作为转矩控制器输入时，0作为桨距控制器的输入；
第四步，当转速偏差作为桨距控制器的输入时，得到桨距指令初始值，桨距控制器接受桨距初始化模块和桨距复位控制模块的控制，参数调节模块根据当前实际桨距角和风机运行状态调节桨距控制器的控制参数，桨距初始化模块用于对桨距控制器进行初始化，桨距复位控制模块负责对桨距控制器进行复位控制；桨距指令初始值经过桨距限幅模块限幅后得到用于变桨控制的桨距指令；
当转速偏差作为转矩控制器输入时，得到转矩指令初始值，转矩控制器接受转矩初始化模块和转矩复位控制模块的控制，转矩初始化模块负责对转矩控制器进行初始化，转矩复位控制模块负责对转矩控制器进行复位控制；转矩指令初始值经过转矩限幅模块限幅后得到用于变流控制的转矩指令。
2.根据权利要求1所述的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：当转速偏差作为桨距控制器输入时，所述桨距控制器先判断桨距初始化模块是否要求初始化；如果桨距初始化模块要求初始化，则对桨距控制参数进行初始化，得到桨距初始化值，同时将桨距初始化值作为桨距控制器的输出值；如果桨距初始化模块不要求初始化，则继续判断桨距复位控制模块是否要求复位；如果桨距复位控制模块要求复位，则将复位值作为桨距控制器的输出值；如果桨距复位控制模块不要求复位，则通过参数调节模块更新变桨控制器PID控制参数，同时进行PID计算，将PID的计算结果作为变桨控制器的输出值。
3.根据权利要求1所述的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：当转速偏差作为转矩控制器输入时，所述转矩控制器先判断转矩初始化模块是否要求初始化；如果转矩初始化模块要求初始化，则对转矩控制参数进行初始化，得到转矩初始化值，同时将转矩初始化值作为转矩控制器的输出值；如果转矩初始化模块不要求初始化，则继续判断转矩复位控制模块是否要求复位，如果转矩复位控制模块要求复位，则将复位值作为转矩控制器的输出值，如果转矩复位控制模块不要求复位，则进行PID控制运算，将PID运算结果作为转矩控制器的输出值。
4.根据权利要求1所述的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：所述桨距初始化模块、桨距复位控制模块、转矩初始化模块、转矩复位控制模块的复位值均需要根据风机工作模式和运行状况进行确定和更新。
5.根据权利要求1所述的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：所述处理系统给风机设置有一个最高转速，最高转速高于额定转速；当风机转速大于最高转速并且转矩指令大于额定转矩时，风机机组切换到额定转速以上运行；同样，当风机转速小于额定转速并且转矩指令小于额定转矩时，风机机组切换回到额定转速以下运行。
6.根据权利要求1所述的一种风机主控桨距及转矩指令处理系统，其特征在于：风机的工作模式切换判定周期与主控控制器的控制周期不一致，具体是每隔若干个主控控制器的控制周期再进行一次工作模式切换判断。
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