CN112443453B - 一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，包括以下步骤：输入风轮的锁紧目标方位角；重置初始方位角为实时测量方位角；计算实际目标方位角减去初始方位角的差值，判断差值与需要补偿的分割角度之大小关系；确定实际目标方位角的补偿值；计算实时偏差，根据实时偏差确定控制阶段类型；将对应的风轮转速参考值引入转速控制闭环回路，输入方位角控制器；计算得到给定变桨角度，控制低速轴转速为风轮转速参考值，直到进入蠕动接近阶段；对高速轴刹车投入条件进行判断，投入高速轴刹车；自动锁紧低速轴锁紧销。本发明可以解决现有技术中存在的对给定方位角的控制不准确，以及无法实现自动化控制的技术问题。

Description

一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法。

背景技术

风力发电机组通过叶片从风中获取风能，转化为电能的装置。风力发电机组在进行维护时，以及某些有标定测试需求的工况下，要求将风轮锁于一系列规定的方位角处。目前，常规的操作方法是利用风轮自由空转，使风轮接近目标方位角；当接近风轮方位角时，人为投下高速轴刹车。此时由于误差较大，操作人员无法准确投下低速轴刹车锁紧销，只能利用高速轴盘车驱动器，将风轮带动至目标位置，完成低速轴刹车锁紧销投放。上述技术方案存在弊端如下：

(1)风轮在到达给定方位角之前，转动处于自由不受控状态，可能存在正传和反转工况，无法准确控制接近方位角的路径；

(2)在接近给定方位角时，由于风轮转速不受控，可能导致以较大的风轮转速接近给定角度，此时投高速轴刹车将导致较大的冲击载荷；

(3)现阶段的风电机组正在向“长叶片”、“大容量”发展，按本技术方案需要配置更大的出力盘车驱动器，导致成本浪费，且结构布置困难。

上述传统的“手动”方法仍是目前对方位角控制的主要方式，但已经无法适应现今的风电机组设计和使用需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，以解决现有技术中存在的对给定方位角的控制不准确，以及无法实现自动化控制的技术问题。

本发明提供了一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，包括以下步骤：

在风电机组停机状态下，输入风轮的锁紧目标方位角；

重置初始方位角，使初始方位角等于实时测量方位角；

计算实际目标方位角减去初始方位角的差值，判断差值与需要补偿的分割角度之大小关系；当差值小于或等于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角在原有角度上增加360度；当差值大于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角保持不变；

实时计算风轮实时测量方位角减去初始方位角得到的实时偏差，根据实时偏差确定控制阶段类型；

根据确定的控制阶段类型，将对应的风轮转速参考值引入转速控制闭环回路，输入方位角控制器；

通过方位角控制器计算得到给定变桨角度，变桨系统根据给定变桨角度控制低速轴转速为风轮转速参考值，直到进入蠕动接近阶段；

对高速轴刹车投入条件进行判断，根据判断结果投入高速轴刹车；自动锁紧低速轴锁紧销。

进一步的，判断差值与需要补偿的分割角度之大小关系，具体如下：

当差值小于或等于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角等于锁紧目标方位角加上360°；

当差值大于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角等于锁紧目标方位角。

进一步的，控制阶段类型包括快速接近阶段、减速过渡阶段、蠕动接近阶段。

进一步的，快速接近阶段的实时偏差大于或等于0°，小于快速接近阶段的角度差分割位。

进一步的，减速过渡阶段的实时偏差大于或等于快速接近阶段的角度差分割位，小于减速过渡阶段的角度差分割位。

进一步的，蠕动接近阶段的实时偏差大于或等于减速过渡阶段的角度差分割位，小于风轮需要旋转的角度。

进一步的，方位角控制器选用PI控制器或PID控制器。

进一步的，高速轴刹车投入条件具体如下：

当实时偏差与风轮需要旋转的角度之差的绝对值大于预设的高速轴刹车的方位角提前量，不满足高速轴刹车投入条件；

当实时偏差与风轮需要旋转的角度之差的绝对值小于预设的高速轴刹车的方位角提前量，满足高速轴刹车投入条件。

进一步的，满足高速轴刹车投入条件后，还使用高速轴刹车的转速限制值进行辅助判断。

进一步的，投入高速轴刹车的同时，主控系统直接将停机时变桨角度发给变桨系统，顺桨停机。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.是一种全新的风电机组方位角控制方式，利用变桨—风轮转速构建转速闭环控制回路，结合控制流程，可以实现高效且准确方位角控制，并进行自动的风轮锁紧操作。

2.对于风电机组的方位角控制及刹车投放，均一次性成功完成，且方位角的控制精度的误差小于1.0°。

3.投入高速轴刹车的同时，主控系统直接将停机时变桨角度发给变桨系统，顺桨停机，确保对方位角的控制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1的控制方法流程图；

图2为本发明实施例1的不同风速下方位角控制的风轮转速时序图；

图3为本发明实施例1的不同风速下方位角控制的方位角时序图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供了一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，包括以下步骤：

在风电机组停机状态下，输入风轮的锁紧目标方位角；

重置初始方位角，使初始方位角等于实时测量方位角；

计算实际目标方位角减去初始方位角的差值，判断差值与需要补偿的分割角度之大小关系；根据判断结果确定实际目标方位角；

实时计算风轮实时测量方位角减去初始方位角得到的实时偏差，根据实时偏差确定控制阶段类型；

根据确定的控制阶段类型，将对应的风轮转速参考值引入转速控制闭环回路，输入方位角控制器；

通过方位角控制器计算得到给定变桨角度，变桨系统根据给定变桨角度控制低速轴转速为风轮转速参考值，直到进入蠕动接近阶段；

对高速轴刹车投入条件进行判断，根据判断结果投入高速轴刹车；锁紧低速轴锁紧销。

以下对实施例1工作原理进行详细说明：

本实施例提供的基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其流程图如图1所示，具体按以下步骤进行：

1.在风电机组停机状态下，输入风轮的锁紧目标方位角

当风电机组处于停机状态下，在主控系统中输入风轮的锁紧目标方位角；锁紧目标方位角即风轮需要在某个位置锁紧时，风轮在该位置对应的角度。在本实施例中，锁紧目标方位角为Φ_target，由操作人员按照工况需求在主控系统中手动输入。

2.重置初始方位角，使初始方位角等于实时测量方位角；

初始方位角即在主控系统下发风轮的锁紧目标方位角那一时刻，对风轮进行实测，得到风轮所在位置的方位角。在本实施例中，初始方位角为Φ_init。

实时测量方位角是对风轮进行实时测量时，实时得到的方位角数据。实时测量的方式不作限定，在本实施例中举例说明，可通过低速轴编码器(相对编码器或者绝对编码器)测量，也可通过码盘进行方位角测量，再引入控制回路中。在本实施例中，实时测量方位角为Φ，主控系统自动重置Φ_init＝Φ。

3.计算实际目标方位角减去初始方位角的差值，判断该差值与需要补偿的分割角度之大小关系；当差值小于或等于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角在原有角度上增加360度；当差值大于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角保持不变

在本实施例中，风轮的实际目标方位角为Φ_{target_offset}；用实际目标方位角减去初始方位角得到差值Φ_offset，Φ_offset＝Φ_{target_offset}-Φ_init，Φ_offset表示风轮需要旋转的角度。

因为要考虑锁紧目标方位角Φ_target与初始方位角Φ_init较近的这种实际情况，所以预设需要补偿的分割角度Φ_{offset_limit}，用Φ_{offset_limit}表示锁紧目标方位角是否需要进行角度补偿的判断条件，Φ_{offset_limit}角度数值可配置。

在本步骤中，判断是否满足Φ_target-Φ_init≤Φ_{offset_limit}。如果满足，则有Φ_{target_offset}＝Φ_target+360°；否则，Φ_{target_offset}＝Φ_target。

4.实时计算风轮实时测量方位角减去初始方位角得到的实时偏差，根据实时偏差确定控制阶段类型

在本实施例中，主控系统实时计算风轮实时测量方位角与初始方位角的实时偏差Φ_det，Φ_det＝Φ-Φ_init。实时偏差用来判断风轮距离需要锁紧位置的角度差；同时主控系统还根据实时偏差的不同大小，来划分不同控制阶段，匹配在速度闭环控制中、不同控制阶段下的风轮转速参考值N_ref。

快速接近阶段为Stage1，在Stage1阶段满足0°≤Φ_det＜Φ_Stage1；Φ_Stage1表示在快速接近阶段Stage1的角度差分割位，可配置参数。在此阶段对应风轮转速参考值N_ref＝N1_ref，N1_ref表示快速接近阶段Stage1的风轮转速参考值，可配置参数。

减速过渡阶段为Stage2，在Stage2阶段满足Φ_Stage1≤Φ_det＜Φ_Stage2；Φ_Stage2表示在减速过渡阶段Stage2的角度差分割位，可配置参数。在此阶段对应风轮转速参考值N_ref＝N2_ref，N2_ref表示减速过渡阶段Stage2的风轮转速参考值，可配置参数。

蠕动接近阶段为Stage3，在Stage2阶段满足Φ_Stage2≤Φ_det＜Φ_offset，Φ_offset表示实际目标方位角与初始方位角的差值，即风轮需要旋转的角度；在此阶段对应风轮转速参考值N_ref＝N3_ref，N3_ref表示蠕动接近阶段Stage3的风轮转速参考值，可配置参数。

5.根据确定的控制阶段类型，将对应的风轮转速参考值引入转速控制闭环回路，输入给方位角控制器

当主控系统根据实时偏差Φ_det确定控制阶段类型后，将该控制阶段类型所对应的风轮转速参考值N_ref输入给方位角控制器。在本实施例中，方位角控制器选用PI控制器或PID控制器。PI控制器是一种线性控制器，根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，通过比例调节和积分调节对被控对象进行控制。PID控制器是一种比例-积分-微分控制器，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定，来控制基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

6.通过方位角控制器计算得到给定变桨角度，变桨系统根据给定变桨角度控制低速轴转速为风轮转速参考值，直到进入蠕动接近阶段

在本实施例中，低速轴转速为N_rotor，表示低速轴转速的实时测量值。给定变桨角度为θ_dem，表示变桨角度的给定值。方位角控制器计算出给定变桨角度后，输出给定变桨角度到变桨系统，通过风轮转速-变桨角度的转速闭环控制器，使低速轴转速与风轮转速参考值形成反馈回路(N_rotor-N_ref)。通过本步骤的技术方案，可以使风轮的方位角逐渐接近实际目标方位角Φ_{target_offset}。

7.对高速轴刹车投入条件进行判断，根据判断结果投入高速轴刹车

进入蠕动接近阶段Stage3后，即表明可能随时需要进行高速轴刹车投入，此时需要进行高速轴刹车投入条件的判断。因为高速刹车刹停需要一定时间，故需提前启动高速轴刹车，预设Φ_Advance为高速轴刹车的方位角提前量，可配置参数。对实时偏差Φ_det与风轮需要旋转的角度Φ_offset之差的绝对值进行实时监控：

当|Φ_det-Φ_offset|＞Φ_Advance，表明此时还未进入投入高速轴刹车的角度区间，主控系统继续进行速度闭环控制；

当|Φ_det-Φ_offset|＜Φ_Advance，表明此时已经进入投入高速轴刹车的角度区间。考虑到低速轴在高转速下，投入高速轴刹车将对风电机组造成较大冲击，所以需要引入高速轴刹车的转速限制值N_{Stop_limit}进行辅助判断。比较低速轴转速与高速轴刹车的转速限制值，当N_rotor≤N_{stop_limit}时，表明此时的低速轴转速满足投入高速轴刹车的转速条件，投入高速轴刹车；然后经主控系统控制自动锁紧低速轴锁紧销，实现风轮锁紧于目标方位角。

当N_rotor＞N_{stop_limit}，表明此时虽然方位角进入投入高速轴刹车的角度区间，但转速不满足投入高速轴刹车的转速条件；考虑到会对风电机组造成的冲击，此时将不能进行高速轴刹车投入，本次方位角控制不成功。此时主控系统会自动重置锁紧目标方位角，使锁紧目标方位角Φ_target＝Φ_target+360°，对锁紧目标方位角进行补偿，然后重复步骤2～步骤7，进行新一轮的方位角控制，直到成功投下高速轴刹车，完成方位角控制。

下面以某3.2MW的风电机组为例，举例说明本实施例方法的控制效果。

首先，在主控系统中进行参数配置，具体如下表表1：

表1 参数配置表

在进行实际的方位角控制之前，先使用仿真软件进行验证。在本实施例中，选用的仿真软件为Bladed，分别在4m/s、6m/s、8m/s、10m/s的风速条件下，对上述方法进行仿真。在仿真过程中，对于不同风速，在相同时刻点，均下达方位角60°的控制指令。不同风速下方位角控制的风轮转速时序如图2所示。

由于不同风速下初始状态的不一致，到达目标方位角的时间存在一定差异；仿真效果如图3所示，在不同风速下，使用本实施例的控制方法，均能够准确停在目标方位角，且成功投下刹车。仿真表明，本实施例的控制方法能够有效进行方位角控制。

然后进行实际操作验证。仍选用某3.2MW风电机组进行验证，参数配置如表1所示，在不同的实测风速下，验证结果见下表表2：

表2 某3.2MW风电机组方位角实际控制记录

从上表表2中可以看出，采用本实施例的控制方法，在实际操作时，对于3.2MW风电机组的方位角控制及刹车投放，均一次性成功完成，在维护风速一下，方位角的控制精度的误差小于1.0°，满足投放指定位置刹车精度需要。

本实施例的技术方式是一种全新的风电机组方位角控制方式，本发明利用变桨—风轮转速构建转速闭环控制回路，结合控制流程，可以实现高效且准确方位角控制，并进行自动的风轮锁紧操作。

实施例2

采用实施例1的控制方法，在对风电机组方位角进行实际控制时，当投入高速轴刹车成功后，变桨不一定位于停机位置。

为解决上述技术问题，在实施例1的基础上，采用以下技术方案：投入高速轴刹车的同时，主控系统直接将停机时变桨角度发给变桨系统，顺桨停机。

在本实施例中，θ_stop为停机时的变桨角度，由主控系统直接下发给变桨系统，使变桨朝停机角度顺桨停机，确保对风电机组方位角的控制效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在风电机组停机状态下，输入风轮的锁紧目标方位角；

重置初始方位角，使初始方位角等于实时测量方位角；

计算实际目标方位角减去初始方位角的差值，判断所述差值与需要补偿的分割角度之大小关系；当所述差值小于或等于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角在原有角度上增加360度；当所述差值大于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角保持不变；

实时计算风轮实时测量方位角减去初始方位角得到的实时偏差，根据实时偏差确定控制阶段类型；

根据确定的控制阶段类型，将对应的风轮转速参考值引入转速控制闭环回路，输入方位角控制器；

通过方位角控制器计算得到给定变桨角度，变桨系统根据给定变桨角度控制低速轴转速为风轮转速参考值，直到进入蠕动接近阶段；

对高速轴刹车投入条件进行判断，根据判断结果投入高速轴刹车；自动锁紧低速轴锁紧销。

2.根据权利要求1所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于，判断所述差值与需要补偿的分割角度之大小关系，具体如下：

当所述差值小于或等于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角等于锁紧目标方位角加上360°；

当所述差值大于需要补偿的分割角度时，实际目标方位角等于锁紧目标方位角。

3.根据权利要求1所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：所述控制阶段类型包括快速接近阶段、减速过渡阶段、蠕动接近阶段。

4.根据权利要求3所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：所述快速接近阶段的实时偏差大于或等于0°，小于快速接近阶段的角度差分割位。

5.根据权利要求3所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：所述减速过渡阶段的实时偏差大于或等于快速接近阶段的角度差分割位，小于减速过渡阶段的角度差分割位。

6.根据权利要求3所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：所述蠕动接近阶段的实时偏差大于或等于减速过渡阶段的角度差分割位，小于风轮需要旋转的角度。

7.根据权利要求1所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：所述方位角控制器选用PI控制器或PID控制器。

8.根据权利要求1所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于，所述高速轴刹车投入条件具体如下：

当实时偏差与风轮需要旋转的角度之差的绝对值大于预设的高速轴刹车的方位角提前量，不满足高速轴刹车投入条件；

当实时偏差与风轮需要旋转的角度之差的绝对值小于预设的高速轴刹车的方位角提前量，满足高速轴刹车投入条件。

9.根据权利要求1或8所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：满足高速轴刹车投入条件后，还使用高速轴刹车的转速限制值进行辅助判断。

10.根据权利要求1所述的一种基于速度闭环的风电机组方位角控制方法，其特征在于：投入高速轴刹车的同时，主控系统直接将停机时变桨角度发给变桨系统，顺桨停机。

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