CN112796942B - 一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质，属于风力发电领域，通过检测风向仪测量风向并与预设阈值比较判断是否遭遇了极端风向变化，并通过调度最小桨距角以应对风向急速变化带来的极限载荷。对风向仪测量风向方向正负作为判断，由于负向风向来流时提高最小桨距角会导致机组大部件经历的载荷较正向风向为大，故只对正向来流的风向进行提高最小桨距角的控制来降低极限载荷。相较不区分风向的控制方式，进一步降低机组在极端风向变化时带来的极限载荷。使用判断风速阈值的方式，当前测量风速超过阈值作为首要条件，避免由于风速小但尚未对机组弯矩造成冲击的情况下提高桨距角对机组发电量造成损失的问题。

Description

一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
在国际电工标准IEC61400-13风力发电机组设计中规定了风力发电机组经历EDC(方向改变的极端大风)叠加ECD(方向改变的极端连续阵风)的阵风，风速及风向都剧烈变化，在此情况下机组的偏航轴承等关键部件承受较大弯矩，有可能经历极限载荷。因此有必要进行机组运行控制策略调整，使机组在极端风况如剧烈风向风速变化的情况下，尽量降低机组载荷。
针对上述问题，现有技术提出了解决方法，包括：风力发电机组在传统控制方式下正常运行时，当风速达到额定风速附近，将最小桨距角保持在最优桨距角位置，如果此时遭遇较大阵风，因最小桨距角处在最优位置并且无法做出过快的顺桨动作，就会导致机组的塔架推力过大，从而增加了机组的开发成本，或因塔架尺寸过大而无法运输。另外，叶片与塔架之间的净空也会变得很小，易出现叶片扫塔的风险，从而威胁到机组的运行安全。现有技术还提出了一种新的解决方法，具体为：基于检测到的输出功率对风力发电机组的最小桨距角进行动态调整，克服了传统控制方式中额定风速附近最小桨距角处在最优位置不动，而导致塔架推力过大及净空过小的问题，从而降低了风力发电机组的设计成本，同时提高了风力发电机组的运行安全。
上述方法由于仅靠风力发电机组的输出功率作为判断条件，虽然可以在风速风向剧烈变化条件下提前进行变桨动作，但在正常发电工况下也会进行变桨动作，从而导致发电量损失。
发明内容
为了克服上述现有技术中，仅靠风力发电机组的输出功率作为判断条件导致发电量损失的缺点，本发明的目的在于提供一种风电机组桨距角的控制方法、系统、设备及存储介质。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，包括如下步骤：
步骤1)获取风电机组的实时测量风速；
步骤2)获取实时测量风速下的实时风向偏差阈值；
步骤3)基于预先设定的风速阈值，判断风速阈值与步骤1)中实时测量风速之间的关系，
当实时测量风速小于等于风速阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风速大于风速阈值，则继续获取风电机组的实时测量风向；当实时测量风向小于等于0，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于0，则判断实时测量风向与步骤2)中的实时风向偏差阈值之间的关系，
当实时测量风向小于等于当前风速下的实时风向偏差阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风向大于当前风速下的实时风向偏差阈值，则将原最小桨距角设置值提高1～3度。
优选地，步骤1)中，获取实时风电机组的测量风速后，还包括对实时测量风速进行滑动平均。
优选地，步骤2)中，首先对当前实时测量风速进行滑动平均，利用插值法处理滑动平均后的实时测量风速与预设的风向偏差阈值，得到当前风速下的实时风向偏差阈值。
优选地，滑动平均中，滑动时间为10-15s。
优选地，步骤3)中，最小桨距角是以0.5度每秒为斜率进行提高的。
一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制系统，包括：
风速获取模块，用于获取风电机组的实时测量风速；
风向获取模块，用于获取风电机组的实时测量风向；
数据处理模块，用于接收风速获取模块和风向获取模块传输的数据，并进行处理，得到实时的风向偏差阈值；
判断模块，用于接收数据处理模块的数据，并判断是否需要调整风电机组的最小桨距角。
优选地，判断模块包括风速判断单元、风向判断单元和风向偏差判断单元；
风速判断单元：当实时测量风速小于等于风速阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风速大于风速阈值，则继续获取风电机组的实时测量风向；
风向判断单元：当实时测量风向小于等于0，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于0，则判断实时测量风向与步骤2)中的实时风向偏差阈值之间的关系，
风向偏差判断单元：当实时测量风向小于等于当前风速下的实时风向偏差阈值，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于当前风速下的实时风向偏差阈值，则将原最小桨距角设置值提高1～3度。
优选地，判断模块通过PLC控制器对数据处理模块的数据进行判断，并发出指令。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可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用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种风电机组桨距角的控制方法，采用机舱风向仪测量的风向作为控制输入，且通过判断测量风向与阈值的关系来进行最小桨距角的调度。采用提高最小桨距角的方式来使机组在极端风况条件下避免机组经历极限载荷。通过检测风向仪测量风向并与预设阈值比较判断是否遭遇了极端风向变化，并通过调度最小桨距角以应对风向急速变化带来的极限载荷。相较传统的在面临急速风向变化最小桨距角不变的控制方式，提高最小桨距角可以有效地卸下气动力变化带来的机组受载情况。本发明创新地对风向仪测量风向方向正负作为判断，由于负向风向来流时提高最小桨距角会导致机组大部件经历的载荷较正向风向为大，故只对正向来流的风向进行提高最小桨距角的控制来降低极限载荷。相较不区分风向的控制方式，进一步降低机组在极端风向变化时带来的极限载荷。本发明创新地使用判断风速阈值的方式，当前测量风速超过阈值作为首要条件，能够避免由于风速小但尚未对机组弯矩造成冲击的情况下提高桨距角对机组发电量造成损失的问题。
进一步地，本发明提高最小桨距角以设置的固定斜率增加，避免桨距角突然增加带来的气动力突然变化。
进一步地，本发明采用的测量风向由于测量装置，风轮旋转等原因不宜使用原始信号，需对其进行滑动平均处理，避免非必要的测量干扰信号影响控制效果。
进一步地，本发明风向偏差的阈值采用以当前风速查表的方式来获取，可通过调整阈值来有效调整控制效果。
本发明还公开了一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制系统，替代现有技术方案中仅仅依靠机组测量功率对最小桨距角进行调度，从而更有针对性的解决由于风向急速变化带来的极限载荷影响。同时风向急速变化与正常发电工况下的风向变化区分开，避免由于变桨动作带来的发电量损失。本发明系统还创新地对来流风向进行判断，仅对正向来流风向条件下的急速风向变化来进行最小桨距角调度，将风向的方向作区别可有效降低由于负向来流风的急速风向变化调度最小桨距角而带来的极限载荷增加。
附图说明
图1为本发明风力发电机组的极端风向变化下的风力发电机组桨距角的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，如图1所示，在当前的检测周期内检测风速仪风速，由于测量装置，风轮旋转等因素导致测量风速不能直接参与控制，因此对风速仪测量风速进行10秒滑动平均。将其与预设的风速阈值进行比较，如未超过其阈值，机组运行状态不会改变。此处设置判断条件是将只有大于设置风速，此方法才会使用，避免小风下由于频繁的急速风向变化导致的桨距角动作从而带来发电量损失。如10秒滑动平均的风速仪测量风速超过预设的风速阈值，在当前的检测周期内检测风向仪风向，由于测量装置，风轮旋转等因素导致测量风向不能直接参与控制，因此对风向仪测量风向进行10秒滑动平均。并对10秒滑动平均后的测量风向方向作为判断。
风向在此定义为从风机来流方向定义左向为风向值为正，右向为风向值为负。当10秒滑动平均后的测量风向值为负时，机组运行状态保持不变。当10秒滑动平均后的测量风向值为正时，机组进行提高最小桨距角的动作。此处判断条件是为当来流风向值为负时，同时进行变桨动作会导致气动力发生不利的急速变化，增加机组关键部件所遭受的弯矩。在当前的检测周期内检测风速仪风速，由于测量装置，风轮旋转等因素导致测量风速不能直接参与控制，因此对风速仪测量风速进行10秒滑动平均，将10秒滑动平均后的风速与预设的风向偏差阈值进行查表，插值获得当前风速下的风向偏差阈值。将正向的10秒滑动平均后的测量风向值与计算的当前风速下的风向偏差阈值比较，如正向的10秒滑动平均后的测量风向值小于当前风速下的风向偏差阈值，说明此时风力发电机组尚未遭受明显的风向急速变化，机组运行状态不会改变。如正向的10秒滑动平均后的测量风向值大于当前风速下的风向偏差阈值，说明此时风力发电机组经历明显的风向急速变化，此时获取当前时刻的最小桨距角数值theta1并以deltatheta为斜率将最小桨距角设置为theta2。将最小桨距角提升以后可有效降低此时风向急速变化带来的各大关键部件承受的极限载荷。
即本发明通过检测风向仪风向，实时地判断机组当前是否遭遇极端风向变化，并采取提高桨距角的方式来避免机组遭受极端载荷的影响。
实施例2
一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，包括如下步骤：
检测当前风速仪测量风速，并将测量信号传递给PLC控制器。
由于风速仪测量到的风速呈现不规则的实时波动，不适宜直接参与控制算法。
对当前测量的风速仪风速进行15秒滑动平均，得到当前15秒滑动平均后的风速仪风速。
获取设置的风速阈值。
判断当前15秒滑动平均后的风速仪风速是否大于设置的风速阈值。
如当前15秒滑动平均后的风速仪风速小于设置的风速阈值，机组正常运行，无任何控制动作附加。
如当前15秒滑动平均后的风速仪风速大于设置的风速阈值，进入下一步。
检测当前风向仪测量风向，并将测量信号传递给PLC控制器。
由于风向仪测量到的风向呈现不规则的实时波动，不适宜直接参与控制算法。
对当前测量的风向仪风向进行15秒滑动平均，得到当前15秒滑动平均后的风向仪风向。
检测当前风速仪测量风速，并将测量信号传递给PLC控制器。
由于风速仪测量到的风速呈现不规则的实时波动，不适宜直接参与控制算法。
对当前测量的风速仪风速进行15秒滑动平均，得到当前15秒滑动平均后的风速仪风速。
获取15秒滑动平均后的风速仪风速后，与预设的风向偏差进行查表插值，得到不同风速下的风向偏差设置阈值。
获取15秒滑动平均后的风向仪风向后，判断其数值是否大于0。
如小于0，机组正常运行，无任何控制动作附加。
如大于0，判断获取15秒滑动平均后的风向仪风向是否大于当前风速下的风向偏差设置阈值。
如15秒滑动平均后的风向仪风向小于当前风速下的风向偏差设置阈值，机组正常运行，无任何控制动作附加。
如15秒滑动平均后的风向仪风向大于当前风速下的风向偏差设置阈值，机组对最小桨距角进行调度。
检测当前最小桨距角设置值。
获取当前最小桨距角设置值并将其赋值给theta1。
获取定义的即将更新的最小桨距角设置值并将其赋值给theta2。
将theta2值赋给theta1，并以deltatheta值为斜率。
最终将最小桨距角值设置为theta2。最小桨距角是以0.5度每秒为斜率进行提高，提高1～3度。
实施例3
一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制系统，包括：
风速获取模块，用于获取风电机组的实时测量风速；
风向获取模块，用于获取风电机组的实时测量风向；
数据处理模块，用于接收风速获取模块和风向获取模块传输的数据，并进行处理，得到实时的风向偏差阈值；
判断模块，用于接收数据处理模块的数据，并判断是否需要调整风电机组的最小桨距角。
判断模块包括风速判断单元、风向判断单元和风向偏差判断单元；
风速判断单元：当实时测量风速小于等于风速阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风速大于风速阈值，则继续获取风电机组的实时测量风向；
风向判断单元：当实时测量风向小于等于0，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于0，则判断实时测量风向与步骤2)中的实时风向偏差阈值之间的关系，
风向偏差判断单元：当实时测量风向小于等于当前风速下的实时风向偏差阈值，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于当前风速下的实时风向偏差阈值，则提高风电机组的最小桨距角。
判断模块通过PLC控制器对数据处理模块的数据进行判断，并发出指令。
实施例4
本发明方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
实施例5
在示例性实施例中，还提供终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可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本发明方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
综上所述，本发明提供了一种在极端风向变化条件下桨距角控制的方法，通过检测风向仪测量风向，并,与预设阈值进行比较，判断风电机组是否遭遇了极端风向变化，并通过调度最小桨距角，以应对风向急速变化带来的极限载荷。相较传统的在面临急速风向变化而最小桨距角不变的控制方式，本发明提高最小桨距角可以有效地卸下气动力变化带来的机组受载情况。本发明创新地对风向仪测量风向方向正负作为判断，由于负向风向来流时提高最小桨距角会导致机组大部件经历的载荷较正向风向为大，故只对正向来流的风向进行提高最小桨距角的控制来降低极限载荷。相较不区分风向的控制方式，能够进一步降低风电机组在极端风向变化时带来的极限载荷。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)获取风电机组的实时测量风速；
步骤2)获取实时测量风速下的实时风向偏差阈值；
步骤3)基于预先设定的风速阈值，判断风速阈值与步骤1)中实时测量风速之间的关系，
当实时测量风速小于等于风速阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风速大于风速阈值，则继续获取风电机组的实时测量风向；当实时测量风向小于等于0，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于0，则判断实时测量风向与步骤2)中的实时风向偏差阈值之间的关系；风向在此定义为从风机来流方向进行定义，左向为风向值为正，右向为风向值为负；
当实时测量风向小于等于当前风速下的实时风向偏差阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风向大于当前风速下的实时风向偏差阈值，则将原最小桨距角设置值提高1～3度。
2.根据权利要求1所述的用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，其特征在于，步骤1)中，获取实时风电机组的测量风速后，还包括对实时测量风速进行滑动平均。
3.根据权利要求1所述的用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，其特征在于，步骤2)中，首先对当前实时测量风速进行滑动平均，利用插值法处理滑动平均后的实时测量风速与预设的风向偏差阈值，得到当前风速下的实时风向偏差阈值。
4.根据权利要求2或3所述的用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，其特征在于，滑动平均中，滑动时间为10-15s。
5.根据权利要求1所述的用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法，其特征在于，步骤3)中，最小桨距角是以0.5度每秒为斜率进行提高的。
6.一种用于极端风向变化条件下的桨距角控制系统，其特征在于，包括：
风速获取模块，用于获取风电机组的实时测量风速；
风向获取模块，用于获取风电机组的实时测量风向；
数据处理模块，用于接收风速获取模块和风向获取模块传输的数据，并进行处理，得到实时的风向偏差阈值；
判断模块，用于接收数据处理模块的数据，并判断是否需要调整风电机组的最小桨距角；
判断模块包括风速判断单元、风向判断单元和风向偏差判断单元；
风速判断单元：当实时测量风速小于等于风速阈值，则风电机组继续运行；
当实时测量风速大于风速阈值，则继续获取风电机组的实时测量风向；
风向判断单元：当实时测量风向小于等于0，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于0，则判断实时测量风向与数据处理模块中获取的实时的风向偏差阈值之间的关系；风向在此定义为从风机来流方向进行定义，左向为风向值为正，右向为风向值为负；
风向偏差判断单元：当实时测量风向小于等于当前风速下的实时风向偏差阈值，则风电机组继续运行；当实时测量风向大于当前风速下的实时风向偏差阈值，则将原最小桨距角设置值提高1～3度。
7.根据权利要求6所述的用于极端风向变化条件下的桨距角控制系统，其特征在于，判断模块通过PLC控制器对数据处理模块的数据进行判断，并发出指令。
8.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可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至5任一项所述用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，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至5任一项所述用于极端风向变化条件下的桨距角控制方法的步骤。
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