CN112796943A - 一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法和系统，属于风力发电领域，采用了转速这一风电机组最为可靠的测量信号，对其当前时刻转速控制效果及趋势作为判断机组是否遭遇极端风速风向变化风况的条件，从而进入低载荷模式从而保护机组。通过检测前后时刻风电机组转速差与其微分乘积在较短时间内判断风力发电机组是否遭遇了极端风况，如其超过了预先设定的阈值，即机组进入限功率状态，本发明方法能够最大程度避免机组经历极限载荷，提高机组在极端风况下的运行安全。通过机组运行状态来对机组功率运行模式进行控制，从而在极端风力条件下提高风力发电机组的运行安全性。

Description

一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法和系统
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法和系统。
背景技术
水平轴风力风电机组的风轮吸收风能旋转，进而带动连接的风电机组旋转发电。但在面对一些极端湍流风况时，风速及风向都会在短时间内剧烈变化，风电机组转速及各大部件受力也会跟随发生较大波动，从而机组遭受极限载荷，不利于风力发电机组的运行。因此有必要进行机组运行控制策略的调整，使机组在极端风况下尽量降低机组载荷。
现有针对此问题的技术方案大致有，根据风力发电机组的当前工作状态确定适用于当前工作状态的湍流强度估计方式，以基于确定的湍流强度估计方式确定湍流强度；根据湍流强度确定结果控制风力发电机组进入降载运行模式。即现有的针对极端风况的控制策略包括引进风速、机舱加速度等来作为机组运行控制策略的依据，但风速的测量、机舱加速度的零飘、测量设备的可靠性等问题使该方法测量的数据信号在引入控制算法时可能存在由于测量偏差造成实际的控制效果偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，极端风力条件下风电机组运行控制测量偏差较大的缺点，提供一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法和系统。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，包括如下步骤：
步骤1)获取风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，得到风电机组的转速加速度；
步骤2)基于步骤1)的转速差和转速加速度，得到风电机组的运行值；
步骤3)获取预先设定的风电机组控制方法的触发阈值；
步骤4)将步骤2)的运行值与步骤3)的触发阈值进行比较：
状态一，若风电机组的运行值小于触发阈值，则保持当前的功率设定值P1不变；
状态二，若风电机组的运行值大于触发阈值，则将功率设定值降低至P2，此时，风电机组进入限功率状态，计算限功率状态的运行时间，当限功率状态的运行时间小于等于预先设定的控制周期时，维持限功率状态；当限功率状态的运行时间大于预先设定的控制周期时，结束限功率状态，回到功率设定值P1。
优选地，步骤1)中当前时刻的转速差的获取过程为：首先获取风电机组的转速设定值，再获取当前时刻风电机组的转速值，对当前时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的当前时刻的转速值之间的差值，得到当前时刻的风电机组转速差；
上一时刻的转速差的获取过程为：获取上一时刻风电机组的转速值，对上一时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的上一时刻的转速值之间的差值，得到上一时刻的风电机组转速差。
进一步优选地，所述滤波是采用低通滤波法进行信号过滤。
优选地，步骤1)的转速加速度的计算过程为：计算当前时刻的风电机组转速差与上一时刻的风电机组转速差之间的差值，得到前后时刻的风电机组转速差差值，基于前后时刻的风电机组转速差差值与预先设定的控制周期常数，计算得到风电机组转速加速度。
优选地，步骤2)中风电机组的运行值是通过风电机组的转速加速度与当前时刻的风电机组转速差相乘得到的。
优选地，步骤3)中该控制方法触发阈值通过以下过程获得：设定检测周期，在检测周期内获取机组的桨距角，利用插值法计算当前时刻桨距角对应的风电机组转速差与转速差微分乘积预设阀值，得到控制方法的触发阈值。
优选地，步骤4)中预先设定的控制周期为300-400s；
步骤4)的状态二的功率设定值降低过程是以-150kW/s为斜率进行的。
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，包括：
转速获取模块，用于获取风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值；
数据处理模块，与转速获取模块相交互，基于风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值，计算处理后得到风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，并得到风电机组的转速加速度，得到风电机组的运行值，并得到预先设定的风电机组的运行阈值；
异常判断模块，与数据处理模块相交互，将风电机组的运行值与预先设定的风电机组控制方法的触发阈值比较，判断风电机组的运行状态。
优选地，所述异常判断模块包括运行值判断和时间判断；运行值判断用于判断运行值与运行阈值之间的关系，并根据判断结果对功率设定值发出指令；时间判断用于判断限功率状态的运行时间与预先设定的控制周期之间的关系，并根据判断结果对限功率状态发出指令。
优选地，所述异常判断模块使用的装置为PLC控制器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，采用了转速这一风电机组最为可靠的测量信号，对其当前时刻转速控制效果及趋势作为判断机组是否遭遇极端风速风向变化风况的条件，从而进入低载荷模式从而保护机组。通过检测前后时刻风电机组转速差与其微分乘积在较短时间内判断风力发电机组是否遭遇了极端风况，如其超过了预先设定的阈值，即机组进入限功率状态，本发明方法能够最大程度避免机组经历极限载荷，提高机组在极端风况下的运行安全。通过机组运行状态来对机组功率运行模式进行控制，从而在极端风力条件下提高风力发电机组的运行安全性。本发明采用风电机组转速作为控制输入，克服了传统方式中采用风速或机舱加速度等测量信号容易受到干扰导致测量不准确、不可靠带来的控制效果偏差，并创新地采用风电机组转速差与其微分乘积表征机组转速波动程度作为判断条件。
进一步地，步骤3)中的控制方法触发条件为实际运行值与阈值比较，阈值计算以查表法进行，每个桨距角对应一个阈值，通过桨距角查询对应阈值，在保证控制准确的前提下，能够提高本发明方法的处理速度。
进一步地，本发明采用的测量风电机组转速由于测量装置或估计算法等原因不宜使用原始信号，需对其进行滤波处理，避免非必要的测量干扰信号影响控制效果。
进一步地，在机组判断极端风况条件成立，进入限功率运行模式后，需保持一段时间如300～400秒，避免机组频繁进入正常发电模式及限功率模式两者切换状态。
进一步地，进入限功率模式，功率设定值P1以deltaP为斜率设置为P2，避免一个周期的功率设定值变化导致机组运行状态的冲击。
本发明还公开了一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，采用测量风电机组转速作为输入，风电机组转速为风力发电机组控制输入信号中最可靠的测量信号之一，避免由于机舱风速仪测量风速或震动传感器测量机舱加速度的偏差带来的判断条件不够准确。采用测量风电机组转速差及转速差的微分乘积作为判断条件，可以有效地识别出任意时刻风力发电机组是否遭受极端风况。采用限制功率的方式来使机组在极端风况条件下减少出力的同时避免机组经历极限载荷。
附图说明
图1为本发明用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
已有技术方案中采用机舱风速仪测量风速或震动传感器测量机舱加速度，其传感器均位于机舱外部或机舱内，由于风速的不间断变化导致机舱及塔架处于不同程度震动之中，其测量信号不可避免受其影响，故需采用其他可测量信号替代保证控制效果。
实施例1
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，如图1所示，在当前的检测周期内检测风电机组转速，由于测量风电机组转速中存在干扰信号，故对测量风电机组转速信号进行滤波处理。获取当前风电机组转速设定值，将其与滤波处理后的风电机组转速做差获得当前时刻的风电机组转速差。同样地计算上一时刻的风电机组转速差。将当前的风电机组转速差与上一时刻的风电机组转速差做差获得前后时刻的风电机组转速差差值，并将其除于控制周期常数得到前后时刻的风电机组转速加速度。将计算得到的前后时刻的风电机组转速加速度与当前时刻的风电机组转速差做乘积可获得风电机组转速差与转速差微分乘积运行值。
在当前的检测周期内检测桨距角，将测量的桨距角数值与预设的风电机组转速差与转速差微分乘积预设阈值进行查表，插值计算，获取当前时刻桨距角对应的风电机组转速差与转速差微分乘积预设阀值。
判断风电机组转速差与转速差微分乘积运行值与风电机组转速差与转速差微分乘积预设阀值大小，如运行值大于预设阈值，说明此时刻风力发电机组处于极端风况条件下导致的运行数据剧烈波动，为进一步保护机组，切换机组的运行状态进入限功率状态，并持续维持300秒后，机组恢复正常运行状态。如运行值小于预设阈值，说明此时刻风力发电机组尚未遭受极端风况带来的运行数据波动，机组可保持正常发电工况。
实施例2
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，通过检测风电机组转速，并比较前后时刻的风电机组转速差值及其变化情况，实时地判断机组当前是否遭遇极端湍流风况。
步骤1)获取风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，得到风电机组的转速加速度；
具体如下：
检测当前风电机组转速，并将测量信号传递给主控系统。
由于风电机组转速测量装置的测量方式，信号转换，估算方法等，直接得到的转速测量信号存在干扰成分，不适宜直接参与控制算法。所以对当前测量的风电机组转速进行低通滤波，得到当前滤波后的风电机组转速值。
检测当前风电机组转速设定值。
用当前滤波后的风电机组转速值减去当前风电机组转速设定值。
获取当前风电机组转速差。
检测前一测量周期风电机组转速，并将测量信号传递给主控系统。
对前一测量周期风电机组转速进行同样低通滤波，得到前一测量周期滤波后的风电机组转速值。
检测前一测量周期风电机组转速设定值。
用前一测量周期滤波后的风电机组转速值减去前一测量周期风电机组转速设定值。
获取前一测量周期风电机组转速差。
将当前风电机组转速差值与前一测量周期风电机组转速差值做差。
获取前后时刻风电机组转速差差值。
检测控制周期常数。
将前后时刻风电机组转速差差值除以控制周期常数。
获取前后时刻风电机组转速加速度。
步骤2)将前后时刻风电机组转速加速度与当前风电机组转速差的乘积作为当前时刻转速差及转速差微分乘积运行值。
步骤3)检测当前桨距角，并将测量的桨距角数值信号传递给主控系统。
获取测量的桨距角数值，与预设的转速差及转速差微分乘积阈值查表插值。
获取当前时刻转速差及转速差微分乘积阈值。
步骤4)判断当前时刻转速差及转速差微分乘积运行值与当前时刻转速差及转速差微分乘积阈值的大小。
如当前时刻转速差及转速差微分乘积运行值小于当前时刻转速差及转速差微分乘积阈值，机组运行状态不变。
如当前时刻转速差及转速差微分乘积运行值大于当前时刻转速差及转速差微分乘积阈值，机组运行状态切换为限功率状态。
检测当前机组功率设定值P1。
将当前机组功率设定值以deltaP为斜率设置为P2。
机组运行状态切换之时(P1→P2)，限功率状态开始累计计时t。
判断累计计时t是否超过300秒。
如未超过300秒，机组功率设定值为P2。
如超过300秒，机组功率设定值恢复为P1。
本发明的实施例提供了一种在极端风力条件下风电机组运行控制的方法，替代已有方案的控制输入测量信号，从而避免由于控制输入测量偏差带来的控制效果差异。且替代的控制输入测量信号均为已有可测量信号，无需添加更多硬件来完成控制方案。当判断条件满足时，控制系统触发控制动作以保护机组，降低载荷，本实施例采用降功率的方式，但不限于此方式，其他如提升最小桨距角等控制动作同样可以采用。
实施例3
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，包括如下步骤：
步骤1)获取风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，得到风电机组的转速加速度；
步骤2)基于步骤1)的转速差和转速加速度，得到风电机组的运行值；
步骤3)获取预先设定的风电机组控制方法的触发阈值；
步骤4)将步骤2)的运行值与步骤3)的触发阈值进行比较：
状态一，若风电机组的运行值小于触发阈值，则保持当前的功率设定值P1不变；
状态二，若风电机组的运行值大于触发阈值，则将功率设定值降低至P2，此时，风电机组进入限功率状态，计算限功率状态的运行时间，当限功率状态的运行时间小于等于预先设定的控制周期时，维持限功率状态；当限功率状态的运行时间大于预先设定的控制周期时，结束限功率状态，回到功率设定值P1。
步骤1)中当前时刻的转速差的获取过程为：首先获取风电机组的转速设定值，再获取当前时刻风电机组的转速值，对当前时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的当前时刻的转速值之间的差值，得到当前时刻的风电机组转速差；
上一时刻的转速差的获取过程为：获取上一时刻风电机组的转速值，对上一时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的上一时刻的转速值之间的差值，得到上一时刻的风电机组转速差。
所述滤波是采用低通滤波法进行信号过滤。
步骤1)的转速加速度的计算过程为：计算当前时刻的风电机组转速差与上一时刻的风电机组转速差之间的差值，得到前后时刻的风电机组转速差差值，基于前后时刻的风电机组转速差差值与预先设定的控制周期常数，计算得到风电机组转速加速度。
步骤2)中风电机组的运行值是通过风电机组的转速加速度与当前时刻的风电机组转速差相乘得到的。
步骤3)中该控制方法触发阈值通过以下过程获得：设定检测周期，在检测周期内获取机组的桨距角，利用插值法计算当前时刻桨距角对应的风电机组转速差与转速差微分乘积预设阀值，得到控制方法的触发阈值。
步骤4)中预先设定的控制周期为400s；步骤4)的状态二的功率设定值降低过程是以-150kW/s为斜率进行的。
实施例4
一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，包括：
转速获取模块，用于获取风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值；
数据处理模块，与转速获取模块相交互，基于风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值，计算处理后得到风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，并得到风电机组的转速加速度，得到风电机组的运行值，并得到预先设定的风电机组的运行阈值；
异常判断模块，与数据处理模块相交互，将风电机组的运行值与预先设定的运行阈值比较，判断风电机组的运行状态。
异常判断模块包括运行值判断和时间判断；运行值判断用于判断运行值与运行阈值之间的关系，并根据判断结果对功率设定值发出指令；时间判断用于判断限功率状态的运行时间与预先设定的控制周期之间的关系，并根据判断结果对限功率状态发出指令。
需要说明的是，上述实施例中使用的主控系统通过PLC控制器来进行阈值判断并发出指令。
综上所述，本发明设计了一种方法可以通过机组运行状态来对机组功率运行模式进行控制，从而在极端风力条件下提高风力发电机组的运行安全性。本发明创新地采用了转速这一机组最为可靠的测量信号，对其当前时刻转速控制效果及趋势作为判断机组是否遭遇极端风速风向变化风况的条件，从而进入低载荷模式从而保护机组。
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 (10)

1.一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)获取风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，得到风电机组的转速加速度；
步骤2)基于步骤1)的转速差和转速加速度，得到风电机组的运行值；
步骤3)获取预先设定的风电机组控制方法的触发阈值；
步骤4)将步骤2)的运行值与步骤3)的触发阈值进行比较：
状态一，若风电机组的运行值小于触发阈值，则保持当前的功率设定值P1不变；
状态二，若风电机组的运行值大于触发阈值，则将功率设定值降低至P2，此时，风电机组进入限功率状态，计算限功率状态的运行时间，当限功率状态的运行时间小于等于预先设定的控制周期时，维持限功率状态；当限功率状态的运行时间大于预先设定的控制周期时，结束限功率状态，回到功率设定值P1。
2.根据权利要求1所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，步骤1)中当前时刻的转速差的获取过程为：首先获取风电机组的转速设定值，再获取当前时刻风电机组的转速值，对当前时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的当前时刻的转速值之间的差值，得到当前时刻的风电机组转速差；
上一时刻的转速差的获取过程为：获取上一时刻风电机组的转速值，对上一时刻风电机组的转速值进行滤波处理，计算风电机组的转速设定值与滤波处理后的上一时刻的转速值之间的差值，得到上一时刻的风电机组转速差。
3.根据权利要求2所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，所述滤波是采用低通滤波法进行信号过滤。
4.根据权利要求1所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，步骤1)的转速加速度的计算过程为：计算当前时刻的风电机组转速差与上一时刻的风电机组转速差之间的差值，得到前后时刻的风电机组转速差差值，基于前后时刻的风电机组转速差差值与预先设定的控制周期常数，计算得到风电机组转速加速度。
5.根据权利要求1所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，步骤2)中风电机组的运行值是通过风电机组的转速加速度与当前时刻的风电机组转速差相乘得到的。
6.根据权利要求1所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，步骤3)中该控制方法触发阈值通过以下过程获得：设定检测周期，在检测周期内获取机组的桨距角，利用插值法计算当前时刻桨距角对应的风电机组转速差与转速差微分乘积预设阀值，得到控制方法的触发阈值。
7.根据权利要求1所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制方法，其特征在于，步骤4)中预先设定的控制周期为300-400s；
步骤4)的状态二的功率设定值降低过程是以-150kW/s为斜率进行的。
8.一种用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，其特征在于，包括：
转速获取模块，用于获取风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值；
数据处理模块，与转速获取模块相交互，基于风电机组在当前时刻和上一时刻的转速值，计算处理后得到风电机组当前时刻的转速差和上一时刻的转速差，并得到风电机组的转速加速度，得到风电机组的运行值，并得到预先设定的风电机组的运行阈值；
异常判断模块，与数据处理模块相交互，将风电机组的运行值与预先设定的风电机组控制方法的触发阈值比较，判断风电机组的运行状态。
9.根据权利要求8所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，其特征在于，所述异常判断模块包括运行值判断和时间判断；运行值判断用于判断运行值与运行阈值之间的关系，并根据判断结果对功率设定值发出指令；时间判断用于判断限功率状态的运行时间与预先设定的控制周期之间的关系，并根据判断结果对限功率状态发出指令。
10.根据权利要求8所述的用于极端风力条件下风电机组的运行控制系统，其特征在于，所述异常判断模块使用的装置为PLC控制器。
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