CN112943528A - 风力发电机组的控制方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组的控制方法和装置，该控制方法包括：识别风电场的风况；如果确定风电场发生阵风风况，则获取发电机转速值；确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件；如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。采用本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法和装置，能够实现在发生阵风风况时，通过对转矩的控制来维持发电机转速稳定，以减小风力发电机组由于阵风风况所引起的振动。

Description

风力发电机组的控制方法和装置
技术领域
本发明总体说来涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组的控制方法和装置。
背景技术
随着风力发电机组规模的逐渐扩大和机组安全保护的日趋完善，风力发电机组的发电性能(风力发电机组的发电量及可利用率)，受到了越来越多的重视。即，如何充分利用风能，获取最大能源和经济效益，成为风力发电机组主控系统必须面临的问题。目前的振动检测只可以对风力发电机组的振动值大小进行检测，以对风力发电机组进行安全保护，但无法降低振动值，提高发电量。
目前，除了风力发电机组故障时，通过顺桨功能实现气动刹车使发电机停机，以保证风力发电机组的安全之外，发电机正常发电运行时，变桨系统的功能还可以包括以下两种：
(1)进行最大功率跟踪，这时桨距角需要开桨到零度位置，以最大程度地吸收风能。
(2)当发电机进入恒转速运行区域或者功率运行区域之后，主控系统根据目标转速值以及实际转速值，进行PID运算(比例、积分、微分运算)，控制变桨系统调节桨距角，达到稳定发电机转速的目的。
风力发电机组中的发电机转速与风力大小相关，风力可体现为风速，风速越大，风力发电机组的桨叶转动越快，带动风力发电机组的发电机转速越快，为了保证发电机转速稳定，需要调整桨距角来调整发电机转速。
在正常风况下，风速的变化比较慢，风速波动周期较长，发电机转速的上升或者下降也比较缓慢，在这种情况下，往往利用转速差值(目标转速值与实际转速值的偏差值)—桨距角PID运算，通过转速差计算得到合适的桨距角，然后对风力发电机组的桨叶进行调桨达到稳定发电机转速的目的。
但是在风况突变时，比如出现阵风风况时，风速会在较短的时间内突然增大，从根据转速差值—桨距角PID运算得到合适的桨距角值，到根据运算得到的桨距角值进行调桨这一过程，存在滞后性，经常会导致调桨不及时。
由于风速变化很快，根据前一时刻运算得到的桨距角值已经不适用于后一时刻的调桨过程中，并不能有效的稳定发电机转速，会导致发电机过速停机，甚至有可能对发电机造成损害。
此外，PID运算主要是依据目标转速值和实际转速值的偏差值来进行计算的，在出现阵风风况的初期，发电机转速还没有明显上升，即PID运算检测到的偏差值比较小，所以输出的调桨控制量也比较小，桨角变化也比较小。而当风速增大、发电机转速升高之后，PID运算检测到实际转速值上升且与目标转速值偏差较大后，才开始进行调桨控制，所以总是存在一定的滞后性，这种滞后性在出现阵风风况时，会导致发电机过速停机，或者引起风力发电机组振动。
如图1所示，为风力发电机组的阵风风况示意图，包括风速变化曲线101、转速变化曲线102、电磁扭矩变化曲线103。图1中的横坐标表示时间，纵坐标仅表示三种曲线的变化趋势，不表示彼此的数值大小关系。
从图1所示可以看出，在t1-t2时间段内，风速变化缓慢，发电机转速和电磁扭矩的变化也相对缓慢。
在t2时刻，风速突然升高，开始出现如图中风速变化曲线101所示的阵风情况，阵风开始，由于发电机转速直接和风力大小相关，因此在风能作用下发电机转速随之升高。但是发电机转速值滞后于风速值上升，并且电磁扭矩的变化值有一定的限幅(例如800Nm/s)，发电机的电磁扭矩值又滞后于发电机转速值上升，存在一定滞后性，不会立即升高到与当前转速值相匹配。
在t4时刻，风速升高到最大值，在t4时刻之后风速突然降低，导致发电机转速值也随之突然下降，而此时由于发电机转速值较高，所以发电机所加载的电磁扭矩值会继续上升，发电机的电磁扭矩值滞后于发电机转速值下降，所以发电机转速值会下降较快。
在t5时刻之后，风速变化缓慢，阵风结束。发电机转速和电磁扭矩继续降低，发电机转速至t6时刻降低至最小值。
在上述风速突然升高和突然降低的过程中，发电机转速变化过快，会导致加速度a变化较大，根据F＝ma，最终会导致风力发电机组产生振动。
在上述过程中，如果盲目加快电磁扭矩变化率，由于阵风的持续时间和上升、下降的幅度都是不确定的，所以难以进行精准的控制，电磁扭矩控制不当(过高或者过低)，也会引起风力发电机组振动。此外，由于阵风的变化是随机的，所以其变化幅度、变化时间都难以进行定理，现有的通过斜率检测是否出现阵风的方式，检测较为复杂繁琐，甚至具有滞后性。
目前防止阵风风况下的风力发电机组的振动的方法主要有以下三种：
(1)增大PID参数的比例、积分风参数。这种方法受到的局限性很大，这是由于PID运算主要是依据目标转速值和实际转速值的偏差值来进行计算的，当出现阵风的初期，发电机转速还没有明显上升，即PID运算检测到的偏差值比较小，所以输出的调桨控制量也比较小，桨角变化也比较小，即使增大或放大PID系数，但由于偏差本来很小，所以输出的变化量依然很小。例如，0.1度/秒的变桨速度，乘以2(PID参数放大2倍)，输出结果是0.2度/秒的变桨速度，变化量依然很小。
(2)增大目标转速和实际转速的偏差值。这种方法在转速值接近额定转速时的情况下有较好的效果，但在低风速的情况下，由于发电机的实际转速值与目标转速值本身偏差较大，适量降低目标转速，不会有明显的效果，而且不能对阵风风况进行及时的监测和判断。
(3)根据风速值，对桨角变化量进行补偿这种方法在风速变化初期，或额定风速时，具有一定的效果，可以起到一定的增大调桨速度的作用。但是风速是自然变化量，不受控制器的影响，正常的PID控制，实际数值会在PID的控制下，逐渐接近目标值，而风速不会由于PID的控制，逐渐变化到接近额定风速，而且风速持续时间也是随机的，无法准确判断。由此导致的问题是：如果阵风持续时间较长，就会始终输出一个桨角变化量，进行收桨，最终导致风力发电机转速过低，而在某一时刻停止桨角变化量补偿，其控制时刻也不易把握。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种风力发电机组的控制方法和装置，以克服上述至少一个缺陷。
在一个总体方面，提供一种风力发电机组的控制方法，所述控制方法包括：识别风电场的风况；如果确定风电场发生阵风风况，则获取发电机转速值；确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件；如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
可选地，识别风电场的风况的步骤可包括：计算发电机旋转消耗的动能与风力发电机组输出的电能的和值，并计算作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能与所述和值的差值的绝对值；如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则确定风电场发生阵风风况；如果计算得到的差值的绝对值不大于所述设定阈值，则确定风电场没有发生阵风风况。
可选地，确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件的步骤可包括：如果所获取的发电机转速值小于发电机额定转速值，则确定所获取的发电机转速值满足控制启动条件，如果所获取的发电机转速值不小于发电机额定转速值，则确定所获取的发电机转速值不满足控制启动条件。
可选地，控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值的步骤可包括：在每个采样时刻，利用能量守恒定律基于在该采样时刻的风速值和发电机转速值来确定转矩控制的目标值；基于所确定的目标值来调整发电机的电磁扭矩值。
可选地，可通过以下方式确定在任一采样时刻的转矩控制的目标值：获取在所述任一采样时刻的风速值和发电机转速值；利用所获取的风速值确定在所述任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能；利用所获取的发电机转速值确定在所述任一采样时刻发电机旋转消耗的动能；基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能；利用所获得的理想输出电能来确定在所述任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，将所确定的电磁扭矩值确定为在所述任一采样时刻的转矩控制的目标值。
可选地，在所述控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值之后，所述控制方法可还包括：在每个采样时刻，获取风速值；将所获取的风速值与风速初始值进行比较，其中，所述风速初始值为在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值；如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式。
在另一总体方面，提供一种风力发电机组的控制装置，所述控制装置包括：风况识别模块，用于识别风电场的风况；转速获取模块，用于如果确定风电场发生阵风风况，则获取发电机转速值；启动判断模块，用于确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件；转矩控制模块，用于如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
可选地，风况识别模块可用于计算发电机旋转消耗的动能与风力发电机组输出的电能的和值，并计算作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能与所述和值的差值的绝对值，如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则确定风电场发生阵风风况，如果计算得到的差值的绝对值不大于所述设定阈值，则确定风电场没有发生阵风风况。
可选地，转矩控制模块可在每个采样时刻，利用能量守恒定律基于在该采样时刻的风速值和发电机转速值来确定转矩控制的目标值，基于所确定的目标值来调整发电机的电磁扭矩值。
可选地，转矩控制模块可通过以下方式确定在任一采样时刻的转矩控制的目标值：获取在所述任一采样时刻的风速值和发电机转速值；利用所获取的风速值确定在所述任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能；利用所获取的发电机转速值确定在所述任一采样时刻发电机旋转消耗的动能；基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能；利用所获得的理想输出电能来确定在所述任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，将所确定的电磁扭矩值确定为在所述任一采样时刻的转矩控制的目标值。
可选地，所述控制装置可还包括：风速获取模块，在每个采样时刻，获取风速值；风速比较模块，将所获取的风速值与风速初始值进行比较，其中，所述风速初始值为在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值，其中，如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则转矩控制模块可确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式。
在另一总体方面，提供一种控制器，包括：处理器；输入\输出接口；存储器，用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现上述的风力发电机组的控制方法。
可选地，所述控制器可为风力发电机组的主控制器。
采用本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法和装置，能够在发生阵风风况时维持发电机转速稳定，并减小由于阵风风况所引起的风力发电机组的振动。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出风力发电机组在阵风风况下的运行状态示意图；
图2示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法的流程图；
图3示出根据本发明示例性实施例的识别风电场的风况的步骤的流程图；
图4示出根据本发明示例性实施例的风电场发生阵风风况时的运行数据示意图；
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的运行区域示意图；
图6示出根据本发明示例性实施例的调整发电机的电磁扭矩值的步骤的流程图；
图7示出根据本发明示例性实施例的确定转矩控制的目标值的步骤的流程图；
图8示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组在阵风风况下的运行状态示意图；
图9示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置的框图；
图10示出根据本发明示例性实施例的控制器的框图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
在风况突然发生改变的情况下，例如风速突然大幅度提升，由于风速提升，会使得发电机转速也随之提升，在风速突然大幅度提升之后还有可能大幅度下降，由于风速下降，会使得发电机转速也随之下降。在风力发电过程中，要求发电机转速是平缓、稳定的变化，为了保证发电机转速的稳定，在本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法中，提出针对风况突然发生改变的情况，通过调整发电机的电磁扭矩值来保证发电机转速的稳定。
图2示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法的流程图。
参照图2，在步骤S10中，识别风电场的风况，以确定风电场是否发生阵风风况。
这里，阵风(GustWind)，是用于描述特殊的空气流动现象的气象术语，指在短暂时间内突然出现忽大忽小变化的风，通常是指存在瞬间极大风速的风。
阵风的产生是空气扰动的结果，流体在运动中，当涡旋的流动方向与总的空气流动方向一致时，就会加大风速，相反，则会减小风速，当涡旋与空气流动方向一致而加大风速时，会产生瞬时极大风速，即为阵风。
在本发明一优选示例性实施例中，利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律，来识别风电场的风况。
例如，可利用下式来表示风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律：
W1＝W2+W3 (1)
公式(1)中，W1表示作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能，W2表示发电机旋转消耗的动能，W3表示风力发电机组输出的电能。
在一优选示例中，步骤S10中可根据作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能、发电机旋转消耗的动能、风力发电机组输出的电能，识别风电场的风况。
下面参照图3来介绍基于能量守恒定律来识别风电场的风况的具体方式。
图3示出根据本发明示例性实施例的识别风电场的风况的步骤的流程图。
如图3所示，在步骤S101中，计算发电机旋转消耗的动能与风力发电机组输出的电能的和值，并计算作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能与上述和值的差值的绝对值。
例如，可利用下式来计算上述差值的绝对值：
|ΔW|＝W1-W2-W3 (2)
公式(2)中，|ΔW|表示风能W1与动能W2、电能W3的差值的绝对值。
作为示例，风能可为风速值与第一能量转化系数的乘积，动能可为发电机转速值与第二能量转化系数的乘积，电能可为发电机的电磁扭矩值与第三能量转化系数的乘积。
在此情况下，上述公式(2)可表示为：
|ΔW|＝W1-W2-W3＝v×A-n×B-T×C (3)
公式(3)中，v表示风速值，A表示第一能量转化系数，n表示发电机转速值，B表示第二能量转化系数，T表示电磁扭矩值，C表示第三能量转化系数。
例如，第一能量转化系数可指用于将风速值转化为能量值的系数，第二能量转化系数可指用于将发电机转速值转化为能量值的系数，第三能量转化系数可指用于将发电机的电磁扭矩值转化为能量值的系数。这里，可利用风力发电机组在并网运行状态下的运行数据来确定上述能量转化系数的数值。
上述利用公式(3)来识别风电场的风况的方式，与风力发电机组的运行区域无关，也就是说，只要风力发电机组并网运行，即可实时获取风速值、发电机转速值以及电磁扭矩值，以实时监测风电场风况的变化。
在步骤S102中，确定计算得到的差值的绝对值是否大于设定阈值，即，将计算得到的差值的绝对值与设定阈值进行比较。
作为示例，设定阈值可以设置为风力发电机组正常运行时基于上述公式(3)所确定的差值的预定倍数，优选地，其具体数值还可以结合上述能量转化系数的数值进行确定。
如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则执行步骤S103：确定风电场发生阵风风况。
优选地，可以记录在风电场发生阵风风况时刻的风速值，并将所记录的风速值确定为风速初始值，作为后续判断阵风风况是否结束的依据。
这里，还可以基于风能W1与动能W2、电能W3的差值ΔW的正负来进一步确定阵风风况的变化情况，例如，如果ΔW＞0，则表明阵风风速骤然升高，如果ΔW＜0，则表明阵风风速骤然下降。
如果计算得到的差值的绝对值不大于(即，小于或者等于)设定阈值，则表明风力发电机组运行稳定，此时执行步骤S104：确定风电场没有发生阵风风况。
应理解，图3所示的识别风电场的风况的方式仅为一优选示例，本发明不限于此，还可以通过其他方式来识别风电场的风况。
在一示例中，还可以基于风速数据和风向数据对风电场的风况进行识别。
例如，可绘制风电场的风速与风向玫瑰图，风速与风向玫瑰图的半径为对应所属风向区间的风力发电机组风速数据的累加值。由于在发生阵风风况时，风向区间对应的风速数据的累加值会迅速增大，因此，当风速与风向玫瑰图的半径达到第一预设半径时，可确定风电场的风况为阵风风况。
在上述示例中，利用检测到的风速值，通过计算风速变化程度来确定风况是否突然大幅度提升或者下降。
在另一示例中，还可以基于风速数据和桨距角数据对风电场的风况进行识别。
例如，可通过绘制风电场的阵风机组数目与风向玫瑰图，并当阵风机组数目与风向玫瑰图的半径达到第二预设半径时，确定风电场的风况为阵风风况。这里，阵风机组数目与风向玫瑰图的半径为对应所属风向区间的阵风机组数目，阵风机组数目指风速变化率大于预设阵风风速变化率，且桨距角变化率大于预设阵风桨距角变化率的风力发电机组数目。
在上述示例中，结合风速变化率和桨距角变化率一起进行风况识别，能够降低阵风风速的瞬变性对判断结果的影响，从而更精准地预测风电场的真实风况。
在上述所列举的几种风况识别方式中，基于能量守恒定律的风况识别方式与检测、计算风速值相比，不需要进行斜率计算，计算方式更为简便且准确率更高。
此外，基于能量守恒定律的风况识别方式不需要对风速上升时间和上升幅度，以及转速上升时间和上升幅度，进行较长时间的检测，同时，由于风速上升或者下降的时间比转速上升或者下降的时间要早，因此这种风况识别方式可以及早对阵风风况做出判断，即在风速上升初期，就能识别出阵风风况，避免了控制系统的滞后性。
图4示出根据本发明示例性实施例的风电场发生阵风风况时的运行数据示意图。
如图4所示，横坐标为时间，纵坐标为上述的能量的差值ΔW，即，W1-W2-W3的差值。
从图4所示可以看出，在风速下降的瞬间，差值ΔW瞬间突变为负值，表明风速瞬间降低。在此情况下，风能W1变小，在风能W1作用下发电机转速值随之变小，即，动能W2也变小，但发电机的电磁扭矩值滞后于发电机转速值下降，此时电能W3在上升，导致差值的绝对值ΔW突然增大(例如，大于设定阈值)，表明风电场出现了阵风风况。
返回图2，如果确定风电场没有发生阵风风况，则返回执行步骤S10，继续识别风电场的风况。
如果确定风电场发生阵风风况，则执行步骤S20：获取发电机转速值。
这里，获取的是在确定风电场发生阵风风况时刻的发电机转速值。
在步骤S30中，确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件。这里，控制启动条件可指控制风力发电机组进入转矩控制模式的条件。
在一优选示例中，步骤S30中可根据所获取的发电机转速值与发电机额定转速值的比较结果来确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件。
例如，如果所获取的发电机转速值小于发电机额定转速值，则确定所获取的发电机转速值满足控制启动条件，如果所获取的发电机转速值不小于发电机额定转速值，则确定所获取的发电机转速值不满足控制启动条件。
图5示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的运行区域示意图。
如图5所示，横坐标为发电机转速值，纵坐标为与发电机转速值相对应的需加载的电磁扭矩值，风力发电机组的运行区域可包括如下四个运行区域：启动区201、风能利用系数Cp恒定区202、转速恒定区203、功率恒定区204。
这里，启动区201是指风速值大于风力发电机的启动风速，风力发电机开始启动并网的过程，Cp恒定区202是指对风力发电机组进行转速控制，使风力发电机组达到最佳叶尖速比，以获得最大风能利用率的控制区域，转速恒定区203是指发电机转速值达到发电机额定转速值，而电磁扭矩值还未达到额定电磁扭矩值时的控制区域，在此区域风力发电机组的输出功率小于额定功率，功率恒定区204是指风力发电机组的输出功率达到额定功率的控制区域。
当确定所获取的发电机转速值小于发电机额定转速值时，对应于Cp恒定区202，在Cp恒定区202中发电机转速的起始转速值小于发电机额定转速值，所以发电机转速存在一定的上升空间。
返回图2，如果确定发电机转速值不满足控制启动条件，则不再继续执行本发明的风力发电机组的控制方法。
如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则执行步骤S40：控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
也就是说，在低风速、低转速的情况下，如果风电场发生阵风风况时，执行本发明的转矩控制策略，这是由于在发电机转速值达到发电机额定转速值时，其已经没有向上调整的空间。
这里，电磁扭矩(Electromagnetic Torque)，也可称为电磁转矩，当发电机电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中受到电磁力，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩，发电机在加载电磁扭矩之后，才能发电输出功率。也就是说，需要向发电机施加一与叶片旋转方向相反的作用力(对应于上述的动能W2)，以加载电磁扭矩，从而输出电能。
参照图5所示，在现有的控制方法中，在Cp恒定区202内，基于能量守恒定律，随着风速值的升高，由于电磁扭矩值上升较慢，发电机转速值会升高。为避免由于风速突然升高所导致的发电机转速的突然增大，在本发明示例性实施例中，在风速突然升高时，通过调整发电机的电磁扭矩值，使得电磁扭矩值的变化量等同于风速的变化量，以维持发电机转速的稳定。也就是说，在转矩控制模式下不需要对叶片进行附加的调桨控制，也能控制风力发电机组不过速。
下面参照图6来介绍调整发电机的电磁扭矩值的具体方式。
图6示出根据本发明示例性实施例的调整发电机的电磁扭矩值的步骤的流程图。应理解，图6所示的基于风速值和发电机转速值调整发电机的电磁扭矩值的方式仅为一优选示例，本发明不限于此，还可以通过其他方式来调整发电机的电磁扭矩值。
如图6所示，在步骤S41中，在每个采样时刻，利用能量守恒定律基于在该采样时刻的风速值和发电机转速值来确定转矩控制的目标值。
在本发明示例性实施例中，基于能量守恒定律来实时确定转矩控制的目标值，以实时对发电机的电磁扭矩值进行修正。
下面参照图7来介绍确定在每个采样时刻中的任一采样时刻的转矩控制的目标值的具体方式。应理解，图7所示的确定转矩控制的目标值的方式仅为一优选示例，本发明不限于此，还可以通过其他方式来确定转矩控制的目标值。
图7示出根据本发明示例性实施例的确定转矩控制的目标值的步骤的流程图。
如图7所示，在步骤S410中，获取在任一采样时刻的风速值和发电机转速值。
在步骤S420中，利用所获取的风速值确定在任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能。
例如，可通过计算所获取的风速值与第一能量转化系数的乘积来获得在任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能。
在步骤S430中，利用所获取的发电机转速值确定在任一采样时刻发电机旋转消耗的动能。
例如，可通过计算所获取的发电机转速值与第二能量转化系数的乘积来获得在任一采样时刻发电机旋转消耗的动能。
在步骤S440中，基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能。
例如，基于上述能量守恒定律，在任一采样时刻的理想输出电能为在任一采样时刻的风能与动能的差值。
在步骤S450中，利用所获得的理想输出电能来确定在任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，并将所确定的电磁扭矩值确定为在任一采样时刻的转矩控制的目标值。
例如，可通过计算理想输出电能与第三能量转化系数的商来获得在任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值。
由上述确定转矩控制的目标值的过程可知，所获取的风速值和发电机转速值是实时变化，相应地所确定的转矩控制的目标值也是实时变化的。
返回图6，在步骤S42中，基于所确定的目标值来调整发电机的电磁扭矩值。
例如，具体的电磁扭矩控制过程为：在阵风风速骤然升高的过程中(即，ΔW＞0)，增大电磁扭矩值，来追踪该转矩控制的目标值，以维持发电机转速稳定，在阵风风速骤然下降的过程中(即，ΔW＜0)，减小电磁扭矩值，来追踪该转矩控制的目标值，以维持发电机转速稳定，从而防止风力发电机组的振动值过大。
也就是说，在对风况的识别过程中，可涵盖阵风变大、变小两种情况，并针对阵风变化的不同情况，来控制电磁扭矩值进行相应地调整。由于在控制过程中，不断对转矩控制的目标值进行修正，所以可以有效应对风速瞬间突变的情况。
应理解，在本发明示例性实施例的转矩控制模式下，通过对电磁扭矩值的调整来维持发电机转速的稳定，此时可以不需要对桨距角进行特殊的控制，使用现有的桨距角控制策略即可。
图8示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组在阵风风况下的运行状态示意图。
图8示出在采用本发明的风力发电机组的控制方法之后，风力发电机组在阵风风况下的运行状态。
如图8所示，横坐标为时间，纵坐标仅表示三种曲线的变化趋势，不表示彼此的数值大小关系，曲线401表示风速变化曲线，曲线402表示转速变化曲线，曲线403表示原有电磁扭矩变化曲线，曲线404表示采用本发明的控制方法的电磁扭矩变化曲线。
从图8所示可以看出，在t1时刻，为风速正常波动的情况，此时发电机转速和电磁扭矩都合理地波动。在t2时刻，开始出现如图中风速变化曲线101所示的阵风情况，到t3时刻，阵风风速突然变大，风力突然变大，此时能量的差值ΔW为正值且差值的绝对值大于设定阈值，进入转矩控制模式，增大电磁扭矩值，来追踪转矩控制的目标值，以维持发电机转速稳定。
在t4时刻之后，风速突然下降，到t5时刻能量的差值ΔW为负值且差值的绝对值大于设定阈值，此时减小电磁扭矩值，来追踪该转矩控制的目标值，以维持发电机转速稳定。
在一优选示例中，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法在转矩控制模式下调整发电机的电磁扭矩值的过程中，还实时判断阵风风况是否结束，以在确定阵风风况结束时退出转矩控制模式。
例如，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法可还包括：在每个采样时刻，获取风速值，并将所获取的风速值与风速初始值进行比较。作为示例，风速初始值可指在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值。
也就是说，通过判断当前风速值是否恢复到阵风风况发生时的风速初始值，来确定阵风风况是否结束。
如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式，如果所获取的风速值与风速初始值的差值不小于(即，大于或者等于)预设值，则确定阵风风况没有结束，此时，继续在转矩控制模式下调整发电机的电磁扭矩值。
在本发明示例性实施例中，通过与风速初始值的对比，可以有效判断阵风风况结束的时刻，而不需要对风速值的变化幅度进行判断。
采用本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法，能够有效防止阵风风况出现时，由于风能的突然增大或者减小而导致的风力发电机组的振动，并维持发电机转速稳定。
图9示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置的框图。
如图9所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置100包括：根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置101、转速获取模块102、启动判断模块103、转矩控制模块104。
具体说来，风况识别模块101识别风电场的风况。
在一优选示例中，风况识别模块101可利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律，来识别风电场的风况。
例如，风况识别模块101可根据作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能、发电机旋转消耗的动能、风力发电机组输出的电能，识别风电场的风况。
具体地，风况识别模块101可计算动能与电能的和值，并计算风能与上述和值的差值的绝对值，如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则确定风电场发生阵风风况，如果计算得到的差值的绝对值不大于设定阈值，则确定风电场没有发生阵风风况。
作为示例，风能可为风速值与第一能量转化系数的乘积，动能可为发电机转速值与第二能量转化系数的乘积，电能可为发电机的电磁扭矩值与第三能量转化系数的乘积。例如，第一能量转化系数可指用于将风速值转化为能量值的系数，第二能量转化系数可指用于将发电机转速值转化为能量值的系数，第三能量转化系数可指用于将发电机的电磁扭矩值转化为能量值的系数。
如果确定风电场发生阵风风况，则风况识别模块101继续识别风电场的风况。
如果确定风电场发生阵风风况，则转速获取模块102获取发电机转速值。这里，转速获取模块102获取的是在确定风电场发生阵风风况时刻的发电机转速值。
启动判断模块103确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件。这里，控制启动条件可指控制风力发电机组进入转矩控制模式的条件。
在一优选示例中，启动判断模块103可根据所获取的发电机转速值与发电机额定转速值的比较结果来确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件。
例如，如果所获取的发电机转速值小于发电机额定转速值，则启动判断模块103确定所获取的发电机转速值满足控制启动条件，如果所获取的发电机转速值不小于发电机额定转速值，则启动判断模块103确定所获取的发电机转速值不满足控制启动条件。
如果确定发电机转速值不满足控制启动条件，则转矩控制模块104不动作。
如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则转矩控制模块104控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
在一优选示例中，转矩控制模块104可在每个采样时刻，利用能量守恒定律基于在该采样时刻的风速值和发电机转速值来确定转矩控制的目标值，并基于所确定的目标值来调整发电机的电磁扭矩值。
例如，转矩控制模块104可基于能量守恒定律来确定转矩控制的目标值，以实时对发电机的电磁扭矩值进行修正。
作为示例，转矩控制模块104可通过以下方式确定在每个采样时刻中的任一采样时刻的转矩控制的目标值。
获取在任一采样时刻的风速值和发电机转速值；利用所获取的风速值确定在任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能；利用所获取的发电机转速值确定在任一采样时刻发电机旋转消耗的动能；基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能；利用所获得的理想输出电能来确定在任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，将所确定的电磁扭矩值确定为在任一采样时刻的转矩控制的目标值。
这里，可通过计算所获取的风速值与第一能量转化系数的乘积来获得在任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能，可通过计算所获取的发电机转速值与第二能量转化系数的乘积来获得在任一采样时刻发电机旋转消耗的动能，在任一采样时刻的理想输出电能可为在任一采样时刻的风能与动能的差值，可通过计算理想输出电能与第三能量转化系数的商来获得在任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值。
在一优选示例中，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置可还包括风况结束判断设备，以在每个采样时刻判断阵风风况是否结束。
如图9所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制装置100可还包括：风速获取模块105和风速比较模块106，以判断阵风风况是否结束。
具体说来，风速获取模块105在每个采样时刻，获取风速值。
风速比较模块106将所获取的风速值与风速初始值进行比较。作为示例，风速初始值可指在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值。
如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则转矩控制模块104确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式。
如果所获取的风速值与风速初始值的差值不小于预设值，则转矩控制模块104继续调整发电机的电磁扭矩值。
图10示出根据本发明示例性实施例的控制器的框图。
如图10所示，根据本发明示例性实施例的控制器200包括：处理器201、输入\输出接口202和存储器203。
具体说来，存储器203用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器201执行时实现上述的风力发电机组的控制方法。该输入\输出接口202用于连接各种输入\输出设备。
在一优选示例中，控制器200可包括但不限于风力发电机组的主控制器。
这里，图1所示的风力发电机组的控制方法可在图10所示的处理器201中执行。也就是说，图9所示的各模块可由数字信号处理器、现场可编程门阵列等通用硬件处理器来实现，也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现，还可完全通过计算机程序来以软件方式实现，例如，可被实现为图10中所示的处理器201中的各个模块。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述风力发电机组的控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法和装置，基于风力发电机组运行过程中的能量守恒定律，对风力发电机组的运行数据进行分析，可以弥补低风速的情况下，现有控制策略中PID控制器调节的不足。
此外，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制方法和装置，可以有效解决风况突变时发电机过速停机对风力发电机组造成的损害的问题，以避免在阵风风况下，由于振动或者过速停机而影响风力发电机组运行安全。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (12)

1.一种风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
识别风电场的风况；
如果确定风电场发生阵风风况，则获取发电机转速值；
确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件；
如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，识别风电场的风况的步骤包括：
计算发电机旋转消耗的动能与风力发电机组输出的电能的和值，并计算作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能与所述和值的差值的绝对值；
如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则确定风电场发生阵风风况；
如果计算得到的差值的绝对值不大于所述设定阈值，则确定风电场没有发生阵风风况。
3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件的步骤包括：当所获取的发电机转速值小于发电机额定转速值时，确定所获取的发电机转速值满足控制启动条件；
当所获取的发电机转速值不小于发电机额定转速值时，确定所获取的发电机转速值不满足控制启动条件。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值的步骤包括：
在每个采样时刻，利用能量守恒定律基于在该采样时刻的风速值和发电机转速值来确定转矩控制的目标值；
基于所确定的目标值来调整发电机的电磁扭矩值。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，通过以下方式确定在任一采样时刻的转矩控制的目标值：
获取在所述任一采样时刻的风速值和发电机转速值；
利用所获取的风速值确定在所述任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能；
利用所获取的发电机转速值确定在所述任一采样时刻发电机旋转消耗的动能；
基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能；
利用所获得的理想输出电能来确定在所述任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，将所确定的电磁扭矩值确定为在所述任一采样时刻的转矩控制的目标值。
6.如权利要求1-5中任一项所述的控制方法，其特征在于，在所述控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值之后，还包括：
在每个采样时刻，获取风速值；
将所获取的风速值与风速初始值进行比较，其中，所述风速初始值为在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值；
如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式。
7.一种风力发电机组的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
风况识别模块，用于识别风电场的风况；
转速获取模块，用于如果确定风电场发生阵风风况，则获取发电机转速值；
启动判断模块，用于确定所获取的发电机转速值是否满足控制启动条件；
转矩控制模块，用于如果确定发电机转速值满足控制启动条件，则控制风力发电机组进入转矩控制模式，以利用风力发电机组在运行过程中的能量守恒定律来调整发电机的电磁扭矩值。
8.如权利要求7所述的控制装置，其特征在于，风况识别模块用于计算发电机旋转消耗的动能与风力发电机组输出的电能的和值，并计算作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能与所述和值的差值的绝对值，如果计算得到的差值的绝对值大于设定阈值，则确定风电场发生阵风风况，如果计算得到的差值的绝对值不大于所述设定阈值，则确定风电场没有发生阵风风况。
9.如权利要求8所述的控制装置，其特征在于，转矩控制模块通过以下方式确定在任一采样时刻的转矩控制的目标值：
获取在所述任一采样时刻的风速值和发电机转速值；
利用所获取的风速值确定在所述任一采样时刻作用到风力发电机组的叶片旋转方向的风能；
利用所获取的发电机转速值确定在所述任一采样时刻发电机旋转消耗的动能；
基于所确定的风能和动能的差值来获得风力发电机组的理想输出电能；
利用所获得的理想输出电能来确定在所述任一采样时刻的发电机的电磁扭矩值，将所确定的电磁扭矩值确定为在所述任一采样时刻的转矩控制的目标值。
10.如权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
风速获取模块，在每个采样时刻，获取风速值；
风速比较模块，将所获取的风速值与风速初始值进行比较，其中，所述风速初始值为在确定风电场发生阵风风况时刻获取的风速值，
其中，如果所获取的风速值与风速初始值的差值小于预设值，则转矩控制模块确定阵风风况结束，并控制风力发电机组退出转矩控制模式。
11.一种控制器，其特征在于，包括：
处理器；
输入\输出接口；
存储器，用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任意一项所述的风力发电机组的控制方法。
12.如权利要求11所述的控制器，其特征在于，所述控制器为风力发电机组的主控制器。
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