CN113090455A - 在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法、系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法、系统及设备，属于风力发电领域，通过检测电网掉电信号，在执行收桨停机操作时刻引入机舱前后加速度信号参与变桨控制逻辑，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，采用实时变速率收桨停机，充分考虑整机的动力学响应特性，实时计算对应的变速率收桨指令。本发明在电网掉电条件下采用机舱前后加速度作为控制输入参与变桨控制，克服了传统方式中未考虑塔架及整机的震动情况，并创新地在恒定收桨速率的基础上引入机舱前后加速度‑变桨速率控制环，充分利用检测的机舱前后加速度信号中整机的动力学响应信息，在实时变化的变桨动作中降低塔架的极限载荷。
Description
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法、系统及设备。
背景技术
塔架作为风力发电机组重要的支撑部分，其在不同运行工况下的受力情况影响塔架的可靠性及寿命。在遭遇极端风况同时机组处于特殊状况叠加的极限载荷考验塔架的承受能力，进一步对风力发电机组整机的正常稳定运行造成严重影响。风力发电机组在遭遇电网掉电时，变流器会与电网瞬间断开，发电机转矩突然掉为零，风力发电机组在突遇网侧负载消失的情况下塔架等大部件有可能会经历极限弯矩，不利于风力发电机组的长久稳定运行。因此有必要进行机组运行控制策略的调整，使机组在极端风况叠加电网故障下尽量降低机组载荷。
现有针对此问题的技术方案包括：当风力发电机组检测到电网掉电信号后，发电机扭矩立即掉为0，同时变桨执行机构执行恒速率的收桨速率来进行停机操作，从当前的桨距角收桨到90度。由于未考虑塔架在此种情况下的震动情况，仅依靠恒速率的收桨动作执行气动刹车来停机保护。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，采用恒速率的收桨动作执行停机，未考虑塔架震动情况的缺点，提供一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法、系统及设备。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，包括如下步骤：
获取当前风力发电机组的电网掉电状态，当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，数据处理后，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
当检测到处于电网掉电状态时，开始记录电网掉电变桨动作的时间，得到电网掉电变桨动作计时；
基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率；
基于机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率和电网掉电收桨速率，得到执行收桨速率，根据执行收桨速率进行变桨动作。
优选地，数据处理的过程具体为：
获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，对前后加速度数据进行处理后，得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率；
基于电网掉电标志位，获取机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益；
基于机舱前后加速度加阻回路变桨速率和机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率。
进一步优选地，前后加速度数据进行处理的具体过程为：
对机舱的前后加速度积分处理，得到机舱前后位移速率；
基于机舱前后加速度加阻增益和机舱前后位移速率，得到机舱前后加速度加阻回路变桨位置；
对机舱前后加速度加阻回路附加变桨位置微分处理，得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率。
优选地，机舱的前后加速度积分处理具体为：
首先要对获取的当前风力发电机组中机舱的前后加速度进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后加速度；
再对滤波后的机舱前后加速度进行积分处理。
优选地，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益的具体获取过程为：
当电网掉电标志位为0时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益赋值为1；
当电网掉电标志位为1时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益赋值为3。
优选地，当电网掉电标志位为1时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益与机舱前后加速度加阻回路变桨速率乘积，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
当电网掉电标志位为0时，机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率为0；
当得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率时，基于预先设定的速率阈值进行限幅操作。
优选地，电网掉电收桨速率为电网掉电慢速收桨速率或电网掉电快速收桨速率；
当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时大于设定时间时，获取电网掉电慢速收桨速率；
当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时小于等于设定时间时，获取电网掉电快速收桨速率；
设定时间为10～15s。
优选地，执行收桨速率为机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率和电网掉电收桨速率之和。
一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制系统，包括：
电网掉电判断模块，用于获取当前风力发电机组的电网掉电状态，并根据电网掉电状态判断电网掉电标志位；当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
加速度数据读取模块，用于获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据；
第一数据处理模块，与加速度数据读取模块相交互，用于对机舱的前后加速度数据进行处理，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
计时模块，用于在风电机组处于电网掉电状态时，记录电网掉电变桨动作的时间，获取电网掉电变桨动作计时；
第二数据处理模块，分别与电网掉电判断模块、第一数据处理模块和计时模块相交互，用于基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率，并结合机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率，得到执行收桨速率；
判断执行模块，与第二数据处理模块相交互，用于基于执行收桨速率输出变桨指令，调控风电机组的桨距角。
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在电网掉电条件下风电机组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：
本发明提供了一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，通过检测电网掉电信号，在执行收桨停机操作时刻引入机舱前后加速度信号参与变桨控制逻辑，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。本发明采用实时变速率收桨停机，充分考虑整机的动力学响应特性，实时计算对应的变速率收桨指令。本发明在电网掉电条件下采用机舱前后加速度作为控制输入参与变桨控制，克服了传统方式中未考虑塔架及整机的震动情况，并创新地在恒定收桨速率的基础上引入机舱前后加速度-变桨速率控制环，充分利用检测的机舱前后加速度信号中整机的动力学响应信息，在实时变化的变桨动作中降低塔架的极限载荷。
进一步地，本发明采用测量机舱前后加速度作为输入，并将其引入停机阶段的变桨动作。本发明采用的测量机舱加速度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，本发明由于其电网掉电同时有可能叠加极端阵风，在计算得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率后再次乘以机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益，从而以更大的变桨动作降低载荷。
进一步地，本发明在检测到电网掉电情况后，停机过程以电网掉电时刻累计时长作为判断分为两段。本发明在检测到电网掉电情况后，在停机过程初期采用较低的收桨速率来降低由于突然的负载消失带来的不利载荷影响，并在一段时间后采用较高的收桨速率尽快完成停机操作。
进一步地，为保证计算的机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率不至过大造成变桨大幅度动作，对机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率进行限幅。
本发明还公开了一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制系统，包括电网掉电判断模块、加速度数据读取模块、第一数据处理模块、计时模块、第二数据处理模块和判断执行模块，本发明系统能够替代已有方案的恒速率收桨停机，从而使机组在停机过程中更多参考塔架的震动情况实时调整变桨动作，在原有转速-变桨控制环基础上引入机舱加速度-变桨控制环，进而有效减轻在由于电网掉电同时遭遇极端阵风时刻停机阶段得机舱前后加速度，降低在此工况下的塔架极限载荷。当电网掉电情况发生时，控制系统执行停机以保护机组。
附图说明
图1为风力发电机组在电网掉电条件下桨距角控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1)获取当前风力发电机组的电网掉电状态，当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
步骤2)获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，数据处理后，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
数据处理的过程具体为：获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，对前后加速度数据进行处理后，得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率；基于电网掉电标志位，获取机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益；基于机舱前后加速度加阻回路变桨速率和机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率。
步骤3)当检测到处于电网掉电状态时，开始记录电网掉电变桨动作的时间，得到电网掉电变桨动作计时；
步骤4)基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率；
步骤5)基于机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率和电网掉电收桨速率，得到执行收桨速率，根据执行收桨速率进行变桨动作。
实施例2
一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，包括如下具体过程：
在当前的检测周期内检测机舱前后加速度，由于测量机舱前后加速度中存在干扰信号，故对测量机舱前后加速度信号进行滤波处理。同时检测电网情况其电网掉电标志位为0，当发生电网掉电，电网掉电标志位置为1。获取当前滤波后得机舱前后加速度信号，对其进行积分处理得到机舱前后位移速度。使用机舱前后加速度加阻增益乘以机舱前后位移速度得到机舱前后加速度-变桨回路得变桨位置指令。并将得到的机舱前后加速度-变桨回路变桨位置指令做微分处理从而得到机舱前后加速度-变桨回路变桨速率指令。
判断当前电网掉电标志位是否为1，当电网掉电标志位为0时，将机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益设置为1。当电网掉电标志位为1时，将机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益设置为3，接下来将电网掉电情况下的机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益乘以获取得机舱前后加速度-变桨回路变桨速率指令从而得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率。
当检测到电网有掉电情况，电网掉电标志位标志位置为1时刻，开始进行计时。当累计计时尚未超过10秒，使用电网掉电快速收桨速率叠加机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率作为风力发电机组停机执行收桨速率。当累计计时超过10秒，切换为使用电网掉电慢速收桨速率叠加机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率作为风力发电机组停机执行收桨速率。
实施例3
步骤1)检测当前风力发电机组电网掉电标志位，如检测到处于电网掉电情况，电网掉电标志位GLFlag设置为1，如未检测到机组电网掉电，电网掉电标志位GLFlag设置为0，并将测量信号传递给主控PLC。
步骤2)检测当前风力发电机机舱前后加速度FAacc，并将测量信号传递给主控PLC。
步骤3)对测量的机舱前后加速度进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后加速度FFAacc。
步骤4)对滤波后的机舱前后加速度FFAacc积分，得到滤波后的机舱前后位移速率FFAvel。
步骤5)获取滤波后的机舱前后位移速率FFAvel，并将其乘以机舱前后加速度加阻增益FAaccGain，得到机舱前后加速度加阻回路变桨位置FAaccPo。
步骤6)将机舱前后加速度加阻回路变桨位置FAaccPo进行微分，从而得到机舱前后加速度加阻回路变桨位置FAaccPR。
步骤7)对检测到的电网掉电标志位进行判断，当GLFlag等于0时，将机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益FAaccPRGain赋值为1。
步骤8)对检测到的电网掉电标志位进行判断，当GLFlag等于1时，将机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益FAaccPRGain赋值为3。
步骤9)在电网掉电标志位GLFlag等于1的条件下，将机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益FAaccPRGain与机舱前后加速度加阻回路变桨速率指令FAaccPR进行乘积得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率FAaccPRadd并限幅，如不大于2度每秒直接输出，如大于2度每秒限幅输出为2度每秒。
步骤10)检测当前风力发电机组电网掉电标志位，如检测到处于电网掉电情况，电网掉电变桨动作计时GLPitchDuration开始计时。
步骤11)判断电网掉电标志位及电网掉电变桨动作计时，当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时GLPitchDuration大于15秒，设置电网掉电慢速收桨速率指令为GLPRSlow。
步骤12)判断电网掉电标志位及电网掉电变桨动作计时，当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时GLPitchDuration小于等于15秒，设置电网掉电快速收桨速率指令为GLPRFast。
步骤13)将机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率FAaccPRadd与电网掉电慢速收桨速率GLPRSlow之和及机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率FAaccPRadd与电网掉电快速收桨速率GLPRFast之和作为变桨执行机构执行收桨速率GLShutDownPR。
步骤14)以变桨执行机构执行收桨速率GLShutDownPR为指令输入给变桨执行机构执行变桨动作。
步骤15)当机组以收桨速率指令执行变桨动作，随着桨距角位置的逐步增大，提供动态地较大的气动阻力，使叶轮的转速快速降低，当机组的桨距角达到收桨位置时，停机结束。
实施例4
一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制系统，包括：
电网掉电判断模块，用于获取当前风力发电机组的电网掉电状态，并根据电网掉电状态判断电网掉电标志位；当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
加速度数据读取模块，用于获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据；
第一数据处理模块，与加速度数据读取模块相交互，用于对机舱的前后加速度数据进行处理，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
计时模块，用于在风电机组处于电网掉电状态时，记录电网掉电变桨动作的时间，获取电网掉电变桨动作计时；
第二数据处理模块，分别与电网掉电判断模块、第一数据处理模块和计时模块相交互，用于基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率，并结合机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率，得到执行收桨速率；
判断执行模块，与第二数据处理模块相交互，用于基于执行收桨速率输出变桨指令，调控风电机组的桨距角。
需要说明的是，本发明采用机舱前后加速度实时计算变收桨速率方式，但不限于此方式，其他如使用桨距角或转速等同样可以采用。
实施例5
在示例性实施例中，还提供计算机设备，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基于深度神经网络的信道估计方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，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，本发明设计了一种方法可以通过在电网掉电情况下在传统恒变桨速率停机的基础上引入塔架震动情况，从而在极端风力条件下同时遭遇电网掉电情况下降低塔架所遭受的极限弯矩，提高风力发电机组的运行安全性。本发明创新地采用了在恒速率收桨停机基础上附加机舱前后加速度加阻回路变桨速率作为执行停机的收桨速率，在考虑塔架震动的情况有效降低在电网掉电情况下停机阶段的机舱前后加速度及塔架极限载荷。
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 (10)
1.一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取当前风力发电机组的电网掉电状态，当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，数据处理后，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
当检测到处于电网掉电状态时，开始记录电网掉电变桨动作的时间，得到电网掉电变桨动作计时；
基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率；
基于机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率和电网掉电收桨速率，得到执行收桨速率，根据执行收桨速率进行变桨动作。
2.根据权利要求1所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，数据处理的过程具体为：
获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据，对前后加速度数据进行处理后，得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率；
基于电网掉电标志位，获取机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益；
基于机舱前后加速度加阻回路变桨速率和机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率。
3.根据权利要求2所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，前后加速度数据进行处理的具体过程为：
对机舱的前后加速度积分处理，得到机舱前后位移速率；
基于机舱前后加速度加阻增益和机舱前后位移速率，得到机舱前后加速度加阻回路变桨位置；
对机舱前后加速度加阻回路附加变桨位置微分处理，得到机舱前后加速度加阻回路变桨速率。
4.根据权利要求3所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，机舱的前后加速度积分处理具体为：
首先要对获取的当前风力发电机组中机舱的前后加速度进行滤波处理，得到滤波后的机舱前后加速度；
再对滤波后的机舱前后加速度进行积分处理。
5.根据权利要求2所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益的具体获取过程为：
当电网掉电标志位为0时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益赋值为1；
当电网掉电标志位为1时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益赋值为3。
6.根据权利要求2所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，当电网掉电标志位为1时，机舱前后加速度加阻回路变桨速率增益与机舱前后加速度加阻回路变桨速率乘积，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
当电网掉电标志位为0时，机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率为0；
当得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率时，基于预先设定的速率阈值进行限幅操作。
7.根据权利要求1所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，电网掉电收桨速率为电网掉电慢速收桨速率或电网掉电快速收桨速率；
当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时大于设定时间时，获取电网掉电慢速收桨速率；
当电网掉电标志位为1且电网掉电变桨动作计时小于等于设定时间时，获取电网掉电快速收桨速率；
设定时间为10～15s。
8.根据权利要求1所述的在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法，其特征在于，执行收桨速率为机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率和电网掉电收桨速率之和。
9.一种在电网掉电条件下风电机组桨距角控制系统，其特征在于，包括：
电网掉电判断模块，用于获取当前风力发电机组的电网掉电状态，并根据电网掉电状态判断电网掉电标志位；当处于电网掉电状态时，将电网掉电标志位设置为1；当处于正常状态时，将电网掉电标志位设置为0；
加速度数据读取模块，用于获取当前风力发电机组中机舱的前后加速度数据；
第一数据处理模块，与加速度数据读取模块相交互，用于对机舱的前后加速度数据进行处理，得到机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率；
计时模块，用于在风电机组处于电网掉电状态时，记录电网掉电变桨动作的时间，获取电网掉电变桨动作计时；
第二数据处理模块，分别与电网掉电判断模块、第一数据处理模块和计时模块相交互，用于基于电网掉电标志位和电网掉电变桨动作计时，获取电网掉电收桨速率，并结合机舱前后加速度加阻回路附加变桨速率，得到执行收桨速率；
判断执行模块，与第二数据处理模块相交互，用于基于执行收桨速率输出变桨指令，调控风电机组的桨距角。
10.一种终端设备，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8任一项所述在电网掉电条件下风电机组桨距角控制方法的步骤。
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