CN113187658B - 风力发电机组转速转矩控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents

风力发电机组转速转矩控制方法、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力发电机组转速转矩控制方法、系统、设备及存储介质，属于风力发电领域，通过在不同转速下设置不同的转速转矩控制增益，考虑不同转速下风力发电机组转速转矩的控制特性，考虑风电机组不同转速下的非线性及强耦合特点，最大程度避免机组经历不同转速下的控制稳定性，提高机组在不同转速下的运行安全。本发明采用设置两套不同的转速转矩控制增益的方式，克服了传统方式中统一采用一套转速转矩控制增益，未考虑不同转速下风电机组的转速转矩的响应特性带来的控制效果偏差，从而充分考虑不同转速下的控制特性，最大程度避免在不同风速/转速段发生转矩控制不稳定的情况发生。

Description

风力发电机组转速转矩控制方法、系统、设备及存储介质
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种风力发电机组转速转矩控制方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
水平轴风力发电机的风轮吸收风能旋转，进而带动连接的发电机旋转发电。在额定风速以下时，风力发电机组采用控制转矩的方式来使发电机转速达到设定目标值，完成控制转速的任务，其在不同转速段的控制方式不同，控制目标也不同。在发电机转速达到并网转速并且已经并网发电，其转速-转矩控制的目标为控制发电机转速维持在并网转速并提高发电机转矩，当风速增加，发电机转速进一步提高时采用固定或可变的控制增益来计算可吸收风能最大的发电机转矩，其转速与转矩的关系呈二次方。当风速进一步增加，发电机转速增加到额定转速时，由于此时发电机转速与对应的发电机转矩的乘积尚达不到额定功率，有必要进行转速-转矩控制来保持转速在额定转速不变的情况下提升发电机转矩以达到满发功率。
现有针对此问题的技术方案包括：两段转速-转矩的控制目标均为保持发电机转速不变，控制发电机转矩，因此引入经典控制理论中PI控制，但一般两段PI控制设置的控制增益相同。由于两段PI控制的转速控制目标值不同，其叶轮惯量相差较大，风力发电机组在实际运行中呈现非线性，强耦合的特点，其在不同转速下的转矩响应也不同。
发明内容
为了克服上述现有技术中，未考虑不同转速下发电机组转速转矩不同的响应特性的缺点，本发明的目的在于提供一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，包括如下步骤：
步骤1)设定检测周期，获取检测周期内的初始发电机运行值，并对初始发电机运行值进行处理得到处理后的发电机运行值；
步骤2)将初始发电机运行值和预设运行值分别进行对比；
基于风力发电机组性能得到预设运行值，预设运行值包括并网运行值和额定运行值；
当初始发电机运行值达到预设运行值，则以此预设运行值为此转速-转矩控制回路的发电机运行设定值，结合处理后的发电机运行值计算，得到此转速-转矩控制回路的控制增益，基于控制增益计算得到发电机转矩，基于发电机转矩进行发电机转矩控制。
优选地，步骤1)所述的处理是对初始发电机运行值进行滤波处理。
优选地，步骤2)中，控制增益的获取过程具体为：
首先计算发电机运行值差值，发电机运行值差值为预设运行值与处理后的发电机运行值之差；再基于发电机运行值差值计算得到控制增益。
进一步优选地，发电机转矩通过控制增益参与PI控制计算得到；
PI控制计算过程中，输入为发电机运行值差值，输出为发电机转矩。
优选地，步骤2)中，当初始发电机运行值未达到并网运行值，则风力发电机组仍处于启动状态，未进入并网运行状态；
当初始发电机运行值未达到额定运行值，则发电机转速和转矩为二次方关系，发电机转速和转矩之间的关系系数为最优增益。
优选地，发电机运行值为转速、功率和桨距角的任一种。
一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制系统，包括
发电机运行值获取单元，用于在设定检测周期内实时获取初始发电机运行值；
比较评估单元，与发电机运行值获取单元相交互，用于将初始发电机运行值和对应的预设运行值分别进行对比，获取此转速-转矩控制回路的发电机运行值设定值；
数据处理单元，与比较评估单元相交互，基于发电机发电机运行值设定值计算得到转速-转矩控制回路的控制增益，进而计算得到发电机转矩；
控制单元，与数据处理单元相交互，输入为数据处理单元得到的发电机转矩和比较评估单元的发电机运行值设定值，输出发电机转速转矩的控制指令。
优选地，比较评估单元中还包括滤波模块，用于对初始发电机运行值进行滤波处理。
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风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的步骤。
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风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种风力发电机组转速转矩控制方法，通过在不同转速下设置不同的转速转矩控制增益，考虑不同转速下风力发电机组转速转矩的控制特性，考虑风电机组不同转速下的非线性及强耦合特点，最大程度避免机组经历不同转速下的控制稳定性，提高机组在不同转速下的运行安全。本发明采用设置两套不同的转速转矩控制增益的方式，在并网转速段及额定转速过渡段采用分别的两套控制增益以满足其对控制转速的要求。克服了传统方式中统一采用一套转速转矩控制增益，未考虑不同转速下风电机组的转速转矩的响应特性带来的控制效果偏差，从而充分考虑不同转速下的控制特性，最大程度避免在不同风速/转速段发生转矩控制不稳定的情况发生。
进一步地，本发明采用的测量发电机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，本发明采用判断发电机转速的方式判断其转速-转矩控制回路，但不限于此方式，其他方式如功率或桨距角等。
进一步地，本发明采用的是在第一套控制增益的基础上乘以可变增益从而得到第二套控制增益，但不限于此方式，其他方式如单独设置等。
进一步地，本发明转速-转矩控制采用的是经典控制理论中PI控制方式，但不限于此方式，其他方式如PID控制等。
进一步地，本发明转速-转矩控制其控制目标为保持发电机转速不变，相应地控制转矩，但不限于此方式，其他如转速-转矩控制回路为单纯查表的控制方式其不同转速-转矩斜率也为可变增益的转速-转矩控制。
本发明公开了一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制系统，包括发电机运行值获取单元，用于在设定检测周期内实时获取初始发电机运行值；比较评估单元，与发电机运行值获取单元相交互，用于将初始发电机运行值和对应的预设运行值分别进行对比，获取此转速-转矩控制回路的发电机运行值设定值；数据处理单元，与比较评估单元相交互，基于发电机发电机运行值设定值计算得到转速-转矩控制回路的控制增益，进而计算得到发电机转矩。
附图说明
图1为本发明风力发电机组转速转矩控制方法的流程图；
图2为本发明风力发电机组转速转矩控制系统的框图；
图3为本发明示例性实施例示出的一种电子终端设备的结构图。
其中：101-存储器，102-处理器，103-接口，104-通信组件，105-电子终端设备。
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
一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，包括如下步骤：
步骤1)设定检测周期，获取检测周期内的初始发电机运行值，并对初始发电机运行值进行处理得到处理后的发电机运行值；
步骤2)将初始发电机运行值和预设运行值分别进行对比；
基于风力发电机组性能得到预设运行值，预设运行值包括并网运行值和额定运行值。
当初始发电机运行值达到预设运行值，则以此预设运行值为此转速-转矩控制回路的发电机运行设定值，结合处理后的发电机运行值计算，得到此转速-转矩控制回路的控制增益，基于控制增益计算得到发电机转矩，基于发电机转矩进行发电机转矩控制。
当初始发电机运行值未达到并网运行值，则风力发电机组仍处于启动状态，未进入并网运行状态；
当初始发电机运行值未达到额定运行值，则发电机的转速转矩为二次方关系，发电机转速和转矩之间的关系系数为最优控制增益。
实施例2
如图1所示，一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，包括如下步骤：
步骤1)检测当前发电机转速omega，并将测量信号传递给主控PLC。
步骤2)由于发电机转速测量装置的测量方式，信号转换，估算方法等，直接得到的发电机转速测量信号存在干扰成分，不适宜直接参与控制算法。
步骤3)对当前测量的转速进行低通及陷波滤波处理，得到当前滤波后的发电机转速f_omega。
步骤4)判断当前滤波后的发电机转速f_omega是否达到并网转速region1_omega还是额定转速rated_omega。
步骤5)如达到并网转速region1_omega则进入第6步。
步骤6)获取此转速下的发电机转速设定目标值，其为并网转速值region1_omega。
步骤7)将其与滤波后的发电机转速f_omega相减得到发电机转速差error_omega。
步骤8)获取此转速转矩控制增益Kp_region1及Ki_region1。
步骤9)以第7步的发电机转速差error_omega为控制输入，采用PI控制其参数为Kp_region1及Ki_region1，计算发电机转矩torque_region1。
步骤10)将发电机转矩torque_region1传递给转矩执行机构进行转矩控制。
步骤11)如达到额定转速rated_omega则进入第12步。
步骤12)获取此转速下的发电机转速设定目标值，其为额定转速值rated_omega。
步骤13)将其与滤波后的发电机转速f_omega相减得到发电机转速差error_omega。
步骤14)获取可变控制增益region23_gain。
步骤15)将其与Kp_region1及Ki_region1相乘。
步骤16)获取此转速转矩控制增益Kp_region23及Ki_region23。
步骤17)以第13步的发电机转速差error_omega为控制输入，采用PI控制其参数为Kp_region23及Ki_region23，计算发电机转矩torque_region23。
步骤18)将发电机转矩torque_region23传递给转矩执行机构进行转矩控制。
实施例3
如图2所示，一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制系统，包括
发电机运行值获取单元，用于在设定检测周期内实时获取初始发电机运行值；
比较评估单元，与发电机运行值获取单元相交互，用于将初始发电机运行值和对应的预设运行值分别进行对比，获取此转速-转矩控制回路的发电机运行值设定值；
数据处理单元，与比较评估单元相交互，基于发电机发电机运行值设定值计算得到转速-转矩控制回路的控制增益，进而计算得到发电机转矩。
实施例4
除以下内容外，其余内容均与实施例1相同。
比较评估单元中还包括滤波模块，用于对初始发电机运行值进行滤波处理。该控制系统还包括控制单元，数据处理单元得到的发电机转矩和比较评估单元的发电机运行值设定值，输出发电机转速转矩的控制指令。
实施例5
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6
在示例性实施例中，还提供一种电子终端设备105，如图3所示，包括存储器101、处理器102以及存储在所述存储器101中并可在所述处理器102上运行的计算机程序，所述处理器102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(DigitalSignal 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。通信组件104用于该电子终端设备105与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如Wi-Fi，蓝牙，近场通信(NearFieldCommunication，简称NFC)，2G、3G、4G或5G，或它们中的一种或几种的组合，因此相应的该通信组件104可以包括：Wi-Fi模块，蓝牙模块，NFC模块。
需要说明的是，本发明采用的两套控制增益均需满足其转速-转矩控制回路的稳定性。进一步地，本发明采用判断发电机转速的方式判断其转速-转矩控制回路，但不限于此方式，其他方式如功率或桨距角等。本发明采用的是在第一套控制增益的基础上乘以可变增益从而得到第二套控制增益，但不限于此方式，其他方式如单独设置等。本发明转速-转矩控制采用的是经典控制理论中PI控制方式，但不限于此方式，其他方式如PID控制等。本发明转速-转矩控制其控制目标为保持发电机转速不变，相应地控制转矩，但不限于此方式，其他如转速-转矩控制回路为单纯查表的控制方式其不同转速-转矩斜率也为可变增益的转速-转矩控制。
综上所述，已有技术方案中在两段转速-转矩控制回路采用一套控制增益，由于在两个转速段中发电机设定转速目标值不同，叶轮惯量不同，考虑风力发电机组实际运行在不同转速下的非线性强耦合等特点，其相应的转矩控制特性不同。本发明提供了一种风力发电机组变增益的转速转矩控制方法，替代已有的控制方案，从而避免由于未考虑不同转速下发电机组转速转矩不同的响应特性的问题。
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 (8)

1.一种风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)设定检测周期，获取检测周期内的初始发电机运行值，并对初始发电机运行值进行处理得到处理后的发电机运行值；
步骤2)将初始发电机运行值和预设运行值分别进行对比；
基于风力发电机组性能得到预设运行值，预设运行值包括并网运行值和额定运行值；
当初始发电机运行值达到预设运行值，则以此预设运行值为此转速-转矩控制回路的发电机运行设定值，结合处理后的发电机运行值计算，得到此转速-转矩控制回路的控制增益，基于控制增益计算得到发电机转矩，基于发电机转矩进行发电机转矩控制；
步骤2)中，控制增益的获取过程具体为：
首先计算发电机运行值差值，发电机运行值差值为预设运行值与处理后的发电机运行值之差；再基于发电机运行值差值计算得到控制增益；
发电机转矩通过控制增益参与PI控制计算得到；
PI控制计算过程中，输入为发电机运行值差值，输出为发电机转矩。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，其特征在于，步骤1)所述的处理是对初始发电机运行值进行滤波处理。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，其特征在于，步骤2)中，当初始发电机运行值未达到并网运行值，则风力发电机组仍处于启动状态，未进入并网运行状态；
当初始发电机运行值未达到额定运行值，则发电机转速和转矩为二次方关系，发电机转速与转矩之间的关系系数为最优控制增益。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法，其特征在于，发电机运行值为转速、功率和桨距角的任一种。
5.一种实现权利要求1所述的风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的系统，其特征在于，包括
发电机运行值获取单元，用于在设定检测周期内实时获取初始发电机运行值；
比较评估单元，与发电机运行值获取单元相交互，用于将初始发电机运行值和对应的预设运行值分别进行对比，获取此转速-转矩控制回路的发电机运行值设定值；
数据处理单元，与比较评估单元相交互，基于发电机运行值设定值计算得到转速-转矩控制回路的控制增益，进而计算得到发电机转矩；
控制单元，与数据处理单元相交互，输入为数据处理单元得到的发电机转矩和比较评估单元的发电机运行值设定值，输出发电机转速转矩的控制指令。
6.根据权利要求5所述的实现风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的系统，其特征在于，比较评估单元中还包括滤波模块，用于对初始发电机运行值进行滤波处理。
7.一种终端设备，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4任一项所述风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的步骤。
8.一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4任一项所述风力发电机组可变增益的转速转矩控制方法的步骤。
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