CN113236488A - 一种基于发电机转速裕量的变桨控制方法、系统和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于发电机转速裕量的变桨控制方法、系统和设备，属于风力发电领域，通过在转速‑变桨控制环的控制输入考虑转速裕量，考虑不同风况下风力发电机组功率的波动随机性，最大程度避免机组经历不同风况下的功率控制稳定性，提高机组在不同风况下的机械及电气传动链运行安全。本发明创新地采用发电机转速裕量的方式，考虑在不同风况下功率变化情况，快速调节机组桨距角。克服了传统方式中仅采用检测发电机转速，未考虑不同风况下风电机组的功率随机性带来的控制效果偏差，从而充分考虑不同风况下的功率控制特点，最大程度避免风力发电机组在长期风速急速变化的情况下造成的机组机械及电气受载遭受猛烈变化。

Description

一种基于发电机转速裕量的变桨控制方法、系统和设备
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种基于发电机转速裕量的变桨控制方法、系统和设备。
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。在额定风速以上时，风力发电机组采用控制变桨角度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。由于风力变化随机性，其风速风向在实时变化。风力发电机组的转速也随着风速的变化在实时变化，因此通过变桨控制风力发电机转速对维持发电机组在额定功率，避免风力发电机组过载具有重要作用。
现有针对此问题的技术方案包括：检测当前的发电机转速，并与设定的额定发电机转速做比较，以其差值作为转速-变桨控制环的输入。引入经典控制理论的比例-积分-微分控制器(PID)，计算对应的变桨位置指令，并传递给变桨执行机构执行，通过控制风能的吸收与释放来维持发电机转速在额定转速。但由于仅采用检测的发电机转速作为控制输入，无论通过恒转矩及恒功率控制，由于风速的急速变化会导致发电机功率急速上升或下降，导致发电机机侧电流值急速上升或下降，此种情况长期发生一方面会引起整机的瞬间受载发生变化，另一方面对整机的电气传动链会造成一定冲击。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，仅采用检测的发电机转速作为控制输入引起整机的瞬间受载发生变化，且对整机的电气传动链会造成一定冲击的缺点，提供一种基于发电机转速裕量的变桨控制方法、系统和设备。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，包括如下步骤：
步骤1)分别获取实时发电机转速和实时发电机功率；
步骤2)分别获取发电机额定功率值、额定转矩值和额定转速；
步骤3)基于实时发电机功率、发电机额定功率值和额定转矩值，得到发电机转速裕量；
步骤4)基于实时发电机转速和发电机转速裕量，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
步骤5)基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，计算得到当前变桨指令，执行变桨动作。
优选地，实时发电机转速是通过对当前发电机转速进行低通滤波后得到的；
实时发电机功率是通过对当前发电机功率进行低通滤波后得到的。
优选地，步骤3)中，发电机转速裕量的具体计算过程为：
将实时发电机功率与发电机额定功率做差，得到功率差值；
将功率差值与发电机额定转矩相除，得到当前发电机转速裕量。
优选地，步骤4)中，实时转速-变桨控制环输入转速实时发电机转速和当前发电机转速裕量之和。
优选地，步骤5)中，当前变桨指令的获取过程为：基于发电机额定转速和当前转速-变桨控制环输入转速，得到当前发电机转速差，基于当前发电机转速差计算得到当前变桨指令。
优选地，步骤5)中，计算是通过PI控制方法或PID控制方法进行的。
一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制系统，包括：
数据测量单元，用于获取发电机额定功率值、额定转矩值、额定转速、实时发电机转速和实时发电机功率；
数据处理单元，与数据测量单元相交互，基于数据获取单元获得的数据，进行计算，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
指令获取执行单元，分别与数据处理单元和数据测量单元相交互，基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，得到当前变桨指令，并基于当前变桨指令执行变桨动作。
优选地，数据测量单元包括滤波模块，滤波模块分别对当前发电机转速和当前发电机功率进行滤波处理，得到实时发电机转速和实时发电机功率。
优选地，指令获取执行单元包括控制器和变桨执行模块，
控制器用于接收实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，之后进行转速-变桨比例积分微分处理后，得到变桨指令；
变桨执行模块用于接收变桨指令，并根据变桨指令执行变桨动作。
一种电子终端设备，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上述变桨控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，通过在转速-变桨控制环的控制输入考虑转速裕量，考虑不同风况下风力发电机组功率的波动随机性，最大程度避免机组经历不同风况下的功率控制稳定性，提高机组在不同风况下的机械及电气传动链运行安全。本发明创新地采用发电机转速裕量的方式，考虑在不同风况下功率变化情况，快速调节机组桨距角。克服了传统方式中仅采用检测发电机转速，未考虑不同风况下风电机组的功率随机性带来的控制效果偏差，从而充分考虑不同风况下的功率控制特点，最大程度避免风力发电机组在长期风速急速变化的情况下造成的机组机械及电气受载遭受猛烈变化。
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。
本发明采用的是加减发电机转速裕量的方式作为控制器输入，但不限于此方式，其他方式如裕量系数等。测量发电机功率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，本发明采用的是额定转矩为常数，但不限于此方式，其他方式如实时检测发电机转矩等。
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。
附图说明
图1为本发明基于发电机转速裕量的变桨控制方法的流程图；
图2为本发明基于发电机转速裕量的变桨控制系统的框图；
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
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“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
一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，包括如下步骤：
步骤1)分别获取实时发电机转速和实时发电机功率；
步骤2)分别获取发电机额定功率值、额定转矩值和额定转速；
步骤3)基于实时发电机功率、发电机额定功率值和额定转矩值，得到发电机转速裕量；
步骤4)基于实时发电机转速和发电机转速裕量，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
步骤5)基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，计算得到当前变桨指令，执行变桨动作。
实施例2
一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，如图1所示，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处理，得到当前滤波后的发电机转速lpf_omega。
步骤4)检测当前发电机功率Pc，并将测量信号传递给主控PLC。
步骤5)由于发电机功率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6)对当前测量的功率进行低通处理，得到当前滤波后的发电机功率lpf_Pc。
步骤7)获取发电机额定功率值Prated。
步骤8)将当前滤波后的发电机功率lpf_Pc与发电机额定功率Prated做差得到差值deltaP。
步骤9)获取发电机额定转矩值Trated。
步骤10)将deltaP与发电机额定转矩值Trated相除得到当前发电机转速裕量omega_margin。
步骤11)将步骤3)得到的滤波后的发电机转速lpf_omega与当前发电机转速裕量omega_margin相加得到当前转速-变桨控制环输入转速omega_in。
步骤12)获取发电机额定转速omega_rated。
步骤13)将当前转速-变桨控制环输入转速omega_in与发电机额定转速omega_rated做差得到当前发电机转速差omega_error。
步骤14)将步骤11)的当前发电机转速差omega_error作为控制输入参与转速-变桨比例积分微分控制器的计算中。
步骤15)计算得到当前变桨需求指令Pitch_demand。
步骤16)将变桨需求指令Pitch_demand传递给变桨执行机构，执行变桨动作。
本发明方法的原理如下：
在当前的检测周期内检测发电机转速omega，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，得到滤波后的发电机转速lpf_omega。在当前的检测周期内检测发电机功率Pc，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，得到滤波后的发电机转速lpf_Pc。并获取发电机额定功率Prated，做差得到功率差deltaP。获取发电机额定转矩Trated，将其与功率差deltaP相除得到当前发电机转速裕量omega_margin。将其与滤波后的发电机转速lpf_omega相加得到转速-变桨控制环输入转速omega_in。获取发电机额定转速omega_rated，将其与omega_in相减得到转速差omega_error。此转速差作为控制输入，参与到转速差-变桨比例-积分-微分控制器中，计算变桨需求指令Pitch_demand。将其传递给变桨执行机构执行变桨指令，通过吸收及释放风能来维持发电机转速及功率在额定值。
实施例3
一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制系统，如图2所示，包括：
数据测量单元，用于获取发电机额定功率值、额定转矩值、额定转速、实时发电机转速和实时发电机功率；
数据处理单元，与数据测量单元相交互，基于数据获取单元获得的数据，进行计算，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
指令获取执行单元，分别与数据处理单元和数据测量单元相交互，基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，得到当前变桨指令，并基于当前变桨指令执行变桨动作。
实施例4
除以下内容外，其余内容均与实施例3相同。
如图2所示，数据测量单元包括滤波模块，滤波模块分别对当前发电机转速和当前发电机功率进行滤波处理，得到实时发电机转速和实时发电机功率。
指令获取执行单元包括控制器和变桨执行模块，控制器用于接收实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，之后进行转速-变桨比例积分微分处理后，得到变桨指令；变桨执行模块用于接收变桨指令，并根据变桨指令执行变桨动作。
实施例5
本发明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(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。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，本发明转速-变桨控制其控制目标为保持发电机转速不变，相应地控制变桨，但不限于此方式，其他如转速-转矩控制回路为保持发电机转速不变相应地控制转矩也可采用相同的方式。
综上所述，已有技术方案中仅采用实时检测的发电机转速作为控制输入，其仅将控制发电机转速在额定转速作为控制目标，尚未考虑其功率控制效果。本发明通过设置风力发电机转速裕量的方式，其充分考虑了维持额定功率的重要控制目标，从而在不同的风速变化情况，完成发电机组转速控制，快速调节机组减少由于突然的风况变化带来的机械及电气传动链冲击。本发明方法替代已有的控制方案，从而在转速-变桨控制环输入端考虑转速变化进一步修正变桨指令，避免在长期风速急速变化的情况下造成的机组机械及电气受载遭受猛烈变化。
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)

1.一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)分别获取实时发电机转速和实时发电机功率；
步骤2)分别获取发电机额定功率值、额定转矩值和额定转速；
步骤3)基于实时发电机功率、发电机额定功率值和额定转矩值，得到发电机转速裕量；
步骤4)基于实时发电机转速和发电机转速裕量，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
步骤5)基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，计算得到当前变桨指令，执行变桨动作。
2.根据权利要求1所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，实时发电机转速是通过对当前发电机转速进行低通滤波后得到的；
实时发电机功率是通过对当前发电机功率进行低通滤波后得到的。
3.根据权利要求1所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，步骤3)中，发电机转速裕量的具体计算过程为：
将实时发电机功率与发电机额定功率做差，得到功率差值；
将功率差值与发电机额定转矩相除，得到当前发电机转速裕量。
4.根据权利要求1所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，步骤4)中，实时转速-变桨控制环输入转速实时发电机转速和当前发电机转速裕量之和。
5.根据权利要求1所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，步骤5)中，当前变桨指令的获取过程为：基于发电机额定转速和当前转速-变桨控制环输入转速，得到当前发电机转速差，基于当前发电机转速差计算得到当前变桨指令。
6.根据权利要求1所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制方法，其特征在于，步骤5)中，计算是通过PI控制方法或PID控制方法进行的。
7.一种基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制系统，其特征在于，包括：
数据测量单元，用于获取发电机额定功率值、额定转矩值、额定转速、实时发电机转速和实时发电机功率；
数据处理单元，与数据测量单元相交互，基于数据获取单元获得的数据，进行计算，得到实时转速-变桨控制环输入转速；
指令获取执行单元，分别与数据处理单元和数据测量单元相交互，基于实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，得到当前变桨指令，并基于当前变桨指令执行变桨动作。
8.根据权利要求7所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制系统，其特征在于，数据测量单元包括滤波模块，滤波模块分别对当前发电机转速和当前发电机功率进行滤波处理，得到实时发电机转速和实时发电机功率。
9.根据权利要求7所述的基于风力发电机组发电机转速裕量的变桨控制系统，其特征在于，指令获取执行单元包括控制器和变桨执行模块，
控制器用于接收实时转速-变桨控制环输入转速和额定转速，之后进行转速-变桨比例积分微分处理后，得到变桨指令；
变桨执行模块用于接收变桨指令，并根据变桨指令执行变桨动作。
10.一种电子终端设备，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任一项所述变桨控制方法的步骤。
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