CN113389684A - 一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，属于风力发电的技术领域，通过对每台风力发电机组的偏航角速度进行机理建模和数据驱动建模相结合的方式，获取偏航角速度模型；在风机偏航角度计数器故障时，利用偏航角速度模型和风机控制器的偏航动作信号实时计算偏航扭缆角度；通过定期训练修正偏航角速度模型和校准偏航扭缆角度的机制，保障扭缆角度计算准确性，可有效降低偏航计数器的故障停机频率，减少风力发电机组的发电量损失，并利于风场计划性运维的实现。
Description
技术领域
本发明属于风力发电的技术领域，具体而言，涉及一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法。
背景技术
随着风力发电机组控制技术的日益成熟，研究方向已经向着增功提效和风场计划性运维等精细化发展。其中，风力发电机组故障容错技术已经成为了增加风力发电机有效工作小时数的重要手段之一。
在现有技术中，通过偏航角度计数器测量的偏航扭缆角度是进行机组偏航控制和保护的重要参数，实际运行时，偏航角度计数器发生故障将导致风电机组直接停机，直至维修人员登上风机消除故障才可重新运行。停机期间，由于时段、天气、备件、人员、车辆等各类因素，将损失较为可观的发电时间，会造成风力发电机组的发电量损失较大。
发明内容
鉴于此，为了解决现有偏航角度计数器故障后对风机发电量有显著影响的技术难题，本发明旨在提供一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，以达到能够在风机发生偏航角度计数器故障时实现容差运行，从而在维修人员完成维修前维持风机发电状态，降低因偏航角度计数器故障导致的停机时间，进而减少风力发电机组的发电量损失，同时，还可辅助预判偏航角度计数器的异常状态，有利于风电场计划性运维。
本发明所采用的技术方案为：一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，该容错控制方法包括：
步骤S1：获取每台风力发电机组中偏航系统硬件的机理特性和每台风力发电机组的运行控制数据，通过机理建模和数据驱动建模相结合，以得到每台风力发电机组对应的偏航角速度模型；
步骤S2：根据每台风力发电机组的偏航角速度模型拟合出偏航角速度并存储于对应风力发电机组中；
步骤S3：根据偏航角速度和偏航动作信号实时进行风力发电机组的偏航扭缆角度估算，当风力发电机组的偏航角度计数器正常时，定期用偏航角度计数器获取的偏航扭缆角度测量值校准偏航扭缆角度估算值；当风力发电机组的偏航角度计数器故障时，启用偏航扭缆角度估算值完成风力发电机组的偏航控制及解缆保护。
进一步地，在风力发电机组的偏航角度计数器未报故障时，通过实时对比偏航扭缆角度测量值与偏航扭缆角度估算值，当偏差过大时，则推送出异常状态，以辅助提前发现偏航角度计数器的异常状态，助力实现计划性运维。
进一步地，所述机理建模需要偏航系统硬件的机理特性，通过该机理特性构建每台风力发电机组所对应的基准偏航速度模型和确认偏航计数误差修正方式及系数。
进一步地，所述数据驱动建模需要风力发电机组的运行控制数据，通过运行控制数据获取多个偏航速度散点并拟合出每台风力发电机组所对应的初始偏航速度模型，其中，所需偏航速度散点的个数为不少于10次超过30s的偏航动作数据。
进一步地，所述数据驱动建模所获取的初始偏航速度模型，根据风力发电机组的运行控制数据不断累积，进行定期的训练修正；减少由于机组部件疲劳衰退、环境气象导致的工况变化等原因出现的模型偏差。
进一步地，在步骤S1中，将机理建模所获得的基准偏航速度模型和数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型进行互补修正，并导入机理建模所获得的偏航计数误差修正方式及系数，完善得到风力发电机组对应的偏航角速度模型；通过完善风力发电机组的偏航角速度模型，能够提高偏航速度的拟合准确性。
进一步地，在步骤S1中，所述数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型完成定期的训练修正后，会同步对风力发电机组对应的偏航角速度模型进行修正；在步骤S2中，将通过修正后的偏航角速度模型拟合出新的偏航角速度并将旧的偏航角速度进行更新，以实时获取最新、最准确的偏航角速度。
进一步地，在步骤S3中，当风力发电机组的偏航角度计数器故障且启用偏航扭缆角度估算值对风力发电机组作偏航控制及解缆保护时，同步将此容错状态以状态码的形式推送显示，并将容差状态运行的允许时间以倒计时形式推送显示。
本发明的有益效果为：
1. 采用本发明所提供的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，通过机理建模和数据驱动建模相结合的方式，获取偏航角速度模型，可实时估算偏航扭缆角度值，并可定时修正模型和校准扭缆角度，保证偏航扭缆角度估算值准确、可靠；在故障时，可让机组使用偏航扭缆角度估算值实现控制参考值的冗余，可对于偏航角度计数器故障实现容差运行。
2. 采用本发明所提供的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，在提高机组发电时长的同时，为运维人员的维修工作预留准备时间，助力实现计划性运维，在机组未检测出故障时，能通过对比偏航扭缆角度实际值和估计值，辅助提前发现偏航角度计数器的异常状态，同样助力实现计划性运维。
附图说明
图1是本发明所提供的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法中偏航扭缆角度的计算流程图；
图2是本发明所提供的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制装置的整体架构示意图；
图3是本发明所提供的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法的偏航容差控制流程图。
具体实施方式
为下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
技术术语解释
偏航系统：参考风速风向和扭缆状态，驱动机舱以保证风机运行时机头迎风，同时避免机舱和塔筒间的电缆过度缠绕。
对风偏航：在风机运行时，在一定的风速条件下，当机舱和风向偏差到一定角度后，启动偏航。
偏航动作：打开电机刹车，多电机通过减速器同时驱动偏航轴带动机舱，以保持机头迎风。偏航过程中液压制动器保持一定压力，以保证偏航平稳；在偏航停止后，液压制动和电机制动共同作用，保持机舱位置稳定。
解缆偏航：对风偏航过程中会导致机舱和塔筒间的电缆过度缠绕，需要通过解缆偏航来释放电缆。
实施例1
为了解决现有偏航角度计数器故障后对风机发电量有显著影响的问题，在本实施例中具体提供了一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，如图1所示，该容错控制方法包括以下：
步骤S1：获取每台风力发电机组中偏航系统硬件的机理特性（机理特性是指：偏航系统硬件的机械、电气参数）和每台风力发电机组的运行控制数据（运行控制数据是指：每台风力发电机组的运行、控制历史数据），通过机理建模和数据驱动建模相结合的方式，以得到每台风力发电机组对应的偏航角速度模型。
①机理建模需要偏航系统硬件的机理特性，通过该机理特性构建每台风力发电机组所对应的基准偏航速度模型和确认偏航计数误差修正方式及系数。其中，机理特性包括：偏航系统结构、偏航主齿轮齿数、驱动齿轮齿数、偏航减速器参数、驱动电机参数、驱动电机数量、驱动电机控制和启动方式、偏航制动系统各类参数等。
②数据驱动建模需要风力发电机组的运行控制数据，通过历史数据积累、统计、清洗、分析，获取足量可用偏航速度散点，并拟合出每台风力发电机组所对应的初始偏航速度模型。其中，运行控制数据包括带时间戳的机组偏航启停控制记录、偏航扭缆角度计数值、人工偏航扭缆角度校准指令、偏航计数器故障码等。
基于上述①、②，将机理建模所获得的基准偏航速度模型和数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型进行互补修正，并导入机理建模所获得的偏航计数误差修正方式及系数，完善得到风力发电机组对应的偏航角速度模型。
步骤S2：根据每台风力发电机组的偏航角速度模型拟合出偏航角速度并存储于对应风力发电机组中；
步骤S3：根据偏航角速度和偏航动作信号实时进行风力发电机组的偏航扭缆角度估算，当风力发电机组的偏航角度计数器正常时，定期用偏航角度计数器获取的偏航扭缆角度测量值校准偏航扭缆角度估算值；当风力发电机组的偏航角度计数器故障时，启用偏航扭缆角度估算值完成风力发电机组的偏航控制及解缆保护。其中，当风力发电机组的偏航角度计数器故障且启用偏航扭缆角度估算值对风力发电机组作偏航控制及解缆保护时，同步将此容错状态以状态码的形式推送显示，并将容差状态运行的允许时间以倒计时形式推送显示，以提示运维人员进行维修准备工作，实现计划性运维。
同时，在风力发电机组的偏航角度计数器未报故障时，通过实时对比偏航扭缆角度测量值与偏航扭缆角度估算值，当偏差过大时，则推送出异常状态，以辅助提前发现偏航角度计数器的异常状态，助力实现计划性运维。
为确保偏航角速度模型的准确性，需对每台机组偏航角速度模型定期训练修正，保证偏航角速度模型拟合出的偏航角速准确性。在实际应用中，由于数据驱动建模所获取的初始偏航速度模型，根据风力发电机组的运行控制数据不断累积，进行定期的训练修正，进而得到经修正后的初始偏航速度模型。
在数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型完成定期的训练修正后，会同步对风力发电机组对应的偏航角速度模型进行修正，并通过修正后的偏航角速度模型拟合出新的偏航角速度以将旧的偏航角速度进行更新，进而可确保航角速度模型拟合出的偏航角速具备良好的准确性。
实施例2
在实施例1中提供了一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，在实施例1的基础上，在本实施例中还提供了一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制装置，如图2所示，该容错控制装置包括：通讯模块、数据存储和管理模块、模型训练模块、偏航扭缆角度计算模块、偏航扭缆角度校准模块以及偏航扭缆角度对比模块。在实际应用时，该容错控制装置的布置方式为：将各个所述容错控制装置分别独立部署于每台风力发电机组上或者分别集成于每台风力发电机组的主控装置中，且各所述容错控制装置均连接至部署于全风场集控中心的总系统，由总系统对各个容错控制装置进行总体控制。
对于容错控制装置中各个模块的通信关系如下：通讯模块通信连接至风机主控装置，风机主控装置连接有风机偏航系统；同时，通讯模块分别与偏航扭缆角度校准模块、数据存储和管理模块、偏航扭缆角度计算模块、偏航扭缆角度对比模块之间通信连接，偏航扭缆角度校准模块与数据存储和管理模块之间通信连接，数据存储和管理模块与偏航扭缆角度计算模块之间通信连接且数据存储和管理模块与模型训练模块之间通信连接，偏航扭缆角度计算模块和偏航扭缆角度对比模块之间通信连接。
①通讯模块
通讯模块用于与风力发电机组的主控装置通讯交互，以实时获取运行控制数据、发送偏航扭缆角度估算值、以及发送异常状态至主控装置。
②数据存储和管理模块
数据存储和管理模块用于存储和管理偏航角速度模型、偏航计数误差修正方式及系数、运行控制数据、拟合出的偏航角速度和计算所获得的偏航扭缆角度估算值。
由上述实施例1所提供的容错控制方法可知，数据存储和管理模块中所存储的偏航角速度模型是基于机理建模方式获取的基准偏航速度模型和数据驱动建模方式获取的数据模型经过综合互补修正而确立的。其中，机理建模方式所获取的模型是固定的、而数据驱动建模方式所获取的模型是可定期训练优化的，通过所述模型训练模块利用运行控制的历史数据和偏航计数误差修正方式及系数对数据驱动建模的初始偏航速度模型作定期优化，以同步修正偏航角速度模型，确保经偏航角速度模型所拟合出的偏航角速度具有良好的准确性。
③模型训练模块
模型训练模块主要用于定期训练修正偏航角速度模型，并基于修正后的偏航角速度模型拟合出偏航角速度。
④偏航扭缆角度计算模块
偏航扭缆角度计算模块用于根据偏航角速度和偏航动作信号实时计算偏航扭缆角度估算值，并实时发送给主控装置，用以实现偏航计数器的故障容错控制。
⑤偏航扭缆角度校准模块
偏航扭缆角度校准模块用于在偏航角度计数器正常状态下定期用偏航角度计数器获取的偏航扭缆角度测量值校准偏航扭缆角度估算值。
⑥偏航扭缆角度对比模块
偏航扭缆角度对比模块用于在未发生偏航角度计数器故障时，实时对比风力发电机组的偏航扭缆角度测量值和偏航扭缆角度估算值，若两者偏差过大，则发出异常状态，以辅助提前发现偏航角度计数器的异常状态，助力实现计划性运维。
在实际运行时，通过主控装置判断出风力发电机组的偏航角度计数器是否故障，当偏航角度计数器出现故障时，启用偏航扭缆角度估算值完成风力发电机组的偏航控制及解缆保护，实现风力发电机组的容错运行。将风力发电机组的人机交互界面和风电场SCADA系统分别连接至主控装置，主控装置将容错状态和容错运行允许时间分别以容错状态码和停机倒计时的形式推送至人机交互界面和风电场SCADA系统，以提示运维人员进行维修准备工作，实现计划性运维。
基于本实施例的容错控制装置，如图3所示，其工作原理如下：
在开始状态，风力发电机组正常运行，若容错控制装置未启动，则风力发电机组处于常规控制且无容错运行能力；
若容错控制装置启动，则风力发电机组具备容错控制能力，且完成对偏航角速度模型建立、偏航扭缆角度估算值的初始化以及对偏航角速度模型的定期训练修正，以获取偏航角速度值和偏航扭缆角度估算值的初始值；
在偏航角度计数器不存在故障的情况下，通过主控装置的偏航启停指令和偏航角速度值实时计算偏航扭缆角度估算值，并定时自动将偏航角度计数器实测的偏航扭缆角度值对偏航扭缆角度估算值进行校准，同时也可通过人工手动校准的方式对偏航扭缆角度估算值进行校准；在偏航角度计数器存在故障的情况下，则启用实时计算的偏航扭缆角度估算值完成偏航控制及解缆保护控制。
实施例3
在实施例1中提供了一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，在实施例1的基础上，在本实施例中还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例1中所述风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，该容错控制方法包括：
步骤S1：获取每台风力发电机组中偏航系统硬件的机理特性和每台风力发电机组的运行控制数据，通过机理建模和数据驱动建模相结合，以得到每台风力发电机组对应的偏航角速度模型；
步骤S2：根据每台风力发电机组的偏航角速度模型拟合出偏航角速度并存储于对应风力发电机组中；
步骤S3：根据偏航角速度和偏航动作信号实时进行风力发电机组的偏航扭缆角度估算，当风力发电机组的偏航角度计数器正常时，定期用偏航角度计数器获取的偏航扭缆角度测量值校准偏航扭缆角度估算值；当风力发电机组的偏航角度计数器故障时，启用偏航扭缆角度估算值完成风力发电机组的偏航控制及解缆保护。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，在风力发电机组的偏航角度计数器未报故障时，通过实时对比偏航扭缆角度测量值与偏航扭缆角度估算值，当偏差过大时，则推送出异常状态。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，所述机理建模需要偏航系统硬件的机理特性，通过该机理特性构建每台风力发电机组所对应的基准偏航速度模型和确认偏航计数误差修正方式及系数。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，所述数据驱动建模需要风力发电机组的运行控制数据，通过运行控制数据获取多个偏航速度散点并拟合出每台风力发电机组所对应的初始偏航速度模型，其中，所需偏航速度散点的个数为不少于10次超过30s的偏航动作数据。
5.根据权利要求4所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，所述数据驱动建模所获取的初始偏航速度模型，根据风力发电机组的运行控制数据不断累积，进行定期的训练修正。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，在步骤S1中，将机理建模所获得的基准偏航速度模型和数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型进行互补修正，并导入机理建模所获得的偏航计数误差修正方式及系数，完善得到风力发电机组对应的偏航角速度模型。
7.根据权利要求4所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述数据驱动建模所获得的初始偏航速度模型完成定期的训练修正后，会同步对风力发电机组对应的偏航角速度模型进行修正；在步骤S2中，将通过修正后的偏航角速度模型拟合出新的偏航角速度并将旧的偏航角速度进行更新。
8.根据权利要求1所述的风力发电机组偏航角度计数器的容错控制方法，其特征在于，在步骤S3中，当风力发电机组的偏航角度计数器故障且启用偏航扭缆角度估算值对风力发电机组作偏航控制及解缆保护时，同步将此容错状态以状态码的形式推送显示，并将容差状态运行的允许时间以倒计时形式推送显示。
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