CN113669197A - 基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法和系统，属于风力发电领域。通过计算预估的风力发电机组轴功率实时统计机组进入共振区间的统计情况，依据此统计情况实时调整跳跃转速上下限的区间，降低机组在固定跳跃转速上下限区间内的发电量损失，从而提高发电量。本发明采用动态调整跳跃转速上下限区间的方式，克服了传统方式中采用固定跳跃转速上下限区间而造成一定发电量损失的问题，且由于发电机转矩大幅短时波动造成的机组大部件面内疲劳载荷增加，从而充分考虑机组进入共振区间进行统计的实际需要，动态调整跳跃转速上下限区间，使机组在避免共振的前提下，增加机组在跳转速区间的发电量，降低机组大部件面内疲劳载荷。

Description

基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法和系统

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法和系统。

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。风力发电机组一般运行在设定的并网转速及额定转速之间，并通过变桨控制或转矩控制等来控制转速，以使转速维持在额定转速附近或维持转速在设定的曲线上以使发电量最大化。近年来由于低风速区域风电装机量日渐增多，为捕获更多的风能，塔架设计的越来越高。由于塔架设计原因，导致塔架的一阶频率与风力发电机组在某些风况下的运行转速频率相接近，如果长时间运行在此情况，会导致共振情况发生，进一步导致塔架及其他大部件处于振动状态，影响机组的运行安全。

现有针对此问题的解决方案包括：计算塔架的一阶频率，将此频率转化为转速，以此转速为中心点，设置一定的区间，通过转矩控制等控制发电机转速避开此区间，以使机组跳跃共振转速区间，避免机组共振。但由于共振转速区间风力发电机组未按照设定的最优增益曲线运行，其跳跃的转速区间段会造成一定的发电量损失，同时如因某些风况会导致长期在此转速区间内运行，转矩会在短时间内进行较大范围的变化，如长时间运行会影响机组大部件在面内方向的受力情况，疲劳载荷会有相应增加。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，机组跳跃共振转速区间造成发电量损失且影响机组大部件受力情况，从而导致疲劳载荷增加缺点，提供一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法和系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，包括如下步骤：

步骤1)获取发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

步骤2)获取传动链转动惯量常数，结合发电机转速加速度得到转动惯量转矩需求；获取发电机转速需求，结合转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

步骤3)获取控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

优选地，步骤1)中，发电机转速加速度的计算过程为：

首先获取当前时刻的发电机转速和前一时刻的发电机转速；

当前时刻的发电机转速减去前一时刻的发电机转速，得到的转速差值；

获取控制周期常数，发电机转速加速度为转速差值与控制周期常数之比。

优选地，步骤2)中，转动惯量转矩需求为传动链转动惯量常数与发电机转速加速度的乘积；

预估总发电机转矩为发电机转矩需求与转动惯量转矩需求的加和；

当前时刻轴功率为预估总发电机转矩与当前时刻发电机转速的乘积。

优选地，步骤3)中，跳跃转速下限扩展对应功率的计算过程为：

通过最优增益、跳跃转速下限值的三次方和跳跃转速下限扩展倍数进行乘积，得到跳跃转速下限扩展对应功率；

通过最优增益、跳跃转速上限值的三次方和跳跃转速上限扩展倍数进行乘积，得到跳跃转速上限扩展对应功率。

优选地，步骤3)的判断过程具体为：

当当前时刻轴功率位于跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率之间，则风力发电机组有共振风险，否则，没有共振风险。

优选地，步骤3)之后，还要获取最大跳跃转速维持时间，将最大跳跃转速维持时间与控制周期常数相除得到最大跳跃转速维持次数；

使用计数与最大跳跃转速维持次数相除，得到跳跃转速上限扩展倍数；

跳跃转速下限扩展倍数的计算过程为计数与最大跳跃转速维持次数之比。

优选地，计数的初始值为0，

当轴功率在跳跃转速下限扩展对应功率及跳跃转速上限扩展对应功率之间，则计数加1；否则，计数减1。

优选地，发电机转速要通过低通滤波处理后进行后续的计算。

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制系统，包括：

数据获取单元，用于获取实时的发电机转速、传动链转动惯量常数、发电机转速需求、控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值；

数据处理单元，与数据获取单元相交互，基于实时的发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

基于传动链转动惯量常数和发电机转速加速度，得到转动惯量转矩需求；

基于发电机转速需求和转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

基于控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

评估单元，与数据处理单元相交互，将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于实时运行数据的风力发电机组转速的控制方法，通过计算预估的风力发电机组轴功率实时统计机组进入共振区间的统计情况，依据此统计情况实时调整跳跃转速上下限的区间，降低机组在固定跳跃转速上下限区间内的发电量损失，从而提高发电量。避免由于发电机转矩大幅短时波动带来的机组大部件面内疲劳载荷带来的损害。本发明采用动态调整跳跃转速上下限区间的方式，克服了传统方式中采用固定跳跃转速上下限区间而造成一定发电量损失的问题，且由于发电机转矩大幅短时波动造成的机组大部件面内疲劳载荷增加，从而充分考虑机组进入共振区间进行统计的实际需要，动态调整跳跃转速上下限区间，使机组在避免共振的前提下，增加机组在跳转速区间的发电量，降低机组大部件面内疲劳载荷。

进一步地，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，需对其进行低通滤波处理，避免非必要的测量干扰信号影响控制效果。

本发明还公开了一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制系统，包括：数据获取单元，获取实时的发电机转速、传动链转动惯量常数、发电机转速需求、控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值；数据处理单元，基于实时的发电机转速，计算得到发电机转速加速度；基于传动链转动惯量常数和发电机转速加速度，得到转动惯量转矩需求；基于发电机转速需求和转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；基于控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；评估单元，将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

附图说明

图1为本发明实施例2基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法图。

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

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，包括如下步骤：

步骤1)获取发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

步骤2)获取传动链转动惯量常数，结合发电机转速加速度得到转动惯量转矩需求；获取发电机转速需求，结合转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

步骤3)获取控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

实施例2

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，包括如下步骤：

在当前的检测当前时刻内检测发电机转速记为omega_(n)，同时检测前一时刻内检测发电机转速记为omega_(n-1)。分别对检测的发电机转速进行滤波，从而得到滤波后的当前时刻发电机转速f_omega_(n)及前一时刻发电机转速f_omega_(n-1)。将当前时刻发电机转速f_omega_(n)减去前一时刻发电机转速f_omega_(n-1)并除以控制周期常数controlcycle，得到发电机转速加速度omegaacc。获取传动链转动惯量常数MOI，将其与发电机转速加速度omegaacc相乘得到转动惯量转矩需求torque_inertia。获取发电机转矩需求torque_demand并将其与转动惯量转矩需求torque_inertia相加得到预估总发电机转矩torque_all。将其与滤波后的当前时刻发电机转速f_omega_(n)相乘得到预估的当前时刻轴功率power_(n)。

获取控制最优增益Gain_opt，同时获取跳跃转速下限值omega_lower，将最优增益Gain_opt乘以跳跃转速下限值omega_lower三次方并乘以跳跃转速下限扩展倍数Gain_lower_ext得到跳跃转速下限扩展对应功率power_lower_ext。同理，获取跳跃转速上限值omega_upper，将最优增益Gain_opt乘以跳跃转速下限值omega_upper三次方并乘以跳跃转速上限扩展倍数Gain_upper_ext得到跳跃转速上限扩展对应功率power_upper_ext。

将计算得到预估的当前时刻轴功率power_(n)与跳跃转速上限扩展对应功率power_upper_ext及跳跃转速下限扩展对应功率power_lower_ext进行比较，如power_lower_ext<power_(n)<power_upper_ext，则计数j自动加1，说明已有共振风险。如当前时刻轴功率power_(n)在此范围外，则计数j自动减1，说明尚未有共振风险。

获取最大跳跃转速维持时间Jump_maxduration，并将其与控制周期常数controlcycle相除得到最大跳跃转速维持次数Jump_maxtimes。使用计数j与最大跳跃转速维持次数Jump_maxtimes相除得到跳跃转速上下限扩展倍数Gain_speed_ext。

获取跳跃转速上限及下限值并计算均值omega_mean。计算跳跃转速上限动态调整值公式为omega_upper_dyn＝omega_mean+(omega_upper-omega_mean)*Gain_speed_ext。计算跳跃转速下限动态调整值公式为omega_lower_dyn＝omega_mean+(omega_lower-omega_mean)*Gain_speed_ext。

实施例3

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

1)检测当前时刻发电机测量转速omega_(n)，并将测量信号传递给主控PLC。

2)对当前时刻发电机测量转速omega_(n)进行滤波处理，得到当前时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n)。

3)检测前一时刻发电机测量转速omega_(n-1)，并将测量信号传递给主控PLC。

4)对前一时刻发电机测量转速omega_(n-1)进行滤波处理，得到前一时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n-1)。

5)将第2步的当前时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n)与第4步的前一时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n-1)相减，得到前后时刻发电机转速差值deltaomega。

6)获取预设的控制周期常数controlcycle。

7)将第5步得到的前后时刻发电机转速差值deltaomega除以控制周期常数controlcycle得到发电机测量转速加速度omegaacc。

8)获取预设的传动轴转动惯量常数MOI。

9)得到转动惯量转矩需求torque_inertia。

10)获取发电机转矩需求torque_demand。

11)将第9步的转动惯量转矩需求torque_inertia与第10步的发电机转矩需求torque_demand相加得到预估的总发电机转矩值torque_all。

12)将预估的总发电机转矩值torque_all与第2步的当前时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n)相乘得到预估的当前时刻轴功率power_(n)。

13)将预估的总发电机转矩值torque_all与第2步的当前时刻滤波后的发电机测量转速f_omega_(n)相乘得到预估的当前时刻轴功率power_(n)。

14)获取机组控制最优增益Gain_opt。

15)获取跳跃转速下限值omega_lower。

16)将第15步的跳跃转速下限值omega_lower三次方并乘以第14步获取的机组控制最优增益Gain_opt得到跳跃转速下限值对应功率power_lower。

17)获取跳跃转速下限扩展倍数Gain_lower_ext。

18)将第16步的跳跃转速下限值对应功率power_lower与第17步的跳跃转速下限扩展倍数Gain_lower_ext相乘得到跳跃转速下限扩展对应功率power_lower_ext。

19)获取跳跃转速上限值omega_upper。

20)将第19步的跳跃转速上限值omega_upper三次方并乘以第14步获取的机组控制最优增益Gain_opt得到跳跃转速上限值对应功率power_upper。

21)获取跳跃转速上限扩展倍数Gain_upper_ext。

22)将第20步的跳跃转速上限值对应功率power_upper与第21步的跳跃转速上限扩展倍数Gain_upper_ext相乘得到跳跃转速上限扩展对应功率power_upper_ext。

23)初设计数j＝0。

24)判断第13步得到的预估的当前时刻轴功率power_(n)与第18步得到的跳跃转速下限扩展对应功率power_lower_ext及第22步得到的跳跃转速上限扩展对应功率power_upper_ext做对比，如满足条件power_lower_ext<power_(n)<power_upper_ext，则计数j自动加1，如power_(n)不再上述范围内，则计数j自动减1。

25)获取最大跳跃转速维持时间Jump_maxduration。

26)将第25步的最大跳跃转速维持时间Jump_maxduration与第6步获取的控制周期常数controlcycle相除，得到最大跳跃转速维持次数Jump_maxtimes。

27)将计数j与最大跳跃转速维持次数Jump_maxtimes相除，得到跳跃转速上下限扩展倍数Gain_speed_ext。

28)获取跳跃转速上限值omega_upper。

29)获取跳跃转速下限值omega_lower。

30)将跳跃转速上限值omega_upper及跳跃转速下限值omega_lower相加得到跳跃转速上下限总和值omega_sum。

31)将跳跃转速上下限总和值omega_sum除以2得到跳跃转速上下限均值omega_mean。

32)将跳跃转速下限值omega_lower与跳跃转速上下限均值omega_mean相减得到跳跃转速下限值与均值之差omega_lower_mean_diff。

33)将跳跃转速下限值与均值之差omega_lower_mean_diff与第27步得到的跳跃转速上下限扩展倍数Gain_speed_ext相乘得到跳跃转速下限值扩展转速omega_lower_ext。

34)将跳跃转速下限值扩展转速omega_lower_ext与第31步得到的跳跃转速上下限均值omega_mean相加得到跳跃转速下限动态调整值omega_lower_dyn。

35)将跳跃转速上限值omega_upper与跳跃转速上下限均值omega_mean相减得到跳跃转速上限值与均值之差omega_upper_mean_diff。

36)将跳跃转速上限值与均值之差omega_upper_mean_diff与第27步得到的跳跃转速上下限扩展倍数Gain_speed_ext相乘得到跳跃转速上限值扩展转速omega_upper_ext。

37)将跳跃转速上限值扩展转速omega_upper_ext与第31步得到的跳跃转速上下限均值omega_mean相加得到跳跃转速上限动态调整值omega_upper_dyn。

38)将最新计算的跳跃转速上限动态调整值omega_upper_dyn及跳跃转速下限动态调整值omega_lower_dyn作为新的跳跃转速区间，当判断发电机转速在此区间内进行跳转速操作，以避开共振区间，防止塔架一阶频率与机组运行转速相近而造成的共振情况。

实施例4

一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制系统，包括：

数据获取单元，用于获取实时的发电机转速、传动链转动惯量常数、发电机转速需求、控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值；

数据处理单元，与数据获取单元相交互，基于实时的发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

基于传动链转动惯量常数和发电机转速加速度，得到转动惯量转矩需求；

基于发电机转速需求和转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

基于控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

评估单元，与数据处理单元相交互，将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

需要说明的是，传动链转动惯量通过搭建风力发电机组模型获取；发电机转速需求指得是轴功率的发电机转速，即从传感器获取的测量发电机转速；控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值均为从控制参数列表中得到的定值；跳跃转速下限扩展倍数和跳跃转速上限扩展倍数也是从控制参数列表中得到的定值；计数j初始为0，其增减变化的判断条件为功率f_power_(n)是否在跳跃转速下限扩展对应功率及跳跃转速上限扩展对应功率的区间内；跳跃转速下限扩展倍数的计算公式为计数计数与最大跳跃转速维持次数之比，即j/Jump_maxtimes。

综上所述，本发明通过对机组进入共振区间的程度进行统计，其充分考虑了在不同风况下机组进入共振区间的实际情况，从而在不同的风况计算不同的跳跃转速上下限值区间，有效减小机组在跳转速区间的发电量损失及发电机转矩大幅短时变化给机组大部件面内疲劳载荷带来的影响。

本发明采用的是使用转速加速度乘以预设转动惯量并与电磁转矩相加的方式计算轴功率，但不限于此方式，其他方式如，通过电气损耗倒推轴功率或直接测量气动转矩等。本发明采用的是对进入共振区间的次数进行统计的方式，但不限于此方式，其他方式如，通过累计时间等。本发明采用的是通过计算跳跃转速上下限扩展倍数的方式计算最新的跳跃转速上下限区间，但不限于此方式，包含其他如直接查表取值等。本发明采用的是预估轴功率的方式判断是否进入共振区间，但不限于此方式，其他方式如直接判断转速，判断机组振动情况等。本发明采用的是高塔架一阶频率在机组正常运行转速范围内发电工况，但不限于此方式，其他如刚塔塔架一阶频率超过额定转速但限功率的工况。本发明采用的是对跳跃转速上下限对应功率乘以扩展倍数的方式定义共振区间，但不限于此方式，其他方式如依据机组震动情况动态调整共振区间上下限等。

本发明创新地引入预估风力发电机组轴功率的方式对机组进入共振区间进行实时统计并动态计算跳跃转速区间上下限值，从而根据实际机组运行情况调整跳跃转速区间，避免由于固定的跳跃转速上下限带来的固定发电量损失和由于发电机转矩大幅频繁变化带来的大部件面内疲劳载荷的增加。

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 (9)

1.一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)获取发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

步骤2)获取传动链转动惯量常数，结合发电机转速加速度得到转动惯量转矩需求；获取发电机转速需求，结合转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

步骤3)获取控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

2.根据权利要求1所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，步骤1)中，发电机转速加速度的计算过程为：

首先获取当前时刻的发电机转速和前一时刻的发电机转速；

当前时刻的发电机转速减去前一时刻的发电机转速，得到的转速差值；

获取控制周期常数，发电机转速加速度为转速差值与控制周期常数之比。

3.根据权利要求1所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，步骤2)中，转动惯量转矩需求为传动链转动惯量常数与发电机转速加速度的乘积；

预估总发电机转矩为发电机转矩需求与转动惯量转矩需求的加和；

当前时刻轴功率为预估总发电机转矩与当前时刻发电机转速的乘积。

4.根据权利要求1所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，步骤3)中，跳跃转速下限扩展对应功率的计算过程为：

通过最优增益、跳跃转速下限值的三次方和跳跃转速下限扩展倍数进行乘积，得到跳跃转速下限扩展对应功率；

通过最优增益、跳跃转速上限值的三次方和跳跃转速上限扩展倍数进行乘积，得到跳跃转速上限扩展对应功率。

5.根据权利要求1所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，步骤3)的判断过程具体为：

当当前时刻轴功率位于跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率之间，则风力发电机组有共振风险，否则，没有共振风险。

6.根据权利要求1或4所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，步骤3)之后，还要获取最大跳跃转速维持时间，将最大跳跃转速维持时间与控制周期常数相除得到最大跳跃转速维持次数；

使用计数与最大跳跃转速维持次数相除，得到跳跃转速上限扩展倍数；

跳跃转速下限扩展倍数的计算过程为计数与最大跳跃转速维持次数之比。

7.根据权利要求6所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，计数的初始值为0，

当轴功率在跳跃转速下限扩展对应功率及跳跃转速上限扩展对应功率之间，则计数加1，有共振风险；否则，计数减1，无共振风险。

8.根据权利要求1所述的基于实时运行数据的风力发电机组转速控制方法，其特征在于，发电机转速要通过低通滤波处理后进行后续的计算。

9.一种基于实时运行数据的风力发电机组转速控制系统，其特征在于，包括：

数据获取单元，用于获取实时的发电机转速、传动链转动惯量常数、发电机转速需求、控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值；

数据处理单元，与数据获取单元相交互，基于实时的发电机转速，计算得到发电机转速加速度；

基于传动链转动惯量常数和发电机转速加速度，得到转动惯量转矩需求；

基于发电机转速需求和转动惯量转矩需求，得到预估总发电机转矩，进一步与发电机转速结合，计算得到该发电机转速下对应的轴功率；

基于控制最优增益、跳跃转速下限值和跳跃转速上限值，计算得到跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率；

评估单元，与数据处理单元相交互，将轴功率与跳跃转速下限扩展对应功率和跳跃转速上限扩展对应功率进行比较，判断风力发电机组是否有共振风险。

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