CN114000974B - 一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，包括以下步骤：1)分别设置正常模式和冗余模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、二、三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速；2)判断风电机组的控制运行区间和需要转换的目标模式，选择目标模式下桨距控制器的目标转速、转矩控制器的参考转速；3)将当前模式下桨距控制器的目标转速按固定速率转换至目标模式下桨距控制器的目标转速；4)将当前模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值按转换比率转换至目标模式下；5)将当前模式下转矩控制器的参考转速按固定速率转换至目标模式下；6)风电机组的桨距控制器和转矩控制器在目标模式下运行。

Description

一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法
背景技术
对于变速变桨风电机组而言，风电机组需要尽可能地提高能量转换效率，通常是通过发电机的最优转速转矩曲线控制发电机转矩，使风轮的转速能够跟随风速的变化，从而保持最佳的叶尖速比运行来实现。根据风力发电机的特性，在额定风速以下时，不需要改变叶片的桨距角，但是为了防止极端阵风工况的出现，造成机组的瞬态载荷过大的情况，需加入最小叶片角度限制，同时，为了避免桨距控制器的输出使得叶片提前动作影响发电效率，此时的桨距控制器的目标转速应大于转距控制器的参考转速；在额定风速以上时，桨距控制器可以调节叶片的桨距角，由此有效调节风电机组所吸收的能量，同时控制风轮上的载荷，将其限定在安全设计范围内，此时的桨距控制器的目标转速应略大于或等于转距控制器的参考转速。
目前，现有的功率速度控制器中仅设置有一套关于最小叶片角度限制、最优转速转矩曲线、桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速的设置，若只含有一种模式，一旦发生极端阵风工况风速过高或叶片形变过大等情况时，只能通过限功率运行或停机的方式处理，即为了保证风电机组的安全，必须牺牲极端风况这段时间内的发电量为代价，从而导致发电量减小，发电效率降低。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其能使风电机组在运行过程中，根据实际需求在正常模式和冗余模式这两种模式下切换，使风电机组能够在极端风况下切换至冗余模式运行，提高风电机组的发电量。
本发明的技术方案是：一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，包括以下步骤：
1)参数设置：在功率速度控制器中设置正常模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速；
并设置冗余模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速；
2)判断风电机组的控制运行区间和需要转换的目标模式，并根据控制区间和目标模式，选择目标模式下桨距控制器的目标转速、转矩控制器的参考转速；
3)将当前模式下桨距控制器的目标转速按固定速率转换至目标模式下桨距控制器的目标转速，若转换完成，则进入步骤4)，否则，继续对桨距控制器的目标转速进行转换；
4)将当前模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值按转换比率转换至目标模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值；
5)将当前模式下转矩控制器的参考转速按固定速率转换至目标模式下转换控制器的参考转速；
6)当桨距控制器的目标转速、最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值和转矩控制器的参考转速均转换至目标模式下，则风电机组的桨距控制器和转矩控制器在目标模式下运行。
进一步的，步骤3)当前模式下桨距控制器的目标转速转换的固定速率为通过多次仿真实验得到的经验值，通常为4～5RPM/s。
进一步的，步骤4)按以下步骤将最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换至目标模式下，
4-1)若当前模式为正常模式，目标模式为冗余模式，当转换比率从0变为1，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率，
式中，Ratio1为正常模式→冗余模式时，当前的转换比率；
Ratio1′为正常模式→冗余模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为0；
Ts为系统运行周期；
T为总的转换时间；
4-2)若当前模式为冗余模式，目标模式为正常模式，当转换比率从1变为0，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率，
式中，Ratio2为冗余模式→正常模式时，当前的转换比率；
Ratio2′为冗余模式→正常模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为1；
Ts为系统运行周期；
T为总的转换时间。
进一步的，步骤4)最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值在转换过程中按以下公式确定转换过程中的转矩和最小桨距角，
Setup＝(1-Ratio)*Srtup1+Ratio*Setup2
式中，Ratio为转换过程中的当前转换比率；
Setup为最优转矩转速曲线设定值和最小桨距角设定值；
Setup1为正常模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由
最小桨距角设定值计算的最小叶片角度；
Setup2为冗余模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由最小桨距角设定值计算的最小叶片角度；
进一步的，所述Setup1、Setup2分别通过对最优转矩转速曲线或最小桨距角设定值线性插值计算而得。
进一步的，步骤5)当前模式下转矩控制器的参考转速转换的固定速率为多次仿真实验得到的经验值，通常为4～5RPM/s。
进一步的，步骤2)按以下步骤判断风电机组的控制运行区间，
2-1)设定控制区一时转矩控制器的参考转速为N1，桨距控制器目标转速为N2；控制区二时转矩控制器的参考转速为Nr，桨距控制器的目标转速为N2；控制区三时转矩控制器的参考转速为Nr，转矩控制器的目标转速为Nr；并设置判断控制区一、控制区二的转速门限值N12，且设置N1<N12<Nr＜N2；
2-2)当发电机运行转速＜N12时，则风电机组运行在控制区一；
2-3)当N12＜发电机运行转速＜Nr，且桨距角＜(最小桨距角+0.5°)时，则风电机组运行在控制区二；
2-4)当发电机运行转速＞(Nr-5RPM)，且桨距角＞最小桨距角时，则风电机组运行在控制区三。
采用上述技术方案：本控制方法通过设置正常模式和冗余模式两种风电机组运行模式，使风电机组在运行过程中，根据实际需求在正常模式和冗余模式这两种模式下切换，让风电机组能够在极端阵风工况或叶片变形过大等极端情况下切换至冗余模式运行，避免风电机组在极端情况下停机，从而提高风电机组的发电量和发电效率，而且，本控制方法按转换比率使最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值转换至目标模式，避免转矩和最小桨距角在一个运行周期内的变化幅值过大，从而使风电机组能平稳的在正常模式和冗余模式之间转换，确保风电机组的运行稳定性。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的逻辑流程图；
图2为本发明实施例一的变化过程图；
图3为本发明实施例二的变化过程图；
图4为控制区一、二、三的示意图；
图5为本发明表2的最优转矩转速曲线。
具体实施方式
参见图1至图5，一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，包括以下步骤：
1)参数设置：在功率速度控制器中设置正常模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速，如表1所示；
并设置冗余模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速，如表1所示，其中，可根据风电机组在极端情况下的需求，对冗余模式下的各参数进行设置，使风电机组能够以冗余模式在极端情况下保持稳定运行。
表1，正常模式和冗余模式下的参数
2)判断风电机组的控制运行区间和需要转换的目标模式，并根据控制区间和目标模式，选择目标模式下桨距控制器的目标转速、转矩控制器的参考转速；当风电机组在触发特定事件后，目标模式为冗余模式，如极端阵风工况下风速过高，或叶片形变过大等情况。
其中，控制区一、控制区二、控制区三是风电机组的三个控制运行区，即为了获得最佳的叶尖速比，根据叶片的特性，风电机组通常具有两个恒转速区及，控制区二是控制区一和控制区三之间的过渡阶段，如图4所示；
控制区一：在风速较低时，桨距角为0°，通过调节发电机转矩，使发电机尽量以转速N1运行。当发电机转速高于N1时，可通过增大发电机转矩，使发电机转速下降，但转矩不得低于0；当发电机转速低于N1时，可通过降低发电机转矩，使发电机转速上升，但转矩不得高于最优转矩转速曲线；
控制区二：在风速稍高时，桨距为0°，通过降低发电机转矩，使发电机尽量以转速Nr运行，且转矩不得低于最优转矩转速曲线；
控制区三：在风速大于额定风速时，使发电机尽量以转速Nr运行，当发电机转速大于Nr时，通过增大桨距角，减少风能的吸收，降低转速；当转速小于Nr时，通过减小桨距角，增大风能的吸收，升高转速；转矩主要用于稳定风电机组的有功功率输出。
因此，可按以下步骤判断风电机组的控制运行区间：
2-1)设定控制区一时转矩控制器的参考转速为N1，桨距控制器目标转速为N2；控制区二时转矩控制器的参考转速为Nr，桨距控制器的目标转速为N2；控制区三时转矩控制器的参考转速为Nr，转矩控制器的目标转速为Nr；并设置判断控制区一、控制区二的转速门限值N12，且设置N1<N12<Nr＜N2；
2-2)当发电机运行转速＜N12时，则风电机组运行在控制区一；
2-3)当N12＜发电机运行转速＜Nr，且桨距角＜(最小桨距角+0.5°)时，则风电机组运行在控制区二；
2-4)当发电机运行转速＞(Nr-5RPM)，且桨距角＞最小桨距角时，则风电机组运行在控制区三。
3)将当前模式下桨距控制器的目标转速按固定速率转换至目标模式下桨距控制器的目标转速，若转换完成，则进入步骤4)，否则，继续对桨距控制器的目标转速进行转换，此时，风电机组仍然以当前模式下转矩控制器的参考转速、最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值运行；
所述固定速率为通过多次仿真实验得到的经验值，通常为4～5RPM/s。
4)将当前模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值按转换比率转换至目标模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，转换步骤如下：
4-1)若当前模式为正常模式，目标模式为冗余模式，当转换比率从0变为1，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率，
式中，Ratio1为正常模式→冗余模式时，当前的转换比率；
Ratio1′为正常模式→冗余模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为0；
Ts为系统运行周期；
T为总的转换时间；
4-2)若当前模式为冗余模式，目标模式为正常模式，当转换比率从1变为0，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率，
式中，Ratio2为冗余模式→正常模式时，当前的转换比率；
Ratio2′为冗余模式→正常模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为1；
Ts为系统运行周期；
T为总的转换时间。
4-3)若最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值在转换过程中，则按以下公式确定转换过程中的转矩和最小桨距角，此时，风电机组仍然以当前模式下转矩控制器的参考转速运行，
Setup＝(1-Ratio)*Setup1+Ratio*Setup2
式中，Ratio为转换过程中的当前转换比率；
Setup为最优转矩转速曲线设定值或最小桨距角设定值；
Setup1为正常模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由最小桨距角设定值计算的最小叶片角度，过对最优转矩转速曲线或最小桨距角设定值线性插值计算而得；
Setup2为冗余模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由最小桨距角设定值计算的最小叶片角度，过对最优转矩转速曲线或最小桨距角设定值线性插值计算而得。
以表2中正常模式、冗余模式下的参数为例，
表2
由表2可知，正常模式下，风电机组正常满负荷运行时，发电机的转速为1764.9RPM，未满负荷运行时，发电机的转矩跟随转速的变化，线性关系如图5中曲线1所示；发电机转速为1770RPM时，最小桨距角为0°，发电机转速为1800RPM时，最小桨距角为2°。
冗余模式下，机组满负荷运行时，发电机的转速是1700RPM，未满负荷运行时，发电机的转矩跟随转速的变化，线性关系如图5中曲线2所示；发电机转速为1725RPM时，最小桨距角为0°，发电机转速为1800RPM时，最小桨距角为15°。
①设置总的转换时间为2s，系统运行周期为10ms，计算转换比率：
转换比率是指从正常模式与冗余模式之间转换完成的比率。0表示完全运行在“正常模式”，1表示完全运行在“冗余模式”。
总的转换时间为2S，系统运行周期为10ms，则每个运行周期内递增或递减转换比率通过计算得到，(10/2000)*100％＝0.5％；
如果从“正常模式”切换到“冗余模式”，从0％开始，每个周期递增0.5％，直到100％，表示最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值完全转换至冗余模式下的值。
第n个周期，切换完成0％，转换比率＝0％；
第n+1个周期，切换完成0.5％，转换比率＝0.5％；
第n+2个周期，切换完成1％，转换比率＝1.0％；
……
第n+200个周期，切换完成100％，即转换比率＝100％，此时风电机组最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值完全转换为冗余模式所对应的值。
如果从冗余模式切换回到正常模式，从100％开始，每个周期递减0.5％，直到0％，表示已经完全运行在“正常模式”。
第m个周期，切换完成0％，转换比率＝100％；
第m+1个周期，切换完成0.5％，转换比率＝99.5％；
第m+2个周期，切换完成1％，转换比率＝99％；
……
第n+200个周期，切换完成100％，即转换比率＝0％，此时风电机组最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值完全转换为正常模式所对应的值。
②假设发电机转速始终为1450RPM，计算最优转矩转速曲线在转换过程中的转矩：
根据正常模式中最优转矩转速曲线，查表可知1450RPM位于设定点3和设定点4之间，通过线性插值法，计算出当前的转矩为：(1450-1315.4)*(4528-3270)/(1548.4-1315.4)+3270≈3996.72Nm。
根据冗余模式的最优转矩转速曲线，查表可知，1450RPM对应的转矩为3000Nm。
则正常模式→冗余模式时，最优转矩转速曲线的转换过程如下所示，
如果转换比率为0％，则当前的转矩为：(1-0％)*3996.72+0％*3000＝3996.72Nm；
……
如果转换比率为20％，则当前的转矩为：(1-20％)*3996.72+20％*3000＝3973.38Nm；
……
如果转换比率为80％，则当前的转矩为：(1-80％)*3996.72+80％*3000＝3199.35Nm；
……
如果转换比率为100％，则当前的转矩为：(1-100％)*3996.72+100％*3000＝3000Nm。
由上例可知，通过转换比率可以使正常模式和冗余模式在切换时有一个渐变过程，而不是从3996.72Nm直接阶跃到3000Nm，从而确保风电机组能平稳过渡到目标模式下运行，同理，风电机组的最小桨距角设定值在转换过程中同样可根据转换比率逐渐过渡至目标模式下。
5)将当前模式下转矩控制器的参考转速按固定速率转换至目标模式下转换控制器的参考转速；该固定速率为多次仿真实验得到的经验值，通常为4～5RPM/s。
6)当桨距控制器的目标转速、最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值和转矩控制器的参考转速均转换至目标模式下，则风电机组的桨距控制器和转矩控制器按目标模式的数据运行。
实施例一，如图2所示，功率速度控制器在控制区三，从正常模式转换至冗余模式的变化过程。
首先桨距控制器的发电机目标转速以固定速率下降到冗余模式下桨距控制器的发电机目标转速设定值，在此期间由于桨距控制器的发电机目标转速下降，会导致发电机实际转速下降，而转矩控制器的发电机参考转速保持不变，使得控制区间变化为控制区二，因此，选择Pitch_N2_2作为冗余模式下桨距控制器的发电机目标转速。
桨距控制器的发电机目标转速达到Pitch_N2_2后，最优转矩转速曲线设定值和最小桨距角设定值根据转换比率转换，当转换比率在总的转换时间内从0一次线性变化为1后，最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值转换完成，桨距控制器和转矩控制器采用冗余模式的最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值。
随后转矩控制器的发电机参考转速以固定速率下降到冗余模式的转矩控制器的发电机参考转速设定值Torque_Nr_2，功率随着参考转速发生改变而上升，同时控制区间变化为控制区3，桨距控制器的发电机目标转速变成Pitch_Nr_2。
实施例2，如图3所示，功率速度控制器在控制区三从冗余模式转换到正常模式的变化过程。
首先桨距控制器的发电机目标转速以固定速率上升到正常模式的桨距控制器的发电机目标转速设定值，此时，由于桨距控制器的发电机目标转速上升，会导致控制区变化为控制区二，所以选择Pitch_N2_1作为正常模式下桨距控制器的发电机目标转速，选择Torque_Nr_1作为正常模式下转矩控制器的发电机参考转速。
桨距控制器的发电机目标转速达到Pitch_N2_1后，最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值根据转换比率转换，当转换比率在总的转换时间从1一次线性变化为0后，最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值完成转换，处于正常模式中，桨距控制器和转矩控制器使用正常模式下的最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值。
随后转矩控制器的发电机参考转速以固定速率上升到冗余模式的转矩控制器的发电机参考转速设定值Torque_Nr_1后，功率伴随着参考转速发生改变而上升，此时受风速影响，风电机组可能运行在控制区一、控制区二或控制区三中的任何一个控制区，因此桨距控制器的发电机目标转速会根据运行区间变成Pitch_N2_1或者1Pitch_Nr_1。
本控制方法通过设置正常模式和冗余模式两种风电机组运行模式，使风电机组在运行过程中，根据实际需求在正常模式和冗余模式这两种模式下切换，让风电机组能够在极端阵风工况或叶片变形过大极端情况下切换至冗余模式运行，避免风电机组在极端情况下停机，使风电机组在极端情况下仍能保持平稳运行，从而提高风电机组的发电量和发电效率；而且，本控制方法按转换比率使最优转矩转速曲线和最小桨距角设定值转换至目标模式，防止当前的转矩和最小桨距角在一个运行周期内发生阶跃性变化，避免变化幅值过大，从而使风电机组能平稳的在正常模式和冗余模式之间转换，确保风电机组的运行稳定性。

Claims (5)

1.一种基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)参数设置：在功率速度控制器中设置正常模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速；
并设置冗余模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值，以及控制区一、控制区二、控制区三中桨距控制器的目标转速、转距控制器的参考转速；
2)判断风电机组的控制运行区间和需要转换的目标模式，并根据控制区间和目标模式，选择目标模式下桨距控制器的目标转速、转矩控制器的参考转速；
3)将当前模式下桨距控制器的目标转速按固定速率转换至目标模式下桨距控制器的目标转速，若转换完成，则进入步骤4)，否则，继续对桨距控制器的目标转速进行转换；
4)按以下步骤将当前模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值按转换比率转换至目标模式下的最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值：
4—1)若当前模式为正常模式，目标模式为冗余模式，当转换比率从0变为1，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率：
式中，Ratio1为正常模式→冗余模式时，当前的转换比率；Ratio1′为正常模式→冗余模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为0；Ts为系统运行周期；T为总的转换时间；
4-2)若当前模式为冗余模式，目标模式为正常模式，当转换比率从1变为0，则最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值转换完成，并按以下公式确定转换比率：
式中，Ratio2为冗余模式→正常模式时，当前的转换比率；
为冗余Ratio2′→正常模式时，上一运行周期的转换比率，初始值为1；
Ts为系统运行周期；
T为总的转换时间；
最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值在转换过程中按以下公式确定转换过程中的转矩和最小桨距角：
Setup＝(1-Ratio)*Setup1+Ratio*Setup2
式中，Ratio为转换过程中的当前转换比率；
Setup为最优转矩转速曲线设定值和最小桨距角设定值；
Setup1为正常模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由最小桨距角设定值计算的最小叶片角度；
Setup2为冗余模式下，由最优转矩转速曲线计算的转矩，或者是由最小桨距角设定值计算的最小叶片角度；
5)将当前模式下转矩控制器的参考转速按固定速率转换至目标模式下转换控制器的参考转速；
6)当桨距控制器的目标转速、最优转矩转速曲线、最小桨距角设定值和转矩控制器的参考转速均转换至目标模式下，则风电机组的桨距控制器和转矩控制器在目标模式下运行。
2.根据权利要求1所述的基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其特征在于：步骤3)当前模式下桨距控制器的目标转速转换的固定速率为通过多次仿真实验得到的经验值为4～5RPM/s。
3.根据权利要求1所述的基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其特征在于：所述Setup1、Setup2分别通过对最优转矩转速曲线或最小桨距角设定值线性插值计算而得。
4.根据权利要求1所述的基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其特征在于：步骤5)当前模式下转矩控制器的参考转速转换的固定速率为多次仿真实验得到的经验值为4～5RPM/s。
5.根据权利要求1所述的基于变桨变速风力发电机组的冗余控制方法，其特征在于：步骤2)按以下步骤判断风电机组的控制运行区间，
2—1)设定控制区一时转矩控制器的参考转速为N1，桨距控制器目标转速为N2；控制区二时转矩控制器的参考转速为Nr，桨距控制器的目标转速为N2；控制区三时转矩控制器的参考转速为Nr，转矩控制器的目标转速为Nr；并设置判断控制区一、控制区二的转速门限值N12，且设置N1<N12<Nr<N2；
2-2)当发电机运行转速<N12时，则风电机组运行在控制区一；
2-3)当N12<发电机运行转速<Nr，且桨距角<(最小桨距角+0.5°)时，则风电机组运行在控制区二；
2-4)当发电机运行转速>(Nr-5RPM)，且桨距角>最小桨距角时，则风电机组运行在控制区三。
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