CN114060210B - 风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统,该降载控制方法包括:基于风速实测值确定前馈桨距角值;确定闭环桨距角值;基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值;基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。采用本发明示例性实施例的风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统,能够使得风电机组的转速更加平稳,并降低风电机组的疲劳载荷。
Description
技术领域
本发明总体说来涉及风力发电技术领域,更具体地讲,涉及一种风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统。
背景技术
由于自然界的风具有很强的随机性,这会导致风电机组叶轮面的受力时刻处于变化的状态。对于传统风电机组,控制系统只能监测到风电机组转速的变化,再根据已经发生的转速波动对风电机组的桨距角和扭矩进行控制。因此传统风电机组的控制方式存在滞后性,表现为转速的波动较大,即风电机组的各部件长时间处于受力不平衡的状态,进而表现为风电机组的疲劳载荷受较大影响。
目前,对于安装有雷达的风电机组,因为可以提前感知到风电机组叶轮面处的风速,因此在风速导致风电机组的转速产生波动之前,提前对风电机组的桨距角进行调整,从而可以有效降低风电机组的转速波动,进而降低风电机组的疲劳载荷。然而,雷达测量的风速与叶轮面风速的相位差并不能保证每时每刻都是一致的,且对于复杂地形或者复杂环境的风电场,雷达测风可能存在一定偏差,因此完全使用雷达风速来调整桨桨距角不一定能够使得风电机组运行在最优状态。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统,以克服上述至少一种缺陷。
在一个总体方面,提供一种风电机组的降载控制方法,所述降载控制方法包括:基于风速实测值确定前馈桨距角值;确定闭环桨距角值;基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值;基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
可选地,基于风速实测值确定前馈桨距角值的步骤可包括:基于预设的风速与桨距角值的对应关系,确定与所述风速实测值对应的桨距角值,将所确定的桨距角值确定为前馈桨距角值。
可选地,所述风速实测值可通过设置在风电机组的叶轮前方的雷达探测器获得,所述闭环桨距角值可为基于风电机组的转速闭环控制获得的桨距角值。
可选地,加权因子可包括前馈加权因子和闭环加权因子,其中,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值的步骤可包括:将前馈桨距角值与前馈加权因子相乘,获得第一乘积;将闭环桨距角值与闭环加权因子相乘,获得第二乘积;将第一乘积与第二乘积相加,获得最终桨距角值。
可选地,加权因子可包括前馈加权因子和闭环加权因子,前馈加权因子可根据风电机组的限功率值以及阵风状态来确定,和/或,前馈加权因子与闭环加权因子之和为1。
可选地,可通过以下方式确定前馈加权因子:基于阵风状态的变化,确定阵风因子;基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子;基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子。
可选地,基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子的步骤可包括:将风电机组的限功率值与额定功率值相除,获得功率比值;基于预设的功率比值与功率系数的对应关系,确定与所获得的功率比值对应的功率系数,将所确定的功率系数确定为限功率因子,和/或,基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子的步骤可包括:将阵风因子与限功率因子相乘,获得前馈加权因子。
在另一总体方面,提供一种风电机组的降载控制装置,所述降载控制装置包括:前馈指令确定模块,基于风速实测值确定前馈桨距角值;闭环指令确定模块,确定闭环桨距角值;桨距角值确定模块,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值;变桨控制模块,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
在另一总体方面,提供一种风电机组的降载控制系统,所述降载控制系统包括:雷达探测器,设置在风电机组的叶轮前方,用于探测风速实测值,控制器,被配置为:从雷达探测器获取风速实测值,并基于风速实测值确定前馈桨距角值,确定闭环桨距角值,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
在另一总体方面,提供一种控制器,包括:处理器;存储器,用于存储计算机程序,所述计算机程序在被所述处理器执行时实现上述的风电机组的降载控制方法。
在另一总体方面,提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,当所述计算机程序在被处理器执行时实现如上述的风电机组的降载控制方法。
采用本发明示例性实施例的风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统,能够使得风电机组的转速更加平稳,并降低风电机组的疲劳载荷。
附图说明
通过下面结合示例性地示出实施例的附图进行的详细描述,本发明示例性实施例的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚。
图1示出根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制方法的流程图;
图2示出根据本发明示例性实施例的预设的风速与桨距角值的对应关系的示意图;
图3示出根据本发明示例性实施例的获得前馈加权因子的步骤的流程图;
图4示出根据本发明示例性实施例的预设的功率比值与功率系数的对应关系的示意图;
图5A至图5F示出根据本发明示例性实施例的风电机组的各部件的疲劳载荷的对比示意图;
图6示出根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制装置的框图;
图7示出根据本发明示例性实施例的前馈因子确定模块确定前馈加权因子的计算框图;
图8示出根据本发明示例性实施例的控制器的框图。
具体实施方式
现在,将参照附图更充分地描述不同的示例实施例,一些示例性实施例在附图中示出。
图1示出根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制方法的流程图。
参照图1,在步骤S10中,基于风速实测值确定前馈桨距角值。
在本发明示例性实施例中,风速实测值可通过设置在风电机组的叶轮前方的雷达探测器获得,但本发明不限于此,也可以通过其他方式(如风速仪或者气象数据)来获得风速实测值。
在一示例中,可基于预设的风速与桨距角值的对应关系,确定与风速实测值对应的桨距角值,将所确定的桨距角值确定为前馈桨距角值。
例如,可基于风电机组模型,通过仿真来建立预设的风速与桨距角值的对应关系,图2示出根据本发明示例性实施例的预设的风速与桨距角值的对应关系的示意图。
如图2所示的为静态风速桨角曲线,横坐标为风速值,单位为m/s(米/秒),纵坐标为桨距角值,单位为rad(弧度),这里的静态可指风速稳定,在一示例中,该静态风速桨角曲线可通过bladed的稳态计算功能来获得。例如,可以按风速间隔0.5m/s来获取图2所示曲线上的散点的数据值,相邻两个散点之间的数据值通过线性插值获得。
返回图1,在步骤S20中,确定闭环桨距角值。
在本发明示例性实施例中,闭环桨距角值可指基于风电机组的转速闭环控制获得的桨距角值。例如,基于转速实测值和设定转速值的差值,经过PID控制器获得的桨距角值。
在步骤S30中,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值。
作为示例,加权因子可包括前馈加权因子和闭环加权因子。这里,前馈加权因子与闭环加权因子之和为1,前馈加权因子和闭环加权因子分别代表前馈桨距角值和闭环桨距角值在最终输出上的占比。
例如,可将前馈桨距角值与前馈加权因子相乘,获得第一乘积,将闭环桨距角值与闭环加权因子相乘,获得第二乘积,将第一乘积与第二乘积相加,获得最终桨距角值。也就是说,通过对前馈桨距角值和闭环桨距角值进行加权求和,来获得最终桨距角值。
在步骤S40中,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
在本发明示例性实施例中,最终桨距角值中一部分来自前馈测风,一部分来自原有闭环控制回路,两个部分的占比由前馈加权因子和闭环加权因子来确定。
由于风电机组的限功率状态会影响图2中所示的风速桨角曲线,且为了增加风电机组对阵风的鲁棒性,在一优选示例中,可对前馈加权因子进行动态调节。
例如,可根据风电机组的限功率值以及阵风状态来动态调整前馈加权因子。下面参照图3和图4来介绍确定前馈加权因子的步骤。
图3示出根据本发明示例性实施例的获得前馈加权因子的步骤的流程图。
参照图3,在步骤S50中,基于阵风状态的变化,确定阵风因子。
这里,阵风因子用于表征风速的变化速率,可利用各种方式来确定阵风因子。在一示例中,可通过雷达探测器来监测风速实测值的变化,并通过雷达算法来获得风电机组的阵风因子。这里,通过雷达算法计算阵风因子的方法为本领域的公知常识,本发明对此部分内容不再赘述。
作为示例,阵风因子的取值范围可为[0.5,1],例如,当环境风速变化极大时,阵风因子的取值可为1,当环境风速变化为几乎不变时,阵风因子的取值可为0.5。
在步骤S60中,基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子。
例如,可将风电机组的限功率值与额定功率值相除,获得功率比值,基于预设的功率比值与功率系数的对应关系,确定与所获得的功率比值对应的功率系数,将所确定的功率系数确定为限功率因子。
在步骤S70中,基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子。
例如,可将阵风因子与限功率因子相乘,获得前馈加权因子。
在一示例中,可基于风电机组的历史运行数据和/或依据经验,来建立预设的功率比值与功率系数的对应关系,图4示出根据本发明示例性实施例的预设的功率比值与功率系数的对应关系的示意图。
如图4所示,当限功率值为额定功率值的0.5倍时,限功率因子为0,由于前馈加权因子=限功率因子×阵风因子,也就是说,此时前馈加权因子为0,雷达前馈不参与到降载控制中。
图5A至图5F示出根据本发明示例性实施例的风电机组的各部件的疲劳载荷的对比示意图。
在图5A至图5F所示的示例中,左侧柱状图为在未使用本发明示例性实施例的降载控制策略下的风电机组的各部件的疲劳载荷值,右侧柱状图为在使用本发明示例性实施例的降载控制策略下的风电机组的各部件的疲劳载荷值。从图5A至图5F所示可以看出,通过仿真可以对比风电机组未使用与使用上述降载控制策略的疲劳载荷差异。
由上述各图可以看出,在使用本发明示例性实施例的风电机组的降载控制策略之后,由于转速更加平稳,所以塔顶各部件的Mx疲劳载荷都大幅度下降了,同时由于转速更加平稳,意味着风电机组的受力更加均衡,因此塔底的My疲劳载荷也大幅度下降了。
图6示出根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制装置的框图。
如图6所示,根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制装置100包括:前馈指令确定模块101、闭环指令确定模块102、桨距角值确定模块103和变桨控制模块104。
具体说来,前馈指令确定模块101基于风速实测值确定前馈桨距角值。
在本发明示例性实施例中,风速实测值可通过设置在风电机组的叶轮前方的雷达探测器获得,前馈指令确定模块101从雷达探测器获得风速实测值。
在一示例中,前馈指令确定模块101可基于预设的风速与桨距角值的对应关系,确定与风速实测值对应的桨距角值,将所确定的桨距角值确定为前馈桨距角值。
闭环指令确定模块102确定闭环桨距角值。
在本发明示例性实施例中,闭环桨距角值可指基于风电机组的转速闭环控制获得的桨距角值。例如,基于转速实测值和设定转速值的差值,经过PID控制器获得的桨距角值。
桨距角值确定模块103基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值。
作为示例,加权因子可包括前馈加权因子和闭环加权因子。这里,前馈加权因子与闭环加权因子之和为1,前馈加权因子和闭环加权因子分别代表前馈桨距角值和闭环桨距角值在最终输出上的占比。
例如,桨距角值确定模块103可将前馈桨距角值与前馈加权因子相乘,获得第一乘积,将闭环桨距角值与闭环加权因子相乘,获得第二乘积,将第一乘积与第二乘积相加,获得最终桨距角值。
变桨控制模块104基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
例如,变桨控制模块104可将最终桨距角值同时施加到风电机组的每只叶片,以控制风电机组的各叶片执行变桨动作。
在一优选示例中,考虑到风电机组的限功率状态对前馈桨距角值的影响,同时为了增加风电机组对阵风的鲁棒性,可对前馈加权因子进行动态调节。
例如,根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制装置100可还包括:前馈因子确定模块105和闭环因子确定模块106。
例如,前馈因子确定模块105可根据风电机组的限功率值以及阵风状态来确定前馈加权因子。闭环因子确定模块106可将1与所确定的前馈加权因子的差值,确定为闭环加权因子。
图7示出根据本发明示例性实施例的前馈因子确定模块确定前馈加权因子的计算框图。
参照图7,前馈因子确定模块105可通过以下方式来确定前馈加权因子:基于阵风状态的变化确定阵风因子,基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子,基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子。
这里,阵风因子用于表征风速的变化速率,可利用各种方式来确定阵风因子。
例如,可将风电机组的限功率值与额定功率值相除,获得功率比值,基于预设的功率比值与功率系数的对应关系,确定与所获得的功率比值对应的功率系数,将所确定的功率系数确定为限功率因子。
例如,可将阵风因子与限功率因子相乘,获得前馈加权因子。
图8示出根据本发明示例性实施例的控制器的框图。
如图8所示,根据本发明示例性实施例的控制器200包括:处理器201和存储器202。
具体说来,存储器202用于存储计算机程序,所述计算机程序在被所述处理器201执行时实现上述的风电机组的降载控制方法。
这里,图1所示的风电机组的降载控制方法可在图8所示的处理器201中执行。也就是说,图6所示的各模块可由数字信号处理器、现场可编程门阵列等通用硬件处理器来实现,也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现,还可完全通过计算机程序来以软件方式实现,例如,可被实现为图8中所示的处理器201中的各个模块。
根据本发明的示例性实施例还提供一种风电机组的降载控制系统,该降载控制系统包括:雷达探测器和控制器。
雷达探测器设置在风电机组的叶轮前方,用于探测风速实测值。
控制器被配置为:从雷达探测器获取风速实测值,并基于风速实测值确定前馈桨距角值,确定闭环桨距角值,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述风电机组的降载控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括:只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明示例性实施例的风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统,将雷达测风的结果转换为风电机组的前馈桨角指令,并将该前馈桨角指令与风电机组的传统闭环桨角指令进行融合,融合规则基于风电机组的限功率值以及阵风状态来决定。融合获得的桨角指令作为最终的风电机组桨角指令对风电机组进行控制,使得风电机组转速更加平稳,可以大幅度降低风电机组的载荷水平,并降低风电机组成本。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明,但是本领域的技术人员应该理解,在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以对其进行形式和细节上的各种改变。
Claims (11)
1.一种风电机组的降载控制方法,其特征在于,所述降载控制方法包括:
基于风速实测值确定前馈桨距角值;
确定闭环桨距角值;
基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值,其中,加权因子包括前馈加权因子和闭环加权因子,前馈加权因子和闭环加权因子分别代表前馈桨距角值和闭环桨距角值在最终输出上的占比,并且前馈加权因子根据风电机组的限功率值以及阵风状态动态调整;
基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
2.根据权利要求1所述的降载控制方法,其特征在于,基于风速实测值确定前馈桨距角值的步骤包括:
基于预设的风速与桨距角值的对应关系,确定与所述风速实测值对应的桨距角值,将所确定的桨距角值确定为前馈桨距角值。
3.根据权利要求1或2所述的降载控制方法,其特征在于,所述风速实测值通过设置在风电机组的叶轮前方的雷达探测器获得,所述闭环桨距角值为基于风电机组的转速闭环控制获得的桨距角值。
4.根据权利要求1所述的降载控制方法,其特征在于,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值的步骤包括:
将前馈桨距角值与前馈加权因子相乘,获得第一乘积;
将闭环桨距角值与闭环加权因子相乘,获得第二乘积;
将第一乘积与第二乘积相加,获得最终桨距角值。
5.根据权利要求1所述的降载控制方法,其特征在于,前馈加权因子与闭环加权因子之和为1。
6.根据权利要求5所述的降载控制方法,其特征在于,通过以下方式确定前馈加权因子:
基于阵风状态的变化,确定阵风因子;
基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子;
基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子。
7.根据权利要求6所述的降载控制方法,其特征在于,基于风电机组的限功率值和额定功率值,确定限功率因子的步骤包括:
将风电机组的限功率值与额定功率值相除,获得功率比值;
基于预设的功率比值与功率系数的对应关系,确定与所获得的功率比值对应的功率系数,将所确定的功率系数确定为限功率因子,
和/或,基于所确定的阵风因子和限功率因子,获得前馈加权因子的步骤包括:
将阵风因子与限功率因子相乘,获得前馈加权因子。
8.一种风电机组的降载控制装置,其特征在于,所述降载控制装置包括:
前馈指令确定模块,基于风速实测值确定前馈桨距角值;
闭环指令确定模块,确定闭环桨距角值;
桨距角值确定模块,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值,其中,加权因子包括前馈加权因子和闭环加权因子,前馈加权因子和闭环加权因子分别代表前馈桨距角值和闭环桨距角值在最终输出上的占比,并且前馈加权因子根据风电机组的限功率值以及阵风状态动态调整;
变桨控制模块,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作。
9.一种风电机组的降载控制系统,其特征在于,所述降载控制系统包括:
雷达探测器,设置在风电机组的叶轮前方,用于探测风速实测值,
控制器,被配置为:
从雷达探测器获取风速实测值,并基于风速实测值确定前馈桨距角值,确定闭环桨距角值,基于所确定的前馈桨距角值、闭环桨距角值以及各自所对应的加权因子,获得最终桨距角值,基于所获得的最终桨距角值,控制风电机组执行变桨动作,
其中,加权因子包括前馈加权因子和闭环加权因子,前馈加权因子和闭环加权因子分别代表前馈桨距角值和闭环桨距角值在最终输出上的占比,并且前馈加权因子根据风电机组的限功率值以及阵风状态动态调整。
10.一种控制器,其特征在于,包括:
处理器;
存储器,用于存储计算机程序,所述计算机程序在被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的风电机组的降载控制方法。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,其特征在于,当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的风电机组的降载控制方法。
Priority Applications (1)
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CN202010767126.7A CN114060210B (zh) | 2020-08-03 | 2020-08-03 | 风电机组的降载控制方法、装置以及控制系统 |
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