CN115076029A - 基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法及一种计算机可读存储介质，属于风电机组控制领域。所述基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法包括：获取来流风速时间序列；基于风速时间序列计算平均风速值和实时湍流度，确定平均风速下湍流度阈值；依据实时湍流度和湍流度阈值之间的关系，控制机组切换运行状态。本方法综合考虑了平均风速值、湍流度等信息，且针对湍流度的强弱采取了主动控制干预，能够保证风电机组在湍流风况下的安全运行。

Description

基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及风电机组控制领域，具体地涉及一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法及一种计算机可读存储介质。

背景技术

风电机组容量和风轮直径越来越大，运行环境恶劣，零部件设计阶段的载荷校核是重要工作。考虑各种极端工况下承受的极限载荷和疲劳载荷规律，并通过机械、结构和控制手段进行降载优化，最终实现降本增效。风作为最主要的环境激励输入，风速、风向、湍流等特性对机组的发电运行和部件载荷具有非常大的影响。

目前商业应用的风电机组控制技术，大多仅考虑风速和风向变化的影响，对风轮转速闭环反馈控制和偏航对风控制，而未对风速波动程度(湍流度)进行主动干预。湍流的随机和不可预测性，风电机组需要被动承受很大的冲击载荷，长期运行对机组的安全性和疲劳寿命影响不可忽视。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法及一种计算机可读存储介质，以至少解决现有技术中未从湍流度角度出发，考虑降低风电机组冲击载荷的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，包括：

获取来流风速时间序列；

基于风速时间序列计算平均风速值和实时湍流度，确定平均风速下湍流度阈值；

依据实时湍流度和湍流度阈值之间的关系，控制机组切换运行状态。

本方法从湍流度的角度出发考虑，根据湍流度的强弱程度，控制风电机组切换状态机，确保机组运行能够更加精细化。

可选的，获取来流风速时间序列的方式包括：

通过机舱式激光雷达测风设备、地基式激光雷达测风设备或位于机舱的机械式风速仪测试得到，或；

利用机组运行数据通过模式识别算法估计得到。

利用设备测试的方式更加方便，而利用运行数据估计的方式则更加精确，具体可根据实际情况选择不同的获取方式。

可选的，计算所述平均风速值的公式如下：

其中，V_ave表示平均风速值；Swind表示风速时间序列，Swind＝[V₁，V₂，···，V_n]；V₁，V₂，…，V_n表示风速时间序列内的风速值数据，n表示样本数量。

可选的，计算所述实时湍流度包括：

基于计算得到的平均风速值，计算实时湍流度，实时湍流度的计算公式如下：

其中，V_std表示风速的标准差；Tu_c表示实时湍流度；V_ave表示风速平均值；Swind表示风速时间序列；Swind＝[V₁，V₂，···，V_n]，V₁，V₂，…，V_n表示风速时间序列内的风速值数据。

可选的，所述风速时间序列内的风速值数据采用滚动方式存储；风速数据滚动更新，以保证实时性。

可选的，所述确定平均风速下湍流度阈值，包括：

设计一组提取函数，平均风速值作为函数输入，对应的湍流度阈值作为函数输出，通过该提取函数在数据库中找出当前平均风速下的湍流度阈值。

通过提取函数提高查找效率，且在提取过程中，采用线性插值的方式辅助提取，保证提取的湍流度阈值准确性。

可选的，所述依据实时湍流度和湍流度阈值之间的关系，控制切换机组运行状态，包括：

对比实时湍流度与湍流度阈值之间的大小，若实时湍流度大于等于当前湍流度阈值高值，机组切换到湍流停机状态；

若实时湍流度大于等于当前湍流度阈值低值并小于当前湍流度阈值高值，机组切换到湍流控制状态，调整控制策略；

若实时湍流度小于当前湍流度阈值低值，机组保持当前运行状态。

根据实时湍流度与高低阈值之间强弱的关系进行判断，控制机组的运行状态，能够有效控制在湍流条件下风电机组的极限载荷。

可选的，所述调整控制策略包括：

降低机组当前运行功率设定值，将机组运行在低承载状态；

当机组切换到湍流控制状态后，变桨PID控制器切换到新的PID参数值。

可选的，还包括：

机组的执行系统随着控制策略的调整相应地更改执行操作，并更新风速时间序列。

本方法中，机组根据新的控制指令，改变控制策略，在更新控制策略后，风速时间序列及时进行更新，保证了降载控制的实时性。

本发明第二方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行第一方面所述的一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)考虑了来流风湍流强度的剧烈程度，针对湍流程度的强弱采取主动控制干预，能够有效降低大湍流风况条件下风电机组的极限载荷，保证各部件的运行安全。

(2)在大湍流风况下，本方法可以延长零部件寿命，降低设计成本。

(3)本方法综合考虑风速平均值、湍流度等信息，信息参考更加多维，机组运行控制更加精细化、智能化。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种实施方式提供的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，所述方法包括：

S1：利用检测设备采样获取来流风速时间序列S_wind＝[V₁，V₂，···，V_n]，获取的风速时间序列内的风速值数据采用滚动方式存储，保证一定的数据量。

具体的，在本实施例中，利用机舱式激光雷达测风设备、地基式激光雷达测风设备或者位于机舱的机械式(超声波式)风速仪这些检测设备采样获取来流风速时间序列，采样频率不低于50Hz，这些设备可以实时的测试风速，简单方便。

S2：依据获取的风速时间序列分别计算平均风速值和实时湍流度，平均风速值和实时湍流度存储到相应的数据库中；计算的公式如下：

式(1)中，V_ave表示平均风速值；S_wind表示风速时间序列，S_wind＝[V₁，V₂，···，V_n]；V₁，V₂，…，V_n表示风速时间序列内的风速值数据，n表示样本数量，V_std表示风速的标准差；Tu_c表示实时湍流度。

风速值数据滚动更新，采集的新风速排在队尾，如下所示：

V₁＝V₂，

V₂＝V₃，

···，

V_n＝V_in

数据滚动更新，保证数据的实时性。

S3：在数据库中，根据计算得到的平均风速值V_ave，确定风电机组当前状态的湍流度高低阈值Tu_H和Tu_L。在数据库中，每一个平均风速值V_ave都对应着有湍流度高阈值Tu_H和湍流度低阈值Tu_L。为了便于确定湍流度高低阈值，设计一组提取函数Gtu，如下：

(Tu_L，Tu_H)＝Gtu(V_in) (4)；

该函数中，平均风速值作为函数输入，对应的湍流度高低阈值作为函数输出，通过该提取函数在数据库中找出当前平均风速下的湍流度高低阈值。

在数据库中，还采用线性插值法弥补数据库中没有的平均风速值数据和湍流度高低阈值数据。

S4：将实测湍流度值Tu_c和当前湍流度高低阈值Tu_H和Tu_L进行比对，根据比对结果，切换风电机组的运行状态。

具体过程包括：

(a)若Tu_c≥Tu_H，即实时湍流度值Tu_c大于等于当前状态的湍流度阈值高值Tu_H，说明风电机组目前载荷处于危险状态，此时，风电机组切换到湍流停机状态，按照预设停机流程进行收桨停机。

(b)若Tu_L≤Tu_c<Tu_H，即实时湍流度值Tu_c处于湍流度阈值高值Tu_H与低值Tu_L之间，说明风电机组目前载荷较大，风电机组进入湍流控制状态，调整控制策略。

(c)若Tu_c<Tu_L，即实时湍流度Tu_c小于湍流度阈值低值Tu_L，说明风电机组运行在正常条件下，此时风电机组保持目前运行状态。

在一些可行的实施例中，(b)中调整控制策略包括：

限功率运行：降低当前风电机组功率设定值，使机组运行在低承载状态。

切换变桨参数：在风电机组切换到湍流停机状态后，变桨PID控制器的Kp、Ki和Td等参数切换到新的参数值。

在一些可行的实施例中，本方法利用机组运行数据通过模式识别等算法估计获得风速时间序列，通过该方式获得的风速数据更加精准。

在一些可行的实施例中，本方法还包括：

S5：风电机组根据(b)中调整的控制策略，相应调整执行系统的操作，更新风速时间序列，更新的风速时间序列按照滚动方式存储。

本方法中，考虑到了来流风的湍流强度，针对湍流度对风电机组的运行状态进行控制，能够在大湍流风况条件下降低风电机组的载荷，保证机组运行控制更加精准。

本发明实施方式还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，包括：

获取来流风速时间序列；

基于风速时间序列计算平均风速值和实时湍流度，确定平均风速下的湍流度阈值；

依据实时湍流度和湍流度阈值之间的关系，控制机组切换运行状态。

2.根据权利要求1所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，获取来流风速时间序列的方式包括：

通过机舱式激光雷达测风设备、地基式激光雷达测风设备或位于机舱的机械式风速仪测试得到；或

利用机组运行数据通过模式识别算法估算得到。

3.根据权利要求1所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，计算所述平均风速值的公式如下：

其中，V_ave表示平均风速值；S_wind表示风速时间序列，S_wind＝[V₁，V₂，...，V_n]，V₁，V₂，…，V_n表示风速时间序列内的风速值数据；n表示样本数量。

4.根据权利要求3所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，计算实时湍流度包括：

基于计算得到的平均风速值，计算实时湍流度，实时湍流度的计算公式如下：

其中，V_std表示风速的标准差；Tu_c表示实时湍流度；V_ave表示风速平均值；S_wind表示风速时间序列；S_wind＝[V₁，V₂，...，V_n]，V₁，V₂，…，V_n表示风速时间序列内的风速值数据。

5.根据权利要求3所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，所述风速时间序列内的风速值数据采用滚动方式存储。

6.根据权利要求1所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，所述确定平均风速下的湍流度阈值，包括：

设计一组提取函数，将平均风速值作为函数输入，对应的湍流度阈值作为函数输出，通过该提取函数在数据库中查找当前平均风速下的湍流度阈值。

7.根据权利要求1所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，所述依据实时湍流度和湍流度阈值之间的关系，控制切换机组运行状态，包括：

对比实时湍流度与湍流度阈值之间的大小，若实时湍流度大于等于当前湍流度阈值高值，控制机组切换到湍流停机状态；

若实时湍流度大于等于当前湍流度阈值低值并小于当前湍流度阈值高值，控制机组切换到湍流控制状态，调整控制策略；

若实时湍流度小于当前湍流度阈值低值，控制机组保持当前运行状态。

8.根据权利要求7所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，所述调整控制策略包括：

降低机组当前运行功率设定值，控制机组运行在低承载状态；

当机组切换到湍流控制状态后，将变桨PID控制器切换到新的PID参数值。

9.根据权利要求8所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法，其特征在于，还包括：

机组的执行系统随着控制策略的调整相应地更改执行操作，并更新风速时间序列。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1-9中任一项所述的基于风速和湍流度的风电机组降载控制方法。

Images