CN115143053A - 一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法 - Google Patents

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CN115143053A CN202210755537.3A CN202210755537A CN115143053A CN 115143053 A CN115143053 A CN 115143053A CN 202210755537 A CN202210755537 A CN 202210755537A CN 115143053 A CN115143053 A CN 115143053A
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许世鹏
冯黎成
程明杰
杜拙
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Abstract

本发明涉及一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法，该方法由风力发电机组的运行控制转速VK寻优的现场试验方法和安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法组成。其中：风力发电机组的运行控制转速寻优的现场试验方法是指将机组的控制转速参数设置为较大，使其触发超限值，直至在极端风况下叶轮的最高转速接近但不触发超限值，从而得到最优控制参数；安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法是指在极端风况下叶轮达到的最高飞升转速与设计要求最为接近时，则该控制参数即为机组安全控制参数。本发明可有效保证机组长期安全稳定运行和机组性能的发挥。

Description

一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法。
背景技术
随着机组容量和风轮直径不断增大，风轮转动惯量也不断增大，通常在阵风出现1～2s后，风轮转速才发生变化，滞后系统容易引起风力发电机组转速超限，使得机组的运行稳定及安全受到严重影响。
机组速度超限的另外一个因素是，由于桨叶气动的非线性特点，单一控制器或单一增益的控制器已不能满足控制性能要求。通常做法是根据桨距角或风速来设计增益调节的变桨控制参数，这样虽然避免了桨距角的调节时间过长的问题，但是，在阵风或极端风况条件下，风速急剧上升而桨距角动作缓慢，叶轮容易发生超出机组极限运行转速的问题，从而导致机组速度超限问题不能得到根本解决。
风电场的风况条件千变万化。风的能量与风速的立方成正比，每当阵风来临，在1~2秒之内就会带来巨大的能量。一方面，前馈控制策略很难对整个风轮平面的风况进行准确预测。另一方面，转速控制策略难以在刚启动的1~2秒之内起到明显的效果。加之，机组自主偏航等众多的不确定因数，因此，仅从调桨和控制策略考虑难以保证叶轮转速的基本稳定，难以阻止机组转速的急剧上升，进而不能保证机组的长期稳定运行。
为了保证风力发电机组在极端风况下长期稳定运行，有的设计则把机组的最大运行转速长期控制在远低于机组及部件承受能力的转速之下，导致机组运行控制参数远低于其最佳运行转速值。叶轮储能受到严重限制，机组性能不能得到正常发挥；另一方面，阵风来临，机组顺桨进桨频繁，不仅直接导致能量损失，而且，频繁变桨还造成了机组及部件的疲劳载荷增加、对电网的冲击增大。
因此，大型并网风力发电机组的运行控制参数直接关系到叶轮储能、运行稳定、对电网的冲击、部件及机组安全等，获得机组运行最佳控制参数的寻优方法具有重要的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种保证机组长期安全稳定运行和机组性能发挥的风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法，其特征在于：该方法由风力发电机组的运行控制转速VK寻优的现场试验方法和安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法组成；其中：所述风力发电机组的运行控制转速寻优的现场试验方法是指将机组的控制转速参数设置为较大，使其触发超限值；当触发极限值后再跟进触发超限值时的故障快速进行调整，直至在极端风况下叶轮的最高转速接近但不触发超限值，从而得到最优控制参数；所述安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法是指通过故障快速判断控制参数触发停机时的最高飞升转速，在极端风况下叶轮达到的最高飞升转速与设计要求最为接近时，则该控制参数即为机组安全控制参数。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、现场试验是研发兆瓦级风力发电机组的重要手段。本发明方法是以现场试验为基础，在现场试验中得到最佳机组控制参数和最佳控制方案，从而有效保证了机组的长期安全稳定运行和机组性能的发挥，增加了叶轮储能、减小了机组的疲劳载荷和电网冲击等。
2、本发明的现场试验方法适用于所有并网风力发电机组：双馈、直驱和半直驱等。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明机组最高并网转速内的运行控制转速VK寻优的现场试验方法。
图2为本发明安全控制及安全控制逻辑配套参数寻优的试验方法。
具体实施方式
一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法，该方法由风力发电机组的运行控制转速VK寻优的现场试验方法和安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法组成。
其中：风力发电机组的运行控制转速寻优的现场试验方法是指将机组的控制转速参数设置为较大，使其触发超限值；当触发极限值后再跟进触发超限值时的故障快速进行调整，直至在极端风况下（风速变化极快的风况）叶轮的最高转速接近但不触发超限值，不会造成机组停机，从而得到最优控制参数。
安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法是指通过故障快速判断控制参数触发停机时的最高飞升转速，在极端风况下叶轮达到的最高飞升转速与设计要求最为接近时，则该控制参数即为机组安全控制参数。
在通常情况下，寻优的最佳控制参数需在满负荷及以上风速才能在现场通过试验获得。本发明方案通过适当的方法在低于满负荷风速以下获得。
本发明方法适用于新研发风力发电机组的最佳控制参数寻优；同时也适用于现场运行机组的控制参数优化。通过参数寻优达到充分保障机组安全、发挥叶轮储能、减少机组部件疲劳损坏、减少对电网冲击以及充分发挥机组性能提高发电量的目的。
本发明方法从系统观念出发，把风力发电机组所有硬件及软件（控制策略和方法等）看作是一个完整统一的整体。在机组现场运行的基础上，并经历阵风及极端风况试验之后，最终得到最佳运行控制参数，进而把它用于机组控制，达到既能保障机组及部件安全又能最大限度地发挥机组性能双重目标的目的。
上述控制参数，通常是机组运行在满负荷风速以上才起作用，因此，在通常情况下，需在满负荷风速以上通过现场试验得到。然而一年之中，满负荷风速以上的风频相对较少，最佳控制参数的试验和验证受到了极大的限制。为尽快得到最佳控制参数，本发明提供了在小风条件下的风力发电机组最佳控制参数的现场试验方法。
风力发电机组的某些极限转速比较高，机组按照正常转速试验可能会对机组或部件会产生不利影响，或因在小风条件下试验自然风的能量不足以使机组维持到较高的转速，因此，本发明方案还提供了降低机组的运行及控制转速的控制参数寻优的现场试验方法。
在小风条件下，为增加机组的试验机会，尽可能地与真实条件一致，可以把降低机组并网扭矩与降低机组的控制转速同步进行。进一步缩短最优控制参数的现场试验时间。
各控制参数寻优分别试验，得到多个最佳控制参数后，在小风条件下，通过本发明方案的方法把相应的控制参数进行两两配对组合试验，以试验两个控制参数，或一整套参数之间的逻辑关系，验证两个或两个以上控制参数是否达到设计要求。
在自然条件下运行并网，风力发电机组满负荷以上风频相对较少，本发明方案为有效降低现场试验条件，给出了在低风速条件下的风力发电机组最佳控制参数的现场试验方法。尽可能地缩短风力发电机组最佳控制参数的现场验证时间，缩短新机型的开发时间以及现场运行机组控制参数的寻优时间。
在通常情况下，兆瓦级风力发电机组最高并网转速主要受到发电机和变频器等部件的限制。而在最高并网转速以内，机组并网运行转速越高，越有利于叶轮储能、减少变桨次数、减小部件的疲劳载荷等，以最大限度地发挥机组性能。因此，并网风力发电机组存在最大并网转速范围内的最佳转速控制，以保证机组在极端风况条件下的运行稳定。本发明方案提供了机组在其最大极限转速条件下控制参数寻优的现场试验方法。
风力发电机组的并网最高叶轮转速为Vmax rpm，该转速也是触发机组停机的最高叶轮转速值。只要机组运行转速等于到或超过转速值Vmax rpm就要触发机组停机。VK rpm为叶轮转速降低，叶片开始顺桨的叶轮控制转速触发值。
也就是说，为实现把机组运行转速控制在最大运行转速Vmax rpm以下，提前触发机组顺桨的运行控制参数为VK rpm。该参数在多种风况下通过现场试验获得，从根本上解决了极端风况下机组运行范围内的叶轮转速超限问题。
VK rpm是否最佳，直接关系到机组在极端风况条件下的长期稳定运行，关系到叶轮储能、对电网冲击、部件承受的疲劳强度以及部件损坏状况等。
在风力发电机组并网运行范围内，因阵风或极限风况，叶轮转速过高而触发的叶轮控制转速值为VK rpm，触发后，叶片以正常停机的顺桨速率顺桨。风力发电机组的额定叶轮转速为V rpm，叶轮转速降低，并以（V-1）rpm为极端风况下机组的额定叶轮转速进行运行转速的控制，该控制保持的时间为t（可根据极端风况条件在0~600秒之间调整），在这之后，再以每分钟增加0.1rpm叶轮转速的速率上升，恢复到机组正常的额定叶轮转速V rpm对机组进行转速控制。具体的控制转速寻优方法，如图1所示。
安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法如图2所示。风力发电机组最佳安全控制参数，即：触发停机顺桨的叶轮转速为V1 rpm，按照机组设计要求，停机时不能超过的最高叶轮转速为V2 rpm。
两个及两个以上的一整套风力发电机组控制参数的试验，可先两两一起配对试验，达到机组设计的控制逻辑要求后，再把多个控制参数一起进行试验。
因机组运行范围内叶轮运行转速超限以及安全转速超限触发等，通常是在超过满负荷风速以上，且风况急剧变化时才会出现。为了缩短控制参数寻优的时间，本发明方案改为在小风条件下进行试验和参数寻优。因此，把风力发电机组的并网扭矩降低，或把机组设置为不并网的长期空转运行状态，以提高叶轮的运行转速。为验证和试验控制参数，以及参数寻优创造了更多的现场试验条件。
其控制原理为：叶轮功率等于叶轮的扭矩乘以角速度，即：P=Nω，式中：P为叶轮功率，单位W；N为叶轮扭矩，单位N·M；ω为角速度，单位弧度/秒（rad/s）。
当风速一定，即外界的给定功率一定，降低扭矩就可以增加机组运行的叶轮转速。
风力发电机组运行控制参数寻优试验，触发叶轮顺桨转速降低的转速角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；机组运行不能超过的最高转速角速度为
Figure 6121DEST_PATH_IMAGE002
。
机组运行因短时极端风况（极限阵风、湍流等因素）造成叶轮加速的转速角加速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，因此，在短时间内就给叶轮叠加了一个角速度
Figure 141393DEST_PATH_IMAGE004
，短时极端风况促使叶轮达到的角速度等于或大于
Figure 639370DEST_PATH_IMAGE002
时就会触发叶轮转速超限停机。
Figure DEST_PATH_IMAGE005
安全控制参数寻优试验，触发风力发电机组叶轮顺桨停机的角速度为
Figure 473334DEST_PATH_IMAGE006
；机组停机时达到的最高转速的角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；因短时的极端风况（极限阵风、湍流等因素）造成叶轮加速的角加速度为
Figure 486290DEST_PATH_IMAGE003
，在短时间内给叶轮叠加了一个角速度
Figure 368795DEST_PATH_IMAGE004
。注意：在机组停机时，如有甩负荷飞升转速，
Figure 783596DEST_PATH_IMAGE007
还需再加上甩负荷增加的飞升转速。风况平稳时可在通过现场试验单独获得后再进行叠加；也可在满负荷风速以上的复杂风况下运行获得
Figure 726144DEST_PATH_IMAGE007
。
Figure 226395DEST_PATH_IMAGE008
风力发电机组在降低并网扭矩条件下运行，或在不并网条件下空转运行，与满负荷条件下机组的转动惯量相同。在小风条件下与满负荷风速以上的极端风况给风力发电机组叠加的最大角速度值
Figure 647012DEST_PATH_IMAGE004
，其大小基本一致。因此，满负荷风速以上的运行及安全转速超限试验，可以移至小风条件下试验，对控制参数进行寻优。
因极端风况下机组运行增加的最大角速度
Figure 181899DEST_PATH_IMAGE004
，主要受机组的转动惯量和极端风况风能的影响。高转速运行的参数试验会对机组部件造成损害或不利影响，或在平均风速较低的条件下，风的能量不足以支持较高转速的并网运行，本发明方案还设计了整体降低机组相关的转速控制参数及转速触发值参数的现场试验方案。
极端风况的机组最大并网运行转速试验，机组额定转速的角速度值为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，以及触发机组顺桨、转速降低的转速角速度为
Figure 295349DEST_PATH_IMAGE006
。在机组并网运行范围内，把
Figure 282896DEST_PATH_IMAGE009
降低到
Figure 507204DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 631018DEST_PATH_IMAGE006
降低到
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，进行试验，a是降低转速的角速度值，把触发停机的极限转速的角速度也同时降低，降低到
Figure 977686DEST_PATH_IMAGE012
。在平均风速较低状况下，得到
Figure 390212DEST_PATH_IMAGE004
后，再应用到机组正常控制参数和实际风况下试验，其控制参数恢复到
Figure 480528DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 662111DEST_PATH_IMAGE006
。
安全控制参数及控制逻辑参数的寻优试验，控制机组停机的触发值为
Figure 914101DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 813923DEST_PATH_IMAGE006
降到
Figure 380034DEST_PATH_IMAGE011
进行试验，a是降低转速的角速度值，停机时最高飞升转速的角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。在小风状况下，得到
Figure 744019DEST_PATH_IMAGE004
后，再应用到机组正常控制参数和实际风况下试验，其控制参数恢复到
Figure 166910DEST_PATH_IMAGE006
，根据最终的试验状况再进行微量调整。
通过以上措施大大缩短了风力发电机组最佳控制转速寻优的时间。从而有效地缩短了机组开发时间，现场运行机组的参数优化时间以及某些状况下检查机组故障的时间。
另外，采取适当措施实现风力发电机组长期空转运行的方法。
1）改变变频器或主控的信号状态，达到变频器不参与并网的机组空转状态。
采取适当的措施破坏变频器与主控之间的并网逻辑关系，在叶轮转速进入变频器并网运行范围后，不让变频器切入并网以达到机组空转的目的。
2）通过修改相应的主控参数，屏蔽相应的故障，在风力发电机组最大运行转速范围内并由额定转速控制的长期空转运行。
首先，修改主控参数，风力发电机组在最大运行转速范围内运行，且转速由额定转速控制，与机组在并网状态的转速控制方式相同。其次，屏蔽相应的故障，风力发电机组能长期稳定空转运行，而不会因长期的不并网空转运行停机。
通过以上措施，风力发电机组就达到了：在不并网的条件下，在机组及部件允许的最大运行转速范围内，由额定转速控制长期空转运行的试验条件。

Claims (1)

1.一种风力发电机组控制转速参数寻优的现场试验方法，其特征在于：该方法由风力发电机组的运行控制转速VK寻优的现场试验方法和安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法组成；其中：所述风力发电机组的运行控制转速寻优的现场试验方法是指将机组的控制转速参数设置为较大，使其触发超限值；当触发极限值后再跟进触发超限值时的故障快速进行调整，直至在极端风况下叶轮的最高转速接近但不触发超限值，从而得到最优控制参数；所述安全控制参数以及安全运行控制逻辑中配套参数寻优的现场试验方法是指通过故障快速判断控制参数触发停机时的最高飞升转速，在极端风况下叶轮达到的最高飞升转速与设计要求最为接近时，则该控制参数即为机组安全控制参数。
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