CN115478983A - 一种风力发电机组转速控制切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种风力发电机组转速控制切换方法，包括如下步骤：检测风电机组当前运行状态，包括待机状态、启动状态、加速运行状态、并网运行状态和故障停机状态；基于当前运行状态切换控制器转速输入策略，控制器转速输入策略包括以接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器输入转速，或，以变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器输入转速。风力发电机组运行时，风电机组的桨距角和转矩参考控制指令的输入转速，结合风电机组控制特性，采用变流器计算转速和接近开关测量转速之间的自动有效切换策略，替代原有增量式光电编码器实测转速，在不影响风电机组运行稳定性和可靠性的前提下，有效降低了风电机组测速装置的采购成本。

Description

一种风力发电机组转速控制切换方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组转速控制切换方法。

背景技术

随着国家大力支持新能源的发展，风力发电机组作为新能源的重要组成部分，其装机规模也在快速扩增。面对海上和陆上平价风电机组机型的开发需求，对风电机组的生产成本、运行的稳定性、可靠性等提出了更高的要求。

在风力发电机组中，发电机转速作为最重要控制目标之一，由于对转速测量设备的精度、可靠性等要求较高，目前国内主流风电机组一般采用增量式光电编码器作为风电机组发电机转速测量装置，但该器件采购成本较高，不能很好的迎合风电机组开发成本的降低需求。如仅采用接近开关等方式作为风电机组发电机转速测量装置，因该装置无法满足风电机组并网运行工况下对发电机组转速测量的精度和分辨率要求，会直接影响风电机组运行的稳定性和可靠性。因此为确保风电机组在可降低成本的情况下可靠和稳定运行，必须结合风电机组控制特性，有针对性的进行风电机组输入转速控制切换方法设计，在不影响风电机组运行稳定性和可靠性的前提下，达到降本设计要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种风力发电机组转速控制切换方法，以解决现有风电机组控制器转速输入策略，没有结合风电机组控制特性，存在成本高或缺乏稳定性和可靠性的技术问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

一种风力发电机组转速控制切换方法，包括如下步骤，

检测风电机组的当前运行状态，所述风电机组的当前运行状态包括待机状态、启动状态、加速运行状态、并网运行状态和故障停机状态；

基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，所述控制器转速输入策略包括以接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速，或，以变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，包括：

若所述风电机组处于待机状态或启动状态，则切换为由接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于加速运行状态，且接近开关测量的转速与变流器计算的转速两者之间的最大值超过第一设定阈值，则切换为由变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于并网运行状态，则切换为由变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于故障停机状态，且接近开关测量的转速与变流器计算的转速两者之间的最大值小于第二设定阈值，则切换为由接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

当所述风电机组处于加速运行状态、并网运行状态或故障停机状态时，还将变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速和接近开关测量的风轮转速*齿轮箱变比，两两之间进行比较，若存在两者之间的差值的绝对值超过设定值，则触发转速测量信号异常故障停机。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速和接近开关测量的风轮转速*齿轮箱变比，计算发电机最大转速值，若所述最大转速值超过第三设定阈值，则触发机组故障停机。

可选地，在所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略之前，还包括：

比对切换前的风电机组的输入转速与拟切换后的风电机组的输入转速，若两者之差的绝对值大于第四设定阈值，则对所述拟切换后的风电机组的输入转速进行滤波处理。

可选地，所述对切换后的风电机组的输入转速进行滤波处理，包括：

滤波后的输入转速采用以下公式：

滤波后的输入转速=权重值*切换前的风电机组的输入转速+(1-权重值)*拟切换后的风电机组的输入转速；其中，权重值从1匀速变成0。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速的瞬时数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第三设定阈值，且延迟设定时间，则触发风电机组故障停机。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第三设定阈值，且延迟设定时间，则触发风电机组故障停机。

可选地，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第三设定阈值，且延迟设定时间，则触发风电机组故障停机。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

本发明提供的一种风力发电机组转速控制切换方法，包括如下步骤：检测风电机组的当前运行状态，所述风电机组的当前运行状态包括待机状态、启动状态、加速运行状态、并网运行状态和故障停机状态；基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，所述控制器转速输入策略包括以接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速，或，以变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。风力发电机组运行时，风电机组的桨距角和转矩参考控制指令的输入转速，采用变流器计算转速和接近开关测量转速之间的自动有效切换策略，替代原有增量式光电编码器实测转速，转速切换涉及风电机组待机、启动、发电、停机整个过程，充分结合了风电机组的控制特性，在不影响风电机组运行稳定性和可靠性的前提下，有效降低了风电机组测速装置的采购成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种风力发电机组转速控制切换方法的步骤图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明提供的一种风力发电机组转速控制切换方法，包括如下步骤：

S1、检测风电机组的当前运行状态；

其中，所述风电机组的当前运行状态包括待机状态、启动状态、加速运行状态、并网运行状态和故障停机状态；

S2、基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略；

其中，所述控制器转速输入策略包括以接近开关测量的发电机输入轴转速作为当前风电机组控制器的输入转速，或，以变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。其中，全功率变流器是通过电压计算发电机转速的，当转速达到一定值后变流器即可计算，一般在50rpm以上就可以。

本方法中对原始采样的发电机转速处理，采用Outlier滤波器处理。Outlier滤波器用于剔除转速编码器测量信号中的偏离值/毛刺，该滤波器属于一种因果中值滤波器，不会带来任何相移。该滤波器由一个门限值和滤波器时间长度值确定：

门限值：信号偏离中值的剔除门限；

滤波器时间：100ms；

滤波器计算最近10次输入的中值（不是平均值），数据个数=滤波器时间/采样时间（10ms）。如果最后一次的输入到outlier滤波器的值比中值超出门限值，则中值用于outlier滤波器的输出，否则最后一次的输入作为outlier滤波器的输出。

注：下文中关于接近开关测量发电机转速和变流器计算发电机转速均为原始采样转速经过outlier滤波器滤波后的输出值。

本方法的核心是发电机接近开关测量发电机转速和变流器计算发电机转速之间的切换，涉及风电机组待机、启动、发电、停机整个过程，具体如下：

1、待机和启动状态

若所述风电机组处于待机状态或启动状态，该状态下，变流器计算的发电机转速值误差极大，不能作为控制和监视使用，故该状态下采用接近开关测量的发电机转速进行相关监视和控制，主要涉及风电机组启动自检，即桨叶打开后，依据接近开关测量发电机组转速进行发电机输入轴刹车松刹状态判断，风电机组待机状态下刹车投入状态判断；

2、加速运行状态

风电机组加速运行状态的目标转速为切入转速，在该状态下，当接近开关测量发电机转速和变流器计算发电机转速两者之间的最大值大于0.5倍切入转速，则将控制器输入转速切换为由变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；

3、并网运行状态

当所述风电机组处于并网运行状态，风电机组转速在切入转速和额定转速范围内运行，变流器计算转速作为控制器输入转速使用，参与风电机组转矩控制器和桨距角控制器输出计算；

4、故障停机状态

风电机组触发任何故障，在停机过程中转矩会跟随转速的降低而减少，当变流器计算发电机转速和接近开关测量发电机转速两者之间的最大值小于机械速度低转速设定值时，则切换至接近开关测量发电机组转速，继续完成停机动作。

作为对上述方案的进一步改进，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：当所述风电机组处于加速运行状态、并网运行状态或故障停机状态时，还将变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速和接近开关测量的风轮主轴转速*齿轮箱变比（即通过计算间接得到发电机输入轴转速），两两之间进行比较，若存在两者之间的差值的绝对值超过设定值，则触发转速测量信号异常故障停机。

作为对上述方案的进一步改进，接近开关测量发电机转速、变流器计算发电机转速、接近开关发电机转速均存在失效风险，本方法还提出在部分测速元器件失效后，风电机组仍能在第一时间完成转速切换，执行停机动作，以达到保护风电机组安全运行目的。具体方法如下：

1）转速测量最大值保护方法

比对变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速、接近开关测量风轮转速*齿轮箱变比，将三者中最大值视为发电机最大转速值，最大转速值超过115%*额定发电机转速，触发故障停机；

2）解决接近开关测量发电机转速与变流器计算发电机转速切换时发生转速波动的方法

在所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略之前，比对切换前的风电机组的输入转速与拟切换后的风电机组的输入转速，若两者之差的绝对值大于0.2rpm*齿轮箱变比，则对所述拟切换后的风电机组的输入转速进行滤波处理。由于接近开关转速与变流器转速存在一定的静差，在进行转速切换时必然会出现控制用转速的跳变，此时策略算法已经处于闭环控制状态，有可能引起输出扭矩给定扰动和变桨角度给定扰动。为解决该问题，提出以下方法：

可使用一个可变权重的一阶低通算法，满足触发条件后，对转速信号启动滤波，权重从1匀速变成0，权重变成0时，则相当于不进行滤波。滤波后的输入转速采用以下公式：

滤波后的输入转速=权重值*切换前的风电机组的输入转速+(1-权重值)*拟切换后的风电机组的输入转速；

3）转速差值对比监视保护方法

在风机运行的全周期内，为了保障风电机组安全稳定运行，防止变流器反馈转速失真，转子转速测量失真，特提出以下保护方法：

A、变流器反馈转速与转子转速对比

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速的瞬时数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过5%*额定发电机转速，且持续100ms，则触发风电机组故障停机；

B、变流器反馈转速与主控发电机测速数据对比

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过5%*额定发电机转速，且持续100ms，则触发风电机组故障停机；

C、转子转速与主控发电机测速数据对比

基于主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过5%*额定发电机转速，且持续100ms，则触发风电机组故障停机。

综上所述，本发明的目的是风力发电机组运行时，风电机组的桨距角和转矩参考控制指令的输入转速，采用变流器计算转速和接近开关测量转速之间的自动有效切换策略，替代原有增量式光电编码器实测转速，转速切换涉及风电机组待机、启动、发电、停机整个过程，充分结合了风电机组的控制特性，有效降低了风电机组测速装置的采购成本。同时，采用风电机组发电机转速失效保护方法等，在确保风电机组运行稳定性和可靠性的前提下，有效解决风力发电机组控制转速切换带来的冲击，保证风电机组稳定运行。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，包括如下步骤，

检测风电机组的当前运行状态，所述风电机组的当前运行状态包括待机状态、启动状态、加速运行状态、并网运行状态和故障停机状态；

基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，所述控制器转速输入策略包括以接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速，或，以变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，包括：

若所述风电机组处于待机状态或启动状态，则切换为由接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于加速运行状态，且接近开关测量的转速与变流器计算的转速两者之间的最大值超过第一设定阈值，则切换为由变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于并网运行状态，则切换为由变流器计算的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速；或

若所述风电机组处于故障停机状态，且接近开关测量的转速与变流器计算的转速两者之间的最大值小于第二设定阈值，则切换为由接近开关测量的发电机转速作为当前风电机组控制器的输入转速。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

当所述风电机组处于加速运行状态、并网运行状态或故障停机状态时，还将变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速和接近开关测量的风轮转速*齿轮箱变比，两两之间进行比较，若存在两者之间的差值的绝对值超过设定值，则触发转速测量信号异常故障停机。

4.根据权利要求2或3所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器计算的发电机转速、接近开关测量的发电机转速和接近开关测量的风轮转速*齿轮箱变比，计算发电机最大转速值，若所述最大转速值超过第三设定阈值，则触发机组故障停机。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，在所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略之前，还包括：

比对切换前的风电机组的输入转速与拟切换后的风电机组的输入转速，若两者之差的绝对值大于第四设定阈值，则对所述拟切换后的风电机组的输入转速进行滤波处理。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述对切换后的风电机组的输入转速进行滤波处理，包括：

滤波后的输入转速采用以下公式：

滤波后的输入转速=权重值*切换前的风电机组的输入转速+(1-权重值)*拟切换后的风电机组的输入转速；其中，权重值从1匀速变成0。

7.根据权利要求2所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速的瞬时数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第五设定阈值，且持续设定时间，则触发风电机组故障停机。

8.根据权利要求2所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于变流器反馈转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第五设定阈值，且持续设定时间，则触发风电机组故障停机。

9.根据权利要求2所述的一种风力发电机组转速控制切换方法，其特征在于，所述基于所述风电机组的当前运行状态切换控制器转速输入策略，还包括：

基于主控检测的发电机转子转速折算成发电机输入轴转速与主控检测的发电机转速数据进行比对并作如下判定：

若两者相差超过第五设定阈值，且持续设定时间，则触发风电机组故障停机。

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