CN117365839A - 风电机组多维变桨降载控制方法、系统、设备及介质 - Google Patents

风电机组多维变桨降载控制方法、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风电机组多维变桨降载控制方法、系统、设备及介质，属于风力发电技术领域。该方法包括：获取风电机组运行参数以及当前风速；根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；根据所述多维运行最优桨距角对变桨‑转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。

Description

风电机组多维变桨降载控制方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地涉及一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法、一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制系统、一种电子设备以及一种机器可读存储介质。
背景技术
风电机组发展趋向大型化，风轮越来越大，单支叶片长度目前已经达到100多米，海上风电机组甚至更长。考虑成本和载荷等因素，叶片柔性增强，运行过程中的变形问题逐渐突出。
风电机组的大型化发展，塔筒和叶片等关键部件的重量和尺寸也越来越大，结构部件的极限载荷成为机组设计中的制约因素。常规控制算法主要目标是维持机组的稳定运行，变桨和转矩控制环在快速性和鲁棒性之间妥协，对外部风况突变引起的机组极限载荷控制作用不明显。根据风电机组叶片的设计气动性能，极限载荷大部分出现在额定风速附近，此时风电机组所受的推力很大且变化敏感。因此需要在常规控制算法的基础上，增加新的控制策略，降低风电机组运行过程中可能遇到的极端风况，减小大部件的重量，满足机组设计载荷的前提下降低制造成本。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种风电机组多维变桨降载控制方法、系统、设备及介质，该方法综合风电机组运行时的风速、功率、偏航误差、桨距角、发电机转速以及机舱前后加速度6维状态，评估当前机组所受的极限载荷水平，能够全方位监测评估机组的运行状态，采取主动提前收桨策略，明显降低多种极端工况下塔筒和叶片的极限载荷，方法结构可靠、有效，具有很好的实际应用意义。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，所述方法包括：
获取风电机组运行参数以及当前风速，所述风电机组运行参数包括当前桨距角测量值、当前功率测量值、当前偏航误差值、当前机舱前后加速度测量值以及当前发电机转速测量值；
根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；
根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；
根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；
根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；
根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；
根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；
根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。
在本申请实施例中，根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角，包括：
根据各支叶片的当前桨距角测量值计算桨距角平均值；
对桨距角平均值进行平滑滤波，得到滤波后的桨距角平均值；
根据滤波后的桨距角平均值以及预设的桨距角调度表查表确定变桨最优桨距角。
根据上述技术手段，计算各支叶片的当前桨距角测量值的平均值作为确定变桨最优桨距角的输入参数，可以更好的表征桨距角测量值，经过平滑滤波可以减小波动冲击。
在本申请实施例中，根据当前功率测量值确定功率最优桨距角，包括：
根据当前功率测量值以及功率基准值计算功率的标幺值；
对标幺值进行平滑滤波，得到滤波后的标幺值；
根据滤波后的标幺值以及预设的功率调度表查表确定功率最优桨距角。
根据上述技术手段，通过计算功率的标幺值可以准确判断当前机组的运行状态，经过平滑滤波可以减小功率波动冲击。
在本申请实施例中，根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角，包括：
根据当前机舱前后加速度经过两次积分计算得到机舱位移；
对机舱位移进行平滑滤波，得到滤波后的机舱位移；
根据滤波后的机舱位移以及预设的机舱位移调度表查表确定机舱前后加速度最优桨距角。
根据上述技术手段，根据当前机舱前后加速度计算得到机舱位移，从而确定机舱前后加速度最优桨距角。
在本申请实施例中，根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角，包括：
对当前风速以及当前偏航误差值分别进行平滑滤波，得到滤波后的风速以及偏航误差值；
根据滤波后的风速以及偏航误差值以及预设的风速-偏航误差二维调度表查表确定风速风向最优桨距角。
根据上述技术手段，通过当前风速以及当前偏航误差值进行二维查表确定风速风向最优桨距。
在本申请实施例中，根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角，包括：
根据当前发电机转速测量值确定转速变化情况评估变量；
对转速变化情况评估变量进行平滑滤波，得到滤波后的转速变化情况评估变量；
根据滤波后的转速变化情况评估变量以及预设的速率调度表查表确定速度最优桨距角。
在本申请实施例中，根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角，包括：
获取变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角中的最大值；
将所述最大值进行变化速度限值后得到多维运行最优桨距角。
根据上述技术手段，采用变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角中的最大值进行位置限值后的多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，可以实现多种极限工况的降载，能够有效降低风电机组设计和实际运行中的极限载荷，减小塔筒、叶片等大部件的重量，降低整个风电机组的生产成本。
本申请第二方面提供一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制系统，所述系统包括：
数据获取模块，用于获取风电机组运行参数以及当前风速，所述风电机组运行参数包括当前桨距角测量值、当前功率测量值、当前偏航误差值、当前机舱前后加速度测量值以及当前发电机转速测量值；
变桨最优桨距角确定模块，用于根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；
功率最优桨距角确定模块，用于根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；
机舱前后加速度最优桨距角确定模块，用于根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；
风速风向最优桨距角确定模块，用于根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；
速度最优桨距角确定模块，用于根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；
多维运行最优桨距角确定模块，用于根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；
风电机组降载控制模块，用于根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。
根据上述技术手段，该系统可以综合风电机组运行时的风速、功率、偏航误差、桨距角、发电机转速以及机舱前后加速度6维状态，评估当前机组所受的极限载荷水平，能够全方位监测评估机组的运行状态，采取主动提前收桨策略，明显降低多种极端工况下塔筒和叶片的极限载荷。
本申请第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法。
本申请第四方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法。
通过上述技术方案，该方法可以综合考虑风电机组实时运行的桨距角、功率、风速、偏航误差、机舱加速度、发电机转速等6维运行状态，能够覆盖更多的极限载荷工况，该方法结构简单可靠，降载效果明显。能够有效降低塔筒底部、叶根等载荷，减小部件设计重量，降低机组成本。
不需要额外增加传感设备，基于现有常规机组的可测运行变量即可实现风电机组降载控制。
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基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法流程图；
图2是本发明一种实施方式提供的多维运行最优桨距角在变桨-转速PID控制过程中的应用示意图；
图3是本发明一种实施方式提供的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制系统框图。
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多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法流程图。如图1所示，所述方法包括：
S1：获取风电机组运行参数以及当前风速(Wind Speed)，所述风电机组运行参数包括当前桨距角(Pitch angle)测量值、当前功率(Electric Power)测量值、当前偏航误差值(Yaw Error)、当前机舱前后加速度(Nacalle FA Acc)测量值以及当前发电机转速(Measured Speed)测量值；
S2：根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角，具体包括：
根据各支叶片的当前桨距角测量值计算桨距角平均值，一般情况下，风电机组具有3支叶片，因此，需要计算三支叶片的的当前桨距角测量值计算桨距角平均值。
对桨距角平均值进行平滑滤波MoveAve1处理，得到滤波后的桨距角平均值；
根据滤波后的桨距角平均值以及预设的桨距角调度表PitchS查表确定变桨最优桨距角PitchFinePitch，在本申请一个实施例中，可以表示为：PitchFinePitch＝Lookup(MoveAve1((pitch1+pitch2+pitch3)/3)),PitchS)。其中，pitch1为第一支叶片的当前桨距角测量值，pitch2为第二支叶片的当前桨距角测量值，pitch3为第三支叶片的当前桨距角测量值，Lookup()为查表函数。
根据上述技术手段，计算各支叶片的当前桨距角测量值的平均值作为确定变桨最优桨距角的输入参数，可以更好的表征桨距角测量值，经过平滑滤波可以减小波动冲击。
S3：根据当前功率测量值确定功率最优桨距角，具体包括：
根据当前功率测量值以及功率基准值计算功率的标幺值；标幺值是物理量与其相应基准值的比值，因此，功率的标幺值是当前功率测量值与功率基准值的比值。
对标幺值进行平滑滤波MoveAve2，得到滤波后的标幺值；
根据滤波后的标幺值以及预设的功率调度表PowerS查表确定功率最优桨距角PowerFinePitch。在本申请一个实施例中，可以表示为：PowerFinePitch＝Lookup(MoveAve2(PowerMeasured/PowerRated)),PowerS)。其中，PowerMeasured为当前功率测量值，PowerRated为功率基准值，Lookup()为查表函数。
根据上述技术手段，通过计算功率的标幺值可以准确判断当前机组的运行状态，经过平滑滤波可以减小功率波动冲击。
S4：根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角，具体包括：
根据当前机舱前后加速度NacalleFAAcc计算得到机舱位移TowerTopDisp，在本申请实施例中，机舱位移由当前机舱前后加速度经过两次积分计算得到。
对机舱位移进行平滑滤波MoveAve5，得到滤波后的机舱位移；
根据滤波后的机舱位移以及预设的机舱位移调度表TowerTopDispS查表确定机舱前后加速度最优桨距角NaFaAccFinePitch。在本申请一个实施例中，可以表示为：
TowerTopDisp＝∫∫NacalleFAAcc
NaFaAccFinePitch＝Lookup(MoveAve5(TowerTopDisp)，TowerTopDispS)。
其中，NacalleFAAcc为当前机舱前后加速度测量值，TowerTopDisp为机舱前后位移计算值，Lookup()为查表函数。
根据上述技术手段，根据当前机舱前后加速度计算得到机舱位移，从而确定机舱前后加速度最优桨距角。
S5：根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角，具体包括：
对当前风速WindSpeed进行平滑滤波MoveAve3处理，对当前偏航误差值YawError进行平滑滤波MoveAve4处理，得到滤波后的风速以及偏航误差值；
根据滤波后的风速以及偏航误差值以及预设的风速-偏航误差二维调度表WindYawS查表确定风速风向最优桨距角WindYawFinePitch。在本申请一个实施例中，可以表示为：WindYawFinePitch＝Lookup2(MoveAve3(WindSpeed)，MoveAve4(YawError),WindYawS)。
其中，Lookup2()为二维查表函数。
根据上述技术手段，通过当前风速以及当前偏航误差值进行二维查表确定风速风向最优桨距。
S6：根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角，具体包括：
根据当前发电机转速MeasuredSpeed测量值确定转速变化情况评估变量EEdot，在本申请实施例中，转速变化情况评估变量通过如下方式确定：其中，MeasuredSpeed为当前发电机转速测量值，TargetSpeed为发电机目标转速。
对转速变化情况评估变量进行平滑滤波MoveAve6，得到滤波后的转速变化情况评估变量；
根据滤波后的转速变化情况评估变量以及预设的速率调度表SpeedRateS查表确定速度最优桨距角EEdotFinePitch。在本申请一个实施例中，可以表示为：
EEdotFinePitch＝Lookup(MoveAve6(EEdot)，SpeedRateS)。
S7：根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角，具体包括：
获取变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角中的最大值；
将所述最大值进行变化速度限值后得到多维运行最优桨距角MultipleFinePitch。
根据上述技术手段，基于变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角中的最大值进行位置限值后的多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，可以实现多种极限工况的降载，能够有效降低风电机组设计和实际运行中的极限载荷，减小塔筒、叶片等大部件的重量，降低整个风电机组的生产成本。
S8：根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。如图2所示，在变桨-转速PID控制过程中，采集的发电机转速测量值与发电机转速设定值进行差分计算，差分值输入PID控制器进行计算，得到变桨给定值，多维运行最优桨距角经过速率限值后再对位置限值进行调整，调整后的位置限值对变桨给定值进行限制，得到最终变桨值并传输到风力发电机组进行变桨。
上述方法可以综合考虑风电机组实时运行的桨距角、功率、风速、偏航误差、机舱加速度、发电机转速等6维运行状态，能够覆盖更多的极限载荷工况，该方法结构简单可靠，降载效果明显。能够有效降低塔筒底部、叶根等载荷，减小部件设计重量，降低机组成本。
本申请第二方面提供一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制系统，如图3所示，所述系统包括：
数据获取模块，用于获取风电机组运行参数以及当前风速，所述风电机组运行参数包括当前桨距角测量值、当前功率测量值、当前偏航误差值、当前机舱前后加速度测量值以及当前发电机转速测量值；
变桨最优桨距角确定模块，用于根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；
功率最优桨距角确定模块，用于根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；
机舱前后加速度最优桨距角确定模块，用于根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；
风速风向最优桨距角确定模块，用于根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；
速度最优桨距角确定模块，用于根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；
多维运行最优桨距角确定模块，用于根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；
风电机组降载控制模块，用于根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。
根据上述技术手段，该系统可以综合风电机组运行时的风速、功率、偏航误差、桨距角、发电机转速以及机舱前后加速度6维状态，评估当前机组所受的极限载荷水平，能够全方位监测评估机组的运行状态，采取主动提前收桨策略，明显降低多种极端工况下塔筒和叶片的极限载荷。
本申请第三方面提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法。
本申请第四方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于多维度最优桨距角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)

1.一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取风电机组运行参数以及当前风速，所述风电机组运行参数包括当前桨距角测量值、当前功率测量值、当前偏航误差值、当前机舱前后加速度测量值以及当前发电机转速测量值；
根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；
根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；
根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；
根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；
根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；
根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；
根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。
2.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角，包括：
根据各支叶片的当前桨距角测量值计算桨距角平均值；
对桨距角平均值进行平滑滤波，得到滤波后的桨距角平均值；
根据滤波后的桨距角平均值以及预设的桨距角调度表查表确定变桨最优桨距角。
3.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据当前功率测量值确定功率最优桨距角，包括：
根据当前功率测量值以及功率基准值计算功率的标幺值；
对标幺值进行平滑滤波，得到滤波后的标幺值；
根据滤波后的标幺值以及预设的功率调度表查表确定功率最优桨距角。
4.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角，包括：
根据当前机舱前后加速度经过两次积分计算得到机舱位移；
对机舱位移进行平滑滤波，得到滤波后的机舱位移；
根据滤波后的机舱位移以及预设的机舱位移调度表查表确定机舱前后加速度最优桨距角。
5.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角，包括：
对当前风速以及当前偏航误差值分别进行平滑滤波，得到滤波后的风速以及偏航误差值；
根据滤波后的风速以及偏航误差值以及预设的风速-偏航误差二维调度表查表确定风速风向最优桨距角。
6.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角，包括：
根据当前发电机转速测量值确定转速变化情况评估变量；
对转速变化情况评估变量进行平滑滤波，得到滤波后的转速变化情况评估变量；
根据滤波后的转速变化情况评估变量以及预设的速率调度表查表确定速度最优桨距角。
7.根据权利要求1所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法，其特征在于，根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角，包括：
获取变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角中的最大值；
将所述最大值进行变化速度限值后得到多维运行最优桨距角。
8.一种基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制系统，其特征在于，所述系统包括：
数据获取模块，用于获取风电机组运行参数以及当前风速，所述风电机组运行参数包括当前桨距角测量值、当前功率测量值、当前偏航误差值、当前机舱前后加速度测量值以及当前发电机转速测量值；
变桨最优桨距角确定模块，用于根据当前桨距角测量值确定变桨最优桨距角；
功率最优桨距角确定模块，用于根据当前功率测量值确定功率最优桨距角；
机舱前后加速度最优桨距角确定模块，用于根据当前机舱前后加速度测量值确定机舱前后加速度最优桨距角；
风速风向最优桨距角确定模块，用于根据当前风速以及当前偏航误差值确定风速风向最优桨距角；
速度最优桨距角确定模块，用于根据当前发电机转速测量值确定速度最优桨距角；
多维运行最优桨距角确定模块，用于根据变桨最优桨距角、功率最优桨距角、机舱前后加速度最优桨距角、风速风向最优桨距角以及速度最优桨距角确定多维运行最优桨距角；
风电机组降载控制模块，用于根据所述多维运行最优桨距角对变桨-转速PID控制环的输出值进行最小桨距角限值，得到最终变桨目标值。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令或至少一段程序，所述至少一条指令或所述至少一段程序由所述处理器加载并执行如权利要求1-7中任一项所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法。
10.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请权利要求1-7中任一项所述的基于多维度最优桨距角的风电机组降载控制方法。
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