CN117846872A - 一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统；在台风来临时，实测风速大于设定切入风速，运用双曲函数对风机的发电机扭矩与叶片桨距角的大小进行柔性控制，使风电机组在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率完成了软切出。通过本发明方法既能在台风过境时保证风电机组结构上的安全稳定，又能有效提高风电机组的运行发电时间和发电量，拓宽了机组运行发电风速范围，克服了台风下风电机组硬切出停机运行给结构带来的隐患、损失发电时间和发电量两大问题。

Description

一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统

技术领域

本发明涉及海上风电领域，特别涉及一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统。

背景技术

在中远海域推动海上风电发展已然成为风电行业的趋势，然而，高昂的施工成本一直以来都是制约海上风电发展的主要因素。为实现“降本增效”，海上风电机组正朝着大型化发展。随着单机容量的增加，海上风电机组的塔筒高度和叶轮直径也相应增加。更高的塔筒和更长的叶片使得机组需要应对更大的载荷压力，特别是在面临台风等极端天气条件下，台风给塔筒、叶片和机舱刹车系统带来了巨大的载荷压力。目前，为减轻风电机组的载荷，传统的控制方法通常会设定风电机组在强风条件下的切出风速，当风速超过切出风速时，机组将执行硬切出，立即停止发电运行，以防止对机组的过度负荷。但此种做法会导致风机前后方向上气动阻尼消失，进而使风机振动幅值因波浪载荷显著增大。在台风到来时，风速会远大于切出风速，在执行完硬切出后，风电机组结构有较大失稳破坏的风险，同时也无法有效利用大风资源进行发电。这限制了风电机组在高风速条件下的发电潜力，未能最大程度地利用可再生能源。

发明内容

为解决上述技术问题，提高风电机组在台风条件下的运行稳定性和发电效率，本发明提供一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统。

本发明是通过以下技术方案来解决上述技术问题：

本发明实施例第一方面提供了一种海上风电机组抗台风软切出控制方法，包括如下步骤：

(1)读取激光测风雷达信息和电表电压信息，对激光测风雷达信息进行滤波处理，获得滤波后的风速；

(2)判断滤波后的风速是否超过标准切出风速，若滤波后的风速大于标准切出风速v_f,s，则执行步骤(3)，否则结束流程；

(3)根据当前时刻滤波后的风速对发电机扭矩与叶片桨距角进值行实时计算，获得发电机扭矩大小和叶片桨距角大小数据；

(4)将发电机扭矩大小数据传输给发电机控制器，发电机控制器将扭矩大小调整为计算值；将叶片桨距角大小数据传输给变桨系统，变桨系统将叶片桨距角大小调整为计算值；

(5)判断当前风速大小与完全切出风速、标准切出风速的关系，若当前风速小于完全切出风速，但大于标准切出风速，则重新执行步骤(3)与步骤(4)；若当前风速大于完全切出风速，则停止对风电机组的控制，此时风电机组已在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，完成软切出；直至当前风速降低至小于标准切出风速，停止对风机的控制。

进一步地，所述步骤(1)中，通过以下公式对激光测风雷达信息进行滤波处理，获得滤波后的风速；

v_f[i]＝(1-α)v[i]+αv_f[i-1]

式中，i代表当前时间步，v与v_f分别为滤波前的风速与滤波后的风速，α为低通滤波系数。

进一步地，所述步骤(3)中，发电机扭矩的控制表达式为：

式中，T_g,t为台风工况下发电机的扭矩，P_r为发电机额定功率，η为发电机效率，N_gb为齿轮箱转速比，Ω_f为额定风轮转速；

叶片桨距角Δθ_t的控制表达式为：

式中，ΔΩ'为转速误差值，K_P、K_I、K_t分别为PID控制器的比例、积分和微分增益系数；对于台风工况下，转速误差值为ΔΩ′(t)＝Ω_f(t)-Ω^′ _r＝Ω_f(t)-Ω_r·g_s，其中，Ω_f(t)为滤波后的发电机转速，Ω_r为额定低速轴转速，g_s为基于双曲函数的计算系数，表达式为：

其中，Ω^′ _r为台风工况下变桨控制器追踪的转速值，v_s与v_c分别为标准切出风速与完全切出风速。

本发明实施例第二方面提供了一种海上风电机组抗台风软切出控制系统，包括：

风速获取与滤波模块，用于读取激光测风雷达传感器信息和电表电压信息，并对激光测风雷达信息进行滤波处理获得滤波后的风速；

第一决策模块，用于判断滤波后的风速是否超过所设定的切出风速；若滤波后的风速大于所设定的切出风速，则执行主控计算模块，否则结束流程；

主控计算模块，用于接收滤波后的风速数据，并基于双曲函数计算表达式计算当前时刻下最优发电机扭矩值与叶片桨距角值，将计算得到的数据分别传输至发电机控制模块与变桨控制模块，同时发送执行指令；

发电机控制模块，用于接收主控计算模块计算得到的目标发电机扭矩值，并执行发电机扭矩控制指令，将发电机扭矩调整为计算值；

变桨控制模块，用于接收主控计算模块计算出的目标叶片桨距角值，并执行叶片桨距角控制指令，将叶片桨距角大小调整为计算值；

第二决策模块，用于判断是否继续启动主控计算模块，以保证风电机组结构与发电功率的稳定；所述第二决策模块还用于使风电机组在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，以实现软切出。

本发明实施例第三方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时实现上述的海上风电机组抗台风软切出控制方法。

本发明实施例第四方面提供了一种可读计算机存储介质，其上存储有特定计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的海上风电机组抗台风软切出控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种海上风电机组抗台风软切出控制方法及系统，既能在台风过境时保证风电机组结构上的安全稳定，又能有效提高风电机组的运行发电时间和发电量，拓宽了机组运行发电风速范围，克服了台风下风电机组硬切出停机运行给结构带来的隐患、损失发电时间和发电量两大问题。

附图说明

图1为本发明海上风电机组抗台软切出控制方法的逻辑流程图；

图2为某风电场实施本发明抗台软切出控制方法前后控制效果对比图；

图3为本发明系统的结构示意图；

图4为本发明提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本公开限制在所述的实施例范围之中。

本发明实施例提供的一种海上风电机组抗台风软切出控制方法，如图1所示，该控制方法包括如下步骤：

步骤1：读取激光测风雷达信息和电表电压信息，并依据公式v_f[i]＝(1-α)v[i]+αv_f[i-1]对激光测风雷达信息进行滤波处理，获得滤波后的风速；其中，i代表当前时间步，v与v_f分别为滤波前的风速与滤波后的风速，α为低通滤波系数，T_s为时间步长，f_c为转折频率；

步骤2：根据滤波后的风速v_f是否超过控制系统所设定的标准切出滤波风速v_f,s，来判断是否需要海上风电机组抗台风软切出控制系统介入工作，在实际工程运用中，滤波前的标准切出风速通常设定为18m/s-25m/s，待激光雷达所测风速v_f大于标准切出风速v_f,s，则开始执行步骤3，否则结束流程；

步骤3：控制系统中的主控制器依据当前时刻滤波后的风速对发电机扭矩与叶片桨距角进行实时计算，发电机扭矩的控制表达式为：

其中，T_g,t为台风工况下发电机的扭矩，P_r为发电机额定功率；η为发电机效率；N_gb为齿轮箱转速比，Ω_f为额定风轮转速；

叶片桨距角的控制表达式为：

其中，ΔΩ'为转速误差值，K_P、K_I、K_t分别为PID控制器的比例、积分和微分增益系数；对于台风工况下，转速误差值为ΔΩ′(t)＝Ω_f(t)-Ω^′ _r＝Ω_f(t)-Ω_r·g_s，其中，Ω_f(t)为滤波后的发电机转速，Ω_r为额定低速轴转速，g_s为基于双曲函数的计算系数，表达式为：

其中，Ω^′ _r为台风工况下变桨控制器追踪的转速值，通过追踪该值能够使得叶片桨距角在高风速区处于较大的角度，从而降低风机承受的风载荷作用；v_s与v_c分别为滤波后的标准切出风速与实际完全切出风速，在实际工程运用中滤波前的完全切出风速通常设定为45m/s-50m/s；

步骤4：主控制器将计算后的发电机扭矩大小数据传输给发电机控制器，发电机控制器将扭矩大小调整为计算值；主控制器将计算后的叶片桨距角大小数据传输给变桨系统，变桨系统将叶片桨距角大小调整为计算值；

步骤5：在步骤4完成20s后，依据当前风速大小判断是否需要继续使用本控制方法对风电机组进行控制，若当前风速小于完全切出风速，但大于标准切出风速，则重新执行步骤3与步骤4；若当前风速大于完全切出风速，将停止对风电机组的控制，此时风电机组已在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，完成了软切出；若风速降低至小于标准切出风速，也将停止对风机的控制。

参见图2，图2为实施本发明抗台软切出控制方法前后控制效果对比；可以看出，基于上述的控制方法，可以在台风来临，使风电机组达到设计切出风速时不会立即切出，而是在保证机组结构稳定与运行安全的前提下，基于风速大小柔性改变发电扭矩，与叶片桨距角大小，保证了风电机组运行时间和发电量，在一定程度上避免了可再生能源的浪费。

参见图3，本发明实施例还提供了一种海上风电机组抗台风软切出控制系统，所述风电机组包括发电机和塔架。

所述控制系统包括：

风速获取与滤波模块，用于读取激光测风雷达传感器信息和电表电压信息，并对激光测风雷达信息进行滤波处理获得滤波后的风速；

第一决策模块，用于根据滤波后的风速是否超过所设定的切出风速，决定海上风电机组抗台风软切出控制方法是否介入工作；若滤波后的风速大于所设定的切出风速，则执行主控计算模块，否则结束流程；

主控计算模块：用于接收滤波后的风速数据，并基于双曲函数计算表达式计算当前时刻下最优发电机扭矩值与叶片桨距角值，将计算后的数据分别传输至发电机控制模块与变桨控制模块，同时发送执行指令；

发电机控制模块，用于接收主控计算模块计算出的目标发电机扭矩值，并执行发电机扭矩控制指令，将发电机扭矩调整为计算值；

变桨控制模块，用于接收主控计算模块计算出的目标叶片桨距角值，并执行叶片桨距角控制指令，将叶片桨距角大小调整为计算值；

第二决策模块，用于判断是否需要继续启动主控计算模块，以此来保证风电机组结构与发电功率的稳定，或者使风电机组在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，来实现软切出。

与前述海上风电机组抗台风软切出控制方法的实施例相对应，本申请实施例还提供一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述的海上风电机组抗台风软切出控制方法。如图4所示，为本申请实施例提供的海上风电机组抗台风软切出控制方法所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、DMA控制器、磁盘、以及非易失内存之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

与前述海上风电机组抗台风软切出控制方法的实施例相对应，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的海上风电机组抗台风软切出控制方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。

尽管上文已对本发明进行了详尽的一般性说明及具体实施例描述，但基于本发明的基础，可以对其进行一些修改或改进，这对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，在不脱离本发明精神的前提下，对本发明所做的这些修改或改进都应包含在本发明要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种海上风电机组抗台风软切出控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)读取激光测风雷达信息和电表电压信息，对激光测风雷达信息进行滤波处理，获得滤波后的风速；

(2)判断滤波后的风速是否超过标准切出风速，若滤波后的风速大于标准切出风速v_f，s，则执行步骤(3)，否则结束流程；

(3)根据当前时刻滤波后的风速对发电机扭矩与叶片桨距角进值行实时计算，获得发电机扭矩大小和叶片桨距角大小数据；

(4)将发电机扭矩大小数据传输给发电机控制器，发电机控制器将扭矩大小调整为计算值；将叶片桨距角大小数据传输给变桨系统，变桨系统将叶片桨距角大小调整为计算值；

(5)判断当前风速大小与完全切出风速、标准切出风速的关系，若当前风速小于完全切出风速，但大于标准切出风速，则重新执行步骤(3)与步骤(4)；若当前风速大于完全切出风速，则停止对风电机组的控制，此时风电机组已在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，完成软切出；直至当前风速降低至小于标准切出风速，停止对风机的控制。

2.根据权利要求1所述的海上风电机组抗台风软切出控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过以下公式对激光测风雷达信息进行滤波处理，获得滤波后的风速；

v_f[i]＝(1-α)v[i]+αv_f[i-1]

式中，i代表当前时间步，v与v_f分别为滤波前的风速与滤波后的风速，α为低通滤波系数。

3.根据权利要求1所述的海上风电机组抗台风软切出控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中，发电机扭矩的控制表达式为：

式中，T_g，t为台风工况下发电机的扭矩，P_r为发电机额定功率，η为发电机效率，N_gb为齿轮箱转速比，Ω_f为额定风轮转速；

叶片桨距角Δθ_t的控制表达式为：

Δθ_t＝K_PΔΩ′_t+K_I∫ΔΩ′(t)dt

式中，ΔΩ′为转速误差值，K_P、K_I、K_t分别为PID控制器的比例、积分和微分增益系数；对于台风工况下，转速误差值为ΔΩ′(t)＝Ω_f(t)-Ω′_r＝Ω_f(t)-Ω_r·g_s，其中，Ω_f(t)为滤波后的发电机转速，Ω_r为额定低速轴转速，g_s为基于双曲函数的计算系数，表达式为：

其中，Ω′_r为台风工况下变桨控制器追踪的转速值，v_s与v_c分别为标准切出风速与完全切出风速。

4.一种实现如权利要求1所述方法的海上风电机组抗台风软切出控制系统，其特征在于，包括：

风速获取与滤波模块，用于读取激光测风雷达传感器信息和电表电压信息，并对激光测风雷达信息进行滤波处理获得滤波后的风速；

第一决策模块，用于判断滤波后的风速是否超过所设定的切出风速；若滤波后的风速大于所设定的切出风速，则执行主控计算模块，否则结束流程；

主控计算模块，用于接收滤波后的风速数据，并基于双曲函数计算表达式计算当前时刻下最优发电机扭矩值与叶片桨距角值，将计算得到的数据分别传输至发电机控制模块与变桨控制模块，同时发送执行指令；

发电机控制模块，用于接收主控计算模块计算得到的目标发电机扭矩值，并执行发电机扭矩控制指令，将发电机扭矩调整为计算值；

变桨控制模块，用于接收主控计算模块计算出的目标叶片桨距角值，并执行叶片桨距角控制指令，将叶片桨距角大小调整为计算值；

第二决策模块，用于判断是否继续启动主控计算模块，以保证风电机组结构与发电功率的稳定；所述第二决策模块还用于使风电机组在风速增大的过程中平滑地降低转速与发电机功率，以实现软切出。

5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行计算机程序时实现如权利要求1-3中任一项所述的海上风电机组抗台风软切出控制方法。

6.一种可读计算机存储介质，其上存储有特定计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一项所述的海上风电机组抗台风软切出控制方法。