CN118128693A - 基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法及系统，首先，获取风电机组当前外界的平均风速和平均桨距角，计算风电机组在上述平均风速下运行在转速禁区上、下边界的叶尖速比，然后查表获取在上述平均桨距角下转速禁区上、下边界的叶尖速比对应的风能利用系数，计算在上述平均风速下运行在上、下边界时的风能利用系数的差值，当风电机组运行在转速禁区上界的风能利用系数更大且本身被维持在禁区下界时，触发风电机组上穿，当风电机组运行在转速禁区下界的风能利用系数更大且本身被维持下禁区上界时，触发风电机组下穿，从而优化风电机组在共振区间风速段内的发电量。

Description

基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法及系统

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法、系统、存储介质及计算设备。

背景技术

对于许多风电机组，当叶片扫过塔筒的频率与塔筒本身的固有频率接近时，会产生共振的风险，若发生共振，将严重威胁机组的安全。我们也将机组的该运行转速称为共振转速。

目前，常规的避免机组发生该共振的方法有两种：一种是将机组的切入转速设置到共振转速以上；一种是在共振转速附近，划出一块转速禁区，通过转矩控制将转速维持在转速禁区以外，并通过对外部风况的判断，完成转速在禁区两侧的快速通过，我们一般称之为共振穿越策略，如图1所示。共振穿越也是更常用的应对塔筒共振的方法。通常为了保证机组转速可以快速穿越，一般B点的功率比C点高时，才会让转速上穿；D点的功率比A点小时，才会让转速下穿。

但是，共振穿越有一个不可避免的缺陷，就是对于原本应运行在转速禁区的风速区间，转速被强行维持在转速禁区外，不能运行在最优转速，机组的发电量必然会遭受损失。随着风电机组单体容量的不断增大，机组转速也不断升高，设置转速禁区带来的发电量日益显著。并且发电量的损失与转速禁区的宽度成正比，所以均已共振转速的+-10％为转速禁区，高转速风电机组要比低转速风电机组的发电量损失明显增大。另外，高转速机组在转速边界上偏离最优叶尖速比的程度也在增大，这会提升机组失速的可能性。

目前，针对共振穿越的发电量优化还极其罕见，一种有效的控制手段成为重要的需求。

发明内容

本发明的第一目的在于优化风电机组由于共振问题设立转速禁区带来的发电量损失问题，特别是大容量高转速风电机组，提供一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，可有效地实时优化共振穿越的条件，从而更好地调节机组转速在共振边界上的切换，提高风电机组在共振区间风速段内的发电量。

本发明的第二目的在于提供一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制系统。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，首先，获取风电机组当前外界的平均风速和平均桨距角，计算风电机组在上述平均风速下运行在转速禁区上、下边界的叶尖速比，然后查表获取在上述平均桨距角下转速禁区上、下边界的叶尖速比对应的风能利用系数，计算在上述平均风速下运行在上、下边界时的风能利用系数的差值，当风电机组运行在转速禁区上界的风能利用系数更大且本身被维持在禁区下界时，触发风电机组上穿，当风电机组运行在转速禁区下界的风能利用系数更大且本身被维持下禁区上界时，触发风电机组下穿，从而优化风电机组在共振区间风速段内的发电量。

进一步，假设风电机组的共振转速为ω₀，转速禁区的下边界为ω₁、上边界为ω₂，且ω₁＝(1-a)*ω₀，ω₂＝(1+a)*ω₀，a为系数，0<a<1，执行以下操作：

获取风电机组当前的外界风速，并通过滑动平均滤波得到平均风速U；

计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂；

获取风电机组各个桨叶的桨距角，并计算得到平均桨距角Ω；

根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂；

计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias；

随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；

随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。

进一步，所述叶尖速比λ₁的计算公式如下：

λ₁＝ω₁*R/(U*G)

式中，R为叶轮半径，G为传动比。

进一步，所述叶尖速比λ₂的计算公式如下：

λ₂＝ω₂*R/(U*G)

式中，R为叶轮半径，G为传动比。

进一步，所述Cp-Lambda性能曲线能通过系统辨识的方式在线实时更新。

进一步，所述差值Cp_bias的计算公式如下：

Cp_bias＝Cp₂-Cp₁。

进一步，通过风速传感器获取风电机组当前的外界风速，取多个风速传感器的平均值，并对其做滑动平均滤波，得到平均风速U。

进一步，通过桨距角传感器获取风电机组各个桨叶的桨距角，取所有桨叶的桨距角平均值，得到平均桨距角Ω。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：基于功率最优的风电机组共振穿越控制系统，用于实现上述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其包括：

平均风速获取模块，用于获取风电机组当前的外界风速，并通过滑动平均滤波得到平均风速U；

第一计算模块，用于计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂；

平均桨距角获取模块，用于获取风电机组各个桨叶的桨距角，并计算得到平均桨距角Ω；

风能利用系数获取模块，根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂；

第二计算模块，用于计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias；

穿越判断模块，用于判断是否需要执行穿越动作，随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法。

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明通过可靠的观测数据，经过算法解析，有效地实时优化共振穿越的条件，从而更好地调节机组转速在共振边界上的切换，提高风电机组在共振区间风速段内的发电量，可有效地优化风电机组在共振区风速段的发电量损失。本发明实际上弱化了穿越触发的风速条件，所以减小了在转速边界上偏离最优叶尖速比的程度，从而减小了机组失速的可能性。

附图说明

图1为共振穿越演示图；图中，Genetaor Speed为发电机转速，Generator Torque为发电机转矩，Optimal Trajectory为最优轨迹，Resonance Point为共振点，CrossingTrajectory为穿越轨迹。

图2为本发明方法的流程图。

图3为某机组在使用本发明方法时的功率对比曲线图。

图4为某机组在使用本发明方法时的转速对比曲线图。

图5为本发明系统的架构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图2所示，本实施例公开了一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，首先，获取风电机组当前外界的平均风速和平均桨距角，计算风电机组在上述平均风速下运行在转速禁区上、下边界的叶尖速比，然后查表获取在上述平均桨距角下转速禁区上、下边界的叶尖速比对应的风能利用系数，计算在上述平均风速下运行在上、下边界时的风能利用系数的差值，当风电机组运行在转速禁区上界的风能利用系数更大且本身被维持在禁区下界时，触发风电机组上穿，当风电机组运行在转速禁区下界的风能利用系数更大且本身被维持下禁区上界时，触发风电机组下穿，从而优化风电机组在共振区间风速段内的发电量。

具体地，假设风电机组的共振转速为ω₀，转速禁区的下边界为ω₁、上边界为ω₂，且ω₁＝(1-a)*ω₀，ω₂＝(1+a)*ω₀，a为系数，0<a<1，执行以下操作：

通过风速传感器获取风电机组当前的外界风速，取多个风速传感器的平均值，并对其做滑动平均滤波，得到平均风速U。

计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂，计算公式如下：

λ₁＝ω₁*R/(U*G)

λ₂＝ω₂*R/(U*G)

式中，R为叶轮半径，G为传动比。

通过桨距角传感器获取风电机组各个桨叶的桨距角，取所有桨叶的桨距角平均值，得到平均桨距角Ω。

根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线(Cp-Lambda性能曲线可通过系统辨识的方式在线实时更新)，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂。

计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias，计算公式如下：

Cp_bias＝Cp₂-Cp₁

随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；

随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。

如图3和图4所示，展示了某机组在使用本实施例上述方法时风电机组的功率和转速对比曲线，从图中可以看出实验组有效地改变了风电机组维持在转速禁区边界的状态，并通过此获得了更高的发电量。

实施例2

本实施例公开了一种基于功率最优的风电机组共振穿越控制系统，用于实现实施例1所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，如图5所示，该系统包括以下功能模块：

平均风速获取模块，用于获取风电机组当前的外界风速，并通过滑动平均滤波得到平均风速U；

第一计算模块，用于计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂；

平均桨距角获取模块，用于获取风电机组各个桨叶的桨距角，并计算得到平均桨距角Ω；

风能利用系数获取模块，根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂；

第二计算模块，用于计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias；

穿越判断模块，用于判断是否需要执行穿越动作，随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。

实施例3

本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法。

本实施例中的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

实施例4

本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法。

本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，首先，获取风电机组当前外界的平均风速和平均桨距角，计算风电机组在上述平均风速下运行在转速禁区上、下边界的叶尖速比，然后查表获取在上述平均桨距角下转速禁区上、下边界的叶尖速比对应的风能利用系数，计算在上述平均风速下运行在上、下边界时的风能利用系数的差值，当风电机组运行在转速禁区上界的风能利用系数更大且本身被维持在禁区下界时，触发风电机组上穿，当风电机组运行在转速禁区下界的风能利用系数更大且本身被维持下禁区上界时，触发风电机组下穿，从而优化风电机组在共振区间风速段内的发电量。

2.根据权利要求1所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，假设风电机组的共振转速为ω₀，转速禁区的下边界为ω₁、上边界为ω₂，且ω₁＝(1-a)*ω₀，ω₂＝(1+a)*ω₀，a为系数，0＜a＜1，执行以下操作：

获取风电机组当前的外界风速，并通过滑动平均滤波得到平均风速U；

计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂；

获取风电机组各个桨叶的桨距角，并计算得到平均桨距角Ω；

根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂；

计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias；

随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；

随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。

3.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，所述叶尖速比λ₁的计算公式如下：

λ₁＝ω₁*R/(U*G)

式中，R为叶轮半径，G为传动比。

4.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，所述叶尖速比λ₂的计算公式如下：

λ₂＝ω₂*R/(U*G)

式中，R为叶轮半径，G为传动比。

5.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，所述Cp-Lambda性能曲线能通过系统辨识的方式在线实时更新。

6.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，所述差值Cp_bias的计算公式如下：

Cp_bias＝Cp₂-Cp₁。

7.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，通过风速传感器获取风电机组当前的外界风速，取多个风速传感器的平均值，并对其做滑动平均滤波，得到平均风速U。

8.根据权利要求2所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其特征在于，通过桨距角传感器获取风电机组各个桨叶的桨距角，取所有桨叶的桨距角平均值，得到平均桨距角Ω。

9.基于功率最优的风电机组共振穿越控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1至8中任一项所述的基于功率最优的风电机组共振穿越控制方法，其包括：

平均风速获取模块，用于获取风电机组当前的外界风速，并通过滑动平均滤波得到平均风速U；

第一计算模块，用于计算风电机组在平均风速U下运行在下边界ω₁时的叶尖速比λ₁和运行在上边界ω₂时的叶尖速比λ₂；

平均桨距角获取模块，用于获取风电机组各个桨叶的桨距角，并计算得到平均桨距角Ω；

风能利用系数获取模块，根据桨叶的Cp-Lambda性能曲线，查表获取在平均桨距角Ω下叶尖速比λ₁对应的运行在下边界ω₁时的风能利用系数Cp₁和叶尖速比λ₂对应的运行在上边界ω₂时的风能利用系数Cp₂；

第二计算模块，用于计算风能利用系数Cp₁与Cp₂的差值，记为Cp_bias；

穿越判断模块，用于判断是否需要执行穿越动作，随着平均风速U增大，当Cp_bias大于预设的阈值α，α＞0，且风电机组的转速被维持在下边界ω₁时，触发风电机组上穿，将风电机组转速抬升至上边界ω₂；随着平均风速U下降，当Cp_bias小于预设的阈值-α，α＞0，且风电机组转速被维持在上边界ω₂时，触发风电机组下穿，将风电机组转速下降至下边界ω₁。