CN212454682U - 一种基于外挂式控制器的风电场尾流控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场尾流控制系统，包括：外挂式控制器和扇区控制管理子系统，其中外挂式控制器，用于接收扇区控制管理子系统的尾流控制指令，进入以下主动偏航流程：获取当前风电机组所受风况信息；将当前风电机组所受风况信息与预存的偏航角修正表信息进行遍历对比，得到适应于当前风电机组所受风况的最优偏航角；根据最优偏航角以及当前风电机组所受风向角度，计算得到目标风向输入值并发送至原控制器，以使原控制器根据目标风向输入值执行主动偏航动作。通过增加外挂式控制器代替原控制器完成偏航角修正计算，并将计算得到的调整值发送至原控制器，以使原控制器根据该调整值执行主动偏航动作，进而改善尾流对风电机组的影响，提高发电量。

Description

一种基于外挂式控制器的风电场尾流控制系统

技术领域

本发明涉及风电场技术领域，具体地涉及一种基于外挂式控制器的风电场尾流控制系统及实现方法。

背景技术

尾流效应作为风电场经济效益的重要影响因素，易引起尾流区风速降低、湍流度增加，导致下游风电机组功率损失、疲劳载荷增加，造成机组振动、机械损伤等后果。对风电场内机组偏航角进行优化管理，改变吹向后排机组的风在空间和速度上的分布，可实现一定程度上的尾流改善。

在不同的入流风向下，风电场中前排机组对后排机组可能会存在尾流效应，并且在特定风向场景下，前排机组的尾流未能完全扩散时仍会抵达下游机组，影响载荷特性，造成后排机组发电量损失。主动改变各机组的偏航角是减小尾流效应的一个重要途径。我国目前缺少大型风电场主动偏航控制，且机组控制策略较为单一。因此，需要在风向信号进入主控制器前，根据离线所制偏航角优化表完成风向信号人为修正，使机组进行主动偏航，在受尾流影响情况下捕获更多风能，提高风电场整场发电量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于外挂式控制器的风电场尾流控制系统，该系统可以在不改动风电机组原控制器运算逻辑的情况下，通过增加外挂式控制器代替原控制器完成偏航角修正计算，并将计算得到的目标风向输入值发送至原控制器，以使原控制器根据该目标风向输入值执行主动偏航动作，进而改善尾流对风电机组的影响。

为了实现上述目的，本发明提供一种风电场尾流控制系统，所述系统包括：

外挂式控制器和扇区控制管理子系统两部分；其中，外挂式控制器，设置在风电机组中，分别与场站扇区控制管理子系统以及当前风电机组的原控制器连接，用于接收所述扇区控制管理子系统的尾流控制指令，进入主动偏航流程，所述主动偏航流程包括：

获取当前风电机组所受风况信息；

将所述当前风电机组所受风况信息与预存的偏航角修正表信息进行遍历对比，确定所受风况信息所对应的分组，得到适应于所述当前风电机组所受风况的最优偏航角；

根据所述最优偏航角以及当前风电机组所受风向角度，计算得到目标风向输入值；以及

将所述目标风向输入值发送至所述原控制器，以使所述原控制器根据所述目标风向输入值执行主动偏航动作。

可选的，所述外挂式控制器还与当前风电机组的风速风向测量装置连接，所述获取当前风电机组所受风况包括接收所述风速风向测量装置提供的风速和风向。

可选的，所述风速风向包括2台风速风向仪检测得到的风速风向信息，所述2台风速风向仪包括：超声波风速风向仪和机械式风速风向仪。

可选的，所述2台风速风向仪检测得到的风向信息包括风向A和风向B；

其中，所述风向A和风向B都为当前风电机组实测风向并参与修正量计算，得到相应目标风向输入值A₁和目标风向输入值B₁；目标风向输入值 A₁在主控制器参与执行偏航动作流程，目标风向输入值B₁只用于与A₁作对照。

可选的，所述外挂式控制器还用于将所述当前风电机组所受风况信息发送至所述场站扇区控制管理子系统。

可选的，所述外挂式控制器还用于根据所述场站扇区控制管理子系统发送的尾流控制退出指令退出主动偏航流程，在退出主动偏航流程的情况下执行以下操作：

获取所述当前风电机组所受风况，并将所述当前风电机组所受风况转发至所述当前风电机组的原控制器中。

本发明提供的风电场尾流控制系统中，包括所述场站扇区控制管理子系统，用于执行以下操作：

获取各外挂式控制器发送的相应风电机组位置的风况信息；

根据所述风况信息，确定所述相应风电机组位置的风向是否处于稳定状态，当前平均风向D_n是否位于扇区管理风向设定区域Ω内，并向所述外挂式控制器发送所述尾流控制指令。

可选的，根据时间段t₁下风向平均值D₁,D₂…D_n，计算平均值间的差值ΔD与参考差值D_ref之间的关系，若ΔD<D_ref，则表明时间段t₁机组风向处于稳定状态下；

其中，ΔD＝|D_n-D_n-1|+…+|D₂-D₁|。

可选的，所述扇区控制管理子系统向所述外挂式控制器发送尾流控制指令之前，所述方法还包括，确定处于稳定状态下的当前平均风向D_n是否位于扇区管理风向设定区域Ω内，若是，则向所述外挂式控制器发送尾流控制启动指令；

其中，所述扇区管理风向设定区域Ω为机组受尾流影响的风向区域。

可选的，所述场站扇区控制管理子系统还用于在所述当前平均风向D_n未落入扇区管理风向设定区域Ω范围的情况下，向所述外挂式控制器发送尾流控制退出指令。

本发明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，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提供的风电场尾流控制系统的结构示意图；

图2是本发明提供的风电场尾流控制系统的连接示意图；

图3是本发明提供的外挂式控制器的尾流控制流程示意图。

附图标记说明

10 外挂式控制器 20 场站扇区控制管理子系统

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示出了本发明提供的风电场尾流控制系统的结构示意图，如图1所示，本发明在不改变风电场内各机组主控制器(原控制器)内控制逻辑算法的基础上，在主控制器前接入一个外挂式控制器10，例如PLC。通过外挂式PLC的逻辑计算主动改变传入主控制器的风速风向信号，从而得到各风电机组的期望偏航角度，最终实现主动偏航动作。首先，将外挂式PLC安装于风电场内各风电机组的机舱内，并且该外挂PLC分别与场站扇区控制管理子系统以及当前风电机组的原控制器连接，从而与当前风电机组的原控制器和场站扇区控制管理子系统进行通讯，具体地，该外挂PLC可以根据所述场站扇区控制管理子系统发送的尾流控制启动指令进入主动偏航流程，进而执行以下主动偏航流程：

获取当前风电机组所受风况；

将所述当前风电机组所受风况信息与预存的偏航角修正表信息进行遍历对比，确定所受风况信息所对应的分组，得到适应于所述当前风电机组所受风况的最优偏航角(其中偏航角修正表包括多组数据，每组数据包括风速风向等风况数据及其所对应的偏航角修正量数据)；

根据所述最优偏航角以及当前风电机组所受风向角度，通过两者求和运算得到目标风向输入值即风电机组主控制器风向角度实际接收值；以及

将所述目标风向输入值发送至所述原控制器，以使所述原控制器根据所述目标输入值执行主动偏航动作。

选取与原风电机组主控制器一致型号的PLC，保证数据扫描速度、刷新数据频率等指标的一致性。保留原有风电场的设备间通讯连接框架，并利用原有数据通讯接口进行数据传输。在此基础上，外挂式PLC与场站扇区控制管理子系统20之间通过以太网通讯方式实现数据交互，将风电机组下位机与场站上位机通过交换机与风电场光纤以以太网环路相连接，保证风电场内部的集中监控和数据传输。

在本发明实施例中，该外挂PLC还与当前风电机组的风速风向测量装置连接，获取风速风向测量装置提供的当前风电机组所在位置的风速和风向，进一步地，该外挂PLC通过当前风电机组所在位置的风速和风向确定当前风电机组所受风况。风速风向信息可以采集于机械式风速风向仪和超声波式风速风向仪等传感器所测实时数据，包括2台风速风向仪检测得到的风速风向信息。其中风向信息包括风向信号A和风向信号B，该风向信号A可以为机械式风速风向仪提供的风向信号，该风向信号B可以为超声波式风速风向仪提供的风向信号。所述风向信号A和风向信号B都为当前风电机组实测风向信号并参与到外挂式控制器的修正量运算中得到目标风向输入值A₁和目标风向输入值B₁。目标风向输入值A₁在主控制器参与执行偏航动作流程，目标风向输入值B₁用于与A₁作对照，确保所述测量装置获取风向信号的可靠性。

每个风电机组中设置的外挂PLC在获取到当前风电机组所受风况时均将当前风电机组所受风况发送至所述场站扇区控制管理子系统，以使场站扇区控制管理子系统实时掌握各风电机组所受风况，进而进行相应尾流控制操作。

图2示出了本发明提供的风电场尾流控制系统的连接示意图，如图2所示，该系统包括场站扇区控制管理子系统20以及多个风电机组外挂式控制器。其中，该场站扇区控制管理子系统20用于获取所连接的多个风电机组外挂式控制器发送的相应风电机组位置所受风况，进而可以根据风况确定风向信息，并根据各风电机组所在位置的风向信息确定是否控制相应风电机组启动尾流控制。具体地，场站扇区控制管理子系统20确定风电机组所在位置的风向在时间段t₁内处于稳定状态，并根据滑动平均值滤波得到的当前平均风向D_n处于扇区管理风向设定区域Ω内，则向所述外挂式控制器发送尾流控制启动指令。

图3示出了本发明提供的外挂式控制器的尾流控制流程示意图，如图3 所示，在场站扇区控制管理子系统20向所述外挂式控制器发送尾流控制启动指令前，场站扇区控制管理子系统20还用于执行以下操作：

通过实时采集各外挂式控制器发送的相应风电机组位置的风况信息；

通过对机组在时间段t₁下的风向信号进行分钟级滑动平均值滤波操作，计算得到t₁时间段下风向平均值D₁,D₂…D_n(其中t₁设置为5min，采集机组秒级风向数据，计算得到1min下的风向数据，进行5min时间尺度下的滤波操作，因此n值为5)；

通过比较平均值间的差值ΔD与参考差值D_ref之间的大小关系，若ΔD<D_ref，则确定机组在该时间段t₁下风向处于稳定状态；

其中，ΔD＝|D_n-D_n-1|+…+|D₂-D₁|。

在风向处于稳定状态下，通过确定所述当前平均风向D_n是否落入扇区管理风向设定区域Ω(Ω由多个风向区间组成)内，判断机组在该时间段风向情况下是否满足尾流控制启动条件；

在所述当前平均风向D_n落入当前风电机组的扇区管理风向设定区域Ω内的情况下，触发向所述外挂式控制器发送尾流控制启动指令的操作。

具体地，尾流控制的启动/退出功能逻辑包括：

获取首排风电机组的运行数据，所述运行数据包括相应风电机组的风况信息，包括风速、风向等。

根据首排机组在时间段t₁下的风向数据进行分钟级滑动平均值滤波操作，时间段t₁设置为5min中，由于机组采集风向信号为秒级信号，先将秒级数据进行分钟级预处理。

根据所述滑动平均值滤波方法，计算得到时间段t₁下风向平均值 D₁,D₂…D_n(在此实例中n值为5)，将其进行差值运算得到ΔD并与参考差值D_ref进行对比。若ΔD<D_ref，则判断该时间段下机组所受风向处于稳定状态，具备执行尾流控制的前提条件；若ΔD>D_ref，则判断该时间段下机组所受风向不稳定，不具备执行尾流控制的前提条件，则不执行尾流控制，继续进行更新时间段t₁的流程操作。

在机组所受风况稳定的情况下，确定所述当前平均风向D_n是否处于扇区管理风向设定区域Ω内，即D_n∈Ω。若在范围内，则判断满足扇区管理条件，启动主动偏航流程，场站扇区控制管理子系统20向相应风电机组的外挂式控制器发送尾流控制启动指令；若不在范围内，则判断不满足扇区管理条件，即不执行尾流控制，风电机组仍按照原有主控制器逻辑动作。

当在该时间段t₁内完成尾流控制，机组完成主动偏航动作后，更新时间段t₁，若在更新后的时间段内仍然满足风向稳定且风向平均值D_n仍满足扇区管理风向阈值范围，则继续执行尾流控制；若不满足阈值范围设定或者风向不稳定，则不执行尾流控制，向相应外挂式控制器发送尾流控制退出指令，以使该外挂式控制器相应的风电机组退出主动偏航流程。

在外挂式控制器接收到尾流控制启动指令后，外挂式控制器10将所述当前风电机组所受风况信息与预存的偏航角修正表信息进行遍历对比，确定所受风况信息所对应的分组，得到适应于所述当前风电机组所受风况的最优偏航角。

其中，该偏航角修正表可以预先制作，具体地采用优化算法确定场级最优偏航角进行制表。首先根据机组历史数据、尾流模型及优化算法确定最优偏航角，并以数据的形式制作表格，将表格存入外挂式PLC中。表格中包含满足扇区管理的风况(风速、风向)与最优偏航角的对应关系，外挂式 PLC对表格进行区间化处理并对表格进行读取，选择最优偏航角，以实现尾流控制。

由于实际湍流风风况复杂，对应某一时刻的风速及风向数据量非常庞大，需要对这些数据量在外挂式PLC内进行区间化整理。根据实际风况情况，以入流风向为标准进行区间化分，风向为-180°～180°，设置15°为一个区间，例如0～15°，16～30°，166～180°等，进而使对应的最优偏航角度区间化，节省表格查找时间。

主动偏航动作的逻辑运算包括：根据实测的当前风速风向信号与区间化处理的表格进行对标读取，得到在该风况下所对应的最优偏航角；接着，利用最优偏航角和当前机组所受风向角度进行逻辑运算，反向推算出待输入至风电机组主控制器的目标风向输入值，并将其与原风速信号传入主控制器中，使风电机组完成主动偏航动作，实现基于查表法的尾流控制。

扇区管理控制子系统对风速风向数据进行监测分析且通过对首排机组风况(入流风向、风速)进行判断，下发尾流控制启动/退出指令以完成主动 /被动偏航动作。在风况满足条件且处于尾流控制启动模式下，实际风速风向信号传输到外挂式PLC，在外挂式PLC中将模拟信号转化为数字信号并作修正量逻辑运算，将修正后的风速风向信号通过以太网利用TCP/IP协议传输给机组主控制器，最后主控制器通过原有控制逻辑设定将偏航指令传输给偏航执行机构实现主动偏航动作。

在风况不满足条件，即外挂式控制器处于尾流控制停止模式下，则控制流程与原来流程一致。外挂式PLC接收实际风速风向信号，不在内部作修正计算，直接将模拟量通过模拟量输出模块传输给机组主控制器进行逻辑运算，最后经过偏航执行机构实现被动偏航。该偏航动作由当前作用于风电机组的实际风速风向决定，不含外部干预优化操作。

风电机组的保护逻辑包括：

每台机组机舱上都配备一台超声波风速风向仪和一台机械式风速风向仪。在不加装外挂式控制器的情况下，风向信号A和风向信号B都传输到主控制器，其中只有风向信号A进行逻辑运算，风向信号B用于与风向信号A作对照，判断风速风向仪是否正常工作。例如，当风速大于9m/s，风向信号A与风向信号B的偏差大于40°；或当风速小于9m/s，风向信号A与风向信号B的偏差大于30°，说明风向标信号不准或者风向标意外损坏。此时，出于安全考虑，风电机组进行停机。

加装外挂式控制器，风向信号A与风向信号B都传输到外挂式控制器后，当外挂式控制器故障时，则两信号都不能传输到主控制器中，主控制器判断风向信号A,B中断，则采取停机措施。若外挂式控制器正常，情况与两信号直接接入主控制器类似，两信号差值超过风电机组设定值时说明风速风向仪出现问题，采取停机措施。

当外挂式控制器逻辑运算出错时，错误信号传输给主控制器，主动偏航控制指令有误。由于风电机组原偏航系统的控制逻辑没有改变，机组的解缆功能仍然可以发挥作用，必要时风电机组可进行解缆，严重时可紧急停机。

本发明针对风电场尾流控制技术的实现进行研究，在风电场内加装外挂式控制器10，实现机组级和场站级的通讯连接，针对单台机组所受风速风向，通过人为修正风向信号，实现主动偏航动作，完成尾流控制。其优势在于可以综合考虑风场不同机组之间，同一机组不同风况下的性能差异，从硬件实施方面考虑多机组主动偏航动作，实现风电场的尾流协同控制。

现场应用中，从风场级到机组级的优化偏航信号传输于各外挂式控制器 10并作用于各机组，可以确保各机组在执行主动偏航动作时实现足够快速、稳定、准确的跟踪，优化改进了机组的偏航控制品质。

如图3示出的外挂式控制器的尾流控制流程示意图，在所述风电场尾流控制装置处于自控状态下，外挂式控制器10(外挂PLC)将获取到的当前风电机组所受风况分别转发给风电机组原控制器以及场站扇区控制管理子系统20。在接收到场站扇区控制管理子系统20发送的尾流控制启动指令的情况下，进入主动偏航流程，控制当前风电机组进行上述主动偏航操作，并在接收到尾流控制退出指令的情况下退出主动偏航流程。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种风电场尾流控制系统，其特征在于，所述系统包括：

外挂式控制器和扇区控制管理子系统两部分；

其中，外挂式控制器，设置在风电机组中，分别与场站扇区控制管理子系统以及当前风电机组的原控制器连接，用于接收所述扇区控制管理子系统的尾流控制指令，进入主动偏航流程，所述主动偏航流程包括：

获取当前风电机组所受风况信息；

将所述当前风电机组所受风况信息与预存的偏航角修正表信息进行遍历对比，确定所受风况信息所对应的分组，得到适应于所述当前风电机组所受风况的最优偏航角；

根据所述最优偏航角以及当前风电机组所受风向角度，计算得到目标风向输入值；以及

将所述目标风向输入值发送至所述原控制器，以使所述原控制器根据所述目标风向输入值执行主动偏航动作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外挂式控制器还与当前风电机组的风速风向测量装置连接，所述获取当前风电机组所受风况包括接收所述风速风向测量装置提供的风速和风向。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述风速风向包括2台风速风向仪检测得到的风速风向信息，所述2台风速风向仪包括：超声波风速风向仪和机械式风速风向仪。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述2台风速风向仪检测得到的风向信息包括风向A和风向B；

其中，所述风向A和风向B都为当前风电机组实测风向并参与修正量计算，得到相应目标风向输入值A₁和目标风向输入值B₁；目标风向输入值A₁在主控制器参与执行偏航动作流程，目标风向输入值B₁只用于与A₁作对照。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外挂式控制器还用于将所述当前风电机组所受风况信息发送至所述场站扇区控制管理子系统。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外挂式控制器还用于根据所述场站扇区控制管理子系统发送的尾流控制退出指令退出主动偏航流程，在退出主动偏航流程的情况下执行以下操作：

获取所述当前风电机组所受风况，并将所述当前风电机组所受风况转发至所述当前风电机组的原控制器中。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述场站扇区控制管理子系统，用于执行以下操作：

获取各外挂式控制器发送的相应风电机组位置的风况信息；

根据所述风况信息，确定所述相应风电机组位置的风向是否处于稳定状态，当前平均风向D_n是否位于扇区管理风向设定区域Ω内，并向所述外挂式控制器发送所述尾流控制指令。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，根据时间段t₁下风向平均值D₁，D₂...D_n，计算平均值间的差值ΔD与参考差值D_ref之间的关系，若ΔD＜D_ref，则表明时间段t₁机组风向处于稳定状态下；

其中，ΔD＝|D_n-D_n-1|+…+|D₂-D₁|。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述扇区控制管理子系统向所述外挂式控制器发送尾流控制指令之前，还执行以下操作：

确定处于稳定状态下的当前平均风向D_n是否位于扇区管理风向设定区域Ω内，若是，则向所述外挂式控制器发送尾流控制启动指令；

其中，所述扇区管理风向设定区域Ω为机组受尾流影响的风向区域。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述场站扇区控制管理子系统还用于在所述当前平均风向D_n未落入扇区管理风向设定区域Ω范围的情况下，向所述外挂式控制器发送尾流控制退出指令。

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