一种防止风力发电机组超速的控制方法与模块转让专利
申请号 : CN202011337540.0
文献号 : CN112523941B
文献日 : 2021-11-09
发明人 : 周玲 , 任永 , 邹荔兵 , 卢军 , 王超 , 王伟 , 张广兴
申请人 : 明阳智慧能源集团股份公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种防止风力发电机组超速的控制方法,其特征在于,该方法为基于风力发电机组的机舱前后加速度与发电机转速偏差乘积的防止超速降载控制策略:首先,通过传感器实时测量机舱前后加速度、桨距角以及发电机转速,然后根据发电机转速设定值计算出发电机转速偏差,再将机舱前后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调桨策略的监测指标值,接着根据实时桨距角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于或等于该阈值时,则启动调桨策略,即在风力发电机组的变桨控制器输出的原始变桨指令中叠加一个额外的桨距角,以提前达到抑制发电机转速飞升的目的,其中,叠加的桨距角是风力发电机组的变桨系统在特定变桨速率下,变桨控制器单位周期内变化的角度;当监测指标值小于该阈值时,则不启动调桨策略,即采用变桨控制器输出的原始变桨指令;最终,变桨系统的变桨执行器根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和发电机转速偏差的载荷优化控制;其包括以下步骤:
1)数据测量
设测量的机舱前后加速度为ao、发电机转速为ωo、实时桨距角为pitchangle,其中,测量出来的机舱前后加速度ao和发电机转速ωo经过二阶低通滤波器得到滤波后的机舱前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=ωo*F(s),式中,F(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为阻尼系数,ω为频率,s是复频域中的一个变量;
2)计算发电机转速偏差
设发电机转速偏差为ωerror,发电机转速设定值为ωsetpoint,计算公式如下:ωerror=ωf‑ωsetpoint
3)计算监测指标值
将机舱前后加速度ao与发电机转速偏差ωerror相乘得到监测指标值,定义为U,计算公式如下:
U=ao*ωerror
4)线性插值计算不同桨距角对应的阈值
设计算出的对应阈值为F,首先根据风力发电机组的运行数据,建立实时桨距角pitchangle与阈值F的对应表,根据对应表线性插值计算出不同桨距角下的阈值F大小,再与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动调桨策略,如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略;
5)确定变桨给定值
如果U≥F,启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外的桨距角Δpitchangle,其中额外的桨距角等于特定变桨速率Δpitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即:Δpitchangle=Δpitchrate*cycletimepitchdemand=pitchoriginal+Δpitchangle如果U<F,则不启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal,即:pitchdemand=pitchoriginal
6)变桨执行器调节叶片桨距角
变桨系统的变桨执行器根据确定的变桨给定值即最终桨距角指令来调节叶片桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和发电机转速偏差的载荷优化控制。
2.根据权利要求1所述的一种防止风力发电机组超速的控制方法,其特征在于:在步骤
4)中,阈值F的计算方法为:当实时桨距角pitchangle落在桨距角区间A<pitchangle<D时,则采用线性插值法,计算对应阈值F的大小;当实时桨距角pitchangle小于或等于A时,阈值F取E,即pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角pitchangle大于或等于D时,阈值F取I,即pitchangle≥D,F=I。
3.一种防止风力发电机组超速的控制模块,其特征在于:该控制模块通过传感器实时测量机舱前后加速度、桨距角以及发电机转速,然后根据发电机转速设定值计算出发电机转速偏差,再将机舱前后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调桨策略的监测指标值,接着根据实时桨距角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于或等于该阈值时,则启动调桨策略,即在风力发电机组的变桨控制器输出的原始变桨指令中叠加一个额外的桨距角,以提前达到抑制发电机转速飞升的目的,其中,叠加的桨距角是风力发电机组的变桨系统在特定变桨速率下,变桨控制器单位周期内变化的角度;当监测指标值小于该阈值时,则不启动调桨策略,即采用变桨控制器输出的原始变桨指令;最终,变桨系统的变桨执行器根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和发电机转速偏差的载荷优化控制;其包括:数据测量单元,用于测量机舱前后加速度ao、发电机转速ωo以及实时桨距角pitchangle,其中,测量出来的机舱前后加速度ao和发电机转速ωo经过二阶低通滤波器得到滤波后的机舱前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=ωo*F(s),式中,F(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为阻尼系数,ω为频率,s是复频域中的一个变量;
发电机转速偏差计算单元,用于计算发电机转速偏差ωerror,计算公式为:ωerror=ωf‑ωsetpoint,式中,ωsetpoint为发电机转速设定值;
监测指标值计算单元,用于计算监测指标值U,通过将机舱前后加速度ao与发电机转速偏差ωerror相乘即可得到监测指标值U,计算公式为:U=ao*ωerror;
阈值计算和比对单元,用于计算不同桨距角对应的阈值F,并将阈值F与监测指标值U进行对比,具体操作是:首先,根据风力发电机组的运行数据,建立实时桨距角pitchangle与阈值F的对应表,根据对应表线性插值计算出不同桨距角下的阈值F大小,再与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动调桨策略,如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略;
变桨给定值计算和下达单元,用于计算变桨给定值即最终变桨指令,并将最终变桨指令发送至变桨系统的变桨执行器调节叶片桨距角;其中,计算变桨给定值的具体操作是:当U≥F,启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal叠加上额外的桨距角Δpitchangle,其中额外的桨距角等于特定变桨速率Δpitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即Δpitchangle=Δpitchrate*cycletime,pitchdemand=pitchoriginal+Δpitchangle;如果U<F,则不启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal,即pitchdemand=pitchoriginal。
4.根据权利要求3所述的一种防止风力发电机组超速的控制模块,其特征在于:在所述阈值计算和比对单元中,阈值F的计算方法为:当实时桨距角pitchangle落在桨距角区间A<pitchangle<D时,则采用线性插值法,计算对应阈值F的大小;当实时桨距角pitchangle小于或等于A时,阈值F取E,即pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角pitchangle大于或等于D时,阈值F取I,即pitchangle≥D,F=I。
说明书 :
一种防止风力发电机组超速的控制方法与模块
技术领域
背景技术
大,对机组的设计与运行构成很大的挑战,给业主的经济效益带来潜在风险。
速下降,桨叶往0度方向变桨,而此时风速在短时间内又突然增加,同时伴随有电网掉电故
障,为保障机组安全,此刻桨叶需要往90度方向变桨,但由于之前风速降低导致的调桨使此
刻桨矩角偏小,气动扭矩大,同时电磁转矩消失,无法通过电磁转矩抑制转速飞升,另外变
桨系统(桨距角执行系统)具有很大的惯性,桨距角跟随存在较大的滞后性,综上述情况极
易造成发电机组超速,而且由于剧烈的变桨动作引起的机组推力波动会严重加剧机舱前后
振动,从而造成机组载荷偏大。针对这一问题,目前出现了很多解决方案,其中大致可总结
为以下两种方案:
低了竞争力。所以方案二是目前该领域常用方法和研究热点,但现有技术参差不齐,仍有待
进一步改善。
发明内容
机组载荷,降低度电成本,提高产品性能和竞争力。
前后加速度、桨距角以及发电机转速,然后根据发电机转速设定值计算出发电机转速偏差,
再将机舱前后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调桨策略的监测指标值,接着根
据实时桨距角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于或等于该阈值时,则启动调桨
策略,即在风力发电机组的变桨控制器输出的原始变桨指令中叠加一个额外的桨距角,以
提前达到抑制发电机转速飞升的目的,其中,叠加的桨距角是风力发电机组的变桨系统在
特定变桨速率下,变桨控制器单位周期内变化的角度;当监测指标值小于该阈值时,则不启
动调桨策略,即采用变桨控制器输出的原始变桨指令;最终,变桨系统的变桨执行器根据变
桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和
发电机转速偏差的载荷优化控制。
前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=ωo*F(s),式中,F
(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为阻尼系数,ω为频
率,s是复频域中的一个变量;
与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动调桨策略,
如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略;
速率Δpitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即:
于或等于A时,阈值F取E,即pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角pitchangle大于或等于D
时,阈值F取I,即pitchangle≥D,F=I。
将机舱前后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调桨策略的监测指标值,接着根据
实时桨距角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于或等于该阈值时,则启动调桨策
略,即在风力发电机组的变桨控制器输出的原始变桨指令中叠加一个额外的桨距角,以提
前达到抑制发电机转速飞升的目的,其中,叠加的桨距角是风力发电机组的变桨系统在特
定变桨速率下,变桨控制器单位周期内变化的角度;当监测指标值小于该阈值时,则不启动
调桨策略,即采用变桨控制器输出的原始变桨指令;最终,变桨系统的变桨执行器根据变桨
控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和发
电机转速偏差的载荷优化控制。
到滤波后的机舱前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=
ωo*F(s),式中,F(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为
阻尼系数,ω为频率,s是复频域中的一个变量;
pitchangle与阈值F的对应表,根据对应表线性插值计算出不同桨距角下的阈值F大小,再
与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动调桨策略,
如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略;
是:当U≥F,启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指
令pitchoriginal叠加上额外的桨距角Δpitchangle,其中额外的桨距角等于特定变桨速率Δ
pitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即Δpitchangle=Δpitchrate*
cycletime,pitchdemand=pitchoriginal+Δpitchangle;如果U<F,则不启动调桨策略,此时变
桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal,即pitchdemand=
pitchoriginal。
距角pitchangle小于或等于A时,阈值F取E,即pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角
pitchangle大于或等于D时,阈值F取I,即pitchangle≥D,F=I。
机组在正常运行时的稳定性。
超速引起的停机,从而减小极限载荷。
附图说明
具体实施方式
先,通过传感器实时测量机舱前后加速度、桨距角以及发电机转速,然后根据发电机转速设
定值计算出发电机转速偏差,再将机舱前后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调
桨策略的监测指标值,接着根据实时桨距角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于
或等于该阈值时,则启动调桨策略,即在风力发电机组的变桨控制器输出的原始变桨指令
中叠加一个额外的桨距角(叠加的桨距角是风力发电机组的变桨系统在特定变桨速率下,
变桨控制器单位周期内变化的角度),以提前达到抑制发电机转速飞升的目的;当监测指标
值小于该阈值时,则不启动调桨策略,即采用变桨控制器输出的原始变桨指令;最终,变桨
系统的变桨执行器根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片桨距角,从而实现风力发电机
组基于机舱前后加速度和发电机转速偏差的载荷优化控制;其包括以下步骤:
前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=ωo*F(s),式中,F
(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为阻尼系数,ω为频
率,s是复频域中的一个变量。
F大小,再与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动
调桨策略,如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略。
于或等于A时,阈值F取E,即pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角pitchangle大于或等于D
时,阈值F取I,即pitchangle≥D,F=I;其中,表1的列数可根据需要增加。
速率Δpitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即:
桨距角保持发电机转速在额定转速附近,保证风机正常运行的同时确保机组输出功率为额
定功率。但是考虑到桨距角跟随的滞后性,特别是当机组遭遇EOG风况时,发电机转速迅速
上升甚至超速、剧烈频繁的变桨动作引起风机推力波动,加剧了机舱前后振动,因此,将机
舱前后加速度和发电机转速偏差这两个变量引入到机组控制器中来,在常规控制器的基础
上,建立了一个新的控制模块,以防止风力发电机组超速,即基于机舱前后加速度和发电机
转速偏差乘积的控制模块,如图2所示,该控制模块通过传感器实时测量机舱前后加速度、
桨距角以及发电机转速,然后根据发电机转速设定值计算出发电机转速偏差,再将机舱前
后加速度与发电机转速偏差相乘得到是否启动调桨策略的监测指标值,接着根据实时桨距
角线性插值得到对应的阈值,当监测指标值大于或等于该阈值时,则启动调桨策略,即在变
桨控制器输出的原始变桨指令中叠加一个额外的桨距角(叠加的桨距角是风力发电机组的
变桨系统在特定变桨速率下,变桨控制器单位周期内变化的角度),以提前达到抑制发电机
转速飞升的目的;当监测指标值小于该阈值时,则不启动调桨策略,即采用变桨控制器输出
的原始变桨指令;最终,变桨系统的变桨执行器根据变桨控制器发出的变桨指令调节叶片
桨距角,从而实现风力发电机组基于机舱前后加速度和发电机转速偏差的载荷优化控制。
到滤波后的机舱前后加速度anacelle和滤波后的发电机转速ωf,即anacelle=ao*F(s),ωf=
ωo*F(s),式中,F(s)为二阶低通滤波器传递函数,且 其中,ξ为阻
尼系数,ω为频率,s是复频域中的一个变量。
pitchangle与阈值F的对应表,如表2所示,根据表2线性插值计算出不同桨距角下的阈值F
大小,再与监测指标值U进行对比,如果监测指标值U大于或等于阈值F时,即U≥F,则启动调
桨策略,如果监测指标值U小于阈值F,即U<F,则不启动调桨策略;其中,阈值F的计算方法
为:当实时桨距角pitchangle落在表2桨距角区间A<pitchangle<D时,则采用线性插值
法,计算对应阈值F的大小;当实时桨距角pitchangle小于或等于A时,阈值F取E,即
pitchangle≤A,F=E;当实时桨距角pitchangle大于或等于D时,阈值F取I,即pitchangle
≥D,F=I;表2的列数可根据需要增加。
是:当U≥F,启动调桨策略,此时变桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指
令pitchoriginal叠加上额外的桨距角Δpitchangle,其中额外的桨距角等于特定变桨速率Δ
pitchrate乘以变桨控制器循环时间常数cycletime,即Δpitchangle=Δpitchrate*
cycletime,pitchdemand=pitchoriginal+Δpitchangle;如果U<F,则不启动调桨策略,此时变
桨给定值pitchdemand等于变桨控制器输出的原始变桨指令pitchoriginal,即pitchdemand=
pitchoriginal。