一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法、系统、设备与流程

1.本发明属于风电机组控制技术领域，具体涉及一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法、系统、设备。


背景技术：

2.水平轴风力发电机的风轮吸收风能旋转，进而带动连接的发电机旋转发电。根据风速大小的不同，风力发电机组的控制目标不同。在额定风速以上，控制目标为通过变桨控制使机组的转速控制在额定转速附近，从而使机组输出功率在额定功率附近，保证风力发电机组的机械及电气部件在设计范围内可以正常运行。
3.在一些极端风况时，机组遭受的极限载荷不利于风力发电机组的运行。因此有必要进行载荷控制策略调整使机组在极端风况如大风向风速变化的情况下，尽量降低机组载荷。常规控制手段中主要监测实时转速，根据转速变化情况通过pi或pid控制给出对应的变桨角度，变桨角度的大小可以限制或吸收风能。但实时转速仅与参考转速作比较作为控制输入，转速变化趋势未考虑。因此导致通过传统手段进行机组控制无法有效避免极限载荷的发生。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法、系统、设备，解决了传统手段进行机组控制无法有效避免极限载荷发生的问题。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，包括以下过程：
7.s1、获取转速变化桨距角阈值；
8.获取前后时刻发电机转速偏差之差；
9.s2、获取控制周期，根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；
10.s3、判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：
11.如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；
12.如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进入s4；
13.s4、进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；
14.同时开始计时，以控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；
15.s5、获取死区时间设置参数；
16.判断累积时间是否大于死区时间设置参数；
17.如果累积时间大于死区时间设置参数，则控制流程结束，且累积时间置为0；
18.如果累积时间小于死区时间设置参数，则时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。
19.进一步，在进行s1之前，先判断风电机组是否在发电运行状态。
20.进一步，判断风电机组是否在发电运行状态具体为：
21.检测风电机组发电运行标志位，判断标志位flag是否为1；
22.如标志位flag不是1，则说明机组未在发电运行，控制流程结束；
23.如标志位flag是1，则控制流程开始。
24.进一步，s1中，获取转速变化桨距角阈值的过程为：
25.检测风电机组叶片变桨位置角度；
26.通过叶片变桨位置角度查找此时转速变化桨距角阈值。
27.进一步，s1中，前后时刻发电机转速偏差之差的具体计算包括以下步骤：
28.1.1、检测当前时刻发电机转速omega_n；
29.检测当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp；
30.1.2、将当前时刻发电机转速omega_n减去当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp，从而得到当前时刻发电机转速偏差omega_n_err；
31.1.3、检测前一时刻发电机转速omega_l；
32.检测前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp；
33.将前一时刻发电机转速omega_l减去前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp，从而得到前一时刻发电机转速偏差omega_l_err；
34.1.4、将第三步得到的当前时刻发电机转速偏差omega_n_err减去第四二步得到的前一时刻发电机转速偏差omega_l_err，得到前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff。
35.进一步，s2中，前后时刻发电机转速偏差之差除以控制周期，得到发电机转速偏差加速度。
36.进一步，s4中，变桨限制的方式具体为：
37.以x度每秒变桨速率叠加原变桨速率指令进行变桨。
38.进一步，s4中，降功率的方式具体为：以-300千瓦每秒的速率进行限功率运行。
39.一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制系统，包括：
40.获取模块，用于获取转速变化桨距角阈值、前后时刻发电机转速偏差之差、控制周期、死区时间设置参数；
41.转速偏差加速计算模块，用于根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；
42.第一判断模块，用于判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：
43.如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；
44.如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；
45.同时启动计时模块；
46.计时模块，用于以控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；
47.第二判断模块，用于判断累积时间是否大于死区时间设置参数；
48.如果累积时间大于死区时间设置参数，则控制流程结束，且累积时间置为0；
49.如果累积时间小于死区时间设置参数，则时间继续累加，直至累加时间等于死区
时间设置参数。
50.本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述控制方法的步骤。
51.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
52.本发明提供了一种在极端风力条件下风力发电机组控制的方法，替代现有技术方案中仅仅依靠机组测量转速对变桨进行调度，从而更有针对性的解决由于风速、风向急速变化带来的极限载荷影响。本发明通过发电机转速实时运行数据并判断其变化发展趋势，采用发电机转速变化趋势作为控制输入，判断机组是否经历极端阵风条件，如判断是则将通过降功率或者变桨的方式限制风能吸收，从而降低机组大部件如叶根面外方向极限载荷；另外采用时间累计的方式判断载荷控制作用时间，避免由于长时间进行载荷控制造成的机组运行不稳定的情况发生。本发明仅通过检测发电机转速就可实现风电机组的载荷控制，无需新增检测硬件；随着风电机组大容量及大叶片高塔筒设计的发展趋势，风电机组遭遇的极限载荷降低，可减小风电机组的结构设计尺寸，从而降低制造成本，降低运输限制。
附图说明
53.图1为本发明一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法的具体流程图；
54.图2为本发明一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制系统的模块连接原理框图。
具体实施方式
55.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
56.本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
57.需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。
58.如图1所示，本发明公开了一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，包括以下过程：
59.s1、获取转速变化桨距角阈值；
60.获取前后时刻发电机转速偏差之差；
61.s2、获取控制周期，根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；
62.s3、判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：
63.如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；
64.如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进入s4；
65.s4、进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；
66.同时开始计时，控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；
67.s5、获取死区时间设置参数；
68.判断累积时间是否大于死区时间设置参数；
69.如果累积时间大于死区时间设置参数，则说明载荷控制作用时间域已到，控制流程结束，且累积时间置为0；
70.如果累积时间小于死区时间设置参数，则说明载荷控制作用时间域未到，时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。
71.以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
72.实施例1
73.本发明公开了一种在极端风力条件下风力发电机组载荷控制的方法，其特征在于，包括以下过程：
74.第一步、检测风电机组发电运行标志位，此方法仅运行在发电工况，因此判断标志位flag是否为1；
75.如标志位flag不是1，则说明机组未在发电运行，控制流程结束；
76.如标志位flag是1，则控制流程开始；
77.第二步、检测风电机组叶片变桨位置角度pitch；
78.获取转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold，其阈值与叶片变桨位置角度pitch存在一一对应的关系；
79.具体通过叶片变桨位置角度pitch查找此时转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
80.第三步、检测当前时刻发电机转速omega_n；
81.检测当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp；
82.将当前时刻发电机转速omega_n减去当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp，从而得到当前时刻发电机转速偏差omega_n_err；
83.第四步、检测前一时刻发电机转速omega_l；
84.检测前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp；
85.将前一时刻发电机转速omega_l减去前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp，从而得到前一时刻发电机转速偏差omega_l_err；
86.第五步、将第三步得到的当前时刻发电机转速偏差omega_n_err减去第四二步得到的前一时刻发电机转速偏差omega_l_err，从而得到前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff；
87.第六步、获取控制周期cycle，一般依据plc主控制器性能设置，可设置为0.02秒；
88.第七步、将第五步得到的前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff除以获取的控制周期cycle，从而得到发电机转速偏差加速度omega_err_acc；
89.第八步、判断第七步得到的发电机转速偏差加速度omega_err_acc是否大于第二
步得到的转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
90.第九步、如果omega_err_acc大于omegaacc_pitch_threshold，表明发电机转速波动比较剧烈，机组大部件可能会经历极限载荷，进入第十步；
91.第十步、转速-变桨控制器给出2度每秒变桨速率叠加原变桨速率指令；
92.同时开始计时，以time＝0开始，cycle为步长进行时间累加，得到累计时间time；
93.第十一步、获取死区时间设置参数durationtime；
94.判断累积时间time是否大于死区时间设置参数durationtime；
95.判断如果time大于durationtime，则说明载荷控制作用时间域已到，控制流程结束，且time置为0。
96.实施例2
97.第十步与实施例1不同，转速-变桨控制器以-300千瓦每秒的速率进行限功率运行。
98.实施例3
99.第十一步不同，判断的结果是time小于durationtime，则说明载荷控制作用时间域未到，time继续累加，直至累加时间等于durationtime。
100.实施例4
101.本发明公开了一种在极端风力条件下风力发电机组载荷控制的方法，其特征在于，包括以下过程：
102.第一步、检测风电机组发电运行标志位，此方法仅运行在发电工况，因此判断标志位flag是否为1；
103.如标志位flag不是1，则说明机组未在发电运行，控制流程结束；
104.如标志位flag是1，则控制流程开始；
105.第二步、检测风电机组叶片变桨位置角度pitch；
106.获取转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold，其阈值与叶片变桨位置角度pitch存在一一对应的关系；
107.具体通过叶片变桨位置角度pitch查找此时转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
108.第三步、检测当前时刻发电机转速omega_n；
109.检测当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp；
110.将当前时刻发电机转速omega_n减去当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp，从而得到当前时刻发电机转速偏差omega_n_err；
111.第四步、检测前一时刻发电机转速omega_l；
112.检测前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp；
113.将前一时刻发电机转速omega_l减去前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp，从而得到前一时刻发电机转速偏差omega_l_err；
114.第五步、将第三步得到的当前时刻发电机转速偏差omega_n_err减去第四二步得到的前一时刻发电机转速偏差omega_l_err，从而得到前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff；
115.第六步、获取控制周期cycle，一般依据plc主控制器性能设置，可设置为0.02秒；
116.第七步、将第五步得到的前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff除以获取的控制周期cycle，从而得到发电机转速偏差加速度omega_err_acc；
117.第八步、判断第七步得到的发电机转速偏差加速度omega_err_acc是否大于第二步得到的转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
118.第九步、如果omega_err_acc小于omegaacc_pitch_threshold，说明发电机转速变化趋势不及预期，则控制流程结束。
119.实施例5
120.本发明公开了一种在极端风力条件下风力发电机组载荷控制的方法，其特征在于，包括以下过程：
121.第一步、检测风电机组发电运行标志位，此方法仅运行在发电工况，因此判断标志位flag是否为1；
122.如标志位flag不是1，则说明机组未在发电运行，控制流程结束；
123.如标志位flag是1，则控制流程开始；
124.第二步、检测风电机组叶片变桨位置角度pitch；
125.获取转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold，其阈值与叶片变桨位置角度pitch存在一一对应的关系；
126.具体通过叶片变桨位置角度pitch查找此时转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
127.第三步、检测当前时刻发电机转速omega_n；
128.检测当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp；
129.将当前时刻发电机转速omega_n减去当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp，从而得到当前时刻发电机转速偏差omega_n_err；
130.第四步、检测前一时刻发电机转速omega_l；
131.检测前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp；
132.将前一时刻发电机转速omega_l减去前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp，从而得到前一时刻发电机转速偏差omega_l_err；
133.第五步、将第三步得到的当前时刻发电机转速偏差omega_n_err减去第四二步得到的前一时刻发电机转速偏差omega_l_err，从而得到前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff；
134.第六步、获取控制周期cycle，一般依据plc主控制器性能设置，可设置为0.02秒；
135.第七步、将第五步得到的前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff除以获取的控制周期cycle，从而得到发电机转速偏差加速度omega_err_acc；
136.第八步、判断第七步得到的发电机转速偏差加速度omega_err_acc是否大于第二步得到的转速变化桨距角阈值omegaacc_pitch_threshold；
137.第九步、omega_err_acc大于omegaacc_pitch_threshold，表明发电机转速波动比较剧烈，机组大部件可能会经历极限载荷，进入第十步；
138.第十步、转速-变桨控制器给出2度每秒变桨速率叠加原变桨速率指令；
139.同时开始计时，以time＝0开始，cycle为步长进行时间累加，得到累计时间time；
140.第十一步、获取死区时间设置参数durationtime；
141.判断累积时间time是否大于死区时间设置参数durationtime；
142.判断如果time大于durationtime，则说明载荷控制作用时间域已到，控制流程结束，且time置为0。
143.本发明能够减少由于极端风况引起的发电机转速剧烈变化而带来的机组极限载荷，通过降功率或者变桨的方式能够有效减小风电机组所遭遇的极限载荷。
144.发电机转速剧烈波动说明机组正在经历极端风况，此刻进行降功率或者变桨可通过限制吸收风能一定程度避免叶片扫塔或机组倾覆等恶行事故发生。
145.本发明采用降功率或变桨的方式，但不限于此方式，其他方式如，降低发电机转速，进行偏航控制等方式。
146.实施例6
147.如图2所示，本发明公开了一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制系统，包括：
148.获取模块，用于获取转速变化桨距角阈值、前后时刻发电机转速偏差之差、控制周期、死区时间设置参数；
149.转速偏差加速计算模块，用于根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；
150.第一判断模块，用于判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：
151.如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；
152.如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；
153.同时启动计时模块；
154.计时模块，用于以控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；
155.第二判断模块，用于判断累积时间是否大于死区时间设置参数；
156.如果累积时间大于死区时间设置参数，则说明载荷控制作用时间域已到，控制流程结束，且累积时间置为0；
157.如果累积时间小于死区时间设置参数，则说明载荷控制作用时间域未到，时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。
158.实施例7
159.本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述配电网拓扑的控制方法的步骤，其中，所述存储器可能包含内存，例如高速随机存储器，也可能还包括非易失性存储器，例如，至少一个磁盘存储器等；处理器、网络接口、存储器通过内部总线互相连接，该内部总线可以是工业标准体系结构总线、外设部件互连标准总线、扩展工业标准结构总线等，总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。存储器用于存放程序，具体地，程序可以包括程序代码、所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器，并向处理器提供指令和数据。
160.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何
修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，包括以下过程：s1、获取转速变化桨距角阈值；获取前后时刻发电机转速偏差之差；s2、获取控制周期，根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；s3、判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进入s4；s4、进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；同时开始计时，以控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；s5、获取死区时间设置参数；判断累积时间是否大于死区时间设置参数；如果累积时间大于死区时间设置参数，则控制流程结束，且累积时间置为0；如果累积时间小于死区时间设置参数，则时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。2.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，在进行s1之前，先判断风电机组是否在发电运行状态。3.根据权利要求2所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，判断风电机组是否在发电运行状态具体为：检测风电机组发电运行标志位，判断标志位flag是否为1；如标志位flag不是1，则说明机组未在发电运行，控制流程结束；如标志位flag是1，则控制流程开始。4.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，s1中，获取转速变化桨距角阈值的过程为：检测风电机组叶片变桨位置角度；通过叶片变桨位置角度查找此时转速变化桨距角阈值。5.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，s1中，前后时刻发电机转速偏差之差的具体计算包括以下步骤：1.1、检测当前时刻发电机转速omega_n；检测当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp；1.2、将当前时刻发电机转速omega_n减去当前时刻发电机转速设定点omega_n_sp，从而得到当前时刻发电机转速偏差omega_n_err；1.3、检测前一时刻发电机转速omega_l；检测前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp；将前一时刻发电机转速omega_l减去前一时刻发电机转速设定点omega_l_sp，从而得到前一时刻发电机转速偏差omega_l_err；1.4、将第三步得到的当前时刻发电机转速偏差omega_n_err减去第四二步得到的前一时刻发电机转速偏差omega_l_err，得到前后时刻发电机转速偏差之差omega_err_diff。6.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特
征在于，s2中，前后时刻发电机转速偏差之差除以控制周期，得到发电机转速偏差加速度。7.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，s4中，变桨限制的方式具体为：以2度每秒变桨速率叠加原变桨速率指令进行变桨。8.根据权利要求1所述的一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，其特征在于，s4中，降功率的方式具体为：以-300千瓦每秒的速率进行限功率运行。9.一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取转速变化桨距角阈值、前后时刻发电机转速偏差之差、控制周期、死区时间设置参数；转速偏差加速计算模块，用于根据前后时刻发电机转速偏差之差和控制周期，得到发电机转速偏差加速度；第一判断模块，用于判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；如果发电机转速偏差加速度大于转速变化桨距角阈值，则进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；同时启动计时模块；计时模块，用于以控制周期为步长进行时间累加，得到累计时间；第二判断模块，用于判断累积时间是否大于死区时间设置参数；如果累积时间大于死区时间设置参数，则控制流程结束，且累积时间置为0；如果累积时间小于死区时间设置参数，则时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。10.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-8任意一项所述控制方法的步骤。

技术总结
本发明属于风电机组控制技术领域，涉及一种在极端风力条件下风力发电机组载荷的控制方法，先得到发电机转速偏差加速度，判断发电机转速偏差加速度是否大于转速变化桨距角阈值：如果发电机转速偏差加速度小于转速变化桨距角阈值，则控制流程结束；反之进行降功率或者变桨限制的方式吸收风能；同时开始计时，得到累计时间；判断累积时间是否大于死区时间设置参数；如果累积时间大于死区时间设置参数，则控制流程结束；反之则时间继续累加，直至累加时间等于死区时间设置参数。采用发电机转速变化趋势作为控制输入，判断机组是否经历极端阵风条件，如判断是则将通过降功率或者变桨的方式限制风能吸收，从而降低机组大部件如叶根面外方向极限载荷。面外方向极限载荷。面外方向极限载荷。


技术研发人员：金强 蔡安民 焦冲 张俊杰 蔺雪峰 李媛 林伟荣 王峰辉 马宁超 李剑武 郭超 马帅 张洋
受保护的技术使用者：华能陕西靖边电力有限公司
技术研发日：2023.04.10
技术公布日：2023/6/7