一种风力发电机转速控制方法及装置

1.本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种风力发电机转速控制方法及装置。


背景技术：

2.风能作为一种可再生的清洁能源，其应用范围越来越广。例如可以将风能转换成机械能，再将机械能转换成热能，实现供暖/供热。又如，可以将风能转换成电能，从而为工厂、企业、居民等提供日常生产、生活用电。
3.风力发电机是将风能转化为电能的设备。风力发电机发电的功率大小与风速有关，当风速小于切入风速和大于切出风速时，风力发电机不工作。当风速介于切入风速和额定风速之间，功率随着风速的增大而增大。当风速大于额定风速小于切出风速时，风力发电机的输出功率恒定。风速介于切入风速和额定风速之间时，为了保证功率输出最大化，需对风力发电机的叶片轴的转速进行控制。
4.然而风速是不断变化的，由于风力发电机的叶片轴转动惯量大，一些风力发电机对应的叶片轴的转速的控制方法常常会出现风速已经变化了但转速来不及变化，导致风力发电机的功率不佳，达不到预期的控制效果。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种风力发电机转速控制方法及装置。
6.本技术技术方案通过在判断出风力发电机的风速处于切入风速和额定风速之间且风速发生变化的情况下，确定出叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据叶片轴速度和叶片轴加速度，确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩，从而利用确定出的控制转矩控制风力发电机的叶片轴运转，实现电机叶片轴的快速加速和快速减速，从而在风速变化时，使得风力发电机的叶片轴转速能够更快的达到理想转速，有利于提高叶片的转化效率，提升风力发电机的发电效率，增大产电量。
7.第一方面，本技术提供了一种风力发电机转速控制方法包括：检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；
8.判断所述风速是否处于切入风速和额定风速之间；
9.在判断出所述风速处于切入风速和额定风速之间且所述风速发生变化的情况下，确定出所述叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出所述叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；
10.基于所述叶片轴控制转矩控制所述叶片轴进行加速或减速。
11.应理解，在确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩，从而利用确定出的控制转矩控制风力发电机的叶片轴运转，实现电机叶片轴的快速加速和快速减速，从而在风速变化时，使得风力发电机的叶片轴转速能够更快的达到理想转速，有利于提高叶片的转化效率，提升风力发电机的发电效率，增大产电量。
12.在上述第一方面的一种可能的实现中，通过以下公式，根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出加速阶段或减速阶段的叶片轴控制转矩：
[0013][0014]
其中，tc为叶片轴控制转矩，k为常数，w为叶片轴转速，为叶片轴加速度，t为时间。
[0015]
在上述第一方面的一种可能的实现中，所述叶片轴加速度需要满足以下条件：
[0016]
所述叶片轴在加速阶段时，叶片轴加速度则且
[0017]
所述叶片轴在减速阶段时，叶片轴加速度所述叶片轴在减速阶段时，叶片轴加速度且
[0018]
也即，所述控制方法中的应满足当叶片轴加减速过程时，通过限制的取值范围，有利于保证控制方法的有效性，确保风力发电机叶片轴的加速或减速顺利进行，从而在风速变化时，使得风力发电机的叶片轴转速能够更快的达到理想转速，风力发电机的发电效率高，产电量更大。
[0019]
第二方面，本技术提供一种风力发电机转速控制装置，包括：
[0020]
检测模块，用于检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；
[0021]
判断模块，用于判断所述风速是否处于切入风速和额定风速之间；
[0022]
确定模块，用于在判断出所述风速处于切入风速和额定风速之间且所述风速发生变化的情况下，确定出所述叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出所述叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；
[0023]
控制模块，用于基于所述叶片轴控制转矩控制所述叶片轴进行加速或减速。第三方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有指令，该指令在电子设备上执行时使电子设备执行上述第一方面以及第一方面的任意一种可能的实现中的任一项风力发电机转速控制方法。
[0024]
第四方面，本技术提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括指令，指令当被一个或多个处理器执行时用于实现如上述第一方面以及第一方面的任意一种可能的实现中的任一项风力发电机转速控制方法。
[0025]
第五方面，本技术提供了一种电子设备，包括：
[0026]
存储器，用于存储指令，以及
[0027]
一个或多个处理器，当指令被一个或多个处理器执行时，处理器执行如上述第一方面以及第一方面的任意一种可能的实现中的任一项风力发电机转速控制方法。
[0028]
本技术技术方案解决了一些风力发电机对应的叶片轴的转速的控制方法常常会出现风速已经变化了但转速来不及变化，导致风力发电机的功率不佳，达不到预期的控制效果的技术问题。本技术通过在判断出风力发电机的风速处于切入风速和额定风速之间且
风速发生变化的情况下，确定出叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据叶片轴速度和叶片轴加速度，确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩，从而利用确定出的控制转矩控制风力发电机的叶片轴运转，实现电机叶片轴的快速加速和快速减速，从而在风速变化时，使得风力发电机的叶片轴转速能够更快的达到理想转速，有利于提高叶片的转化效率，提升风力发电机的发电效率，增大产电量。
[0029]
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0030]
图1为一种风力发电机的简要结构示意图；
[0031]
图2为一种风速从4m/s突变到8m/s过程中的风速变化示意图；
[0032]
图3为当风速为图2所示的突然增大的情况时，采用一些技术方案中的电机转矩控制方法以及采用本技术技术方案的转矩控制方法，分别对应的叶片轴的转速变化曲线示意图；
[0033]
图4为一种风速从8m/s突变到4m/s过程中的风速变化示意图；
[0034]
图5为当风速为图4所示的突然减小的情况时，采用一些技术方案中的电机转矩控制方法以及采用本技术技术方案的转矩控制方法，分别对应的叶片轴的转速变化曲线示意图；
[0035]
图6为本技术一些实施例提供的风力发电机转矩控制方法的流程示意图；
[0036]
图7为本技术一些实施例提供的风力发电机转矩控制装置的结构框图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0038]
图1所示为一种风力发电机的简要结构示意图，参考图1所示的风力发电机包括叶片、叶片轴和负载。叶片在风力的作用下旋转，将风的动能转变为叶片轴的机械能，负载中的电机在叶片轴的带动下发电。
[0039]
风力发电机的输出功率与风速有关，例如，当风速介于切入风速和额定风速之间，风力发电机的输出功率随着风速的增大而增大；当风速大于额定风速小于切出风速时，风力发电机的输出功率恒定；当风速介于切入风速和额定风速之间时，为了保证风力发电机的输出功率输出最大化，需对叶片轴转速进行控制，这通常通过转矩控制实现。
[0040]
在一种转矩控制方法中，叶片轴的控制转矩tc1可以通过以下公式表示：
[0041]
t
c1
＝k*w2ꢀꢀ
公式(2)
[0042]
其中，t
c1
为所述叶片轴的控制转矩；k为系数，为设定值；w为叶片轴转速。
[0043]
然而由于风速是不断变化的，特别是当风速突然增大或突然减小时，由于叶片轴转动惯量大，采用如公式(2)所示的转矩控制方式，会出现风速已经变化了但转速来不及变化，导致风力发电机的功率不佳，达不到理想的控制状态。
[0044]
例如，参考图2，当风速从4m/s突变到8m/s时，参考图3，采用公式(2)所示的技术方案中的电机转矩控制方法，风力发电机的叶片转速需要16.4秒才能达到理想转速。而采用本技术技术方案的转矩控制方法，只需要13秒即可到达理想转速。也即，当风速突然增大
时，本技术技术方案的转矩控制方法可以实现叶片转速的快速提升。
[0045]
又如，参考图4，当风速从8m/s突变到4m/s时，参考图5，采用公式(2)所示的技术方案中的电机转矩控制方法，风力发电机的叶片转速需要22.8秒才能达到理想转速。而采用本技术技术方案的转矩控制方法，只需要18.9秒即可到达理想转速。也即，当风速突然减小时，本技术技术方案的转矩控制方法可以实现叶片转速的快速降低。
[0046]
下面将结合附图6所示的流程图，对本技术提供的风力发电机的控制方法进行详细介绍。图6所示的风力发电机的控制方法具体包括以下内容：
[0047]
s1：检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速。
[0048]
例如可以利用速度传感器实时检测风力发电机的叶片轴转速，以及风速，还可以利用加速度传感器检测叶片轴加速度。
[0049]
s2：判断风速是否处于切入风速和额定风速之间。在判断出风速处于切入风速和额定风速之间的情况下，进入s3，进一步判断风速是否发生变化，否则进入s5。
[0050]
s3：在判断出风速处于切入风速和额定风速之间且风速发生变化的情况下，确定出叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据叶片轴速度和叶片轴加速度，确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩。
[0051]
在一些实施例中，可以通过以下方式，在判断出所述风速增大的情况下，确定所述叶片轴转速具有加速趋势：
[0052]
例如，在判断出当前时刻风速大于上一时刻风速的情况下，判断出风速增大，确定所述叶片轴转速具有加速趋势。
[0053]
在一些实施例中，可以通过以下方式，在判断出风速减小的情况下，确定所述叶片轴转速具有减速趋势：
[0054]
在判断出当前时刻风速小于上一时刻风速的情况下，判断出风速减小，确定所述叶片轴转速具有减速趋势。
[0055]
在一些实施例中，可以通过以下公式，根据叶片轴速度和叶片轴加速度，确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩：
[0056][0057]
其中，tc为叶片轴控制转矩，k为常数，w为叶片轴转速，为叶片轴加速度，t为时间。
[0058]
需要说明的是，在叶片轴加减速过程中，波动范围较大，为了使本技术提供的控制方法可以更快的增大或减小转速达到理想转速，需要对进行限制。时，需》0，因此需限制《1。当时，限制≤2，则需限制≥-1。综上，本技术提供的控制方法中的应满足综上，本技术提供的控制方法中的应满足应当理解，的具体取值范围的约束条件也可以根据需要进行设定，本技术对此不做限定。
[0059]
s4：基于叶片轴控制转矩控制叶片轴进行加速或减速。
[0060]
当利用公式(1)所示的叶片轴控制转矩控制叶片轴进行加速和减速的过程中，由于风速处于风力发电机切入风速和额定风速之间，风力发电机的功率随着风速的增大而增大，在此过程中风力发电机的叶片轴转速可以更快的进行加速或减速，叶片的转化效率更高，有利于提升风力发电机的发电效率，增大产电量。
[0061]
下面将结合公式(3)所表征的电机叶片轴的输入转矩和控制转矩之间的关系，来介绍本技术技术方案所能实现的技术效果。
[0062][0063]
其中，tr为叶片轴输入转矩，取决于叶片的特性，它与风速和叶片轴转速有关。tc为控制转矩。j为叶片轴转动惯量。
[0064]
当风速突然增大时，叶片轴输入转矩tr会随着风速突然增大而突然增大，叶片轴转速会随时间增大而增大直至达到理想的转速，tr》tc。根据公式(1)和公式(2)可知，则所述控制转矩tc相较于传统的控制转矩t
c1
更小，即tc《t
c1
。根据公式(3)可知，在叶片轴加速过程中，由于tc《t
c1
，则t
r-tc相对于t
r-t
c1
更大，从而公式(3)右边的的绝对值更大，则的绝对值也更大，从而使得叶片轴以更短的时间从当前转速加速至理想转速。
[0065]
当风速突然减小时，叶片轴输入转矩tr会随着风速突然减小而突然减小。叶片轴转速会随时间增大而减小直至达到理想的转速，tr《tc。根据公式(1)和(2)可知，则所述控制转矩t
c1
相较于传统的控制转矩tc更大，即tc》t
c1
。根据公式(3)可知，在叶片轴减速过程中，由于tc》t
c1
，则t
r-tc相对于t
r-t
c1
更小，从而公式(3)右边的的绝对值更大，则的绝对值也更大，从而使得叶片轴以更短的时间从当前转速减速至理想转速。
[0066]
s5：如果风速小于切入风速，风力发电机不工作，如果风速大于额定风速且小于切出风速，则风力发电机输出功率恒定。
[0067]
另外，本技术实施例还提供一种风力发电机转速控制装置，该控制装置可适用于风力发电机转速控制，其中该控制装置可采用软件和/或硬件的形式实现，并一般配置于控制板中。如图7所示的风力发电机转速控制装置100，包括：
[0068]
101检测模块，用于检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；
[0069]
102判断模块，用于判断所述风速是否处于切入风速和额定风速之间；
[0070]
103确定模块，用于在判断出所述风速处于切入风速和额定风速之间且所述风速发生变化的情况下，确定出所述叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出所述叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；
[0071]
104控制模块，用于基于所述叶片轴控制转矩控制所述叶片轴进行加速或减速。本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程
序，所述计算机程序被处理器执行时实现可实现上述电机转速控制方法实施例中的各步骤。
[0072]
本技术实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在移动终端上运行时，使得移动终端执行时实现可实现上述电机转速控制方法实施例中的各步骤。
[0073]
本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括：至少一个处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述至少一个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上述电机转速控制方法实施例中的各步骤。
[0074]
本技术公开的机制的各实施例可以被实现在硬件、软件、固件或这些实现方法的组合中。本技术的实施例可实现为在可编程系统上执行的计算机程序或程序代码，该可编程系统包括至少一个处理器、存储系统(包括易失性和非易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备以及至少一个输出设备。
[0075]
可将程序代码应用于输入指令，以执行本技术描述的各功能并生成输出信息。可以按已知方式将输出信息应用于一个或多个输出设备。为了本技术的目的，处理系统包括具有诸如例如数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、微控制器、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)或微处理器之类的处理器的任何系统。
[0076]
程序代码可以用高级程序化语言或面向对象的编程语言来实现，以便与处理系统通信。在需要时，也可用汇编语言或机器语言来实现程序代码。事实上，本技术中描述的机制不限于任何特定编程语言的范围。在任一情形下，该语言可以是编译语言或解释语言。
[0077]
在一些情况下，所公开的实施例可以以硬件、固件、软件或其任何组合来实现。所公开的实施例还可以被实现为由一个或多个暂时或非暂时性机器可读(例如，计算机可读)存储介质承载或存储在其上的指令，其可以由一个或多个处理器读取和执行。例如，指令可以通过网络或通过其他计算机可读介质分发。因此，机器可读介质可以包括用于以机器(例如，计算机)可读的形式存储或传输信息的任何机制，包括但不限于，软盘、光盘、光碟、只读存储器(cd-roms)、磁光盘、只读存储器(read only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read only memory，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，eeprom)、磁卡或光卡、闪存、或用于利用因特网以电、光、声或其他形式的传播信号来传输信息(例如，载波、红外信号数字信号等)的有形的机器可读存储器。因此，机器可读介质包括适合于以机器(例如计算机)可读的形式存储或传输电子指令或信息的任何类型的机器可读介质。
[0078]
在附图中，可以以特定布置和/或顺序示出一些结构或方法特征。然而，应该理解，可能不需要这样的特定布置和/或排序。而是，在一些实施例中，这些特征可以以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序来布置。另外，在特定图中包括结构或方法特征并不意味着暗示在所有实施例中都需要这样的特征，并且在一些实施例中，可以不包括这些特征或者可以与其他特征组合。
[0079]
需要说明的是，本技术各设备实施例中提到的各单元/模块都是逻辑单元/模块，在物理上，一个逻辑单元/模块可以是一个物理单元/模块，也可以是一个物理单元/模块的一部分，还可以以多个物理单元/模块的组合实现，这些逻辑单元/模块本身的物理实现方
式并不是最重要的，这些逻辑单元/模块所实现的功能的组合才是解决本技术所提出的技术问题的关键。此外，为了突出本技术的创新部分，本技术上述各设备实施例并没有将与解决本技术所提出的技术问题关系不太密切的单元/模块引入，这并不表明上述设备实施例并不存在其它的单元/模块。
[0080]
需要说明的是，在本专利的示例和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0081]
虽然通过参照本技术的某些优选实施例，已经对本技术进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。

技术特征：
1.一种风力发电机转速控制方法，其特征在于，包括：检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；判断所述风速是否处于切入风速和额定风速之间；在判断出所述风速处于切入风速和额定风速之间且所述风速发生变化的情况下，确定出所述叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出所述叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；基于所述叶片轴控制转矩控制所述叶片轴进行加速或减速。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机转速控制方法，其特征在于：通过以下公式，根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出加速阶段或减速阶段的叶片轴控制转矩：其中，t
c
为叶片轴控制转矩，k为常数，w为叶片轴转速，为叶片轴加速度，t为时间。3.根据权利要求2所述的一种风力发电机转速控制方法，其特征在于：所述叶片轴加速度需要满足以下条件：所述叶片轴在加速阶段时，叶片轴加速度则且所述叶片轴在减速阶段时，叶片轴加速度且4.一种风力发电机转速控制装置，其特征在于，包括：检测模块，用于检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；判断模块，用于判断所述风速是否处于切入风速和额定风速之间；确定模块，用于在判断出所述风速处于切入风速和额定风速之间且所述风速发生变化的情况下，确定出所述叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据所述叶片轴速度和所述叶片轴加速度，确定出所述叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；控制模块，用于基于所述叶片轴控制转矩控制所述叶片轴进行加速或减速。5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有指令，该指令在电子设备上执行时使电子设备执行权利要求1-3中任一项所述的风力发电机转速控制方法。6.一种计算机程序产品，其特征在于，所述计算机程序产品包括指令，所述指令当被一个或多个处理器执行时用于实现如权利要求1-3中任一项所述的风力发电机转速控制方法。7.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储指令，以及一个或多个处理器，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，所述处理器执行如权利要求1-3中任一项所述的风力发电机转速控制方法。

技术总结
本申请提供一种风力发电机转速控制方法及装置，包括：检测风力发电机的叶片轴转速、叶片轴加速度以及风速；判断风速是否处于切入风速和额定风速之间；在判断出风速处于切入风速和额定风速之间且风速发生变化的情况下，确定出叶片轴转速具有加速趋势或减速趋势，并且根据叶片轴速度和叶片轴加速度，确定出叶片轴在加速阶段或和减速阶段对应的叶片轴控制转矩；基于叶片轴控制转矩控制叶片轴进行加速或减速，以控制叶片轴实现快速加速和/或快速减速。本申请提供的风力发电机转速控制方法可以提高叶片的转化效率，提升风力发电机的发电效率，增大产电量。增大产电量。增大产电量。


技术研发人员：王峰 汪佳佳 陈金成 徐兵
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.07
技术公布日：2023/5/30