大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法与系统与流程

1.本发明涉及海上风力发电的技术领域，尤其是指一种大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法、系统、存储介质及计算设备。


背景技术：

2.向中远海发展已成为风电行业发展的趋势，但是高昂的施工成本制约了海上风电的发展。海上风电机组大型化，是“降本增效”的有效途径。随着海上风电机组的单机容量越来越大，塔筒的高度和叶轮直径也随之增加，更高的塔筒和更长的叶片，意味着海上风电机组往往需要面对更大的载荷压力考验。台风会对塔筒、叶片、机舱刹车系统造成巨大的载荷，长期的载荷压力会造成机组疲劳载荷加剧影响机组的使用寿命，当实际载荷超过设计的极限载荷时会造成严重安全事故。抗台风是海上风电机组的必备技能，目前的抗台技术方案大多集中于提高塔筒设计裕量、增加阻尼器等抗台风结构部件来降低台风期间的载荷压力实现抗台功能，此类方法会导致成本大幅增加。基于海上风电机组现有设备采用“主动降载”的设计思想，通过主动偏航迎风降低塔筒和叶片的载荷压力，是海上风电机组抗台风的一种低成本解决方案，目前采用主动偏航抗台风还存在诸多挑战。通过控制偏航降低的方式抗台风，存在掉电风险高、偏航精度低和驱动器过载等问题，严重降低了该方法的可靠性，仅作为辅助抗台手段。海上风电机组均配置柴油发电机作为后备电源，当电网掉电时为风电机组提供电源，但是现有的后备电源控制系统可靠性低，且对后备电源的利用效率不高。台风期间电网掉电风险显著增加，对柴油发电机响应的可靠性提出了更高的需求，风电机组掉电将导致无法正常偏航；由于叶片的遮挡造成风向感知精度降低，无法提供准确的偏航参考依据，不能满足载荷需求，且台风工况对偏航控制精度与响应速度也提出了更高的要求；台风期间偏航负载显著增加、负荷分配不合理易导致偏航驱动设备过载故障停止偏航。目前大型海上风电机组的抗台风设计，按照增加塔筒裕量、增加抗台机构等现有技术思路实施，会提高整机的制造成本，缺乏可持续性。


技术实现要素：

3.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，构建精准偏航系统、柴发后备电源子系统一体化控制方案，无需增加塔筒设计裕量、增加阻尼器等抗台风结构部件，即可实现大型海上风电机组抗台风功能，在节约了塔筒材料成本同时，提高了风电机组抗台风的可靠性。
4.本发明的第二目的在于提供一种大型半直驱海上风电机组抗台风控制系统。
5.本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
6.本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
7.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，包括以下步骤：
8.1)读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得
滤波后的风速；
9.2)根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行步骤3)，否则结束流程；
10.3)根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；
11.4)读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；
12.5)将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。
13.进一步，在步骤1)中，对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速，公式表达如下：
14.x
p
＝x
t-1-(c
t
(x
t-1-x
t
))/f
t
ꢀꢀ
(1)
15.式中，c
t
是风电机组plc控制器的运行周期，f
t
是滤波时间常数，x
t
是输入信号，x
t-1
是上一个控制周期的输入信号，x
p
是风速传感器信息滤波值。
16.进一步，在步骤3)中，所述柴发后备电源子系统包括柴油发电机和双电源开关(ats)，所述柴油发电机作为风电机组的后备电源，所述双电源开关用于隔离和切换风电机组的供电回路，其输入端的一端接电网供电回路，另一端接柴发供电回路，其中电网供电回路优先级高于柴发供电回路；为防止柴油发电机启动指令失效，采用人工启动和自动启动两种方式，其中人工控制优先级高于自动控制，当电网掉电并且处于台风模式时，自动启动柴油发电机作为后备电源，当退出台风模式或电网供电恢复，自动停止柴油发电机；风电机组plc控制器执行以下关于柴发后备电源子系统的自动控制算法：
[0017][0018][0019]
m＝m0*t
p
ꢀꢀ
(4)
[0020]
式中，m0是控制模式，x
limit
是设定阈值，t
p
是激活模式，t是m0状态保持时间，t
′
是时间常数，m是后备电源启停控制指令。
[0021]
进一步，在步骤4)中，风电机组的机舱顶端配置4个风向传感器采集风向信息，用于防止单个传感器的失效和尾流扰动，通过加权融合的方式得到最优风向；其中，风向均方差越大可靠性越低，据此风向倒数的均方差归一化，分别得到4个风向的权重系数，加权融合计算出最优风向，计算算法如下：
[0022][0023]
式中，w1、w2、w3、w4分别代表4个不同风向，分别为w1、w2、w3、w4倒数的均方差，为归一化分母，wo为最优风向。
[0024]
进一步，在步骤5)中，设计偏航位置控制算法，设定控制边界与控制裕量，将式(5)计算的最优风向wo输入偏航位置控制器中，偏航位置控制算法如下：
[0025][0026]
u＝k
p
*u
ꢀꢀ
(7)
[0027]
式中，w
limit
是设定阈值、wc是风向裕量、u是偏航方向，k
p
表征偏航速度，u是偏航位置控制指令。
[0028]
进一步，在步骤5)中，变频驱动器接收式(7)得出的偏航位置控制指令u，u》0顺时针方向偏航，u《0逆时针方向偏航，多台变频驱动器协同控制，驱动风电机组偏航对风，其中，变频驱动器之间的协同控制采用主从跟随负荷分配方式，即选取一台变频驱动器作为主站，其它变频驱动器作为从站跟随主站运行。
[0029]
进一步，变频驱动器之间的协同控制采用恒定转速及转矩自适应的转速-转矩双回路控制方式，具体是：主站转速环节执行式(7)下发指令u，转矩环节执行转矩t，从站转速环节跟随主站运行，从站转矩环节根据各转速反馈与主站转速构建控制偏差，利用式(8)计算转矩t；
[0030][0031]
式中，eu为转速控制误差，us为偏航速度，k
p
、ki、kd均为常数，t为转矩控制量；变频驱动器执行控制指令u和t，驱动风电机组偏航跟踪最优风向wo，实现抗台风功能。
[0032]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：大型半直驱海上风电机组抗台风控制系统，用于实现上述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其包括：
[0033]
风速获取与滤波模块，用于读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速；
[0034]
第一判断模块，用于根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行第二判断模块，否则结束流程；
[0035]
第二判断模块，用于根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；
[0036]
最优风向获取模块，用于读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；
[0037]
偏航控制模块，用于将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。
[0038]
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，实现上述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。
[0039]
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，实现上述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。
[0040]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0041]
1、本发明无需增加塔筒设计裕量、增加阻尼器等抗台风结构部件，即可实现大型海上风电机组抗台风功能，大大节约了塔筒材料成本。
[0042]
2、本发明采用一体化冗余设计思路，冗余风速、风向传感器、冗余后备电源、变频驱动器协同控制等，实现主动偏航对风，提高了风电机组抗台风可靠性。
[0043]
3、本发明在台风期间电网掉电可人工或自动启动后备电源，具有更快的响应速度。
附图说明
[0044]
图1为本发明方法的逻辑流程图。
[0045]
图2为本发明系统的架构图。
具体实施方式
[0046]
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。
[0047]
实施例1
[0048]
如图1所示，本实施例公开了一种大型半直驱海上风电机组(亦可称为风机)抗台风控制方法，其具体情况如下：
[0049]
1)读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速，公式表达如下：
[0050]
x
p
＝x
t-1-(c
t
(x
t-1-x
t
))/f
t
ꢀꢀ
(1)
[0051]
式中，c
t
是风电机组plc控制器的运行周期，f
t
是滤波时间常数，x
t
是输入信号，x
t-1
是上一个控制周期的输入信号，x
p
是风速传感器信息滤波值。
[0052]
2)根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行步骤3)，否则结束流程。
[0053]
3)根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；
[0054]
所述柴发后备电源子系统包括柴油发电机(可简称柴发)和双电源开关(ats)，所述柴油发电机作为风电机组的后备电源，所述双电源开关用于隔离和切换风电机组的供电回路，其输入端的一端接电网供电回路，另一端接柴发供电回路，其中电网供电回路优先级高于柴发供电回路；为防止柴油发电机启动指令失效，采用人工启动和自动启动两种方式，其中人工控制优先级高于自动控制，当电网掉电并且处于台风模式时，自动启动柴油发电机作为后备电源，当退出台风模式或电网供电恢复，自动停止柴油发电机；风电机组plc控制器执行以下关于柴发后备电源子系统的自动控制算法：
[0055][0056][0057]
m＝m0*t
p
ꢀꢀ
(4)
[0058]
式中，m0是控制模式，x
limit
是设定阈值，t
p
是激活模式，t是m0状态保持时间，t
′
是时间常数，m是后备电源启停控制指令。
[0059]
4)由于叶片遮挡，引起风向传感器测量值与真实风向存在一定偏差，同时恶劣的台风工况，易造成风向传感器的失效，叶片遮挡风向与传感器的安装位置有密切联系，同时为防止单个传感器的失效和尾流扰动，在风电机组的机舱顶端设置4个风向传感器(安装在不同的测量位置)采集风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；其中，风向均方差越大可靠性越低，据此风向倒数的均方差归一化，分别得到4个风向的权重系数，加权融合计算出最优风向，计算算法如下：
[0060][0061]
式中，w1、w2、w3、w4分别代表4个不同风向，分别为w1、w2、w3、w4倒数的均方差，为归一化分母，wo为最优风向。
[0062]
5)将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的，具体如下：
[0063]
设计偏航位置控制算法，设定控制边界与控制裕量，将式(5)计算的最优风向wo输入偏航位置控制器中，偏航位置控制算法如下：
[0064][0065]
u＝k
p
*u
ꢀꢀ
(7)
[0066]
式中，w
limit
是设定阈值、wc是风向裕量、u是偏航方向，k
p
表征偏航速度，u是偏航位置控制指令；
[0067]
变频驱动器接收式(7)得出的偏航位置控制指令u，u》0顺时针方向偏航，u《0逆时针方向偏航，多台变频驱动器协同控制，驱动风电机组偏航对风，其中，变频驱动器之间的协同控制采用主从跟随负荷分配方式，即选取一台变频驱动器作为主站，其它变频驱动器作为从站跟随主站运行；
[0068]
由于台风期间风电机组偏航负载压力巨大，需增加转矩控制回路，以防止变频驱动器执行机构过载故障，变频驱动器之间的协同控制采用恒定转速及转矩自适应的转速-转矩双回路控制方式，具体是：主站转速环节执行式(7)下发指令u，转矩环节执行转矩t，从站转速环节跟随主站运行，从站转矩环节根据各转速反馈与主站转速构建控制偏差，利用
式(8)计算转矩t；
[0069][0070]
式中，eu为转速控制误差，us为偏航速度，k
p
、ki、kd均为常数，t为转矩控制量；变频驱动器执行控制指令u和t，驱动风电机组偏航跟踪最优风向wo，实现抗台风功能。
[0071]
实施例2
[0072]
本实施例公开了一种大型半直驱海上风电机组抗台风控制系统，用于实现实施例1所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，如图2所示，该系统包括以下功能模块：
[0073]
风速获取与滤波模块，用于读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速；
[0074]
第一判断模块，用于根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行第二判断模块，否则结束流程；
[0075]
第二判断模块，用于根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；
[0076]
最优风向获取模块，用于读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；
[0077]
偏航控制模块，用于将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。
[0078]
实施例3
[0079]
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所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。
[0080]
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。
[0081]
实施例4
[0082]
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所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。
[0083]
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。
[0084]
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。

技术特征：
1.大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速；2)根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行步骤3)，否则结束流程；3)根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；4)读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；5)将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。2.根据权利要求1所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于：在步骤1)中，对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速，公式表达如下：x
p
＝x
t-1-(c
t
(x
t-1-x
t
))/f
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，c
t
是风电机组plc控制器的运行周期，f
t
是滤波时间常数，x
t
是输入信号，x
t-1
是上一个控制周期的输入信号，x
p
是风速传感器信息滤波值。3.根据权利要求2所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于：在步骤3)中，所述柴发后备电源子系统包括柴油发电机和双电源开关，所述柴油发电机作为风电机组的后备电源，所述双电源开关用于隔离和切换风电机组的供电回路，其输入端的一端接电网供电回路，另一端接柴发供电回路，其中电网供电回路优先级高于柴发供电回路；为防止柴油发电机启动指令失效，采用人工启动和自动启动两种方式，其中人工控制优先级高于自动控制，当电网掉电并且处于台风模式时，自动启动柴油发电机作为后备电源，当退出台风模式或电网供电恢复，自动停止柴油发电机；风电机组plc控制器执行以下关于柴发后备电源子系统的自动控制算法：发后备电源子系统的自动控制算法：m＝m0*t
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，m0是控制模式，x
limit
是设定阈值，t
p
是激活模式，t是m0状态保持时间，t
′
是时间常数，m是后备电源启停控制指令。4.根据权利要求3所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于：在步骤4)中，风电机组的机舱顶端配置4个风向传感器采集风向信息，用于防止单个传感器的失效和尾流扰动，通过加权融合的方式得到最优风向；其中，风向均方差越大可靠性越低，据此风向倒数的均方差归一化，分别得到4个风向的权重系数，加权融合计算出最优风向，计算算法如下：
式中，w1、w2、w3、w4分别代表4个不同风向，分别为w1、w2、w3、w4倒数的均方差，为归一化分母，w
o
为最优风向。5.根据权利要求4所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于：在步骤5)中，设计偏航位置控制算法，设定控制边界与控制裕量，将式(5)计算的最优风向w
o
输入偏航位置控制器中，偏航位置控制算法如下：u＝k
p
*u
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，w
limit
是设定阈值、w
c
是风向裕量、u是偏航方向，k
p
表征偏航速度，u是偏航位置控制指令。6.根据权利要求5所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其特征在于：在步骤5)中，变频驱动器接收式(7)得出的偏航位置控制指令u，u>0顺时针方向偏航，u<0逆时针方向偏航，多台变频驱动器协同控制，驱动风电机组偏航对风，其中，变频驱动器之间的协同控制采用主从跟随负荷分配方式，即选取一台变频驱动器作为主站，其它变频驱动器作为从站跟随主站运行。7.根据权利要求6所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方，其特征在于：变频驱动器之间的协同控制采用恒定转速及转矩自适应的转速-转矩双回路控制方式，具体是：主站转速环节执行式(7)下发指令u，转矩环节执行转矩t，从站转速环节跟随主站运行，从站转矩环节根据各转速反馈与主站转速构建控制偏差，利用式(8)计算转矩t；式中，e
u
为转速控制误差，u
s
为偏航速度，k
p
、k
i
、k
d
均为常数，t为转矩控制量；变频驱动器执行控制指令u和t，驱动风电机组偏航跟踪最优风向w
o
，实现抗台风功能。8.大型半直驱海上风电机组抗台风控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1至7中任一项所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法，其包括：风速获取与滤波模块，用于读取风速传感器信息和电表电压信息，并对风速传感器信息进行滤波处理获得滤波后的风速；第一判断模块，用于根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行第二判断模块，否则结束流程；第二判断模块，用于根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至电网供电回路，若电网掉电，则柴发后备电源子系统的双电源开关切换至柴发供电回路；最优风向获取模块，用于读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式
得到最优风向；偏航控制模块，用于将最优风向输入偏航位置控制器中，得到相应的偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，执行偏航位置控制指令，驱动风电机组偏航对风，降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。9.一种存储介质，存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1至7中任一项所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。10.一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，其特征在于，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1至7中任一项所述的大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法。

技术总结
本发明公开了一种大型半直驱海上风电机组抗台风控制方法与系统，包括：1)读取风速传感器信息和电表电压信息，对风速传感器信息进行滤波获得滤波后的风速；2)根据滤波后的风速是否超过台风模式设定值来判断是否处于台风模式，若处于台风模式则执行步骤3)，否则结束流程；3)根据电表电压信息判断出电网是否掉电，若电网没有掉电，则切换至电网供电回路，若电网掉电，则切换至柴发供电回路；4)读取多个风向传感器采集的风向信息，通过加权融合的方式得到最优风向；5)将最优风向输入偏航位置控制器中，得到偏航位置控制指令，多台变频驱动器协同控制，驱动风电机组偏航对风。本发明可降低台风期间的机组载荷压力，达到抗台风的目的。的。的。


技术研发人员：符少南 胡建彬 陈思范 李忠华 徐汉滨 莫志豪 辛嘉鹏 欧柳利 黄全盼
受保护的技术使用者：明阳智慧能源集团股份公司
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/5/14