极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统及方法与流程

1.本发明属于风力发电机组停机技术领域，具体涉及一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统及方法。


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。水平轴风力发电机的偏航系统可以根据测量到的风向变化，使用偏航装置调整对风角度，使风轮的扫掠面与风向保持垂直，意味着偏航误差以零度为目标达到风能最大吸收。
3.但在一些极端风况时，机组遭受的极限载荷不利于风力发电机组的运行。因此有必要进行偏航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。
4.现有偏航控制策略为当偏航偏差超过阈值既进行停机保护，所以当风力发电机组遭遇极端风况如风向快速大范围变化时，测量到的偏航误差超过规定的限值，控制器根据偏航控制策略进行停机操作，机组会经历极端载荷。
5.风力发电机组在遭遇大风向变化及大风速变化的极端条件下，由于大偏航误差会导致极端载荷出现，不利于机组运行。因此有必要进行偏航控制策略的调整，从而降低机组载荷并提高机组净空。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统及方法，解决了风力发电机组遭遇极端风况条件时机组会经历极端载荷的问题。
7.本发明是通过以下技术方案来实现：
8.一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
9.第一步：计算当前平均偏航误差；
10.判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值，如果是，则进入第二步；如果否，此偏航控制策略终止；
11.第二步：计算当前平均桨距角；
12.判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值，如果是，则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止；
13.第三步：降低偏航误差阈值；
14.第四步：叶轮转速逐渐下降；
15.第五步：叶轮转速下降过程中，实时计算当前平均叶轮转速；
16.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值。
17.进一步，第一步中，计算当前平均偏航误差具体为：
18.检测当前及当前t1秒以内的偏航误差，并进行平均，得到当前平均偏航误差。
19.进一步，t1取1-5秒。
20.进一步，第二步中，计算当前平均桨距角具体为：
21.检测当前以及当前t2秒以内的桨距角，并进行平均，得到当前平均桨距角。
22.进一步，t2取1-5秒。
23.进一步，第五步中，计算当前平均叶轮转速具体为：
24.检测当前以及当前t3秒以内的叶轮转速，并进行平均，得到当前平均叶轮转速。
25.进一步，t3取1-5秒。
26.进一步，第一步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均偏航误差；
27.第二步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均桨距角；
28.第五步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均叶轮转速。
29.进一步，第四步中，叶轮转速以固定斜率逐渐下降，叶轮转速下降的目标设定为叶轮转速下降目标值ωlow。
30.本发明还公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统，包括：
31.存储模块，用于存储偏航误差阈值、桨距角阈值、停机转速限值、降转速下限值；
32.平均偏航误差计算模块，用于计算当前平均偏航误差；
33.第一比较模块，用于判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值，如果是，则启动平均桨距角计算模块；如果否，偏航控制策略终止；
34.平均桨距角计算模块，用于第计算当前平均桨距角；
35.第二比较模块，用于判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值，如果是，则降低偏航误差阈值；如果否，偏航控制策略终止；
36.叶轮下降调节模块，用于降低叶轮转速；
37.平均叶轮转速模块，用于叶轮转速下降过程中，实时计算当前平均叶轮转速；
38.第三比较模块，用于判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值。
39.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
40.本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，采用检测偏航偏差及桨距角作为判断极端阵风的条件输入，能够减少由于极端风况引起的大偏航误差而带来的机组载荷；降低阈值考虑是由于超出了原设定阈值，说明偏航软硬件已出现问题，为进一步保护机组由于大偏航偏差导致的系列问题，降低偏航偏差阈值，进一步保护机组，提前进行保护动作；通过下降叶轮转速的方式降低机组受力，通过偏航降转速的方式能够有效减小固定轮毂处载荷。
41.本发明通过偏航降转速的方式相比传统大偏航误差触发的正常停机方式能够有效增加机组塔架净空；风电机组遭遇的极限载荷降低，可有助于风电机组的结构设计，从而降低制造成本。随着风电机组大容量及大叶片高塔筒设计的发展趋势，通过本发明的方法可降低设计阶段的极限载荷，降低机组大部件设计尺寸。偏航偏差超过阈值说明机组正在经历极端风况，此刻降转速可一定程度避免超速、叶片扫塔或机组倾覆等恶行事故发生。
附图说明
42.图1为本发明的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法的流程
图。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.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。
46.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
47.第一步：采用时间平均方式、陷波滤波或低通滤波等方式，得到当前平均偏航误差；
48.判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值δ1，如果是则进入第二步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
49.第二步：采用时间平均方式、陷波滤波或低通滤波等方式，得到当前平均桨距角；
50.判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值β1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
51.第三步：偏航误差阈值由δ1降低为δ2；降低阈值考虑是由于超出了原设定阈值，说明偏航软硬件已出现问题，为进一步保护机组由于大偏航偏差导致的系列问题，降低偏航偏差阈值，进一步保护机组，提前进行保护动作。
52.第四步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般以固定斜率限制逐渐下降。
53.叶轮转速下降的目标设定为叶轮转速下降目标值ωlow；
54.第五步：采用时间平均方式、陷波滤波或低通滤波等方式，得到当前平均叶轮转速；
55.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
56.其中，叶轮转速下降目标值ωlow在停机转速限值ωstop以下。
57.此处正常停机为机组中断运行的常规操作，一般为叶片开始进行收桨到90度，同时风力发电机组功率逐渐降低为0。
58.下面结合附图对本发明实施例风力发电机组的偏航控制方法进行详细描述。
59.实施例1
60.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方
法，包括以下步骤：
61.第一步：检测当前偏航误差并进行3秒平均，得到当前平均偏航误差；
62.检测当前桨距角并进行3秒平均，得到当前平均桨距角；
63.检测当前叶轮转速并进行5秒平均，得到当前平均叶轮转速；
64.第二步：判断当前平均偏航误差是否超过设定偏航误差阈值δ1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
65.第三步：判断当前平均桨距角是否超过设定桨距角阈值β1，如果是则进入第四步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
66.第四步：偏航误差阈值由δ1降低为δ2；
67.第五步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般设定以固定斜率限制逐渐下降至叶轮转速下降目标值ωlow。
68.因为在第三步已经判断出当前平均桨距角是超过设定桨距角阈值β1的，说明目前是大风状态，通过叶轮转速下降方式保护机组。
69.第六步：在叶轮转速下降的过程中，实时判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
70.其中，δ1、δ2、β1、ω、ωstop、ωlow定义及具体数值见表1及表2。
71.表1机组额定转速及设定降转速的下限值
72.额定转速降转速下限值停机转速限值叶轮转速下降目标值ωrated＝13.5rpmω＝11.5rpmωstop＝10rpmωlow＝9rpm
73.表2设定的偏航误差及对应桨距角阈值
74.偏航误差桨距角δ1＝50
°
β1＝4
°
δ2＝40
°ꢀ
75.实施例2
76.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
77.第一步：检测当前偏航误差并进行1秒平均，得到当前平均偏航误差；
78.第二步：判断当前平均偏航误差是否超过设定偏航误差阈值δ1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
79.第三步：检测当前桨距角并进行1秒平均，得到当前平均桨距角；
80.判断当前平均桨距角是否超过设定桨距角阈值β1，如果是则进入第四步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
81.第四步：偏航误差阈值由δ1经多次降低为δ2；
82.第五步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般以固定斜率限制逐渐下降。
83.第六步：检测当前叶轮转速并进行1秒平均，得到当前平均叶轮转速；
84.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
85.其中，δ1、δ2、β1、ω、ωstop、ωlow定义及具体数值见表1及表2。
86.实施例3
87.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
88.第一步：检测当前偏航误差并进行5秒平均，得到当前平均偏航误差；
89.第二步：判断当前平均偏航误差是否超过设定偏航误差阈值δ1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
90.第三步：检测当前桨距角并进行5秒平均，得到当前平均桨距角；
91.判断当前平均桨距角是否超过设定桨距角阈值β1，如果是则进入第四步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
92.第四步：偏航误差阈值由δ1降低为δ2；
93.第五步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般以固定斜率限制逐渐下降。
94.第六步：检测当前叶轮转速并进行5秒平均，得到当前平均叶轮转速；
95.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
96.其中，δ1、δ2、β1、ω、ωstop、ωlow定义及具体数值见表1及表2。
97.实施例4
98.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
99.第一步：采用陷波滤波，得到滤波后的当前平均偏航误差；
100.第二步：判断当前平均偏航误差是否超过设定偏航误差阈值δ1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
101.第三步：采用陷波滤波，得到滤波后的当前平均桨距角；
102.判断当前平均桨距角是否超过设定桨距角阈值β1，如果是则进入第四步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
103.第四步：偏航误差阈值由δ1降低为δ2；
104.第五步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般以固定斜率限制逐渐下降。
105.第六步：采用陷波滤波，得到滤波后的当前平均叶轮转速；
106.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
107.其中，δ1、δ2、β1、ω、ωstop、ωlow定义及具体数值见表1及表2。
108.陷波滤波器是一种可以在某一个频率点迅速衰减输入信号，以达到阻碍此频率信号通过的滤波效果的滤波器。陷波滤波器属于带阻滤波器的一种，只是它的阻带非常狭窄，起阶数必须是二阶(含二阶)以上。
109.实施例5
110.如图1所示，本发明公开了一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，包括以下步骤：
111.第一步：采用低通滤波，得到滤波后的当前平均偏航误差；
112.第二步：判断当前平均偏航误差是否超过设定偏航误差阈值δ1，如果是则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
113.第三步：采用低通滤波，得到滤波后的当前平均桨距角；
114.判断当前平均桨距角是否超过设定桨距角阈值β1，如果是则进入第四步；如果否，此偏航控制策略终止，无进一步操作；
115.第四步：偏航误差阈值由δ1降低为δ2；
116.第五步：叶轮转速逐渐下降，且下降过渡过程要平稳，缓和，一般以固定斜率限制逐渐下降。
117.第六步：采用低通滤波，得到滤波后当前平均叶轮转速；
118.判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值ωstop，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值ω。
119.其中，δ1、δ2、β1、ω、ωstop、ωlow定义及具体数值见表1及表2。
120.低通滤波设定一个频率点，当信号频率高于这个频率时不能通过，在数字信号中，这个频率点也就是截止频率，当频域高于这个截止频率时，则全部赋值为0。因为在这一处理过程中，让低频信号全部通过，所以称为低通滤波。
121.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：
1.一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：计算当前平均偏航误差；判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值，如果是，则进入第二步；如果否，此偏航控制策略终止；第二步：计算当前平均桨距角；判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值，如果是，则进入第三步；如果否，此偏航控制策略终止；第三步：降低偏航误差阈值；第四步：叶轮转速逐渐下降；第五步：叶轮转速下降过程中，实时计算当前平均叶轮转速；判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值。2.根据权利要求1所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，第一步中，计算当前平均偏航误差具体为：检测当前及当前t1秒以内的偏航误差，并进行平均，得到当前平均偏航误差。3.根据权利要求2所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，t1取1-5秒。4.根据权利要求1所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，第二步中，计算当前平均桨距角具体为：检测当前以及当前t2秒以内的桨距角，并进行平均，得到当前平均桨距角。5.根据权利要求4所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，t2取1-5秒。6.根据权利要求1所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，第五步中，计算当前平均叶轮转速具体为：检测当前以及当前t3秒以内的叶轮转速，并进行平均，得到当前平均叶轮转速。7.根据权利要求6所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，t3取1-5秒。8.根据权利要求1所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，第一步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均偏航误差；第二步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均桨距角；第五步中，采用陷波滤波或低通滤波方式得到当前平均叶轮转速。9.根据权利要求1所述的一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制方法，其特征在于，第四步中，叶轮转速以固定斜率逐渐下降，叶轮转速下降的目标设定为叶轮转速下降目标值ωlow。10.一种实现权利要求1-9任意一项所述控制方法的极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统，其特征在于，包括：存储模块，用于存储偏航误差阈值、桨距角阈值、停机转速限值、降转速下限值；平均偏航误差计算模块，用于计算当前平均偏航误差；
第一比较模块，用于判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值，如果是，则启动平均桨距角计算模块；如果否，偏航控制策略终止；平均桨距角计算模块，用于第计算当前平均桨距角；第二比较模块，用于判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值，如果是，则降低偏航误差阈值；如果否，偏航控制策略终止；叶轮下降调节模块，用于降低叶轮转速；平均叶轮转速模块，用于叶轮转速下降过程中，实时计算当前平均叶轮转速；第三比较模块，用于判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值。

技术总结
本发明属于风力发电机组停机技术领域，涉及一种极端风力条件下风力发电机组偏航误差的控制系统及方法，控制方法包括以下步骤：第一步：计算当前平均偏航误差；判断当前平均偏航误差是否超过偏航误差阈值，如果是，则进入第二步；第二步：计算当前平均桨距角；判断当前平均桨距角是否超过桨距角阈值，如果是，则进入第三步；第三步：降低偏航误差阈值；第四步：叶轮转速逐渐下降；第五步：叶轮转速下降过程中，实时计算当前平均叶轮转速；判断当前平均叶轮转速是否超过停机转速限值，如果是则进入机组正常停机模式，如果否叶轮转速则将维持在设定的降转速下限值。本发明的方法可降低风电机组遭遇的极限载荷，降低机组大部件设计尺寸。寸。寸。


技术研发人员：金强 蔡安民 焦冲 张俊杰 蔺雪峰 焦强强 李勇 吴永华 许小强 郭锋 党学涛
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：2023/6/27