极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法及系统与流程

1.本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法、系统、存储介质及计算设备。


背景技术：

2.随着风电机组单体容量的不断增大，机组叶轮重量和面积也不断增大，控制机组的极端载荷成为机组发展的一大瓶颈，也是对机组安全性的一大考验。
3.极端风剪切工况是iec标准定义的一种极端工况，表征不同高度下的风速存在一定差异，有水平风剪切(水平递增或递减)和垂直风剪切(垂直递增或递减)两种形式。由于此时风电机组的叶轮承受了不平衡的外部激励，导致机组的倾覆力矩增大，从而机组的部件载荷激增，如果超出了机组的承受能力，会造成叶片折断、机组损坏等不良后果。
4.目前，识别极端风剪切工况的研究成果还较为少见，多为依赖激光雷达测风实现，但是激光雷达价格昂贵并且识别效果不稳定。并且随着风电机组成本压力的增大，一种低成本高功效的应对极端风剪切工况的控制手段成为重要的需求。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种安全可靠的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，可有效识别极端风剪切工况，从而进行相应的控制手段降载，提高风电机组对外界极端风况的适应能力，解决风电机组在遭遇极端风剪切工况时大部件载荷过大的问题(如偏航及轮毂合弯矩)。
6.本发明的第二目的在于提供一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制系统。
7.本发明的第三目的在于提供一种存储介质。
8.本发明的第四目的在于提供一种计算设备。
9.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，该方法是通过载荷传感器获取风电机组的偏航轴承前后载荷，再对偏航轴承前后载荷的变化趋势进行分析，识别出风电机组是否遭遇了极端风剪切工况，若是则施加收桨指令，从而降低风电机组的大部件载荷，提高风电机组的安全性。
10.进一步，所述极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，包括以下步骤：
11.1)读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理；
12.2)判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行步骤3)，否则跳回步骤1)；
13.3)判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行步骤4)，若否，则计时器1清零，跳回步骤1)；其中，第二阀值大于第一阀值；
14.4)判断风电机组的桨距角是否大于桨距角阈值，若是，则执行步骤5)，否则跳回步骤1)；
15.5)判断风电机组的发电机转速是否大于转速阈值，若是，则执行步骤6)，否则跳回步骤1)；
16.6)判断风电机组的风速是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行步骤7)，否则跳回步骤1)；
17.7)给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。
18.进一步，在步骤1)中，所述载荷传感器安装在风电机组的偏航轴承前后方向或者安装在风电机组的塔顶层；若所述载荷传感器是安装在偏航轴承前后方向，则能够直接获取偏航轴承前后载荷使用；若所述载荷传感器是安装在塔顶层，则需要分别安装在塔顶的前后方向和左右方向，同时获取塔顶的前后载荷和侧向载荷，再通过公式转换为偏航轴承前后载荷，公式如下：
19.my
yawbearing
＝mz
towertop
*cosγ+my
towertop
*sinγ
20.式中，my
yawbearing
为偏航轴承前后载荷，mz
towertop
为塔顶前后载荷，my
towertop
为塔顶侧向载荷，γ为风电机组对北角度。
21.进一步，在步骤1)中，得到偏航轴承前后载荷后，需要对载荷值进行滤波，包括低通滤波和针对3p频率的陷波处理。
22.进一步，在步骤3)中，通过当前时刻和前一时刻的载荷测量值来计算偏航轴承前后载荷变化率。
23.进一步，在步骤4)中，读取风电机组的桨距角传感器信息，获取风电机组的所有桨叶的桨距角并取平均值，然后再判断该平均值是否大于桨距角阈值。
24.进一步，在步骤5)中，读取风电机组的发电机转速滑环传感器信息，其中为了获取更平滑的转速信息，防止转速跳变引起误判，对传感器信号进行滤波处理，包括低通滤波及多个频率点的陷波，然后再判断滤波后的发电机转速是否大于转速阀值。
25.进一步，在步骤6)中，读取风电机组的风速传感器信息，取多个风速传感器的平均值，然后再判断该平均值是否大于风速阈值。
26.进一步，在步骤7)中，通过叠加一个附加变桨角度能使得风电机组更快速地进行收桨，所述附加变桨角度是一个统一的收桨动作或者是基于叶轮方位角的各桨叶独立的收桨指令。
27.本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制系统，用于实现上述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其包括：
28.载荷获取与滤波模块，用于读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理；
29.第一判断模块，用于判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行第二判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
30.第二判断模块，用于判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若
是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行第三判断模块，若否，则计时器1清零，跳回载荷获取与滤波模块；其中，第二阀值大于第一阀值；
31.第三判断模块，用于判断风电机组的桨距角是否大于桨距角阈值，若是，则执行第四判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
32.第四判断模块，用于判断风电机组的发电机转速是否大于转速阈值，若是，则执行第五判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
33.第五判断模块，用于判断风电机组的风速是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行降载控制模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
34.降载控制模块，用于给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。
35.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，实现上述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法。
36.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，实现上述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法。
37.本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
38.1、本发明算法简单、高效，可有效识别出极端风剪切工况，从而进行相应的控制手段降载，提高风电机组对外界极端风况的适应能力，为后续的控制提供了可行性，这在现有的研究成果中极为罕见。
39.2、本发明可以有效降低风电机组在极端风剪切工况下的大部件载荷，提升机组安全性，并可降低机组设计成本。
附图说明
40.图1为本发明方法的流程图。
41.图2为变桨曲线图。
42.图3为转速曲线图。
43.图4为轮毂合弯矩曲线图。
44.图5为偏航合弯矩曲线图。
45.图6为本发明系统的架构图。
具体实施方式
46.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。
47.实施例1
48.本实施例公开了一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，该方法是通过载荷传感器获取风电机组的偏航轴承前后载荷，再对偏航轴承前后载荷的变化趋势进
行分析，识别出风电机组是否遭遇了极端风剪切工况，若是则施加收桨指令，从而降低风电机组的大部件载荷，提高风电机组的安全性，如图1所示，包括以下步骤：
49.1)读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理，所述载荷传感器可以安装在风电机组的偏航轴承前后方向或者安装在风电机组的塔顶层；若所述载荷传感器是安装在偏航轴承前后方向，则能够直接获取偏航轴承前后载荷使用；若所述载荷传感器是安装在塔顶层，则需要分别安装在塔顶的前后方向和左右方向，同时获取塔顶的前后载荷和侧向载荷，再通过公式转换为偏航轴承前后载荷，公式如下：
50.my
yawbearing
＝mz
towertop
*cosγ+my
towertop
*sinγ
51.式中，my
yawbearing
为偏航轴承前后载荷，mz
towertop
为塔顶前后载荷，my
towertop
为塔顶侧向载荷，γ为风电机组对北角度。
52.得到偏航轴承前后载荷后，需要对载荷值进行滤波，包括低通滤波和针对3p频率的陷波处理。
53.2)判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行步骤3)，否则跳回步骤1)；
54.3)计算偏航轴承前后载荷变化率，通过当前时刻和前一时刻的载荷测量值可以计算偏航轴承前后载荷变化率，然后再判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行步骤4)，若否，则计时器1清零，跳回步骤1)；其中，第二阀值大于第一阀值；
55.4)读取风电机组的桨距角传感器信息，获取风电机组的所有桨叶的桨距角并取平均值，然后再判断该平均值是否大于桨距角阈值，若是，则执行步骤5)，否则跳回步骤1)；
56.5)读取风电机组的发电机转速滑环传感器信息，其中为了获取更平滑的转速信息，防止转速跳变引起误判，对传感器信号进行滤波处理，包括低通滤波及多个频率点的陷波，然后再判断滤波后的发电机转速是否大于转速阀值，若是，则执行步骤6)，否则跳回步骤1)；
57.6)读取风电机组的风速传感器信息，取多个风速传感器的平均值，然后再判断该平均值是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行步骤7)，否则跳回步骤1)；
58.7)给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，使风电机组更快速地进行收桨，该附加变桨角度可以是一个统一的收桨动作，也可以是基于叶轮方位角的各桨叶独立的收桨指令；然后再判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。
59.参见图2至图5所示，展示了有使用或没有使用本发明策略在极端风剪切工况下的运行状态。从图中可以看出，实验组数据在遭遇相同的极端风剪切工况下，实验组有效地识别出极端风剪切工况，通过额外施加的变桨动作，将风电机组的发电机转速控制得更小，轮毂合弯矩和偏航合弯矩的极限载荷有显著的下降。
60.实施例2
61.本实施例公开了一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制系统，用于实现
实施例1所述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，如图6所示，该系统包括以下功能模块：
62.载荷获取与滤波模块，用于读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理；
63.第一判断模块，用于判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行第二判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
64.第二判断模块，用于判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行第三判断模块，若否，则计时器1清零，跳回载荷获取与滤波模块；其中，第二阀值大于第一阀值；
65.第三判断模块，用于判断风电机组的桨距角是否大于桨距角阈值，若是，则执行第四判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
66.第四判断模块，用于判断风电机组的发电机转速是否大于转速阈值，若是，则执行第五判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
67.第五判断模块，用于判断风电机组的风速是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行降载控制模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；
68.降载控制模块，用于给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。
69.实施例3
70.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所述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法。
71.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。
72.实施例4
73.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所述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法。
74.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。
75.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：
1.一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，该方法是通过载荷传感器获取风电机组的偏航轴承前后载荷，再对偏航轴承前后载荷的变化趋势进行分析，识别出风电机组是否遭遇了极端风剪切工况，若是则施加收桨指令，从而降低风电机组的大部件载荷，提高风电机组的安全性。2.根据权利要求1所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理；2)判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行步骤3)，否则跳回步骤1)；3)判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行步骤4)，若否，则计时器1清零，跳回步骤1)；其中，第二阀值大于第一阀值；4)判断风电机组的桨距角是否大于桨距角阈值，若是，则执行步骤5)，否则跳回步骤1)；5)判断风电机组的发电机转速是否大于转速阈值，若是，则执行步骤6)，否则跳回步骤1)；6)判断风电机组的风速是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行步骤7)，否则跳回步骤1)；7)给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。3.根据权利要求2所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，所述载荷传感器安装在风电机组的偏航轴承前后方向或者安装在风电机组的塔顶层；若所述载荷传感器是安装在偏航轴承前后方向，则能够直接获取偏航轴承前后载荷使用；若所述载荷传感器是安装在塔顶层，则需要分别安装在塔顶的前后方向和左右方向，同时获取塔顶的前后载荷和侧向载荷，再通过公式转换为偏航轴承前后载荷，公式如下：my
yawbearing
＝mz
towertop
*cosγ+my
towertop
*sinγ式中，my
yawbearing
为偏航轴承前后载荷，mz
towertop
为塔顶前后载荷，my
towertop
为塔顶侧向载荷，γ为风电机组对北角度。4.根据权利要求3所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤1)中，得到偏航轴承前后载荷后，需要对载荷值进行滤波，包括低通滤波和针对3p频率的陷波处理。5.根据权利要求4所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤3)中，通过当前时刻和前一时刻的载荷测量值来计算偏航轴承前后载荷变化率。6.根据权利要求5所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，读取风电机组的桨距角传感器信息，获取风电机组的所有桨叶的桨距
角并取平均值，然后再判断该平均值是否大于桨距角阈值。7.根据权利要求6所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤5)中，读取风电机组的发电机转速滑环传感器信息，其中为了获取更平滑的转速信息，防止转速跳变引起误判，对传感器信号进行滤波处理，包括低通滤波及多个频率点的陷波，然后再判断滤波后的发电机转速是否大于转速阀值。8.根据权利要求7所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤6)中，读取风电机组的风速传感器信息，取多个风速传感器的平均值，然后再判断该平均值是否大于风速阈值。9.根据权利要求8所述的一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其特征在于，在步骤7)中，通过叠加一个附加变桨角度能使得风电机组更快速地进行收桨，所述附加变桨角度是一个统一的收桨动作或者是基于叶轮方位角的各桨叶独立的收桨指令。10.一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1至9中任一项所述的极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法，其包括：载荷获取与滤波模块，用于读取载荷传感器信息，获取风电机组的偏航轴承前后载荷并进行滤波处理；第一判断模块，用于判断滤波后的载荷值是否大于载荷第一阀值，若是，则执行第二判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；第二判断模块，用于判断偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第一阀值，若是，则计时器1开始计时，待持续时间超过时间第一阈值，则判断期间的偏航轴承前后载荷变化率是否大于变化率第二阀值，若是，则执行第三判断模块，若否，则计时器1清零，跳回载荷获取与滤波模块；其中，第二阀值大于第一阀值；第三判断模块，用于判断风电机组的桨距角是否大于桨距角阈值，若是，则执行第四判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；第四判断模块，用于判断风电机组的发电机转速是否大于转速阈值，若是，则执行第五判断模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；第五判断模块，用于判断风电机组的风速是否大于风速阈值，若是，则极端风剪切标志位置位为true，计时器2开始计时，执行降载控制模块，否则跳回载荷获取与滤波模块；降载控制模块，用于给风电机组的变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度，判断计时器2是否大于策略动作最大时间阀值，若是，则不再叠加附加变桨动作，极端风剪切标志位复位为false，计时器2清零，否则重新给变桨pid控制器的输出叠加一个附加变桨角度。

技术总结
本发明公开了一种极端风剪切工况下降低风电机组载荷的控制方法及系统，该方法是通过载荷传感器获取风电机组的偏航轴承前后载荷，再对偏航轴承前后载荷的变化趋势进行分析，识别出风电机组是否遭遇了极端风剪切工况，若是则施加收桨指令，从而降低风电机组的大部件载荷，提高风电机组的安全性。本发明可有效识别极端风剪切工况，从而进行相应的控制手段降载，提高风电机组对外界极端风况的适应能力，解决风电机组在遭遇极端风剪切工况时大部件载荷过大的问题(如偏航及轮毂合弯矩)。载荷过大的问题(如偏航及轮毂合弯矩)。载荷过大的问题(如偏航及轮毂合弯矩)。


技术研发人员：陈天宇 黄晶晶 赵晓峻 陈思范 谭丹 于虹
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：2023.07.17
技术公布日：2023/10/20