一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法及系统与流程

1.本发明涉及一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法及系统，属于风力发电控制技术领域。


背景技术：

2.风力发电机组主控系统可包括转矩控制和变桨控制。风电机组运行于额定风速以上时，主要是通过控制桨距角保持发电机转速稳定，从而确保风电机组运行平稳，输出功率稳定。但在某些复杂地形下，由于地表粗糙度等影响，导致湍流度大、风速变化剧烈，极端情况下的风速变化率可达到4m/s。在此类风况下，转矩控制对发电机转速抑制作用有限，主要靠变桨来实现发电机转速抑制。另外，考虑到主控系统传统控制算法具有滞后性，桨距角执行系统具有很大的惯性，导致发电机转速超过控制系统安全保护值，风电机组触发超速停机。在上述情况下出现破坏载荷的情况明显增加，现有的变桨控制方式不能很好的满足降低载荷、平稳停机控制的需求，因此需要优化变桨控制方式。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法及系统，能够避免风电机组超速引起的停机，有效减小超速停机时的极限载荷，保证风电机组的平稳运行。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
4.本发明提供了一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法，包括：
5.获取当前运行周期当前时刻的发电机转速、转速变化率和上一运行周期辅助桨距角；
6.判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，输出该梯度对应的辅助桨距角的变化率；所述梯度包括稳定梯度、第一梯度、第二梯度和重合梯度，所述稳定梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第三速率减小辅助桨距角，所述第一梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第一速率增大辅助桨距角，所述第二梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第二速率增大辅助桨距角，所述重合梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第一速率增大辅助桨距角；
7.根据上一运行周期辅助桨距角和当前运行周期辅助桨距角的变化率，得到当前时刻辅助桨距角，并对当前时刻辅助桨距角进行限幅，得到限幅后的辅助桨距角；
8.将限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出桨距角相加，得到变桨系统给定值，变桨系统在当前运行周期内保持给定值，直到进入下一运行周期。
9.进一步地，所述第一梯度为发电机转速超过第一阈值a且转速变化率超过第一参考值a，所述第一阈值a低于发电机额定转速。
10.进一步地，所述第二梯度为发电机转速超过第二阈值b且转速变化率超过第二参考值b，所述第二阈值b高于发电机额定转速。
11.进一步地，所述述第一参考值a大于第二参考值b。
12.进一步地，所述判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，包括：
13.判断发电机转速和转速变化率是否满足第一梯度：
14.若满足第一梯度，判断是否满足第二梯度，满足第二梯度，则所述梯度为重合梯度，不满足第二梯度，则所述梯度为第一梯度；
15.若不满足第一梯度，判断是否满足第二梯度，满足第二梯度，则所述梯度为第二梯度，不满足第二梯度，则所述梯度为稳定梯度。
16.进一步地，所述运行周期为主控系统plc扫描周期，为10～20ms，所述转速变化率为发电机每秒速度变化值。
17.进一步地，所述对当前辅助桨距角进行限幅，其中限值为：最小值为0，最大值根据当地高风速风电机组稳定运行时的桨距角设置。
18.进一步地，所述第一速率和第二速率均大于第三速率，辅助桨距角快增慢减，用于保证风机稳定运行。
19.进一步地，所述变桨系统给定值是初始化值为0的静态变量，下一运行周期保留上一运行周期结束时的值，所述初始化值只在编译时初始化一次。
20.进一步地，若辅助桨距角按照第三速率减小并减小至0，发电机无超速风险，辅助桨距角不参与控制，由主控系统pid调节桨距角。
21.与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法及系统所达到的有益效果包括：
22.本发明获取当前运行周期当前时刻的发电机转速、转速变化率和辅助桨距角；判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，输出该梯度对应的辅助桨距角的变化率；本发明连续监控发电机转速及转速变化率，判断所属的梯度，确定辅助桨距角的变化率，实现提前控制桨距角动作，能够有效避免风电机组超速引起的停机，且有效减小了超速停机时的极限载荷，保证了风电机组的平稳运行。
23.本发明稳定梯度、第一梯度、第二梯度和重合梯度，本发明设置了四个梯度，当发电机转速在额定值以下、转速变化率很高时，及时增加辅助桨距角，提前控制桨距角动作；当发电机转速在额定值以上、转速变化率或有些许减小，但仍有超速风险，继续增大辅助桨距角，防止减小辅助桨距角导致超速。
24.本发明根据上一运行周期辅助桨距角和当前运行周期辅助桨距角的变化率，得到当前时刻辅助桨距角，并对当前时刻辅助桨距角进行限幅，得到限幅后的辅助桨距角；将限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出桨距角相加，得到变桨系统给定值，变桨系统在当前运行周期内保持给定值，直到进入下一运行周期。发电机转速变化要比pid输出变化更敏感，本发明通过调节辅助桨距角能够达到提前桨距角动作的目的，避免超速。
附图说明
25.图1是本发明实施例1中提供的一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法的流程图；
26.图2是本发明实施例1中提供的一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法中四个梯度的示意图；
27.图3是本发明实施例2中提供的风电机组增设辅助变桨算法前后的发电机转速对
比图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
29.实施例1：
30.如图1所示，一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法，包括：
31.获取当前运行周期当前时刻的发电机转速、转速变化率和上一运行周期辅助桨距角；
32.判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，输出该梯度对应的辅助桨距角的变化率；
33.根据上一运行周期辅助桨距角和当前运行周期辅助桨距角的变化率，得到当前时刻辅助桨距角，并对当前时刻辅助桨距角进行限幅，得到限幅后的辅助桨距角；
34.将限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出桨距角相加，得到变桨系统给定值，变桨系统在当前运行周期内保持给定值，直到进入下一运行周期。
35.具体步骤包括：
36.步骤1：获取当前运行周期当前时刻的发电机转速、转速变化率和上一运行周期辅助桨距角。
37.运行周期为主控系统plc扫描周期，通常为10～20ms，转速变化率为发电机每秒速度变化值，能够有效降低了桨距角补偿值导致叶片频繁误动。
38.步骤2：判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，输出该梯度对应的辅助桨距角的变化率。
39.如图2所示梯度包括稳定梯度、第一梯度、第二梯度和重合梯度。
40.第一梯度为发电机转速超过第一阈值a且转速变化率超过第一参考值a，第一阈值a低于发电机额定转速。第一梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第一速率增大辅助桨距角。
41.第二梯度为发电机转速超过第二阈值b且转速变化率超过第二参考值b，第二阈值b高于发电机额定转速。第二梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第二速率增大辅助桨距角。
42.需要说明的是，第一参考值a大于第二参考值b。具体的，第一阈值a低于发电机额定转速，第二阈值b高于发电机额定转速。通过两个梯度，当发电机转速在额定值以下、转速变化率很高时，及时增加辅助桨距角，提前控制桨距角动作；当发电机转速在额定值以上、转速变化率或有些许减小，但仍有超速风险，继续增大辅助桨距角，防止减小辅助桨距角导致超速。
43.稳定梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第三速率减小辅助桨距角。
44.重合梯度对应的辅助桨距角的变化率为按照第一速率增大辅助桨距角。
45.需要说明的是，第一速率和第二速率均大于第三速率，通过快增慢减的速率，保证了机组运行平稳。同时，避免了需要提前给定风电机组额外的桨距角补偿值的具体数值，因为不同机型不同工况，很难给出精确的桨距角补偿值。
46.判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，包括：
47.判断发电机转速和转速变化率是否满足第一梯度：
48.若满足第一梯度，判断是否满足第二梯度，满足第二梯度，则所述梯度为重合梯度，不满足第二梯度，则所述梯度为第一梯度；
49.若不满足第一梯度，判断是否满足第二梯度，满足第二梯度，则所述梯度为第二梯度，不满足第二梯度，则所述梯度为稳定梯度。
50.本发明连续监控发电机转速及转速变化率，并与预定的梯度比较，决定是否需要增加或减小辅助桨距角，需要时提前控制桨距角动作，能够有效避免风电机组超速引起的停机，且有效减小了超速停机时的极限载荷，保证了风电机组的平稳运行。
51.步骤3：根据上一运行周期辅助桨距角和当前运行周期辅助桨距角的变化率，得到当前时刻辅助桨距角，并对当前时刻辅助桨距角进行限幅，得到限幅后的辅助桨距角。
52.限值为：最小值为0，最大值根据当地高风速风电机组稳定运行时的桨距角设置。
53.步骤4：将限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出桨距角相加，得到变桨系统给定值，变桨系统在当前运行周期内保持给定值，直到进入下一运行周期。
54.发电机转速变化要比pid输出变化更敏感，本发明通过调节辅助桨距角能够达到提前桨距角动作的目的，避免超速。
55.辅助桨距角是初始化值为0的静态变量，下一运行周期保留上一运行周期结束时的值，所述初始化值只在编译时初始化一次。
56.若辅助桨距角按照第三速率减小并减小至0，发电机无超速风险，辅助桨距角不参与控制，由主控系统pid调节桨距角。
57.本发明能够有效避免风电机组超速引起的停机，有效减小超速停机时的极限载荷，保证风电机组平稳运行。
58.实施例2：
59.本实施例采用实施例1所述一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法，在宁夏某风电场进行防超速控制。
60.风电机组正常运行时，每个运行周期，通过实时监控发电机转速和转速变化率。当发电机转速大于1600rpm且转速升速率大于20rps，下一时刻发电机转速会激增，辅助桨距角每周期增加0.14
°
。下一时刻发电机转速激增，当发电机转速大于1860rpm且转速升速率大于5rps，再下一时刻发电机转速有超速风险，辅助桨距角每周期增加0.05
°
；若不满足发电机转速大于1860rpm且转速升速率大于5rps，则再下一时刻发电机转速没有超速风险，辅助桨距角每周期减小0.02
°
。
61.对得到的辅助桨距角进行范围0-15
°
之间的限幅，限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出相加，得到变桨系统的桨距角给定值，实现提前控制桨距角动作，有效地避免了风电机组超速引起的停机，从而减小极限载荷。
62.如图3所示，粗实线为增设辅助变桨算法前的发电机转速曲线，由于超速导致机组停机；粗虚线为增设辅助变桨算法后的发电机转速曲线，机组为超速，运行平稳；细虚线为现场实时采集的风速数据。由图3看出，采用实施例1所述一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法后，机组运行平稳，极端风况下，机组超速得到有效控制。
63.实施例1所述的一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制方法已经在宁夏风
电场广泛应用，能够避免风电机组超速引起的停机，减小超速停机时的极限载荷，保证风电机组的平稳运行。
64.本发明能实现风电机组在极端外部环境时，采取优化的桨距角控制方式控制机组平稳运行。相对于现有的桨距角控制方式，能有效避免机组超速引起的停机，从而减小极限载荷，保证风电机组平稳运行。
65.实施例3：
66.本发明实施例提供了一种基于辅助变桨算法的风电机组防超速控制系统，包括：
67.获取模块：用于获取当前运行周期当前时刻的发电机转速、转速变化率和辅助桨距角；
68.辅助桨距角调节模块：用于判断发电机转速和转速变化率的所属梯度，输出该梯度对应的辅助桨距角的变化率；
69.限幅模块：用于对当前辅助桨距角进行限幅，得到限幅后的辅助桨距角；
70.输出模块：用于将限幅后的辅助桨距角与主控系统pid输出桨距角相加，得到变桨系统给定值，变桨系统在当前运行周期内保持给定值，直到进入下一运行周期。
71.获取模块与风电机组主控系统通信连接，输出模块与变桨系统通信连接。
72.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
73.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。