专利名称：风电场阵风载荷预警控制系统和方法
技术领域：
本发明属于风力发电领域，涉及一种风电场阵风载荷预警控制系统和方法。
背景技术：
风力载荷是风力发电机的机械部件承受的主要载荷，风速的剧烈变化会给风力发电机带来很大的载荷波动。目前的兆瓦级变速变桨类风力发电机主要通过改变发电机扭矩、改变叶片桨距角等方式来减小风速变化对载荷的影响。通常在风速增大超过额定风速的情况下，增大叶片桨距角，减小功率俘获，从而限制载荷的增加，而在风速较小时，减小叶片桨距角，增加功率输出。然而，这样的控制方式并不总能起到控制载荷和功率的目的，如果风速变化过快， 风力发电机的功率或转速可能会超出安全运行的范围，风力发电机通常会启动保护停机模式，使风力发电机安全停机。风力发电机频繁的停机也会增大机械部件的疲劳载荷，减小疲劳寿命，并且会造成发电量的损失。目前解决阵风载荷的方案主要包括两个方面一是增大风力发电机的机械部件的设计强度和电器部件的设计余量，使风力发电机能够抵御阵风剧烈波动所引起的载荷变化；另一方面是采取优化控制策略，调整控制参数以减小风力发电机的变桨动作的滞后，增加变桨速度以快速响应外界风速的变化。然而，增加部件强度会极大地增加风力发电机的制造成本；另外，风力发电机的变桨动作的控制参数通常来自本身转速或功率的变化，这是因为无法提前获取风速的变化信息，因此导致无法解决变桨动作的滞后性问题，而且变桨速率的增加会增大变桨系统的疲劳载荷。因此，需要一种有效的风电场阵风载荷预警控制系统和方法。
发明内容
为了解决风力发电机在阵风条件下风力载荷剧烈变化的问题，同时尽量降低部件的制造和维护成本，本发明将风电场的所有风力发电机作为一个整体，提出一种有效的风电场的阵风载荷预警方案。根据本发明的一方面，提供一种风电场阵风载荷预警控制系统，所述风电场阵风载荷预警控制系统包括至少一个备用阵风载荷预警机，所述至少一个备用阵风载荷预警机是分布在风电场外围的至少一个风力发电机，位于风电场受风前沿的位置；风电场级控制单元，获取风电场的风向角，并根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机，根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值，如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则风电场级控制单元按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。
风电场级控制单元可从布置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。风电场级控制单元可获取布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度，计算风向标角度的平均值，将计算的平均值作为风电场的风向角。风电场级控制单元可计算所述至少一个备用阵风载荷预警机的机位点坐标在风电场的风向角方向上的坐标分量，并且选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。风电场级控制单元可根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角和输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。当前阵风的特征值可以是当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，风电场级控制单元可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，风电场级控制单元可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。如果当前阵风的单位时间风速变化幅值超出当前阵风载荷预警机的安全阈值，则当前阵风载荷预警机停机，并且将报警信号发送到风电场级控制单元，风电场级控制单元控制风电场中的各个风力发电机停机。根据本发明的另一方面，提供一种风电场阵风载荷预警控制方法，在风电场中布置有多个风力发电机，分布在风电场外围的位于风电场受风前沿的位置的至少一个风力发电机用作至少一个备用阵风载荷预警机，所述方法包括获取风电场的风向角；根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机； 根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值；如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。获取风电场的风向角的步骤可包括从布置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。获取风电场的风向角的步骤可包括获取布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度，计算风向标角度的平均值，将计算的平均值作为风电场的风向角。选择当前阵风载荷预警机的步骤可包括计算所述至少一个备用阵风载荷预警机的机位点坐标在风电场的风向角方向上的坐标分量，并且选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。可根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角和输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。当前阵风的特征值可以是当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。如果当前阵风的单位时间风速变化幅值超出当前阵风载荷预警机的安全阈值，则当前阵风载荷预警机停机，并且控制风电场中的各个风力发电机停机。根据本发明风电场阵风载荷预警控制系统和方法应用了阵风载荷预警机方案，可提前获取阵风信息，减小风电场中其它风力发电机的阵风载荷；通过提前得到阵风信息控制风力发电机运行，减小停机次数，增加发电时间，提升风电场的可利用率。
通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中图1是根据本发明示例性实施例的风电场阵风载荷预警控制系统的框图；图2是根据本发明示例性实施例的根据当前阵风载荷预警机的运行状态得到当前阵风的特征值的示意图；图3是风力发电机的变桨控制的示意图；图4是根据本发明示例性实施例的风电场阵风载荷预警控制方法的流程图。
具体实施例方式本发明的基本构思在于，将风电场内所有的风力发电机作为一个整体，将风电场外围分布的至少一个风力发电机作为阵风载荷预警机，通过阵风载荷预警机将阵风的信息传递给风电场级控制单元，然后风电场级控制单元提前向风电场中的其它风力发电机的控制单元发出控制信号，使风电场内处于阵风载荷预警机下风向的各个风力发电机进行相应的变桨操作，最大限度地减小阵风引起的载荷波动，减小停机次数。图1是根据本发明示例性实施例的风电场阵风载荷预警控制系统的框图。参照图1，风电场阵风载荷预警控制系统包括至少一个(即，一个或多个)备用阵风载荷预警机1以及风电场级控制单元2。所述至少一个备用阵风载荷预警机可以是分布在风电场外围的至少一个风力发电机。备用阵风载荷预警机位于风电场受风前沿的位置。 风电场通常有预定数量的主风向，主风向通常随季节变化而变化。可针对每个主风向设置至少一个备用阵风载荷预警机，由此当主风向发生变化时，风电场级控制单元2可自动选择对应的阵风载荷预警机，进行阵风载荷预警控制。风电场级控制单元2连接到布置在风电场中的各个风力发电机。风电场级控制单元2获取风电场的风向角，并根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机。风电场级控制单元2可从设置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。另外，在没有设置测风塔的情况下，风电场级控制单元2可根据布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度确定风场的风向角。假设风电场中设置了 η个风力发电机，则可按照下面的方式计算风电场的风向
角获取各个风力发电机的风向标角度，设为Φι. φ2、φ3.....φη;计算风向标角度的平均
值俱=(9^92+93+...+90/11;将计算的平均值仉作为风电场的风向角θ。假设在风电场设置了 k个备用阵风载荷预警机，各个备用阵风载荷预警机在风
电场中的机位点坐标分别为(Xl，Y1) > (χ2, y2).....(xk, yk)，可计算各个备用阵风载荷
预警机的机位点坐标在风电场的当前风向角方向上的坐标分量=X1Xcos θ+yixsin θ、X2Xcos θ +y2Xsin θ、. . . >XkXcos θ +ykXsin θ，比较这些坐标分量的大小，选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。当阵风发生时，风电场级控制单元2根据当前阵风载荷预警机的运行状态得到当前阵风的特征值，根据当前阵风的特征值对风电场中的各个风力发电机进行阵风载荷预警控制。具体地，如果当前阵风的特征值大于预定阈值，则风电场级控制单元2可按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，可减小风力发电机的阵风载荷，使得各个风力发电机在额定功率下运行。当前阵风载荷预警机的叶片桨距角以及输出功率等参数的变化能够反映出阵风的特征。因此，可根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角以及输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。阵风的特征值包括阵风的风速变化幅值和阵风的风速变化时间，分别表征阵风的强度变化大小和风速变化快慢，例如，阵风在10秒内从10米/秒变化到20米/秒，风速变化幅值为20米/秒-10米/秒=10米/秒，风速变化时间为10秒；反之，阵风在10秒内从20米/秒变化到10米/秒，风速变化幅值为10米/秒-20米/秒=-10米/秒，风速变化时间为10秒。根据阵风的风速变化幅值和阵风的风速变化时间可计算出阵风的单位时间风速变化幅值(即，风速变化幅值除以风速变化时间)。因此，阵风的单位时间风速变化幅值可以作为阵风的特征值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，可使用预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化来表征阵风的单位时间风速变化幅值 (即，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得阵风的单位时间风速变化幅值)，阵风的单位时间风速变化幅值越大，当前阵风载荷预警机的输出功率的波动也越大。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，可使用预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化来表征阵风的单位时间风速变化幅值(即，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得阵风的单位时间风速变化幅值)，阵风的单位时间风速变化幅值越大，当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化也越大。通过上述关系，就可以获得阵风的特征值，图2示出了根据当前阵风载荷预警机的运行状态得到当前阵风的特征值的示意图。在正常情况下，当前阵风载荷预警机的叶片转速被控制在安全范围内。在当前阵风的单位时间风速变化幅值超出当前阵风载荷预警机的安全阈值时(安全阈值大于前面所述的预定阈值，表明阵风风速变化很快)，当前阵风载荷预警机的变桨单元和转矩控制单元可能无法及时响应，当前阵风载荷预警机的叶片转速会超过正常运行的范围。因此，在这种情况下，当前阵风载荷预警机启动安全停机模式而停机。此时，当前阵风载荷预警机可将报警信号发送到风电场级控制单元2，风电场级控制单元2控制风电场中的各个风力发电机停机，以确保各个风力发电机处于安全状态。不同的阵风特征值(当前阵风的单位时间风速变化幅值)可对应不同的变桨控制速率。当阵风特征值小于预定阈值时，风电场级控制单元2不对各个风力发电机进行控制操作。如上所述，如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则风电场级控制单元2可按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。例如，当阵风特征值大于预定阈值而小于设定的第一限值时，风电场级控制单元2按照第一变桨速率控制各个风力发电机；当阵风特征值大于设定的第一限值而小于设定的第二限值时，风电场级控制单元2按照第二变桨速率控制各个风力发电机，依此类推。即，阵风特征值越大，变桨速率也越大，叶片被更快地变桨。图3是风力发电机的变桨控制的示意图。风力发电机的每个叶片(桨叶)与风轮旋转平面(风轮旋转时桨叶柄所扫过的平面)形成一个角度，称为安装角，也称为桨距角， 如图3所示，其中，剖面线部分表示叶片的截面。当叶片桨距角为0°左右时，风能利用系数相对最大，这个角度范围称为发电状态桨叶频繁动作角度范围。如果叶片桨距角增大，则风能利用系数将明显减小。当桨距角为90°左右时，叶片静止，这个角度范围称为停机角度范围。风力发电机的变桨单元通过改变叶片桨距角，当风速低于额定风速时追踪最大风速以尽可能吸收风能，当风速高于额定风速时，变桨单元通过调整叶片桨距角，改变气流对叶片的作用，可减小风力发电机的阵风载荷，使得风力发电机在额定功率下运行。风电场中的各个风力发电机彼此相隔较远，彼此之间的间距通常可达数百米。因此，在阵风到达其它各个风力发电机的机位点之前，风电场级控制单元2已经根据当前阵风的特征值提前发出控制指令，这样就避免了风力发电机自身的控制单元控制动作滞后的问题，达到减小风力发电机阵风载荷的目的。下面描述根据本发明的风电场阵风载荷预警控制方法，图4是根据本发明示例性实施例的风电场阵风载荷预警控制方法的流程图。如上所述，在风电场中布置有多个风力发电机，分布在风电场外围的位于风电场受风前沿的位置的至少一个风力发电机用作至少一个备用阵风载荷预警机。参照图4，在步骤401，获取风电场的风向角。可从布置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。或者，可获取布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度，计算风向标角度的平均值，将计算的平均值作为风电场的风向角。在步骤402，根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机。可计算所述至少一个备用阵风载荷预警机的机位点坐标在风电场的风向角方向上的坐标分量，并且选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。在步骤403，根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值。可根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角和输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。当前阵风的特征值可以是当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，可根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。在步骤404，确定当前阵风的特征值是否大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值。如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则在步骤405，按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。如果在步骤404的确定结果为否，则在步骤405，确定当前阵风的特征值是否小于预定阈值。如果当前阵风的特征值小于预定阈值，则返回到步骤403。如果在步骤406的确定结果为否，则表明当前阵风的特征值大于当前阵风载荷预警机的安全阈值，此时，在步骤407，当前阵风载荷预警机停机，并且风电场中的各个风力发电机被控制为停机，以确保各个风力发电机处于安全状态。由于阵风载荷预警机处于来风方向的前沿，因此需要为阵风载荷预警机选择承载能力更大的机械部件以及容量更大的电气部件。除此之外，无需对风电场中的每个风力发电机都增加部件设计强度和电器部件设计余量，这样大大降低了风力发电机的设计成本和制造成本。此外，阵风载荷预警机向风电场中的其它风力发电机提供阵风预警，不仅提前获取了风电场的风速变化信息，解决了以往风电场控制中的变桨动作滞后性问题，也有效解决了由于变桨速率的增加而导致的变桨单元疲劳载荷增大的问题。根据本发明风电场阵风载荷预警控制系统和方法应用了阵风载荷预警机方案，可提前获取阵风信息，减小风电场中其它风力发电机的阵风载荷；通过提前得到阵风信息控制风力发电机运行，减小停机次数，增加发电时间，提升风电场的可利用率；本发明实施简单，可利用现有的风电场级的监控系统，通过简单改进，就能实现本发明；本发明能够大幅减小阵风载荷，减小部件成本，投入产出比高。虽然本发明是参照其示例性的实施例被具体描述和显示的，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。
权利要求
1.一种风电场阵风载荷预警控制系统，包括至少一个备用阵风载荷预警机，所述至少一个备用阵风载荷预警机是分布在风电场外围的至少一个风力发电机，位于风电场受风前沿的位置；风电场级控制单元，获取风电场的风向角，并根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机，根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值，其中，如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值， 则风电场级控制单元按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。
2.根据权利要求1所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，风电场级控制单元从布置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。
3.根据权利要求1所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，风电场级控制单元获取布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度，计算风向标角度的平均值，将计算的平均值作为风电场的风向角。
4.根据权利要求2或3所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，风电场级控制单元计算所述至少一个备用阵风载荷预警机的机位点坐标在风电场的风向角方向上的坐标分量，并且选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。
5.根据权利要求4所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，风电场级控制单元根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角和输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。
6.根据权利要求5所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，当前阵风的特征值是当前阵风的单位时间风速变化幅值。
7.根据权利要求6所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，风电场级控制单元根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。
8.根据权利要求6所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，风电场级控制单元根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。
9.根据权利要求6所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，如果当前阵风的单位时间风速变化幅值超出当前阵风载荷预警机的安全阈值，则当前阵风载荷预警机停机，并且将报警信号发送到风电场级控制单元，风电场级控制单元控制风电场中的各个风力发电机停机。
10.一种风电场阵风载荷预警控制方法，在风电场中布置有多个风力发电机，分布在风电场外围的位于风电场受风前沿的位置的至少一个风力发电机用作至少一个备用阵风载荷预警机，所述方法包括获取风电场的风向角；根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机；根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值；如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作， 改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。
11.根据权利要求10所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，获取风电场的风向角的步骤包括从布置在风电场中的测风塔获得风电场的风向角。
12.根据权利要求10所述的风电场阵风载荷预警控制系统，其中，获取风电场的风向角的步骤包括获取布置在风电场中的各个风力发电机的风向标角度，计算风向标角度的平均值，将计算的平均值作为风电场的风向角。
13.根据权利要求11或12所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，选择当前阵风载荷预警机的步骤包括计算所述至少一个备用阵风载荷预警机的机位点坐标在风电场的风向角方向上的坐标分量，并且选择与坐标分量中最大值对应的备选阵风载荷预警机作为当前阵风载荷预警机。
14.根据权利要求13所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，根据当前阵风载荷预警机的叶片桨距角和输出功率中的至少一种获得当前阵风的特征值。
15.根据权利要求14所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，当前阵风的特征值是当前阵风的单位时间风速变化幅值。
16.根据权利要求15所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，在当前阵风载荷预警机处于额定风速以下运行时，根据预定时间内当前阵风载荷预警机的输出功率的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。
17.根据权利要求15所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，在当前阵风载荷预警机处于额定风速以上运行时，根据预定时间内当前阵风载荷预警机的叶片桨距角的变化获得当前阵风的单位时间风速变化幅值。
18.根据权利要求15所述的风电场阵风载荷预警控制方法，其中，如果当前阵风的单位时间风速变化幅值超出当前阵风载荷预警机的安全阈值，则当前阵风载荷预警机停机， 并且控制风电场中的各个风力发电机停机。
全文摘要
本发明提供一种风电场阵风载荷预警控制系统和方法。所述系统包括至少一个备用阵风载荷预警机，所述备用阵风载荷预警机是分布在风电场外围的至少一个风力发电机，位于风电场受风前沿的位置；风电场级控制单元，获取风电场的风向角，并根据所述风向角从所述至少一个备用阵风载荷预警机选择针对所述风向角的当前阵风载荷预警机，根据当前阵风载荷预警机的运行状态获得当前阵风的特征值，如果当前阵风的特征值大于预定阈值且小于当前阵风载荷预警机的安全阈值，则风电场级控制单元按照与当前阵风的特征值对应的变桨速率对布置在风电场中的各个风力发电机进行变桨操作，改变各个风力发电机的叶片桨距角，使得各个风力发电机在额定功率下运行。
文档编号G08B21/18GK102493918SQ20111044005
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者肖学成 申请人:新疆金风科技股份有限公司