大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法与系统与流程

1.本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法与系统。


背景技术：

2.风力发电机组单机容量发展十分迅速，尤其是海上机组，单机容量已突破16mw，单机容量的增大意味着机组的转动惯量也会增大。风力发电机组在额定风速以下时，通过转矩控制调节发电机转速使其处于最优叶尖速比状态，从而获得最佳的发电功率。但是，考虑到大转动惯量风力发电机组的风轮巨大的惯性力，其动态跟踪性能必然是缓慢的，难以兼顾对实际低风速工况和高风速工况的转速跟踪性能。即随着现场实际湍流风的频繁波动，大惯量风力发电机组更多的时间处于动态跟踪过程中，而非运行在稳态工作点上，理论上这样造成了发电量的损失。而风力发电机组能捕获的最大风能与风速的立方成正比关系，即低风速时段蕴含的风能要远小于等时长的高风速时段。基于此，提升对于高风速的动态跟踪性能对发电量而言更为关键，即使因此牺牲了部分对低风速的动态跟踪性能，也可以带来发电量的提升。
3.目前，常规的风力发电机组最大功率功率跟踪控制中鲜有考虑风力发电机组转动惯量日益增长的影响，对于额定风速以下的低风速和高风速工况采用同样策略进行最大功率跟踪，急需改进。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法，不需要额外增加硬件或传感器设备即可带来发电量的提升，在无需额外成本的前提下可获得了更高的收益。
5.本发明的第二目的在于提供一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制系统。
6.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法，基于以下公式：
7.风力发电机组在额定风速以下时的最优转速由最优叶尖速比λ
opt
和风速ν决定，如式(1)所示：
[0008][0009]
式中，ω表示发电机转速，g代表齿轮箱传动比，r代表叶轮半径；
[0010]
基于上述公式，该方法是以前3分钟的历史平均风速作为下一个周期风速的预测，代入式(1)中将计算得到的转速值作为发电机转速的最小限值ω
min
，更新式(1)为：
[0011][0012]
即使下一时刻的实际风速低于前3分钟的历史平均风速在后续的几个周期中也会波动回升，故将发电机转速限制在ω
min
，待后续周期风速回升时，被限制了转速的风力发电机组将更快地跟踪到最优转速；当然，若风速持续长时间下降，前3分钟的历史平均风速会相较实际风速下降更晚，风力发电机组也会更晚地跟踪到最优转速，这就牺牲了风力发电机组对渐弱风速的跟踪性能，此过程也会损失一部分发电量；但当风速回升时，风力发电机组由于转速下降慢，能够从更高的转速值上升到最优转速，这就提升了对渐强风速的跟踪性能；由于低风速时段蕴含的风能远小于等时长的高风速时段，因此在风工况总体的上升和下降的变化是平均的前提下，提升收益的部分显然比牺牲收益的部分大；
[0013]
另外，为了能够灵活调整对转速的限制程度，引入调节环节η，更新式(2)为：
[0014][0015]
式中，调节环节为关于前3分钟的历史平均风速的函数，根据不同风速段，通过调节环节η的不同设置，能够调整对发电机转速限制的程度，以获取最佳收益。
[0016]
进一步，所述大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法，包括以下步骤：
[0017]
1)读取传感器风速信息
[0018]
风力发电机组进入正常发电模式后，开始从激光雷达式测风传感器和超声波传感器收集风速历史信息，直至收集满3分钟的历史风速信息；
[0019]
2)计算最小转速限值
[0020]
根据3分钟历史风速信息求出前3分钟的历史平均风速按式(3)计算出最小转速限值ω
min
；
[0021]
3)对计算得到的最小转速限值ω
min
做限幅处理
[0022]
若计算出的最小转速限值ω
min
小于风力发电机组的并网转速时，将输出限幅为并网转速；若计算出的最小转速限值ω
min
大于风力发电机组的额定转速时，将输出限幅为额定转速；
[0023]
4)修改实际最小转速限制参数
[0024]
若风力发电机组的桨叶开始收桨偏离最优桨距角，则不执行修改实际最小转速限制参数；若风力发电机组开桨到最优桨距角，并持续两分钟维持在最优桨距角时，则执行修改实际最小转速限制参数，具体是用限幅后的最小转速限值ω
min
去修改实际最小转速限制参数。
[0025]
进一步，在步骤1)中，采用低通滤波器对风速信息进行滤波。
[0026]
本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制系统，包括：
[0027]
传感器风速信息读取模块，用于收集风速历史信息；
[0028]
最小转速限值计算模块，用于计算出最小转速限值；
[0029]
限幅处理模块，用于对计算得到的最小转速限值做限幅处理；
[0030]
修改模块，用于修改实际最小转速限制参数。
[0031]
进一步，所述传感器风速信息读取模块是在风力发电机组进入正常发电模式后，开始从激光雷达式测风传感器和超声波传感器收集风速历史信息，直至收集满3分钟的历史风速信息，其中，采用低通滤波器对风速信息进行滤波。
[0032]
进一步，所述最小转速限值计算模块是根据3分钟历史风速信息求出前3分钟的历史平均风速按以下公式计算出最小转速限值ω
min
；
[0033][0034]
式中，g代表齿轮箱传动比，r代表叶轮半径，λ
opt
代表最优叶尖速比，η代表调节环节，为关于前3分钟的历史平均风速的函数，根据不同风速段，通过调节环节η的不同设置，能够调整对发电机转速限制的程度，以获取最佳收益。
[0035]
进一步，所述限幅处理模块具体执行以下操作：
[0036]
若计算出的最小转速限值ω
min
小于风力发电机组的并网转速时，将输出限幅为并网转速；若计算出的最小转速限值ω
min
大于风力发电机组的额定转速时，将输出限幅为额定转速。
[0037]
进一步，所述修改模块具体执行以下操作：
[0038]
若风力发电机组的桨叶开始收桨偏离最优桨距角，则不执行修改实际最小转速限制参数；若风力发电机组开桨到最优桨距角，并持续两分钟维持在最优桨距角时，则执行修改实际最小转速限制参数，具体是用限幅后的最小转速限值ω
min
去修改实际最小转速限制参数。
[0039]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0040]
1、本发明可在额定风速以下，提升风力发电机组的发电量。
[0041]
2、本发明不需要新增额外的硬件设备或传感器，无成本增加。
[0042]
3、本发明比传统的控制方法不会产生明显的载荷变化。
附图说明
[0043]
图1为本发明方法的逻辑流程示意图。
[0044]
图2为本发明在仿真中的功率对比曲线图。
[0045]
图3为本发明在仿真中的转速对比曲线图。
[0046]
图4为本发明在仿真中的风速曲线图。
[0047]
图5为本发明系统的架构图。
具体实施方式
[0048]
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。
[0049]
实施例1
[0050]
风力发电机组在额定风速以下时的最优转速由最优叶尖速比λ
opt
和风速v决定，如式(1)所示：
[0051][0052]
式中，ω表示发电机转速，g代表齿轮箱传动比，r代表叶轮半径；
[0053]
基于上述公式，本实施例所提供的大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法，是以前3分钟的历史平均风速作为下一个周期风速的预测，代入式(1)中将计算得到的转速值作为发电机转速的最小限值ω
min
，更新式(1)为：
[0054][0055]
上式的思想是，即使下一时刻的实际风速低于前3分钟的历史平均风速在后续的几个周期中也会波动回升，故将发电机转速限制在ω
min
，待后续周期风速回升时，被限制了转速的风力发电机组将更快地跟踪到最优转速；当然，若风速持续长时间下降，前3分钟的历史平均风速会相较实际风速下降更晚，风力发电机组也会更晚地跟踪到最优转速，这就牺牲了风力发电机组对渐弱风速的跟踪性能，此过程也会损失一部分发电量；但当风速回升时，风力发电机组由于转速下降慢，能够从更高的转速值上升到最优转速，这就提升了对渐强风速的跟踪性能；由于低风速时段蕴含的风能远小于等时长的高风速时段，因此在风工况总体的上升和下降的变化是平均的前提下，提升收益的部分显然比牺牲收益的部分大。
[0056]
另外，为了能够灵活调整对转速的限制程度，引入调节环节η，更新式(2)为：
[0057][0058]
式中，调节环节为关于前3分钟的历史平均风速的函数，根据不同风速段，通过调节环节η的不同设置，能够调整对发电机转速限制的程度，以获取最佳收益。
[0059]
如图1所示，本实施例所提供的大容量变速风力发电机组提升发电量的控制方法，包括以下步骤：
[0060]
1)读取传感器风速信息
[0061]
风力发电机组进入正常发电模式后，开始从激光雷达式测风传感器和超声波传感器收集风速历史信息，直至收集满3分钟的历史风速信息；其中，采用低通滤波器对风速信息进行滤波。
[0062]
2)计算最小转速限值
[0063]
根据3分钟历史风速信息求出前3分钟的历史平均风速按式(3)计算出最小转速限值ω
min
。
[0064]
3)对计算得到的最小转速限值ω
min
做限幅处理
[0065]
若计算出的最小转速限值ω
min
小于风力发电机组的并网转速时，将输出限幅为并网转速；若计算出的最小转速限值ω
min
大于风力发电机组的额定转速时，将输出限幅为额定转速。
[0066]
4)修改实际最小转速限制参数
[0067]
若风力发电机组的桨叶开始收桨偏离最优桨距角，则不执行修改实际最小转速限制参数；若风力发电机组开桨到最优桨距角，并持续两分钟维持在最优桨距角时，则执行修改实际最小转速限制参数，具体是用限幅后的最小转速限值ω
min
去修改实际最小转速限制参数。
[0068]
图2至图4展示了本实施例上述方法在仿真中的运行效果。
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例公开了一种大容量变速风力发电机组提升发电量的控制系统，如图5所示，包括传感器风速信息读取模块、最小转速限值计算模块、限幅处理模块和修改模块。
[0071]
所述传感器风速信息读取模块是在风力发电机组进入正常发电模式后，开始从激光雷达式测风传感器和超声波传感器收集风速历史信息，直至收集满3分钟的历史风速信息；其中，采用低通滤波器对风速信息进行滤波。
[0072]
所述最小转速限值计算模块是根据3分钟历史风速信息求出前3分钟的历史平均风速按以下公式计算出最小转速限值ω
min
；
[0073][0074]
式中，g代表齿轮箱传动比，r代表叶轮半径，λ
opt
代表最优叶尖速比，η代表调节环节，为关于前3分钟的历史平均风速的函数，根据不同风速段，通过调节环节η的不同设置，能够调整对发电机转速限制的程度，以获取最佳收益。
[0075]
所述限幅处理模块具体执行以下操作：
[0076]
若计算出的最小转速限值ω
min
小于风力发电机组的并网转速时，将输出限幅为并网转速；若计算出的最小转速限值ω
min
大于风力发电机组的额定转速时，将输出限幅为额定转速。
[0077]
所述修改模块具体执行以下操作：
[0078]
若风力发电机组的桨叶开始收桨偏离最优桨距角，则不执行修改实际最小转速限制参数；若风力发电机组开桨到最优桨距角，并持续两分钟维持在最优桨距角时，则执行修改实际最小转速限制参数，具体是用限幅后的最小转速限值ω
min
去修改实际最小转速限制参数。
[0079]
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。