风力发电机控制方法及其系统及计算机可读存储介质与流程

1.本技术实施例涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机控制方法及其系统及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.随着煤炭、石油等能源的逐渐枯竭，人类越来越重视可再生能源的利用。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到世界各国的重视。伴随着风电技术的不断发展，风力发电机组在电力系统中的应用日益增加。风力发电机组是将风能转化为电能的大型设备，通常设置于风能资源丰富的地区。
3.在不平衡载荷影响下，塔筒前后和左右方向会发生振动，如果风力发电机的转速与塔筒实际频率产生共振，会影响风机安全运行。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种风力发电机控制方法及其系统及计算机可读存储介质，能够确保风力发电机的安全。
5.本技术实施例的一个方面提供一种风力发电机控制方法，包括：获取风力发电机运行中的塔筒频率实际值；根据所述塔筒频率实际值和所述风力发电机的转速设计值的m倍的关系，确定风力发电机的转速控制策略，其中m为正整数；及根据所述转速控制策略，控制所述风力发电机的转速。
6.可选地，所述根据所述塔筒频率实际值和所述风力发电机的转速设计值的m倍的关系，确定风力发电机的转速控制策略，包括：
7.若所述转速设计值的m倍在共振频率范围外，确定所述转速控制策略的转速目标值等于所述转速设计值，所述共振频率范围是根据所述塔筒频率实际值确定的，且包括所述塔筒频率实际值；及
8.若所述转速设计值的m倍在所述共振频率范围内，确定所述转速目标值的m倍为所述共振频率范围的端值或所述共振频率范围外的值；
9.所述根据所述转速控制策略，控制所述风力发电机运行，包括：
10.根据所述转速目标值，控制所述风力发电机的转速。
11.可选地，所述共振频率范围包括下限阈值和上限阈值，所述下限阈值小于所述塔筒频率实际值，所述上限阈值大于所述塔筒频率实际值。
12.可选地，所述下限阈值的取值范围为所述塔筒频率实际值的80％-90％；和/或所述上限阈值的取值范围为所述塔筒频率实际值的110％-120％。
13.可选地，所述共振频率范围包括下限阈值、上限阈值和在所述下限阈值和所述上限阈值之间的中间阈值，所述下限域值和上限阈值为所述共振频率范围的端值；
14.所述若所述转速设计值的m倍在所述共振频率范围内，确定所述转速目标值的m倍为所述共振频率范围的端值或所述共振频率范围外的值，包括：
15.若所述转速设计值的m倍在所述下限阈值和所述中间阈值之间，确定所述转速目标值的m倍等于或小于所述下限阈值。
16.可选地，所述若转速设计值的m倍在所述共振频率范围内，确定所述转速目标值的m倍为所述共振频率范围的端值或所述共振频率范围外的值，包括：
17.在风速大于风速阈值的工况下，若转速设计值的m倍在所述中间阈值和所述上限阈值之间，确定所述转速目标值的m倍等于或大于所述上限阈值；和/或
18.在风速不大于所述风速阈值的工况下，若转速设计值的m倍在所述中间阈值和所述上限阈值之间，确定所述转速目标值的m倍等于或小于所述下限阈值。
19.可选地，所述转速控制策略包括塔筒频率隔离策略，所述根据所述塔筒频率实际值和所述风力发电机的转速设计值的m倍的关系，确定风力发电机的转速控制策略，包括：
20.若所述塔筒频率实际值大于所述转速设计值的m倍，启用所述风力发电机的所述塔筒频率隔离策略，所述塔筒频率隔离策略包括：确定塔筒频率共振隔离范围，且控制所述风力发电机的转速穿越所述频率共振隔离范围。
21.可选地，所述风力发电机控制方法还包括：根据所述塔筒频率实际值，确定塔筒频率共振隔离范围。
22.本技术实施例的另一方面提供一种风力发电机控制系统：包括一个或多个处理器，用于实现上述风力发电机控制方法。
23.本技术实施例的又一个方面还提供一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现如上所述的风力发电机控制方法。
24.本技术的风力发电机控制方法可根据风力发电机的塔筒实际频率和转速设计值的m倍的关系，调整风力发电机的转速控制策略，可以降低或避免由于风力发电机塔筒频率实际值和塔筒频率设计值误差较大，导致转速设计值的m倍和塔筒频率实际值接近而造成塔筒发生共振的风险，提高风力发电机的安全性。
附图说明
25.图1为一种风力发电机的示意图；
26.图2为本技术一个实施例的风力发电机控制方法的流程图；
27.图3为图2的风力发电机控制方法步骤s1的具体流程图；
28.图4为图2的风力发电机控制方法步骤s2的示意图；
29.图5为本技术一个实施例的风力发电机控制系统的示意性框图。
具体实施方式
30.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本技术相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置的例子。
31.在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。除非另作定义，本技术实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本技术说明书以及权利要求书中使用的“第
一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
32.图1为一种风力发电机1的示意图，如图1所示，风力发电机1包括塔筒4和设于塔筒4上方的机舱19、设于机舱19端部的轮毂20设于轮毂20的叶片2。塔筒4受到风力发电机1的叶片2旋转造成的不平衡载荷，前后和左右方向会发生振动，如果风力发电机的转速的m倍(m为正整数)与塔筒4振动的塔筒实际频率相同或相近，会导致塔筒产生共振，影响风机安全运行。通常，当风力发电机的转速等于塔筒实际频率的一倍或三倍时，容易产生共振。在设计时，为了避免共振，会设计风力发电机的转速设计值的m倍和塔筒频率设计值相差较大，风力发电机运行中，根据转速设计值控制风力发电机，使风力发电机的实际转速等于转速设计值。实际转速的m倍和塔筒频率设计值也相差较大，与塔筒频率设计值也理应相差很大。然而，即使相同的风力发电机1，若所处环境不同，例如海上风力发电机所处的海水深度不同，塔筒频率实际值f也可能不同，有时会与塔筒频率设计值产生较大偏差。从而造成转速设计值的m倍可能和塔筒频率实际值f相同或接近，根据转速设计值来控制风力发电机，可能会导致共振。
33.图2为本技术一个实施例的风力发电机控制方法的流程图，请参考图2，本技术提供一种风力发电机控制方法，包括步骤s1-s3。
34.步骤s1中：获取风力发电机运行中的塔筒频率实际值f。在一些实施例中，所述步骤s1包括步骤s11-步骤s13。
35.图3为图2的风力发电机控制方法步骤s1的具体流程图。在步骤s11中：获取塔筒的振动加速度瞬时值和风力发电机的瞬时转速值。在一些实施例中，可在塔筒内以主轴为中心线对称安装两振动加速度传感器，测量机舱内轴心对称两点的振动加速度信号，再对两点的振动加速度信号进行加权计算，得到塔筒的振动加速度瞬时值，并且可在叶片2或塔筒4上任一处设置传感器，测量风力发电机1的瞬时转速值。
36.在步骤s12中：对塔筒的振动加速度瞬时值进行快速傅里叶变换，获取频谱图，通过峰值检测器检测出塔筒频率瞬时值。在一些实施例中，由于当转速频率等于塔筒实际频率时产生噪声，为了获得更准确的塔筒频率瞬时值，在对振动加速度瞬时值进行快速傅里叶变换，获取频谱图时，可使用陷波器滤除塔筒频率瞬时值附近的噪声信号，如此获得的塔筒频率瞬时值更为准确。
37.单个塔筒频率瞬时值可能有较大误差。在一些实施例中，在步骤s13中，对塔筒频率瞬时值在一设定样本周期内进行滑动平均计算，得到塔筒频率实际值f。如此塔筒频率实际值f误差小，可以认为是塔筒在当前工况下真实或接近真实的塔筒频率。
38.回到图2，在步骤s2中：根据塔筒频率实际值f和风力发电机的转速设计值的m倍mωg的关系，其中m为正整数，确定风力发电机的转速控制策略。其中转速设计值ωg根据塔筒频率设计值确定。m可以为1、3或6等。塔筒频率设计值根据塔筒4的尺寸、材料等确定。在一些实施例中，某海上风力发电机的塔筒4的材质为钢，塔筒频率设计值在0.2hz到0.5hz之间。为了避免共振的问题，转速设计值的m倍mωg设计时应当与塔筒频率设计值有一定差值，在本技术中该差值为10％-20％的塔筒频率设计值。
39.在步骤s3中：根据转速控制策略控制风力发电机的转速。至少两种不同的塔筒频率实际值f和风力发电机的转速设计值的m倍mωg的关系下，转速控制策略可不同，根据转速控制策略控制风力发电机来避免共振。考虑塔筒频率实际值f和风力发电机的转速设计值的m倍mωg的关系，调整转速控制策略，使得风力发电机的实际转速的m倍和塔筒频率实际值f相差较大，降低或消除共振的风险，提高安全性，解决了因塔筒频率实际值f和塔筒频率设计值偏差较大带来的共振风险高的问题。在一些实施例中，根据塔筒频率实际值f和转速设计值的m倍mωg的关系，确定转速控制策略的转速目标值，根据转速目标值控制风力发电机的转速。可以控制风力发电机的实际转速等于转速目标值ω
t
。
40.图4为图2的风力发电机控制方法步骤s2的示意图。在一些实施例中，步骤s2可包括步骤s21和步骤s22。
41.在步骤s21中，若转速设计值的m倍mωg在共振频率范围外，则确定转速控制策略的转速目标值等于转速设计值。因此转速目标值的m倍mω
t
等于转速设计值的m倍mωg。
42.在步骤s22中，若转速设计值的m倍mωg在共振频率范围内，确定转速目标值的m倍mωt为共振频率范围的端值或共振频率范围外的值。
43.步骤s3包括：根据转速目标值，控制风力发电机的转速。
44.共振频率范围是根据塔筒频率实际值f确定的，且包括塔筒频率实际值f。由于当转速的m倍在共振频率范围内时，表示其接近塔筒频率实际值f，塔筒4发生共振，因此风力发电机1的转速的m倍应当与塔筒频率实际值f有一定差值，确保风力发电机1的塔筒4不会发生共振。因此若转速设计值的m倍mωg在共振频率范围内，确定转速目标值的m倍mω
t
为共振频率范围的端值或共振频率范围外的值，使转速目标值的m倍mω
t
与塔筒频率实际值f有一定差值，从而控制风力发电机的实际转速与塔筒频率实际值f有一定差值，来降低或消除共振的风险。在一些实施例中，可以确定转速目标值的m倍mω
t
等于共振频率范围的端值。在其他一些实施例中，可以确定转速目标值的m倍mω
t
为共振频率范围外的接近共振频率范围的端值。
45.若转速设计值的m倍mωg在共振频率范围外，说明塔筒频率实际值f与转速设计值的m倍mωg的差值较大，风机在以转速设计值的m倍mωg的转速工作时，与塔筒频率发生共振的可能性较低，间接可以说明，此时的塔筒频率实际值f与塔筒频率设计值一致或相差不大，可以根据转速设计值控制风力发电机的实际转速，因此可确定转速目标值ω
t
等于转速设计值ωg，根据转速目标值ω
t
控制风力发电机的实际转速，使风力发电机以转速目标值ω
t
的转速运行，此时不会产生共振。判断转速设计值的m倍mωg是否在共振频率范围内，在共振频率范围内和在共振频率范围外的情况下，可以采取不同的转速控制策略，来降低共振的风险，提高安全性。
46.在一些实施例中，共振频率范围包括下限阈值和上限阈值，下限阈值和上限阈值
为共振频率范围的端值。在一些实施例中，下限阈值小于塔筒频率实际值f，上限阈值大于塔筒频率实际值f。共振频率范围在塔筒频率实际值f上下具有一定的区间，可以更大程度地降低共振风险。在一些实施例中，下限阈值的取值范围为塔筒频率实际值f的80％-90％；上限阈值的取值范围为塔筒频率实际值f的110％-120％。例如，下限阈值为0.85f，上限阈值为1.15f。如此使转速设计值的m倍mωg与塔筒频率实际值f的差值较大，可以有效地降低共振风险。
47.在一些实施例中，由于共振频率范围包括下限阈值和上限阈值，若转速设计值的m倍mωg在共振频率范围外，则表示转速设计值的m倍mωg低于共振频率范围的下限阈值或高于共振频率范围的上限阈值，此时塔筒频率实际值f与转速设计值的m倍mωg的差值较大，风机在以转速设计值的m倍mωg的转速工作时，与塔筒频率发生共振的可能性较低，间接可以说明，此时的塔筒频率实际值f与塔筒频率设计值相差不大，可确定转速控制策略的转速目标值ω
t
等于转速设计值ωg。
48.在一些实施例中，当转速设计值的m倍mωg在共振频率范围内时，此时塔筒频率实际值f与转速设计值的m倍mωg的差值较小，间接可以说明，塔筒频率实际值f与塔筒频率设计值相差较大，若风力发电机依然以转速设计值的m倍mωg运行，塔筒有很大可能性与之发生共振，进而引发安全事故。由于塔筒频率实际值f固定，本技术的风力发电机控制方法通过确定转速目标值ω
t
，达到使转速不与塔筒频率实际值f发生共振的目的。可以将转速目标值的m倍mω
t
确定为共振频率范围的上限阈值或下限阈值或大于上限阈值的值或小于下限阈值的值。
49.由于风力发电机通常采用三叶片结构，转速的3倍为叶片扫过塔筒的频率，当叶片频率等于塔筒频率实际值时，易诱发塔筒4的共振，故在图示实施例中，优选地使m等于3，如此，本技术提高了风力发电机1的安全性。在其他实施例中，m可等于1或6，防止转速本身或叶片频率的二倍频率诱发塔筒4共振，也可根据需求，将m设为其他正整数。
50.在一些实施例中，共振频率范围还包括在下限阈值和上限阈值之间的中间阈值，下限阈值小于塔筒频率实际值f，上限阈值大于塔筒频率实际值f。中间阈值可以是下限阈值和上限阈值的中点值或中点值附近的值。中点值等于下限阈值和上限阈值的平均值。在一些实施例中，中间阈值为塔筒频率实际值f。可将共振频率范围以中间阈值为界限分为两段讨论。
51.请参考图4，在一些实施例中，若转速目标值的m倍mω
t
在下限阈值和中间阈值之间，确定转速目标值的m倍mω
t
等于或小于下限阈值。此时转速设计值的m倍mωg大于塔筒频率实际值f但差值较小，需增大差值，可使转速目标值的m倍mω
t
等于或小于下限阈值。相对于上限阈值，转速目标值的m倍mω
t
更靠近下限阈值，如此调节速度较快，且调节的幅度较小。
52.在一些实施例中，可测量风力发电机所处环境的风速v，在风速v大于风速阈值v
min
的工况下，若转速目标值的m倍mω
t
在中间阈值和上限阈值之间，确定转速目标值的m倍mω
t
等于或大于上限阈值。此时风速较大，非小风模式，此时转速设计值的m倍mωg小于塔筒频率实际值f但差值较小，需增大差值，可使转速目标值的m倍mω
t
等于或大于上限阈值，同时由于风速较大，满足增加转速目标值的条件。
53.在风速v不大于风速阈值v
min
的工况下，风力发电机1处于小风模式，若转速目标值
的m倍mω
t
在中间阈值和上限阈值之间，确定转速目标值的m倍mω
t
等于或小于下限阈值。由于风速v较小，为了增大转速目标值的m倍mω
t
与塔筒频率实际值f的差值，确定转速目标值的m倍mω
t
等于或小于下限阈值。
54.在一些实施例中，所述转速控制策略包括塔筒频率隔离策略，当塔筒频率实际值f大于风力发电机的转速设计值的m倍mωg时，启用风力发电机的塔筒频率隔离策略，确定塔筒频率共振隔离范围，控制风力发电机的转速穿越频率共振隔离范围。在风力发电机的运行过程中，若运行转速在变化过程中接近或进入塔筒频率共振隔离范围，增大电机扭矩，控制风力发电机的转速不变，直至风速v足够大使风力发电机转速越过塔筒频率共振隔离范围时，迅速减小电机扭矩，使风力发电机快速穿越塔筒频率共振隔离范围。若塔筒频率实际值f小于风力发电机的转速设计值的m倍mωg，则风力发电机在并网后无需穿越频率共振隔离范围，则无需启用风力发电机的塔筒频率隔离策略。如此，本技术的风力发电机控制方法能在尽可能不额外损耗发电效率的情况下对转速进行自适应调整，提高风力发电机运行的安全性。
55.在一些实施例中，风力发电机控制方法还包括：根据塔筒频率实际值f，确定塔筒频率共振隔离范围。在一些实施例中，确定频率共振隔离范围的下限值为塔筒频率实际值f的95％，上限值为塔筒频率实际值f的105％。若启用风力发电机的塔筒频率隔离策略，风力发电机在接近或进入塔筒频率实际值f的95％-105％范围时，需快速穿越。
56.在一些实施例中，风力发电机的转速控制策略包括调整风力发电机的快速停机转速。当风力发电机所述环境的风速v大于最大风速阈值，需要停机保护时，需要控制风力发电机1的变频器(未图示)快速脱网并改变叶片的浆距角，此时需将叶片稳定在快速停机转速，在一些实施例中，风力发电机的快速停机转速等于转速目标值的m倍mω
t
，快速停机转速的具体调整方法与转速目标值的m倍mω
t
的调整方法相同。
57.本技术实施例还提供了一种风力发电机控制系统200，其应用于风力发电机1。图5揭示了本技术一个实施例的风力发电机控制系统200的示意性框图。如图5所示，风力发电机控制系统200可以包括一个或多个处理器201，用于实现上面任一实施例所述的风力发电机控制方法。在一些实施例中，风力发电机控制系统200可以包括计算机可读存储介质202，计算机可读存储介质202可以存储有可被处理器201调用的程序，可以包括非易失性存储介质。在一些实施例中，风力发电机控制系统200可以包括内存203和接口204。在一些实施例中，本技术实施例的风力发电机控制系统200还可以根据实际应用包括其他硬件。
58.本技术实施例的风力发电机控制系统200具有与上面所述的风力发电机控制方法相类似的有益技术效果，故，在此不再赘述。
59.本技术实施例还提供了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上面任一实施例所述的风力发电机控制方法。
60.本技术实施例可采用在一个或多个其中包含有程序代码的存储介质(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。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机可读存储介质的例子包括但不限于：相变存储器/阻变存储器/磁存储器/铁电存储器(pram/rram/mram/feram)等新型存储器、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其
他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
61.以上对本技术实施例所提供的风力发电机控制方法及其系统及计算机可读存储介质进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本技术实施例的风力发电机控制方法及其系统及计算机可读存储介质进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的核心思想，并不用以限制本技术。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术的精神和原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本技术所附权利要求书的保护范围内。