基于风速波动特性的风机控制方法及相关产品与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于风速波动特性的风机控制方法及相关产品。


背景技术：

2.风电机组的能量来源是风，机组本地风资源是机组发电所需的“燃料”，是影响风电机组发电效率和性能的最重要因素。短期的风速波动对于风电机组的能量捕获、风机控制策略以及风机的疲劳寿命都具有重要的影响。
3.目前，风电机组对风场风速特性的识别，特别是对个体机组特性的识别仅停留在湍流度判断上，仅识别本地风机湍流强度，做湍流强度统计，且湍流强度统计仅作为风机风资源分析的参考，并未实质性参与风机控制策略的改善，无法根据本地风速特征进行针对性控制，不能适应所有风况的现实，往往造成机组发电效率损失、机组载荷超标甚至被迫延长停机时间等问题。因此，目前尚没有形成有效的风速波动特征识别方法，没有根据当地风速特性变换风机控制策略以提高风机综合控制能力的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于风速波动特性的风机控制方法及相关产品。
5.本发明的一个方面提供一种基于风速波动特性的风机控制方法，包括：
6.根据风机风轮旋转与风速变化的传递函数关系确定风速处理平均化参数；
7.基于所述风速处理平均化参数，以一定时间段为单位连续测量各时间段内的平均风速值、风速波动总次数、每次风速波动的波动幅值和每次风速波动的波动持续时间；
8.根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值对所述一定时间段内的风速波动进行分类处理；
9.根据所述一定时间段内的各类风速波动的次数和所述风速波动总次数统计各类风速波动的波动率，并通过比较各类风速波动的波动率得出所述一定时间段内的主导风速波动；
10.根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略。
11.可选的，所述基于所述风速处理平均化参数，以一定时间段为单位连续测量各时间段内的平均风速值、风速波动总次数、每次风速波动的波动幅值和每次风速波动的波动持续时间，包括：
12.将风速持续增大或持续减小的一个完整过程记为一次风速波动，其中，风速持续增大记为正向波动，风向速持续减小记为负向波动。
13.可选的，所述根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值对所述一定时间
段内的风速波动进行分类，包括
14.根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值，将所述一定时间段内的风速波动划分为：波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的细微风速波动、波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的短时阵风波动、波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续时间阈值的最佳发电风速波动、波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续时间阈值的正常阵风波动。
15.可选的，所述根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略，包括：
16.当所述平均风速值小于等于所述额定风速时，采用如下方式对风机进行转矩控制：如果所述细微风速波动是主导风速波动，则采用最优叶尖速比控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用惯性储能控制；如果所述最佳发电风速波动或者所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用叶尖速快速跟踪控制。
17.可选的，所述根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略，包括：
18.当所述平均风速值大于所述额定风速时，采用如下方式对风机进行变桨控制：如果所述细微风速波动或者所述最佳发电风速波动是主导风速波动，则采用正常变增益控制；如果所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用阵风变增益控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用主动降载变增益控制。
19.本发明的另一个方面提供一种基于风速波动特性的风机控制系统，包括：
20.平均化参数确定模块，用于根据风机风轮旋转与风速变化的传递函数关系确定风速处理平均化参数；
21.测量模块，用于基于所述风速处理平均化参数，以一定时间段为单位连续测量各时间段内的平均风速值、风速波动总次数、每次风速波动的波动幅值和每次风速波动的波动持续时间；
22.分类处理模块，用于根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值对所述一定时间段内的风速波动进行分类处理；
23.统计分析模块，用于根据所述一定时间段内的各类风速波动的次数和所述风速波动总次数统计各类风速波动的波动率，并通过比较各类风速波动的波动率得出所述一定时间段内的主导风速波动；
24.控制模块，用于根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略。
25.可选的，所述分离处理模块根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值，将所述一定时间段内的风速波动划分为：波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的细微风速波动、波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的短时阵风波动、波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续时间阈值的最佳发电风速波动、波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续
时间阈值的正常阵风波动。
26.可选地，当所述平均风速值小于等于所述额定风速时，所述控制模块采用如下方式对风机进行转矩控制：如果所述细微风速波动是主导风速波动，则采用最优叶尖速比控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用惯性储能控制；如果所述最佳发电风速波动或者所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用叶尖速快速跟踪控制；
27.当所述平均风速值大于所述额定风速时，所述控制模块采用如下方式对风机进行变桨控制：如果所述细微风速波动或者所述最佳发电风速波动是主导风速波动，则采用正常变增益控制；如果所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用阵风变增益控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用主动降载变增益控制。
28.本发明的又一方面提供一种风电机组，包括：
29.一个或多个处理器；
30.存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现上述基于风速波动特性的风机控制方法。
31.本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现上述基于风速波动特性的风机控制方法。
32.本发明提供的基于风速波动特性的风机控制方法及相关产品基于当地机组采集的风速波动特征提取算法，利用提取的实时风速特性，指导风机选择最优控制参数组合，实现风速风能吸收率的提高及风机整体控制性能的提升。本发明通过对一定时间段的风速波动特性进行分类处理，能够实现实时指导风机控制器进行风况适应性算法变更，达到提高风能综合利用率及风机整体性能提升的目的。
33.本发明的基于风速波动特性的风机控制方法及相关产品能够使风电机组具有环境辨识能力和自环境适应能力，提高机组的发电效率增加机组发电量；在辨识到的恶略湍流风下使机组选择保守的控制策略，避免风机停机，达到了提高机组可利用小时数，减小机组载荷，增加机组寿命的目的；为风电场整场控制提供机组分组、整场控制等提供核心参照信息、核心控制决策输入；实现风电机组度电成本降低和发电量提升，提高风电平价上网的竞争力。
附图说明
34.图1为本发明的一种基于风速波动特性的风机控制方法的流程示意图；
35.图2为本发明的一种基于风速波动特性的风机控制系统的组成示意框图；
36.图3为本发明的实施例的一定时间段的风速随时间变化的波动折线示意图；
37.图4为本发明的一种基于风速波动特性的风机控制方法的风速波动划分区域示意图。
具体实施方式
38.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
39.如图1所示，本发明提出一种基于风速波动特性的风机控制方法，包括：
40.步骤s1：根据风机风轮旋转与风速变化的传递函数关系确定风速处理平均化参数；
41.根据本发明的实施方式，由于风机风速仪采集到的原始风速为包含多种高频干扰信号在内的混乱信息，因此首先需对风速经滤波处理。对同一组风速数据进行不同时间长度的平均值计算，所得到的风速特性信息可应用于不同的用途，从数据处理结果可以看出，100ms级别的风速波动杂乱无规律，主要反映采集过程的高频干扰信号，1s级风向数据反应风速的无规律波动特点，1min 平均风速轻度反映风速的波动趋势，10min平均风速能反映风向的宏观变化特性。由于本发明的风速特性提取是用于风机功率控制算法，因此采用根据风电机组风轮旋转与风速变化的传递函数关系选择风速处理平均参数的数据处理原则。
42.具体地，根据特定风机模型的电机旋转与风速变化的传递函数关系式，如式1所示：
[0043][0044]
式中：jsum为风电机组传动系统总转动惯量；ω0为当前电机转速；k
opt
为控制器转矩控制系数；c
pmax
功率利用系数；ρ为空气密度；a为风轮扫略面积；υ0为当前风速。
[0045]
以某种2兆瓦机型为例对具体实施案例进行说明，不同机型数据会有差异，但不会跨越量级。依据该数据机型，选择电机旋转与风速变化的传递函数的时间常数为20s左右，因此优选地，分析风速数据时，选择时间尺度快于传递函数的时间常数4倍左右的参数，因此选择的时间尺度在5s这一量级范围附近进行。
[0046]
风速处理的一般表达式如式(2)所示：
[0047][0048]
其中：τ即为风速滤波的时间常数，其在10s这一数量级上。
[0049]
步骤s2：基于所述风速处理平均化参数，以一定时间段为单位连续测量各时间段内的平均风速值、风速波动总次数、每次风速波动的波动幅值和每次风速波动的波动持续时间；
[0050]
对于风速变化的分析过程，如果某一时间段的风速变化的次数少且每次变化的幅度较小，则该时间段的风速稳定；反之若某一时间段的风速变化次数多且每次变化的幅度较大，则该时间段的风速不稳定。对于单次风速波动的量化分析，可以从风速变化的幅度和持续时间两个方面进行考察。根据本发明的实施方式，将风速波动过程中风速持续增大或持续减小的一个完整过程记为一次风速波动，风速持续增大记为正向波动，风向速持续减小记为负向波动。某时间段中风速的正向波动次数和负向波动次数的总和记为波动总次数m。以图3所示的一个长度为40s的时间段的风速随时间变化的波动过程为例，左侧方框圈出的波动过程为正向波动，其风速波动幅值a大约为3m/s，波动持续时间t大约为4s；右侧方框圈出的波动过程为负向波动，其风速波动幅值a 大约为5m/s，波动持续时间t大约为10s。通过统计分析某时间段内的风速波动次数和每次风速波动的波动幅值和波动持续时间两个参数，可以得出该风电机组本地风速当前一个时间段的波动规律。
[0051]
以2mw风电机组低风速启动与停止过程遵循的控制规则为例，机组低风速切入风速为3.0m/s，低风速切出风速为2.8m/s，高风速切出风速为20m/s，当机组检测到当前10分
钟平均风速值达到设定的启动风速值(即低风速切入风速)时，机组将启动运行；若检测到当前10分钟平均风速值低于设定的停机风速值(即低风速切出风速)时，机组将进入待机状态。因此，当风速达不到机组运行的要求时，统计该段时间内的风速指标没有意义。在进行风速波动统计时，需要注意以下几点：
[0052]
1)如果风电机组处于停机状态，只有当第i秒的前10分钟平均风速大于低风速切入风速，风电机组启动时，才开始统计波动；
[0053]
2)若风电机组处于运行状态，当第i秒的前10分钟平均风速小于切出风速时，此时风电机组进入停机状态，不进行波动的统计；
[0054]
3)设一组数据的总数为n，记第i个秒级数据为si,1≤i≤ n，其中si为第i秒的风速值。求第i秒前10分钟的风速平均值的公式为：
[0055][0056]
步骤s3：根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值对所述一定时间段内的风速波动进行分类处理；
[0057]
根据本发明的实施方式，根据预先设定的风速波动幅值阈值 ea和风速波动持续时间阈值et，可将m次风速波动划分到4个区域中，如图4所示。该4类风速波动具体为：波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的细微风速波动，如图4中所示的a1；波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间小于波动持续时间阈值的短时阵风波动，如图4中所示的a2；波动幅值小于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续时间阈值的最佳发电风速波动，如图4中所示的b1；波动幅值大于波动幅值阈值且波动持续时间大于波动持续时间阈值的正常阵风波动，如图4中所示的b2。
[0058]
步骤s4：根据所述一定时间段内的各类风速波动的次数和所述风速波动总次数统计各类风速波动的波动率，并通过比较各类风速波动的波动率得出所述一定时间段内的主导风速波动；
[0059]
根据本发明的实施方式，衡量风速波动特性的指标可以包括：
[0060]
1)风速总波动率w：即风向波动总次数m占风向序列个数 n的比例，w越小则风向稳定性高：
[0061][0062]
2)风速细微波动率p
a1
：图4中a1区域内的风速波动百分比，p
a1
越大，表明该时间段内频繁细碎的风向波动越多：
[0063][0064]
式中，n
a1
为位于图4中的区域a1内的波动次数。
[0065]
3)短时阵风波动率p
a2
：图4中a2区域内的风速波动百分比，p
a2
反映风速短时剧烈的变化，是风机振动故障的主要风况，此波动率过高，风机需起用保守运行措施，为保证机组安全，可牺牲部分发电量：
[0066]
[0067]
式中，n
a2
为位于图4中的区域a2内的波动次数。
[0068]
4)最佳发电风速波动率p
b1
：图4中b1区域内的风速波动百分比。此区域内风速在较长时间段内稳定在某一速度范围，p
b1
越大，表明风速越稳定，此区域风速波动率高，可最大限度开启功率提升算法以实现最大化发电。
[0069][0070]
式中，n
b1
为位于图4中的区域b1内的波动次数。
[0071]
5)正常阵风波动率p
b2
：图4中的b2区域内的风速波动百分比。此区域内为风速持续稳定的变化，此区域机组功率改变较大，但风机控制器能够应付，在最优风速段，是最优控制算法发挥作用的最佳风况，较好的控制算法，可以提高此风况的发电量；在高风速变桨控制风速段，此风况是变桨控制算法优劣的最佳考量风况。较好的变桨控制，能平稳满功率发电，但较差的控制算法，会导致功率大量损失。
[0072][0073]
式中，n
b2
为位于图4中的区域b2内的波动次数。
[0074]
通过比较p
a1
、p
a2
、p
b1
、p
b2
，得出该时间段内的主导风速波动。
[0075]
步骤s5：根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略。
[0076]
通过比较一定时间段内各类风速波动的波动率，能够得出就地机组或就地机组附近一个适当区域机组群在一段时间内的风速特征。依据辨识出的风速特征超出预先设定的阀值情况和当前风速值范围情况，细分该机组或附近相关机组群所使用的控制算法。
[0077]
风电机组以额定风速为界进行转矩控制和变桨控制。额定风速以下进行转矩控制，以最大化吸收风能为主；额定风速以上进行变桨控制，以保证风能以额定风速平稳发电，同时保证机组载荷安全为主。在同一平均风速情况下，风速波动率越大风能含能越高。不同的风电机组控制算法，会在某一个控制目标值上较有优势，但会损失其他方面的控制性能。总体来说，风电机组控制是各个控制目标的平衡。
[0078]
根据本发明的实施方式，当所述平均风速值小于等于所述额定风速时，采用如下方式对风机进行转矩控制：
[0079]
如果所述细微风速波动是主导风速波动，则采用最优叶尖速比控制(正常最优k
opt
转矩控制算法)，最优叶尖速比控制算法为风电机组普遍应用，表现中规中矩，适合图4中a1区域风况；
[0080]
如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用惯性储能控制(惯性储能最优k
opt
转矩控制算法)，惯性储能控制强化输出功率的平稳性，传动链载荷的减缓性，适合图4中a2区域风况，但会损失跟风效果，造成发电量的降低；
[0081]
如果所述最佳发电风速波动或者所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用叶尖速快速跟踪控制(叶尖速快速跟踪最优k
opt
转矩控制算法)，叶尖速快速跟踪控制强化叶尖速比跟踪，跟风能力增强，适合附图4中b1和b2区域风况，能显著提高发电量，特别适合b2区域风况，但会增加电能输出波动，如用于图4中 a2区域风况，则会导致功率输出震荡并对传
动链部件造成危害。
[0082]
当所述平均风速值大于所述额定风速时，采用如下方式对风机进行变桨控制：
[0083]
如果所述细微风速波动或者所述最佳发电风速波动是主导风速波动，则采用正常变增益控制(正常变增益pi桨距控制算法)，正常变增益控制为风电机组普遍应用，表现中规中矩，适合图4 中a1和b1区域风况；
[0084]
如果所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用阵风变增益控制(阵风控制变增益pi桨距控制算法)，阵风变增益控制强化快速调浆，对超速控制有益，适合图4中b2区域风况，但会造成功率的波动，使功率不能很好稳定在最大功率处；
[0085]
如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用主动降载变增益控制(主动降载变增益pi桨距控制算法)，主动降载变增益控制强化机组的载荷保护，以损失发电量为代价保护风电机组载荷不超标，但会造成功率较大损失。总体上衡量，该控制算法使风机运行在本该停机的风况下，实际上是提高了发电量，但应用前提是能够识别风况。此算法适合图4中a2区域风况。
[0086]
如图2所示，本发明还提出一种基于风速波动特性的风机控制系统，包括：
[0087]
平均化参数确定模块1，用于根据风机风轮旋转与风速变化的传递函数关系确定风速处理平均化参数；
[0088]
测量模块2，用于基于所述风速处理平均化参数，以一定时间段为单位连续测量各时间段内的平均风速值、风速波动总次数、每次风速波动的波动幅值和每次风速波动的波动持续时间；
[0089]
分类处理模块3，用于根据预先设定的波动幅值阈值和波动持续时间阈值对所述一定时间段内的风速波动进行分类处理；
[0090]
统计分析模块4，用于根据所述一定时间段内的各类风速波动的次数和所述风速波动总次数统计各类风速波动的波动率，并通过比较各类风速波动的波动率得出所述一定时间段内的主导风速波动；
[0091]
控制模块5，用于根据所述平均风速值与额定风速的关系确定对风机进行转矩控制或者变桨控制，并基于所述一定时间段内的主导风速波动对所述转矩控制或者所述变桨控制采用相应的控制策略。
[0092]
根据本发明的实施方式，当所述平均风速值小于等于所述额定风速时，所述控制模块采用如下方式对风机进行转矩控制：如果所述细微风速波动是主导风速波动，则采用最优叶尖速比控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用惯性储能控制；如果所述最佳发电风速波动或者所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用叶尖速快速跟踪控制；
[0093]
当所述平均风速值大于所述额定风速时，所述控制模块采用如下方式对风机进行变桨控制：如果所述细微风速波动或者所述最佳发电风速波动是主导风速波动，则采用正常变增益控制；如果所述正常阵风波动是主导风速波动，则采用阵风变增益控制；如果所述短时阵风波动是主导风速波动，则采用主动降载变增益控制。
[0094]
本发明还提出一种风电机组，包括：
[0095]
一个或多个处理器；
[0096]
存储单元，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个
处理器执行时，能使得所述一个或多个处理器实现上述基于风速波动特性的风机控制方法。
[0097]
需要说明的是，本发明的基于风速波动特性的风机控制方法可以在单个风电机组自带plc中运行，实现上述风速波动特性辨识及控制方式切换的控制任务。同时，作为扩展应用，本发明的基于风速波动特性的风机控制方法可以适用于一个风电场的多台风电机组的场站控制。一个实际的情况是，风电场中同一台机组附近，地理位置相近，地形特征相近的一组风机，风速特征在同一时间段往往是相似的。本发明的基于风速波动特性的风机控制方法可以在整场控制器中的一台计算机中运行，通过辨识一台风电机组的风速特征，控制地理位置相近的多台风电机组。
[0098]
另外，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能实现上述基于风速波动特性的风机控制方法。
[0099]
其中，计算机可读介质可以是本发明的装置、设备、系统中所包含的，也可以是单独存在。
[0100]
其中，计算机可读存储介质可是任何包含或存储程序的有形介质，其可以是电、磁、光、电磁、红外线、半导体的系统、装置、设备，更具体的例子包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、光纤、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件，或它们任意合适的组合。
[0101]
其中，计算机可读存储介质也可包括在基带中或作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码，其具体的例子包括但不限于电磁信号、光信号，或它们任意合适的组合。
[0102]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。