專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常為上風(fēng)向風(fēng)機(jī)，如果風(fēng)向改變，葉輪掃掠面和風(fēng)向不垂直，不但功率輸出減少，而且承受的載荷更加惡劣，所以需要有主動式的偏航系統(tǒng)跟蹤風(fēng)向，驅(qū)動機(jī)艙圍繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，使葉輪掃掠面與風(fēng)向垂直，降低運(yùn)行載荷，獲取最大的動能隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的風(fēng)場建在地形條件比較復(fù)雜的地區(qū)或者潮間帶。地形復(fù)雜的地區(qū)，氣流因受周圍地形的影響，風(fēng)速和風(fēng)向都將發(fā)生很大的變化，導(dǎo)致某些方位風(fēng)的平均風(fēng)速較低而湍流強(qiáng)度很大，如果風(fēng)機(jī)偏航進(jìn)入這些區(qū)域，運(yùn)行時疲勞載荷會大很多，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的使用壽命。對于潮間帶風(fēng)場，白天風(fēng)多是從海上吹向陸地(海風(fēng))；夜間，風(fēng)則從陸地吹向海上(陸風(fēng))。因為白天海陸溫差大，而夜間海陸溫差較小，一般海風(fēng)比陸風(fēng)要大很多，并且相應(yīng)空的氣密度也有不同。如果風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中對海風(fēng)和陸風(fēng)采用同樣的控制曲線會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率偏低。針對上述問題，如何能創(chuàng)設(shè)一種可保證機(jī)組能在運(yùn)行過程中避開高湍流的區(qū)域帶來的大疲勞載荷，在風(fēng)能質(zhì)量較好的區(qū)域后使用單獨設(shè)計的運(yùn)行和控制方案，提高機(jī)組的風(fēng)能利用效率的新的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，是當(dāng)前業(yè)界的
重要研究課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，使其可保證機(jī)組能在運(yùn)行過程中避開高湍流的區(qū)域帶來的大疲勞載荷，在風(fēng)能質(zhì)量較好的區(qū)域后使用單獨設(shè)計的運(yùn)行和控制方案，提高機(jī)組的風(fēng)能利用效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)， 包括通過傳感器測量機(jī)艙當(dāng)前位置、判斷是否進(jìn)入特定扇區(qū)的偏航扇區(qū)位置檢測模塊； 存儲各扇區(qū)特定控制算法的扇區(qū)控制策略模塊；以及根據(jù)機(jī)艙進(jìn)入的扇區(qū)位置切換到對應(yīng)控制算法并輸出控制信號的控制模式切換模塊。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的傳感器為加裝在偏航軸承上的傳感器，或為偏航系統(tǒng)原有的傳感器。所述的傳感器為絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器。所述的控制信號包括變槳距控制信號和發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制信號，通過通信回路分別傳輸至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)。所述的控制模式切換模塊和扇區(qū)控制策略模塊均設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的PLC中。此外，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，包括以下步驟對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航掃過的所有空間劃分扇區(qū)，扇區(qū)的絕對位置坐標(biāo)與偏航系統(tǒng)的坐標(biāo)一致；根據(jù)各扇區(qū)的風(fēng)能特性設(shè)計運(yùn)行和控制算法；實時檢測風(fēng)機(jī)葉輪當(dāng)前對風(fēng)的位置，并確定風(fēng)機(jī)當(dāng)前所進(jìn)入的扇區(qū)；根據(jù)所進(jìn)入的扇區(qū)，切換至相應(yīng)的運(yùn)行和控制算法，并根據(jù)結(jié)果輸出控制信號進(jìn)行控制。 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的扇區(qū)的劃分方法為首先根據(jù)海陸邊界進(jìn)行扇區(qū)劃分，之后根據(jù)風(fēng)場多年的氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)玫瑰圖，如果某個風(fēng)向的湍流強(qiáng)度大于風(fēng)場平均湍流強(qiáng)度 20%以上，則該方向左右16度劃分為一個扇區(qū)，每個扇區(qū)應(yīng)不小于32度，扇區(qū)總數(shù)不超過 6個。所述的運(yùn)行和控制算法包括變槳距控制算法和發(fā)電機(jī)扭矩控制算法。所述的扭矩控制算法的計算公式為=KoptCD2g，其中，Qd為最優(yōu)電磁扭矩，Cog為
發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，K。pt為最優(yōu)比例系數(shù)，1(_通過以下公式計算得到.-Kopt IR5CpmJ2龍-夢,
其中，Cpmax為機(jī)組最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)，λ max為最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比值，R為葉輪的半徑，P為空氣密度，G為齒輪箱的傳動比。當(dāng)葉輪進(jìn)入風(fēng)速較小而湍流強(qiáng)度較大的扇區(qū)時，通過調(diào)整Cpmax和λ _取較小的 Kopt 值。采用這樣的設(shè)計后，將本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，應(yīng)用于現(xiàn)代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以提高地形條件復(fù)雜的風(fēng)場內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行條件，降低運(yùn)行載荷，優(yōu)化潮間帶風(fēng)場風(fēng)機(jī)的控制效果，提高風(fēng)能利用效率。


上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖1是本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)的組成示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括偏航扇區(qū)位置檢測模塊、控制模式切換模塊和扇區(qū)控制策略模塊。其中，偏航扇區(qū)位置檢測模塊，主要通過傳感器測量機(jī)艙當(dāng)前位置，判斷是否進(jìn)入特定的扇區(qū)，為控制模式切換模塊提供依據(jù)。傳感器優(yōu)選為絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器，可以單獨設(shè)置在偏航軸承上的，也可以借用現(xiàn)有偏航系統(tǒng)的傳感器，對現(xiàn)有偏航系統(tǒng)測量信號進(jìn)行處理確定目前機(jī)艙的絕對位置。扇區(qū)控制策略模塊存儲各扇區(qū)特定的控制算法，主要是根據(jù)不同扇區(qū)的風(fēng)特性制定的變槳距控制算法和發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制算法。控制模式切換模塊是根據(jù)機(jī)艙進(jìn)入的扇區(qū)位置切換到對應(yīng)控制算法并輸出控制信號，例如如圖所示，將變槳距控制信號和發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制信號，通過通信回路分別傳輸至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)，執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)控制目標(biāo)。控制模式切換模塊和扇區(qū)控制策略模塊均設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的PLC 中。
本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，首先需對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航掃過的所有空間劃分扇區(qū)，扇區(qū)的絕對位置坐標(biāo)與偏航系統(tǒng)的坐標(biāo)一致，并將每個扇區(qū)具體位置參數(shù)設(shè)置在偏航扇區(qū)位置檢測模塊中。對于陸上風(fēng)場，分析風(fēng)場多年的氣象數(shù)據(jù)及風(fēng)玫瑰圖，根據(jù)平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的大小，結(jié)合周圍地形的復(fù)雜程度，把風(fēng)機(jī)偏航掃過的空間劃分不同扇區(qū)。對于潮間帶風(fēng)場，首先根據(jù)海陸邊界進(jìn)行扇區(qū)劃分，陸上扇區(qū)部分再根據(jù)多年氣象數(shù)據(jù)及風(fēng)玫瑰圖進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分。具體來說，如果某個風(fēng)向的湍流強(qiáng)度大于風(fēng)場平均湍流強(qiáng)度20%以上，則可在該方向左右16度劃分為一個扇區(qū)，每個扇區(qū)以不小于32度為宜，扇區(qū)總數(shù)以不超過6個為且。
之后，根據(jù)各扇區(qū)的風(fēng)能特性設(shè)計運(yùn)行和控制算法。具體可包括變槳距控制算法和發(fā)電機(jī)扭矩控制算法。對于扭矩控制，在葉片翼型確定以后，可以計算出機(jī)組最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax及對應(yīng)的葉尖速比值λ_。結(jié)合葉輪的半徑R、空氣密度P和齒輪箱的傳動比G，即可得到最優(yōu)比例系數(shù)=兀Pr5/2/LLx^3
ο當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之間的狀態(tài)時，可以計算出發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速 ω g時的最優(yōu)電磁扭矩= K0X。對于陸上型風(fēng)機(jī)，如果進(jìn)入湍流強(qiáng)度大的扇區(qū)，則采用降功率發(fā)電策略，選取較低的Cp(λ)值計算K。pt，同時降低發(fā)電機(jī)功率上限設(shè)定值，使變槳控制系統(tǒng)在較低的風(fēng)速時就開始變槳，增大槳距角，從而降低整機(jī)運(yùn)行疲勞載荷，延長風(fēng)機(jī)壽命。如果風(fēng)機(jī)進(jìn)入風(fēng)能質(zhì)量比較好的扇區(qū)，則切換回原有的控制策略。對于潮間帶風(fēng)機(jī)，由于海上氣流密度P _大于陸上P land，所以對于同樣的葉片翼型最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax及對應(yīng)的葉尖速比值λ_會有所不同。因此，在風(fēng)機(jī)進(jìn)入海風(fēng)扇區(qū)時采用與陸上扇區(qū)不同的K。pt值控制發(fā)電機(jī)的電磁扭矩，并采用與之相匹配的變槳控制算法，從而利于風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)風(fēng)能吸收狀態(tài)，提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率。系統(tǒng)運(yùn)行時，實時檢測風(fēng)機(jī)葉輪當(dāng)前對風(fēng)的位置，并確定風(fēng)機(jī)當(dāng)前所進(jìn)入的扇區(qū)， 之后根據(jù)所進(jìn)入的扇區(qū)，切換至相應(yīng)的運(yùn)行和控制算法，并根據(jù)結(jié)果輸出控制信號進(jìn)行控制。把本發(fā)明偏航扇區(qū)管理優(yōu)化控制算法用軟件實現(xiàn)，作為外部控制器對同一機(jī)型進(jìn)行仿真研究。仿真條件是在IEC3類風(fēng)場中，將傳統(tǒng)控制器和本發(fā)明實現(xiàn)的控制器進(jìn)行比對試驗。對于陸上風(fēng)機(jī)，通過本發(fā)明方法回避湍流強(qiáng)度較大扇區(qū)得到的葉片局部疲勞載荷數(shù)據(jù)如表格1所示。表1疲勞載荷數(shù)據(jù)對比
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于包括通過傳感器測量機(jī)艙當(dāng)前位置、判斷是否進(jìn)入特定扇區(qū)的偏航扇區(qū)位置檢測模塊；存儲各扇區(qū)特定控制算法的扇區(qū)控制策略模塊；以及根據(jù)機(jī)艙進(jìn)入的扇區(qū)位置切換到對應(yīng)控制算法并輸出控制信號的控制模式切換模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于所述的傳感器為加裝在偏航軸承上的傳感器，或為偏航系統(tǒng)原有的傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于所述的傳感器為絕對值型旋轉(zhuǎn)編碼器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制信號包括變槳距控制信號和發(fā)電機(jī)電磁扭矩控制信號，通過通信回路分別傳輸至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳距系統(tǒng)和變流器系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征在于所述的控制模式切換模塊和扇區(qū)控制策略模塊均設(shè)置在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)的PLC中。
6.一種應(yīng)用權(quán)利要求1-5所述系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，其特征在于包括以下步驟對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航掃過的所有空間劃分扇區(qū)，扇區(qū)的絕對位置坐標(biāo)與偏航系統(tǒng)的坐標(biāo)一致；根據(jù)各扇區(qū)的風(fēng)能特性設(shè)計運(yùn)行和控制算法；實時檢測風(fēng)機(jī)葉輪當(dāng)前對風(fēng)的位置，并確定風(fēng)機(jī)當(dāng)前所進(jìn)入的扇區(qū)；根據(jù)所進(jìn)入的扇區(qū)，切換至相應(yīng)的運(yùn)行和控制算法，并根據(jù)結(jié)果輸出控制信號進(jìn)行控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，其特征在于所述的扇區(qū)的劃分方法為首先根據(jù)海陸邊界進(jìn)行扇區(qū)劃分，之后根據(jù)風(fēng)場多年的氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)玫瑰圖，如果某個風(fēng)向的湍流強(qiáng)度大于風(fēng)場平均湍流強(qiáng)度20%以上，則該方向左右16度劃分為一個扇區(qū)， 每個扇區(qū)應(yīng)不小于32度，扇區(qū)總數(shù)不超過6個。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，其特征在于所述的運(yùn)行和控制算法包括變槳距控制算法和發(fā)電機(jī)扭矩控制算法。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，其特征在于所述的扭矩控制算法的計算公式為Qd = KoptCO1g其中，Qd為最優(yōu)電磁扭矩，ω8為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，Kopt為最優(yōu)比例系數(shù)，Kopt通過以下公式計算得到Kapt =叩耽—狀 /2^LxG3其中，Cpmax為機(jī)組最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)，λ _為最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)對應(yīng)的葉尖速比值，R 為葉輪的半徑，P為空氣密度，G為齒輪箱的傳動比。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制方法，其特征在于當(dāng)葉輪進(jìn)入風(fēng)速較小而湍流強(qiáng)度較大的扇區(qū)時，通過調(diào)整Cpmax和λ max取較小的K。pt值。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航扇區(qū)管理和優(yōu)化控制系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)包括偏航扇區(qū)位置檢測模塊、扇區(qū)控制策略模塊、控制模式切換模塊。該方法包括對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航掃過的所有空間劃分扇區(qū)；根據(jù)各扇區(qū)的風(fēng)能特性設(shè)計運(yùn)行和控制算法；實時檢測風(fēng)機(jī)葉輪當(dāng)前對風(fēng)的位置，并確定風(fēng)機(jī)當(dāng)前所進(jìn)入的扇區(qū)；根據(jù)所進(jìn)入的扇區(qū)，切換至相應(yīng)的運(yùn)行和控制算法，并根據(jù)結(jié)果輸出控制信號進(jìn)行控制。將本發(fā)明應(yīng)用于現(xiàn)代水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可以提高地形條件復(fù)雜的風(fēng)場內(nèi)機(jī)組的運(yùn)行條件，降低運(yùn)行載荷，優(yōu)化潮間帶風(fēng)場風(fēng)機(jī)的控制效果，提高風(fēng)能利用效率。
文檔編號F03D7/02GK102305179SQ20111024360
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者孫黎翔, 潘磊, 王建明, 秦明, 紀(jì)國瑞 申請人:國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司