本發(fā)明涉及一種風(fēng)電變速恒頻機(jī)組轉(zhuǎn)速控制自適應(yīng)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著風(fēng)電棄風(fēng)限電現(xiàn)象凸顯，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)政策從速度轉(zhuǎn)向質(zhì)量，從三北地區(qū)轉(zhuǎn)向中東部的低風(fēng)速地區(qū)。低風(fēng)速機(jī)組的研發(fā)和投產(chǎn)成為風(fēng)電整機(jī)企業(yè)布局重點(diǎn)。

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)一般采用變速定槳控制，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化，使機(jī)組葉輪最大效率的吸收風(fēng)能。然而，葉輪慣性巨大、機(jī)組實(shí)際與模型存偏差、測量裝置以及機(jī)構(gòu)執(zhí)行誤差都會(huì)影響機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)吸收效率達(dá)到最佳的目標(biāo)，如何利用有效可行的方法，克服上述不利因素，保證機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)最佳風(fēng)能吸收，是業(yè)界重點(diǎn)研究的技術(shù)問題。

中國專利201210026864.1公開了一種變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線優(yōu)化方法。該發(fā)明提出了一種針對變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率曲線優(yōu)化方法，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型確定的情況下，通過優(yōu)化機(jī)組控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率曲線與風(fēng)資源條件的最優(yōu)匹配，通過計(jì)算機(jī)枚舉尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)基于容量系數(shù)最大的最優(yōu)功率曲線。

中國專利201510382358.X公開了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低風(fēng)速發(fā)電優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)。所述方法首先根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωg、最優(yōu)風(fēng)能比例系數(shù)Kopt，計(jì)算發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩Qd；其次根據(jù)低速軸扭轉(zhuǎn)角度θ，計(jì)算葉輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ta，最后采用下式計(jì)算最佳電磁轉(zhuǎn)矩Qt：Qt＝Qd+QPI+g*Ta，式中QPI為對Qd進(jìn)行PI調(diào)節(jié)獲得的修正值，g為修正系數(shù)常數(shù)。解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速下風(fēng)能利用率不高的問題，可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)低風(fēng)速情況的運(yùn)行性能有效，進(jìn)而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量。

上述這些方法在優(yōu)化轉(zhuǎn)矩控制時(shí)依靠理想的理論公式推導(dǎo)和計(jì)算，忽略了現(xiàn)場實(shí)際機(jī)組葉片制造、安裝、老化引起的氣動(dòng)特性變化，傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損耗特性變化，發(fā)電機(jī)、變流器電氣損耗特性變化而帶來的最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤偏離問題，另外一些方法還需要特殊的信息采集裝置，增加設(shè)備成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種風(fēng)電變速恒頻機(jī)組轉(zhuǎn)速控制自適應(yīng)優(yōu)化方法。

本發(fā)明利用風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)篩選出有效信息，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的推理機(jī)得到機(jī)組最優(yōu)轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行知識，自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制參數(shù)，解決由于葉片制造、安裝、老化引起的氣動(dòng)特性變化，傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械損耗特性變化，以及發(fā)電機(jī)、變流器電氣損耗特性變化帶來的最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤偏離問題，使變速區(qū)間葉輪吸收的風(fēng)能利用系數(shù)Cp最大，達(dá)到提升機(jī)組低風(fēng)速發(fā)電效率的目的。

本發(fā)明利用實(shí)測數(shù)據(jù)，通過對風(fēng)能利用系數(shù)Cp的比較，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，以克服所述的因素影響，進(jìn)而達(dá)到風(fēng)能捕獲效率最佳的目的。

本發(fā)明包括以下步驟：

1、采集風(fēng)電變速恒頻機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)：4小時(shí)發(fā)電運(yùn)行過程中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制器給定轉(zhuǎn)矩、變流器反饋轉(zhuǎn)矩、槳距角、風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)側(cè)功率，以及測風(fēng)塔返回的空氣密度，分別計(jì)算所述各變量1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值，以二維數(shù)據(jù)表形式存儲；

2、對步驟1存儲的機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，除剔除在連續(xù)兩分鐘內(nèi)風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)向波動(dòng)過大的數(shù)據(jù)外，還需要剔除機(jī)組未工作在最小工作位置的運(yùn)行數(shù)據(jù)；

3、對經(jīng)步驟2篩選的機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)逐條計(jì)算對應(yīng)的葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)Cp；

4、將步驟3計(jì)算的結(jié)果按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分為12個(gè)等間距的數(shù)據(jù)倉，分倉范圍覆蓋機(jī)組發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間，并對相同倉內(nèi)風(fēng)能利用系數(shù)Cp、葉尖速比、控制器給定轉(zhuǎn)矩、變流器反饋轉(zhuǎn)矩進(jìn)行均值計(jì)算，公式如下：

其中，Xi和Yi為原始數(shù)據(jù)bin區(qū)間i內(nèi)的平均值；x_i,j和y_i,j為原始數(shù)據(jù)在bin區(qū)間i內(nèi)的數(shù)據(jù)j位置的數(shù)值，Ni為bin區(qū)間i內(nèi)的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)；

5、保存步驟4的計(jì)算結(jié)果，形成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)組、風(fēng)能利用系數(shù)Cp數(shù)組、葉尖速比數(shù)組、給定轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)組和變流器反饋轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)組。然后返回執(zhí)行步驟1。當(dāng)采集機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)48小時(shí)后，合并保存的12次數(shù)組集，形成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速矩陣、風(fēng)能利用系數(shù)Cp矩陣、葉尖速比矩陣、給定轉(zhuǎn)矩矩陣和變流器反饋轉(zhuǎn)矩矩陣，然后執(zhí)行步驟6；

6、在步驟5形成的風(fēng)能利用系數(shù)Cp矩陣中檢索第5列-第8列最大值并記錄索引號，利用該索引號在葉尖速比矩陣中找到相應(yīng)的葉尖速比并求均值

7、將步驟6得到的葉尖速比均值代入公式：

其中，T(i)表示變流器反饋轉(zhuǎn)矩矩陣第i列的均值，λ(i)為葉尖速比矩陣第i列的均值，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速矩陣在第i列的均值T'(i)記為W(i)，T'(i)為W(i)對應(yīng)的變流器輸出轉(zhuǎn)矩值；W-T'則是計(jì)算的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制曲線。

風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速發(fā)電時(shí)，PLC控制系統(tǒng)測量實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用步驟7得到的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制曲線計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下需要向變流器發(fā)送的轉(zhuǎn)矩給定值，以此轉(zhuǎn)矩給定值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在最優(yōu)值，風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組能夠最大效率的吸收風(fēng)能。

本發(fā)明方法通過風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組的PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法流程圖；

圖2轉(zhuǎn)速-葉尖速比散點(diǎn)及擬合曲線圖；

圖3轉(zhuǎn)速-Cp散點(diǎn)及擬合曲線圖；

圖4優(yōu)化前后轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩運(yùn)行散點(diǎn)及擬合曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明風(fēng)電變速恒頻機(jī)組轉(zhuǎn)速控制自適應(yīng)優(yōu)化方法步驟如下：

1、風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組進(jìn)入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制自適應(yīng)優(yōu)化狀態(tài)后，采集風(fēng)電變速恒頻機(jī)組機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)：4小時(shí)發(fā)電運(yùn)行過程中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制器給定轉(zhuǎn)矩、變流器反饋轉(zhuǎn)矩、槳距角、風(fēng)速、風(fēng)向、機(jī)側(cè)功率，以及測風(fēng)塔返回的空氣密度，分別計(jì)算各變量1分鐘內(nèi)平均值、最小值和最大值，并以二維數(shù)據(jù)表形式存儲。其中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用w_ave(k)、w_min(k)、w_max(k)表示，控制器給定轉(zhuǎn)矩1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用tordem_ave(k)、tordem_min(k)、tordem_max(k)表示，變流器反饋轉(zhuǎn)矩1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用torfed_ave(k)、torfed_min(k)、torfed_max(k)表示，槳距角1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用pitpos_ave(k)、pitpos_min(k)、pitpos_max(k)表示，風(fēng)速1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用winspe_ave(k)、winspe_min(k)、winspe_max(k)表示，風(fēng)向1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用windir_ave(k)、windir_min(k)、windir_max(k)表示，機(jī)側(cè)功率1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用powcal_ave(k)、powcal_min(k)、powcal_max(k)表示，測風(fēng)塔返回的空氣密度1分鐘內(nèi)平均值、最小值、最大值分別用airden_ave(k)、airden_min(k)、airden_max(k)表示。

2、對步驟1存儲的機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除滿足下列任一條件的數(shù)據(jù)行，即在連續(xù)兩分鐘內(nèi)風(fēng)速、功率、轉(zhuǎn)速、風(fēng)向波動(dòng)過大的數(shù)據(jù)，以及風(fēng)電變速恒頻機(jī)組未工作在最小工作位置的運(yùn)行數(shù)據(jù)；

(w_max(k)/w_min(k-1))>p_1、(w_min(k)/w_max(k-1))<p_2、(w_ave(k)/w_ave(k-1))>p_3、(w_ave(k)/w_ave(k-1))<p_4、(winspe_max(k)/winspe_min(k-1))>p_5、(winspe_min(k)/winspe_max(k-1))<p_6、(winspe_ave(k)/winspe_ave(k-1))>p_7、(winspe_ave(k)/winspe_ave(k-1))<p_8、|windir_ave(k)|>p_9、max(|windir_min(k)|,|windir_max(k)|)>p_10、pitpos_ave(k)>p_11、pitpos_max(k)>p_12。

其中p_n，n：1～12，是篩選條件參數(shù)，起初通常由經(jīng)驗(yàn)給出，經(jīng)過收集大量數(shù)據(jù)并分析機(jī)組特點(diǎn)后進(jìn)行微調(diào)。

3、對步驟2篩選后的機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)逐條計(jì)算，利用下式得到葉尖速比λ(k)：

λ(k)＝w_ave(k)×cos(windir_ave(k))×R/G/winspe_ave(k)，

利用下式得到風(fēng)能利用系數(shù)Cp(k)：

Cp(k)＝powcal_ave(k)/(0.5×airden_ave(k)×(winspe_ave(k))³×A)/η；

其中，λ(k)是第k條數(shù)據(jù)對應(yīng)的葉尖速比，Cp(k)是第k條數(shù)據(jù)對應(yīng)的功率系數(shù),A為風(fēng)輪掃掠面積，一般近似認(rèn)為等于πR²，η為機(jī)組風(fēng)輪側(cè)機(jī)械功率傳遞到電機(jī)側(cè)功率的效率，可以參考機(jī)組設(shè)計(jì)模型，對于高速帶齒輪箱機(jī)組，η一般取0.9～0.96，而直驅(qū)機(jī)組η一般取0.99～1。

4、對步驟3計(jì)算的結(jié)果按照發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分為12個(gè)等間距的數(shù)據(jù)倉，分倉范圍覆蓋機(jī)組發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)速區(qū)間，并對相同倉內(nèi)風(fēng)能利用系數(shù)Cp、葉尖速比、控制器給定轉(zhuǎn)矩、變流器反饋轉(zhuǎn)矩進(jìn)行均值計(jì)算，公式為：

和

其中，Xi和Yi為原始數(shù)據(jù)在bin區(qū)間i內(nèi)的平均值；x_i,j和y_i,j為原始數(shù)據(jù)在bin區(qū)間i內(nèi)的數(shù)據(jù)j位置的數(shù)值，N_i為bin區(qū)間i內(nèi)的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

圖2和圖3所示分別是對篩選后數(shù)據(jù)做分倉均值計(jì)算后繪制的轉(zhuǎn)速-葉尖速比散點(diǎn)及擬合曲線圖和轉(zhuǎn)速-Cp散點(diǎn)及擬合曲線圖。

5、保存步驟4計(jì)算結(jié)果，形成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)組、風(fēng)能利用系數(shù)Cp數(shù)組、葉尖速比數(shù)組、給定轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)組、變流器反饋轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)組，然后返回步驟1。當(dāng)采集機(jī)組發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)48小時(shí)后，合并保存的12次數(shù)組集，形成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速矩陣、風(fēng)能利用系數(shù)Cp矩陣、葉尖速比矩陣、給定轉(zhuǎn)矩矩陣、變流器反饋轉(zhuǎn)矩矩陣，各矩陣均為12行12列，然后執(zhí)行步驟6；

6、在步驟5形成的風(fēng)能利用系數(shù)Cp矩陣中檢索第5列-第8列最大值并記錄索引號，利用該索引號在葉尖速比矩陣中找到相應(yīng)的葉尖速比并求均值

7、將步驟6得到的葉尖速比均值代入公式：

其中，T(i)表示變流器反饋轉(zhuǎn)矩矩陣第i列的均值、λ(i)為葉尖速比矩陣第i列的均值、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速矩陣在第i列的均值T'(i)記為W(i)，T'(i)為W(i)對應(yīng)的變流器輸出轉(zhuǎn)矩值；W-T'則是計(jì)算的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制曲線結(jié)，果如圖4所示。

風(fēng)電變速恒頻發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速發(fā)電時(shí)，PLC控制系統(tǒng)測量實(shí)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用步驟7形成的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制曲線計(jì)算出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速下需要向變流器發(fā)送的轉(zhuǎn)矩給定值，以此轉(zhuǎn)矩給定值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行在最優(yōu)值，機(jī)組能夠最大效率的吸收風(fēng)能。