一种变桨控制方法与流程

文档序号:15579090发布日期:2018-09-29 06:23

本申请涉及电力领域,尤其涉及一种变桨控制方法和变桨控制装置。



背景技术:

在现有的风力发电系统中,变桨风力发电机是一种常用的风力发电机。变桨技术是指通过调节桨叶的桨距角,改变气流对桨叶的攻角,进而控制风轮的气动转矩和气动功率的技术。

现有的变桨控制方法大致如下:当来流风速大于切入风速且小于额定风速时,保持桨距角为0度,风力发电机开始发电。当来流风速达到额定风速时,根据来流风速调整桨距角,使输出功率与额定功率保持一致。

但是,当来流风速大于额定风速的情况下,调整桨距角会导致风能利用率下降。由于没有充分利用风能,造成了资源浪费。



技术实现要素:

有鉴于此,本申请提供了一种变桨控制方法和变桨控制装置,能够提高发电量。

第一方面提供一种变桨控制方法,包括:获取来流风速;当上述来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为切入桨距角,上述第一预设风速大于额定风速。

在一种可能的实现方式中,上述方法还包括:当上述来流风速不小于上述第一预设风速时,根据上述来流风速调整桨距角,使输出功率与额定功率保持一致。

在另一种可能的实现方式中,在上述获取来流风速之前,上述方法还包括:确定第一风速区间,上述第一风速区间的最小风速大于上述额定风速,上述第一风速区间的最大风速对应的输出功率等于上述额定功率;从上述第一风速区间中选取任意一个风速作为上述第一预设风速。

在另一种可能的实现方式中,在获取来流风速之前,上述方法还包括:从第二风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速,上述第二风速区间的最小风速为额定风速的1.2倍,上述第二风速区间的最大风速为额定风速的1.5倍。

在另一种可能的实现方式中,在上述检测来流风速之前,上述方法还包括:获取风速的历史测量结果;根据风速的历史测量结果确定风频分布函数;根据上述第一预设风速和上述额定风速,确定目标区间;根据风频分布函数和上述目标区间,计算目标发电量。

第二方面提供一种变桨控制装置,包括:获取模块,用于获取来流风速;控制模块,用于当上述来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为初始桨距角,上述第一预设风速大于额定风速。

在一种可能的实现方式中,上述控制模块,还用于当上述来流风速不小于上述第一预设风速时,根据上述来流风速调整桨距角使输出功率与额定功率保持一致。

在另一种可能的实现方式中,上述控制模块,还用于确定第一风速区间,上述第一风速区间的最小风速大于上述额定风速,上述第一风速区间的最大风速对应的输出功率等于上述额定功率;从上述第一风速区间中选取任意一个风速作为上述第一预设风速。

在另一种可能的实现方式中,上述控制模块,还用于从第二风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速,上述第二风速区间的最小风速为额定风速的1.2倍,上述第二风速区间的最大风速为额定风速的1.5倍。

在另一种可能的实现方式中,上述控制模块,还用于获取风速的历史测量结果;根据风速的历史测量结果确定风频分布函数;根据上述第一预设风速和上述额定风速,确定目标区间;根据风频分布函数和上述目标区间,计算目标发电量。

以上可以看出,在本申请的变桨控制方法中,获取来流风速之后,当来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为切入桨距角。在来流风速大于额定风速且小于第一预设风速的情况下,由于第一预设风速大于额定风速,因此风机的转速大于额定转速,这样能够产生额外的电能,从而提高发电量。

附图说明

图1为现有技术中输出功率变化曲线的一个示意图;

图2为本申请实施例中变桨控制方法的一个示意图;

图3为本申请实施例中在不变桨时输出功率变化曲线的一个示意图;

图4为本申请实施例中输出功率变化曲线的另一个示意图;

图5为本申请实施例中变桨控制装置的一个示意图。

具体实施方式

在现有技术中,变桨距风电发电机的运行过程可以分为以下四个阶段:

第一阶段,风速小于切入风速。

第二阶段,风速在切入风速和额定风速之间。

第三阶段,风速在额定风速和切出风速之间。

第四阶段,风速大于切出风速。

图1为现有技术中输出功率变化曲线的一个示意图。在图1中,发电机的输出功率采用相对功率表示,相对功率的单位为百分比,风速的单位为米每秒(m/s)。Vcut_in表示切入风速,其值为3m/s。VN表示额定风速,其值为12m/s。PN表示额定功率。

在第一阶段(即风速在0~3m/s的风速),风力发电机不运行,桨距角可以设置为90度。

在第二阶段(即在3~12m/s的风速区间),变桨控制装置设置切入桨距角,例如0度。在第二阶段保持桨距角为0度,随着风速变化,调整风力发电机的转矩使风轮转速跟随风速变化。当风速增加时,风力发电机的输出功率也随之增大。其中,风轮也称为桨叶。

在第三阶段(即在12~25m/s的风速区间),变桨控制装置根据来流风速调整桨距角,减少风能利用系数,使风力发电机的输出功率稳定在额定功率。

在第四阶段(在大于25m/s的风速区间),在风速过大的情况下,风速可能会导致风力发电机损坏。在此阶段将桨距角设置为90度,并且将风力发电机停机,以避免风力发电机损坏。

从图1可以看出,为了使发电机的输出功率稳定在额定功率,变桨控制装置在第三阶段改变了桨距角,导致风能利用系数下降,从而降低了风能利用率。本申请提供一种变桨控制方法,能够提升风能利用率。下面进行详细介绍:

参阅图2,本申请提供的变桨控制方法的一个实施例包括:

步骤201、获取来流风速。

本实施例中,来流风速是指作用于桨叶的风速,其可以由风速检测仪检测得到。风速检测仪设置在桨叶上或者设置在桨叶附近。风速检测仪可以是独立设备,也可以是集成在风力发电机上的一个组件。

步骤202、当来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为切入桨距角,第一预设风速大于额定风速。

其中,切入桨距角是指在来流风速达到切入风速时设置的初始桨距角,其取值可以为0度。可以理解的是,切入桨距角也可以根据实际情况设置为其他值,例如45度。

具体的,当来流风速小于切入风速时,风力发电机不运行,变桨控制装置可以将当前桨距角设置为切入桨距角,也可以将当前桨距角设置为90度,此处不作限制。

当来流风速大于切入风速,且小于额定风速时,将桨距角调整为切入桨距角。这样随着风速变化,调整风力发电机的转矩使风轮转速跟随风速变化。当风速增加时,风力发电机的输出功率也随之增大。

当来流风速超过额定风速且小于第一预设风速时,保持当前桨距角为切入桨距角。

图3为本申请中在不变桨条件下输出功率变化曲线的一个示意图。下面结合图3对风力发电机的输出功率和风速的对应关系进行说明,在来流风速超过额定风速,保持当前桨距角为切入桨距角的情况下,风力发电机的输出功率变化曲线如图3所示。

在来流风速超过额定风速VN且小于风速阈值V0,随着风速的增大,输出功率增大。当来流风速达到风速阈值V0时,输出功率达到最大输出功率P0。当来流风速超过风速阈值V0时,桨叶进入失速状态,随着来流风速的增加,输出功率下降。

从图3可以看出,在来流风速大于额定风速的情况下,保持桨距角不变能够使得输出功率大于额定功率,输出更多电量。

从以上介绍可知,在来流风速超过额定风速,保持桨距角为切入桨距角的情况下,输出功率会变化。为了获取更多发电量,需要对第一预设风速进行优化设置。图4为本申请中输出功率变化曲线的另一个示意图。下面结合图4对第一预设风速进行详细介绍:

在一个可选实施例中,在步骤201之前,上述变桨控制方法还包括:确定第一风速区间,第一风速区间的最小风速大于额定风速,第一风速区间的最大风速对应的输出功率等于额定功率;从第一风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速。

在图4中,Vcut_in,VN,PN,V0,P0请参阅本文之前的相应描述。Vrmax为第一风速区间的最大风速。具体可以根据风速的历史测量值计算出威布尔分布函数的参数k和c,k是威布尔分布形状参数,c是威布尔分布尺度参数。计算方法可以是累积分布函数拟合法、平均风速和标准差估计法、平均风速和最大风速估计法等,还可以是其他计算方法,此处不作限定。然后,根据威布尔分布函数确定Vrmax。在Vrmax处,风力发电机的输出功率等于额定功率。

第一风速区间可以分为[Vcut_in,V0]和[V0,Vrmax]两个风速区间。

第一,在[Vcut_in,V0],输出功率与风速的对应关系如以下公式所示:

P=0.5*ρ*A*V3*Cp1;

其中,P为风力发电机的输出功率,ρ为空气密度,单位为千克每立方米(kg/m3)。A为风轮的扫风面积,单位为平方米(m2)。V为来流风速,单位为m/s。Cp1是指在[Vcut_in,V0]的风能利用系数。

第二,在[V0,Vrmax],输出功率与风速的对应关系如以下公式所示:

P=0.5*ρ*A*V3*Cp2。

Cp2是指在[V0,Vrmax]的风能利用系数。

从以上可以看出,在[Vcut_in,V0],当V增大时,P也随之增加,发电量增大。在[V0,Vrmax],当V增大时,P逐渐减少,发电量仍然增大。

从图3和图4可以看出,与额定风速产生的发电量相比,在[VN,Vrmax]期间,输出功率P大于额定功率PN,在[VN,Vrmax]产生的发电量是发电量增量。在[VN,Vrmax]中选择任意一个风速作为第一预设风速,都能够提高发电量。在此期间,第一预设风速越大,发电量增量越大。

需要说明的是,当来流风速达到Vrmax时,根据来流风速调整桨距角。这样,在未达到Vrmax的情况下,风力发电机能够一直发电,直至来流风速达到Vrmax,从而获得最大发电量。

在另一个可选实施例中,在步骤201之前,上述变桨控制方法还包括:

从第二风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速,第二风速区间的最小风速为额定风速的1.2倍,第二风速区间的最大风速为额定风速的1.5倍。

本实施例中,第一预设风速是从第二风速区间中选取的任意一个值。从预设的第二风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速,这样简化了获取第一预设风速的过程,具有简便快速的优点。

在另一个可选实施例中,上述变桨控制方法还包括:获取风速的历史测量结果;根据风速的历史测量结果确定风频分布函数;根据第一预设风速和额定风速,确定目标区间;根据风频分布函数和目标区间,计算目标发电量。

本实施例中,风频分布函数是威布尔函数,根据风速的历史测量测量结果可以计算出威布尔分布参数k和c,k和c如前所述。计算方法可以是累积分布函数拟合法、平均风速和标准差估计法、平均风速和最大风速估计法等,还可以是其他计算方法,此处不作限定。

根据第一预设风速和额定风速确定目标区间具体可以为:将第一预设风速作为目标区间的最大值,将额定风速作为目标区间的最小值。即,目标区间是指风力发电机在输出功率超过额定功率的情况下运行的时长。

根据以上方式确定符合当前环境的威布尔函数之后,根据威布尔函数和目标区间,可以计算出目标发电量。目标发电量是指在目标区间产生的发电量增量。

需要说明的是,本申请还可以将P0作为最大允许功率。并且根据P0获取最大允许电流和失速运行时长等电气参数。失速运行时长是指在发电机的输出功率超过额定功率且不超过最大允许功率的运行时长。

在超过额定功率的情况下,风力发电机处于过载状态,这样会影响风力发电机的使用期限。本申请还可以获取失速期间产生的疲劳载荷,根据上述疲劳载荷计算出风力发电机的使用期限缩减量,根据上述使用期限缩减量对风力发电机的使用期限进行调整。例如,使用期限缩减量为1天,则风力发电机的使用期限减少1天。可以理解的是,使用期限缩减量不限于以上举例,本申请对其取值不作限定。

为便于理解,下面以一个具体应用场景对本申请的变桨控制方法进行详细介绍:

在此具体应用场景中,切入风速以3m/s,额定风速以12m/s为例,切出风速以25m/s为例。

假设根据威布尔分布函数计算出的Vrmax为17m/s,则变桨控制装置确定第一风速区间为(12m/s,17m/s]。从第一风速区间选取的第一预设风速以17m/s为例。

当来流风速为3m/s时,变桨控制装置确定来流风速小于切入风速,将桨距角设置为90度。

随着风力的增加,当来流风速为3m/s时,变桨控制装置检测到来流风速不小于切入风速,则将桨距角设置为0度,根据来流速度调整转动力矩,使得风轮的转速增大,产生电能。

在来流风速逐渐增大的过程中,例如来流风速超过3m/s且不超过17m/s的期间,变桨控制装置确定来流风速不大于17m/s,则保持桨距角为0度。

当来流风速超过17m/s的情况下,根据来流风速调整桨距角,使得输出功率保持为额定功率。

由于在超过12m/s的风速情况下,输出功率大于额定功率,因此与现有技术相比,按照以上方法进行变桨,能够产生更多发电量。

在另一种可能的实现方式中,将额定风速的1.2倍作为第二风速区间的最小风速,将额定风速的1.5倍作为第二风速区间的最大风速,确定第二风速区间为[14.4m/s,18m/s],从第二风速区间选取的第一预设风速以18m/s为例。

当来流风速为2m/s时,变桨控制装置确定来流风速小于切入风速,将桨距角设置为90度。

当来流风速为3m/s时,变桨控制装置检测到来流风速不小于切入风速,则将桨距角设置为0度,根据来流速度调整转动力矩,使得风轮的转速增大,产生电能。

当在来流风速逐渐增大的过程中,例如来流风速超过3m/s且不超过18m/s的期间,变桨控制装置确定来流风速小于18m/s,则保持桨距角为0度。

当来流风速超过18m/s的情况下,根据来流风速调整桨距角,使得输出功率保持为额定功率。

由于在超过12m/s的风速情况下,输出功率大于额定功率,因此与现有技术相比,按照以上方法进行变桨,能够产生更多发电量。

可以理解的是,以上举例仅为示意的,其目的是为了便于理解,以上参数的设置并不作限制。

参阅图5,本申请公开了一种变桨控制装置能够实现以上实施例中的变桨控制方法。变桨控制装置500的一个实施例包括:

获取模块501,用于获取来流风速;

控制模块502,用于当来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为切入桨距角,第一预设风速大于额定风速。

在一个可选实施例中,控制模块502,还用于当来流风速不小于第一预设风速时,根据来流风速调整桨距角,使输出功率与额定功率保持一致。

在另一个可选实施例中,

控制模块502,还用于确定第一风速区间,第一风速区间的最小风速大于额定风速,第一风速区间的最大风速对应的输出功率等于额定功率;从第一风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速。

在另一个可选实施例中,

控制模块502,还用于从第二风速区间中选取任意一个风速作为第一预设风速,第二风速区间的最小风速为额定风速的1.2倍,第二风速区间的最大风速为额定风速的1.5倍。

在以上实施例的基础上,在另一个可选实施例中,

控制模块502,还用于获取风速的历史测量结果;根据风速的历史测量结果确定风频分布函数;根据第一预设风速和额定风速,确定目标区间;根据风频分布函数和目标区间,计算目标发电量。

本申请还提供一种风力发电机,其具有如图5所示实施例或可选实施例中的变桨控制装置500。风力发电机的一个实施例包括:

桨叶、变桨系统和发电机,变桨系统和桨叶连接,桨叶和发电机通过风轮轴连接;

其中,变桨系统包括;

风速检测仪,用于测量来流风速;

变桨控制装置,用于从风速检测仪获取来流风速,当来流风速小于第一预设风速时,将当前桨距角设置为切入桨距角,第一预设风速大于额定风速。

变桨机构,在变桨控制装置的控制下,根据当前桨距角调整桨叶的姿态。

可以理解的是,风力发电机还包括储能装置,安全限速机构等,此处不做限制。

需要说明的是,变桨控制装置可以由处理器实现,处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)、网络处理器(Network Processor,简称NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing,简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件等。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

再多了解一些
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