一种风电机组塔筒共振避让穿越控制方法及风电机组与流程

文档序号:15579085发布日期:2018-09-29 06:23

本发明涉及风力发电机组控制领域,特别是涉及一种风电机组塔筒共振避让穿越控制方法及风电机组。



背景技术:

随着风电机组大型化,塔筒高度也不断增加。当塔筒高度大于100m时,重量随高度的增加成几何级数增长,大大增加了风电机组的设计成本。一方面为了节约设计成本,在设计时会设计出又高又轻的塔筒,此类塔筒与普通塔筒相比频率偏低。另一方面,由于风轮的旋转方向与塔筒左右振动方向相同,因此在电机组风轮转频工作区间选取时,要避让开塔筒的固有频率,以免引起塔筒共振。这就导致了风电机组风轮转频工作区间减小,在设计时会制约其他部件的选型,在实际运行中也会降低风电机组的发电效率。

兆瓦级异步双馈风力发电机的转速控制目前采用的控制方法是通过变桨控制和转矩控制实现的。其中转矩控制主要应用在额定风速以下。由于上风向型的水平轴变速风机的转速在额定风速以下是沿着最佳叶尖速比曲线不断变化,叶轮旋转时与风机的塔筒之间由于空气动力影响产生作用力,如果某一转速下风轮的作用力频率与塔筒的固有频率一致,就会产生共振,导致风机受损甚至倾倒。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种避免由于塔筒频率与风速转频接近造成的塔筒共振的风电机组塔筒共振避让穿越控制方法及风电机组。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一方面,本发明提供一种风电机组塔筒共振避让穿越控制方法,包括如下步骤:

S1:监测风轮转频f,将风轮转频f转换为对应的风轮转速,并与预先设置的转速共振区进行对比;

所述转速共振区的设置方法为:根据塔筒的固有频率ft设定转速共振区,所述转速共振区包括转速下限、转速上限及所述转速下限和转速上限之间的转速区域,将所述固有频率ft转换为转速St,所述转速St大小位于转速下限值Sm和转速上限值Sx之间;

S2:当风轮转频位于转速共振区时,则根据风电机组所处的当前状态,控制风轮转速快速上升或下降,穿越转速共振区。

进一步地,所述转频和风轮转速的转换关系为:转频f=风轮转速/60, 其中,风轮转速的单位为rpm。

进一步地,所述转速下限值Sm和所述转速上限值Sx遵循以下原则:

所述转速下限值Sm的设定值为St-20%*St,所述转速上限值Sx的设定值分布为St+20%*St。

进一步地,控制风轮转速快速上升或下降的判断方法为:

1)当检测到发电机转矩高于转速下限对应的转矩时,控制风电机组向上快速穿越共振区;

2)当检测到发电机转矩低于转速上限对应的转矩时,控制风电机组向下快速穿越共振区。

进一步地,转速和转矩的转换根据转速-转矩曲线计算得到,所述转速-转矩曲线是根据风电机组的历史整机数据绘制而成,并在所述转速-转矩曲线上根据转速共振区的转速上限和转速下限绘制相应的上限转矩和上限转矩。

进一步地,所述转速-转矩的绘制曲线遵循功率守恒原则。

进一步地,控制风轮转速快速上升或下降的控制方法为:

1)当检测到发电机转矩高于转速下限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当所述计数器计数到零时,则控制风电机组向上快速穿越共振区;

2)或者,当检测到发电机转矩低于转速上限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当所述计数器计数到零时,控制风电机组向下快速穿越共振区。

进一步地,当检测到风电机组发电机转矩满足穿越条件时,控制发电机转速按照恒定的增量快速变化,通过设置最大及最小转速限制线性增加转速,快速穿越共振区。

进一步地,所述控制方法适用于低频率塔筒。

另一方面,提供一种风电机组,包括控制系统,所述控制系统包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的风电机组塔筒共振避让穿越控制方法的步骤。

由于采用上述技术方案,本发明至少具有以下优点:

(1)本发明允许在风电机组设计时设计出频率较低的塔筒且风轮转频工作区间保持不变,通过采用共振区避让控制方法,可确保风电机组风轮转频与塔筒固有频率有交点时,塔筒不出现共振,保证风电机组的安全性。

(2)本发明的工作原理是在风轮转频与塔筒固有频率交点附近设置一个转速共振区。通过设置合理的转速共振区上下限并控制风电机组的运行转速,避免风电机组运行于共振区内,可很好的解决塔筒共振问题。

(3)本发明的特点是,在风电机组设计时允许设计出频率较低的塔筒,在实际运行中通过在控制系统中设置转速共振区及采用共振区避让快速穿越控制方法,避免塔筒共振,确保风电机组安全性。

(4)本发明的设置,首先要根据塔筒的固有频率确定转速共振区。在实际应用时结合风速及当前风电机组所处的状态决定风电机组运行于哪个区域。当需要穿越共振区时控制风电机组快速穿过共振区,避免塔筒共振,确保风电机组的安全性。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的共振避让快速穿越控制方法的逻辑图;

图2是本发明的风电机组向上及向下穿越过程的转速-转矩曲线示意图。

具体实施方式

本发明提供一种风电机组塔筒共振避让穿越控制方法的实施例,如图 1、图2所示,包括如下步骤:

S1:监测风轮转频f,将风轮转频f转换为对应的风轮转速,并与预先设置的转速共振区进行对比;

转速共振区的设置方法为:根据塔筒的固有频率ft设定转速共振区,转速共振区包括转速下限、转速上限及所述转速下限和转速上限之间的转速区域,将固有频率ft转换为转速St,转速St大小位于转速下限值Sm和转速上限值Sx之间;

S2:当风轮转频位于转速共振区时,则根据风电机组所处的当前状态,控制风轮转速快速上升或下降,穿越转速共振区。

本发明的工作原理是在风轮转频与塔筒固有频率交点附近设置一个转速共振区。通过设置合理的转速共振区上下限并控制风电机组的运行转速,使转速快速向上或下降穿过转速共振区,避免风电机组运行于共振区内,可很好的解决塔筒共振问题。

例如,某风电机组的塔筒的固有频率为0.19Hz,所对应的风轮转速共振区为10rpm~12rpm(风速约为6m/s~7m/s);当转速小于10rpm(对应风速在4m/s~6m/s)时,风电机组运行于低转速区,位于共振区的下部。当转速大于12rpm(对应风速大于7m/s)时,风电机组运行于高转速区,位于共振区的上部。当转速在10rpm~12rpm之间(对应风速处于6m/s~7m/s之间)时需根据风电机组所处的当前状态,控制风轮转速快速上升或者下降,穿越共振区。其中,风速与风轮转速之间没有固定的转换关系,跟不同的风电机组的特性相关。

由于机组风轮旋转为周期性圆周运动,所以转频和风轮转速的转换关系为:转频f=风轮转速/60,其中,风轮转速的单位为rpm。

进一步地,转速下限值Sm和转速上限值Sx遵循以下原则:转速下限值 Sm的设定值为St-20%*St,转速上限值Sx的设定值分布为St-20%*St。设定值的选择根据经验值进行选择。

进一步地,控制风轮转速快速上升或下降的判断方法为,共振区避让快穿越控制方法的逻辑如图1所示:

1)当检测到发电机转矩高于转速下限对应的转矩时,控制风电机组向上快速穿越共振区;

2)当检测到发电机转矩低于转速上限对应的转矩时,控制风电机组向下快速穿越共振区。

进一步地,转速和转矩的转换根据转速-转矩曲线计算得到,转速-转矩曲线是根据风电机组的历史整机数据绘制而成,并在转速-转矩曲线上根据转速共振区的转速上限和转速下限绘制相应的上限转矩和上限转矩,根据功率守恒计算对应的转矩。根据风电机组的整机特性绘制基本的转速转矩曲线,再参考共振区域,选取下限转速及上限转速,并根据功率守恒计算对应的转矩。

进一步地,转速-转矩的绘制曲线遵循功率守恒原则。

本发明可以通过转速-转矩曲线,根据转速直接计算出转矩,相对于现有技术中的查表法,可确保风电机组运行于最优的功率曲线上,因此转矩计算的更加准确。

现有技术中,为了避免叶轮与塔筒间的作用力导致的塔筒共振,需要通过转矩控制算法避开共振频率的转速。目前普遍采用的转矩控制算法是在转速闭环控制中加入陷波滤波器,也有采用在共振频率对应的叶轮转速给定中,避开共振点处的叶轮转速给定值,这些控制方法要么对风机的载荷有较大影响,要么不能快速的通过共振带,最终都不能完美解决塔筒共振的问题。

而本发明可以确保风电机组在共振区外稳定运行,当机组运行与共振区时确保机组可以快速稳定的通过共振区。避免机组在共振区内停留的时间过长,有效降低塔筒疲劳载荷。

如图2所示,为风电机组向上及向下穿越过程的转速-转矩曲线,虚线部分为不包含共振避让控制方法的转速-转矩曲线,即在Sm~Sx对应的共振区范围内,按正常风速穿越共振区的转速-转矩曲线;而实线部分为包含共振避让控制方法的转速-转矩曲线,即在Sm~Sx对应的共振区范围内,可以快速穿越转速共振区从而避免与塔筒产生共振。

为了精确控制快速穿越的控制方法,控制风轮转速快速上升或下降的控制方法为:

1)当检测到发电机转矩高于转速下限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当计数器计数到零时,则控制风电机组向上快速穿越共振区;

2)或者,当检测到发电机转矩低于转速上限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当计数器计数到零时,控制风电机组向下快速穿越共振区。

以向上穿越为例进行说明,图1中所示的计数器计数理解为当发电机转矩高于转速下限对应的转矩之后,此转矩需要保持一定的时间,以确保穿越过程能力足够。

进一步地,当检测到风电机组发电机转矩满足穿越条件时,控制发电机转速按照恒定的增量快速变化,可以通过设置最大及最小转速限制线性增加转速,快速穿越共振区。

进一步地,控制方法适用于低频率塔筒。

本发明的目的是,在风电机组设计时允许设计出频率较低的塔筒,在实际应用时通过在控制系统中设置转速共振区及采用共振区避让穿越控制方法,避免由于塔筒频率与风轮转频接近造成的塔筒共振,确保风电机组的安全性。

本发明的具体的控制方法的步骤为:

1)监测风轮转频f,将风轮转频f转换为对应的风轮转速,并与预先设置的转速共振区进行对比;

转速共振区的设置方法为:根据塔筒的固有频率ft设定转速共振区,转速共振区包括转速下限、转速上限及所述转速下限和转速上限之间的转速区域,将固有频率ft转换为转速St,转速St大小位于转速下限值Sm和转速上限值Sx之间;

2)当风轮转频位于转速共振区时,则根据风电机组所处的当前状态进行判断,通过转速-转矩曲线,计算风电机组当前状态的转矩,具体判断及控制方法为:

A、当检测到发电机转矩高于转速下限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当计数器计数到零时,则控制风电机组转速按照恒定的增量快速变化,通过设置最大及最小转速限制线性增加转速,快速向上快速穿越共振区;

B、或者,当检测到发电机转矩低于转速上限对应的转矩时,同时使用计数器计数转矩转数,使风电机该转矩保持一段时间,当计数器计数到零时,控制风电机组转速按照恒定的增量快速变化,通过设置最大及最小转速限制线性增加转速,快速向下快速穿越共振区。

另一方面,提供一种风电机组,包括控制系统,控制系统包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述的风电机组塔筒共振避让穿越控制方法的步骤。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本发明的保护范围内。

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