一种高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法与流程

本发明涉及风电领域，特别涉及一种高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法。

背景技术：

风力发电机组通常安装在风资源较为丰富地区，而该区域的气候条件又往往比较复杂，各种极端工况时有出现，尤其是山地和海上风电场。因此，在机组设计时，载荷计算需要考虑各种工况以确保安全。

在机组实际运行中，若在高风速工况下（超过机组额定风速但小于切出风速的工况）进行偏航时，由于机组处于额定点，满载运行状态，此时的偏航载荷会非常大。在某些极端工况下，可能会出现载荷计算结果无法满足设计要求，需修改设计、增加部件强度、重新计算的情况，这势必会导致机组的设计成本大幅增加和设计周期不断延长。但此工况出现的概率较小，故而这种无限制增加部件强度的方案并不经济。若直接忽略此极端工况，则在实际运行过程中，会存在一定的风险。此外，若已生产的机组因某种原因需要更换安装地点，但无法满足安装所在地的工况条件时，同样需要采取相应的措施才能确保机组安全运行。再则，机组的高偏航载荷会导致故障频发、部件的疲劳增大，寿命缩短、可利用率降低等一系列问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种算法简单、安全可靠的高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法，包括以下步骤：

步骤1：切换条件及转速目标值设定：根据机组载荷以及机组设计的额定风速、切出风速、额定转速和最小切入转速，设定若干不同等级的切换条件和转速目标值，进入步骤2；

步骤2：偏航控制模块设定：在偏航控制模块中增加相应的等待状态，当机组处于高风速工况且需要偏航时，偏航系统进入预设状态等待叶轮转速降至目标值，进入步骤3；

步骤3：转速转矩控制模块设定：转速转矩控制模块中通过预设的参数和斜坡函数将机组的转速平稳地控制至目标值，目标值为根据给定斜坡速度设定点的转矩-转速曲线设置最佳的最大转矩，进入步骤4；

步骤4：判断是否启用智能控制：机组满载运行时，实时监测风速值，当10分钟平均风速高于某个等级的设定值，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和对应等级的叶轮转速目标值至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为目标值，机组进入稳态点运行，进入步骤5；

步骤5：机组切换工作点：转速转矩控制模块接收到偏航请求和转速目标值后，根据预设的参数，将叶轮的转速按照斜坡函数平稳控制至叶轮转速目标值，并在机组进入稳态运行后，将完成标志位反馈给偏航控制模块，进入步骤6；

步骤6：判断实时条件是否发生变化：偏航控制模块收到转速转矩控制模块的反馈信号后，再根据实时的风况条件进行相应的逻辑判断，若高风工况条件未发生改变，则控制偏航系统完成偏航动作，并将完成信号发至转速转矩控制模块，进入步骤7；若高风工况条件的等级发生变化，则将新的叶轮转速目标值发至转速转矩控制模块，返回进入步骤4，等待接收到新的反馈信号再执行偏航；若风向发生变化，无需偏航，直接发送完成信号至转速转矩控制模块，进入步骤7；

步骤7：机组恢复工作点：转速转矩控制模块接收到完成信号，将机组稳定恢复至额定工作点，再次等待偏航控制模块的命令，进入步骤4。

上述高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法，所述步骤1中，假设机组的额定风速为12.5m/s，切出风速为25m/s，额定转速为14.5rpm，最小切入转速为8rpm，则预设两个等级，第一等级为：当10分钟平均风速大于18m/s，转速目标值为12rpm；第二等级为：当10分钟平均风速大于22m/s，转速目标值为9.5rpm。

上述高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法，所述步骤4中，若10分钟平均风速高于设定值18m/s，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和叶轮转速目标值12rpm至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为12rpm，机组进入稳态点运行，进入步骤5；若10分钟平均风速高于设定值22m/s，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和叶轮转速目标值9.5rpm至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为9.5rpm，机组进入稳态点运行，进入步骤5。

上述高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法，所述步骤5中，为了确保风机控制器在稳定状态下运行，在设定点改变后增加一个斜坡和一个延迟，只有当速度设定点已经变为新的设定点并且在一定时间内是固定的，则认为控制器在稳定状态下运行。

本发明的有益效果在于：本发明根据机组载荷计算的结果以及机组设计的额定风速、切出风速、额定转速和最小切入转速，设定若干不同等级的切换条件和叶轮转速目标值，使得机组在高风速工况下运行时，能根据自身的实际情况，在启动偏航动作前，自动、平稳地进入预设的转速目标值，在偏航动作完成后，可再稳定恢复至额定工作点，降低机组在极端工况下的偏航载荷，以满足设计要求，避免大载荷带来的风险和相应的故障，从而降低了机组的设计成本，提高了机组的安全性、可利用率以及使用寿命。特别是在启动偏航动作前，采用斜坡函数和最佳转矩输出来平稳控制叶轮转速，待系统进入稳态后再执行偏航动作，从而避免出现系统冲击，确保机组安全。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法，包括以下步骤：

步骤1：切换条件及转速目标值设定：根据机组载荷以及机组设计的额定风速、切出风速、额定转速和最小切入转速，设定若干不同等级的切换条件和转速目标值，进入步骤2。

假设机组的额定风速为12.5m/s，切出风速为25m/s，额定转速为14.5rpm，最小切入转速为8rpm，则预设两个等级，第一等级为：当10分钟平均风速大于18m/s，转速目标值为12rpm；第二等级为：当10分钟平均风速大于22m/s，转速目标值为9.5rpm。

步骤2：偏航控制模块设定：在偏航控制模块中增加相应的等待状态，当机组处于高风速工况且需要偏航时，偏航系统进入预设状态等待叶轮转速降至目标值，进入步骤3。

步骤3：转速转矩控制模块设定：转速转矩控制模块中通过预设的参数和斜坡函数将机组的转速平稳地控制至目标值，目标值为根据给定斜坡速度设定点的转矩-转速曲线设置最佳的最大转矩，进入步骤4。

步骤4：判断是否启用智能控制：机组满载运行时，实时监测风速值，当10分钟平均风速高于某个等级的设定值，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和对应等级的叶轮转速目标值至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为目标值，机组进入稳态点运行，进入步骤5。

具体的说：若10分钟平均风速高于设定值18m/s，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和叶轮转速目标值12rpm至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为12rpm，机组进入稳态点运行，进入步骤5；若10分钟平均风速高于设定值22m/s，且需要偏航动作时，偏航控制模块发送偏航请求和叶轮转速目标值9.5rpm至转速转矩控制模块，随即进入等待状态，等待叶轮转速降为9.5rpm，机组进入稳态点运行，进入步骤5。

步骤5：机组切换工作点：转速转矩控制模块接收到偏航请求和转速目标值后，根据预设的参数，将叶轮的转速按照斜坡函数平稳控制至叶轮转速目标值，并在机组进入稳态运行后，将完成标志位反馈给偏航控制模块。为了确保风机控制器在稳定状态下运行，在设定点改变后增加一个斜坡（例如0.3rpm/s）和一个延迟(例如15s)，只有当速度设定点已经变为新的设定点并且在一定时间内是固定的，则认为控制器在稳定状态下运行，进入步骤6。

步骤6：判断实时条件是否发生变化：偏航控制模块收到转速转矩控制模块的反馈信号后，再根据实时的风况条件进行相应的逻辑判断(步骤1所设参数)，若高风工况条件未发生改变，则控制偏航系统完成偏航动作，并将完成信号发至转速转矩控制模块，进入步骤7；若高风工况条件的等级发生变化，则将新的叶轮转速目标值发至转速转矩控制模块，返回进入步骤4，等待接收到新的反馈信号再执行偏航；若风向发生变化，无需偏航，直接发送完成信号至转速转矩控制模块，进入步骤7。

步骤7：机组恢复工作点：转速转矩控制模块接收到完成信号，将机组稳定恢复至额定工作点，再次等待偏航控制模块的命令，进入步骤4。