一种直驱型风电机组风机运行控制方法与流程

1.本发明涉及风电控制的技术领域，尤其涉及一种直驱型风电机组风机运行控制方法。


背景技术：

2.能源是社会经济和人类生活的主要物质基础，是社会发展的动力，然而作为世界能源主要支柱的石油、煤炭、天然气等不可再生能源的储量日趋减少，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视，装机量也不断增加，随着风力发电技术的不断发展，直驱型风电机组风机的各种研究也日益深入。
3.直驱型风电机组风机的故障保护功能，对风机的安全运行以及性能提升至关重要。故障保护功能是指由于直驱型风电机组的内部或外部发生故障，或监控的参数超过极限值而出现危险情况，或控制系统失效，直驱型风电机组不能保持在它的正常运行范围内，则启动安全保护系统，使直驱型风电机组收桨停机。
4.目前，直驱型风电机组的故障保护方式较为单一，即风力发电机发生某一故障时，主控系统马上控制直驱型风电机组收桨停机，但该方式会造成一定的停机时间和发电量损失。另外，现有技术无法从多角度、多方面预判故障的发生并难以及时的进行调节，从而导致经济及成本上的损失。


技术实现要素：

5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：现有技术故障保护方式较为单一，无法从多角度、多方面预判故障的发生并难以及时的进行调节，从而导致风机的经济及可靠性的降低。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：采集相关的数据信息，构建基于不同能量变换拓扑结构的直驱型风电系统；基于所述直驱型风电系统构建风电机组风机运行控制模型；在仿真平台建立相应的仿真模型，利用所述风电机组风机运行控制模型对风机运行状态进行仿真分析，得到分析结果；根据所述分析结果判断风机的实时运行性能，对所述实时运行性能低的风机进行控制及调整。
9.作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述相关信息的采集包括根据设置的测点进行在线读取或历史存储得到的运行状态参数。
10.作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述基于不同能量变换拓扑结构的直驱型风电系统包括采用二极管整流器和dc/dc变流器直驱型风电系统或采用双pwm直驱型风电系统。
11.作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所
述直驱型风电系统的数学模型包括：
[0012][0013][0014]
其中，f表示风能，ρ表示空气密度，r表示风电机的机叶片半径，v表示风速，δ表示风能利用系数，α表示风电机叶尖速比，r表示机叶片半径的转速。
[0015]
作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述风电机组风机运行控制模型的构建包括基于系统总风险最小化得到基本的数学模型为：
[0016]
maxf＝f(x,y,z)
[0017]
s.t.h(x,y,z)＝0
[0018]
p0≤p(x,y,z)≤p1[0019]
其中，f为目标函数，x为状态变量，y为控制变量，z为参数变量，h为等式约束，p为不等式约束。
[0020]
作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述风电机组风机运行控制模型以实时运行时效能最大为目标函数：
[0021][0022]
其中，i＝0时表示系统正常运行状态，i＝1,2,
…
n1时表示预设事故状态，hj表示叶片j的重要程度，hf表示叶片j的转动幅值，δh
lim
表示运行效能偏差范围，ωj表示叶片j的重要程度，n表示严重度函数因子，取常数，p(ci)表示故障事件的概率。
[0023]
作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述风电机组风机运行控制模型的约束条件包括：
[0024]
风机运行效能需满足最大风力约束：
[0025][0026]
其中，分别表示风机叶片j在不同运行状态的基准曲线出力和可提供的最大出力；
[0027]
风电机组相关的约束：
[0028][0029]
其中，h
′
k，t
、分别表示风电机组k在t时段的实际计划出力和出力限度，h
k,t,n
表示风电机组k在t时段的风阻值，m表示常数系数。
[0030]
作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述仿真平台建立相应的仿真模型包括：配置仿真模型的接口；根据不同接口之间的数据交互方式，建立不同接口之间的交互路径；以交互路径连接输入接口、输出接口、计算接口以
及事件激励接口构建仿真模型框架。
[0031]
作为本发明所述的直驱型风电机组风机运行控制方法的一种优选方案，其中：所述仿真平台包括利用matlab/simulink工具箱，建立所述相应的仿真模型。
[0032]
本发明的有益效果：本发明能够解决现有技术存在的问题，全方位的预判故障的发生并及时进行相应的调节，从而能够有效提高风机运行的经济性和可靠性。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0034]
图1为本发明一个实施例提供的一种直驱型风电机组风机运行控制方法的二极管整流器和dc/dc变流器直驱型风电系统示意图；
[0035]
图2为本发明一个实施例提供的一种直驱型风电机组风机运行控制方法的双pwm直驱型风电系统示意图。
具体实施方式
[0036]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0037]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0038]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0039]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0040]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0041]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
实施例1
[0043]
参照图1～2，为本发明的一个实施例，提供了一种直驱型风电机组风机运行控制方法，包括：
[0044]
s1：采集相关的数据信息，构建基于不同能量变换拓扑结构的直驱型风电系统。
[0045]
需要说明的是，相关信息的采集包括根据设置的测点进行在线读取或历史存储得到的运行状态参数。
[0046]
由于不同的信息计量单位不尽相同，数值差异巨大，因此对采集的相关信息进行预处理，预处理采用的是归一化处理方法，本发明采用最大最小值方法将各信息归一化到0至100之间。
[0047]
优选的，如图1～2所示，基于不同能量变换拓扑结构的直驱型风电系统包括采用二极管整流器和dc/dc变流器直驱型风电系统或采用双pwm直驱型风电系统。
[0048]
进一步的，直驱型风电系统的数学模型包括：
[0049][0050][0051]
其中，f表示风能，ρ表示空气密度，r表示风电机的机叶片半径，v表示风速，δ表示风能利用系数，α表示风电机叶尖速比，r表示机叶片半径的转速。
[0052]
s2：基于直驱型风电系统构建风电机组风机运行控制模型。
[0053]
需要说明的是，风电机组风机运行控制模型的构建包括基于系统总风险最小化得到基本的数学模型为：
[0054]
maxf＝f(x,y,z)
[0055]
s.t.h(x,y,z)＝0
[0056]
p0≤p(x,y,z)≤p1[0057]
其中，f为目标函数，x为状态变量，y为控制变量，z为参数变量，h为等式约束，p为不等式约束。
[0058]
进一步的，风电机组风机运行控制模型以实时运行时效能最大为目标函数：
[0059][0060]
其中，i＝0时表示系统正常运行状态，i＝1,2,
…
n1时表示预设事故状态，hj表示叶片j的重要程度，hf表示叶片j的转动幅值，δh
lim
表示运行效能偏差范围，ωj表示叶片j的重要程度，n表示严重度函数因子，取常数，p(ci)表示故障事件的概率。
[0061]
其中，风电机组风机运行控制模型的约束条件包括：
[0062]
风机运行效能需满足最大风力约束：
[0063][0064]
其中，分别表示风机叶片j在不同运行状态的基准曲线出力和可
提供的最大出力；
[0065]
风电机组相关的约束：
[0066][0067]
其中，h
′
k，t
、分别表示风电机组k在t时段的实际计划出力和出力限度，h
k,t,n
表示风电机组k在t时段的风阻值，m表示常数系数。
[0068]
s3：在仿真平台建立相应的仿真模型，利用风电机组风机运行控制模型对风机运行状态进行仿真分析，得到分析结果。
[0069]
需要说明的是，仿真平台包括利用matlab/simulink工具箱，建立相应的仿真模型。
[0070]
进一步的，仿真平台建立相应的仿真模型包括：
[0071]
配置仿真模型的接口；
[0072]
根据不同接口之间的数据交互方式，建立不同接口之间的交互路径；
[0073]
以交互路径连接输入接口、输出接口、计算接口以及事件激励接口构建仿真模型框架。
[0074]
优选的，仿真模型的接口包括用于获取仿真条件的输入接口、对输入的仿真条件进行处理的计算接口、对处理结果进行输出的输出接口以及根据通知触发计算接口的事件激励接口
[0075]
s4：根据分析结果判断风机的实时运行性能，对实时运行性能低的风机进行控制及调整。
[0076]
需要说明的是，根据目标函数的输出值maxf判断风机的实时运行性能，若该输出值低于预设标准时，则对风机进行控制和调整。
[0077]
实施例2
[0078]
该实施例为本发明另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种直驱型风电机组风机运行控制方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例采用传统技术方案与本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0079]
传统的技术方案：现有技术故障保护方式较为单一，无法从多角度、多方面预判故障的发生并难以及时的进行调节，从而导致风机的经济及可靠性的降低。为验证本方法相对传统方法能够全方位的预判故障的发生并及时进行相应的调节，从而能够有效提高风机运行的经济性和可靠性。
[0080]
本实施例中将采用传统基于发电机电流及转速进行控制的方法和本方法分别对仿真直驱型风电机组的风机控制平衡度进行实时测量对比。测试环境：在仿真平台模拟风电场直驱型风机的运行，其部分设备参数如表1～表2所示，开启自动化测试设备并运用matlb软件编程实现两种方法的仿真测试，根据实验结果得到仿真数据。每种方法各测100组数据，结果如表3所示。
[0081]
表1：电源模块参数表。
[0082][0083][0084]
表2：通讯模块表。
[0085][0086]
表4：实验结果表。
[0087]
测试样本传统方法本发明方法预判精确度86％98％时延1～2h0～30ms保护方式单一全面成本高低
[0088]
从测试结果表可以看出本发明方法相较于传统方法具有较强的鲁棒性。
[0089]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0090]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0091]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0092]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0093]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。