一种风力发电机组长周期控制参数自整定系统及方法与流程

本发明涉及风力发电机组的控制策略研究与评估，特别涉及一种风力发电机组长周期控制参数自整定系统及方法。

背景技术：

如图1所示，为现有的风力发电机组从待机到并网发电过程的示意图：在待机状态下，当风速大于切入风速，控制系统根据不同的风速条件控制变桨角度，让风轮开始旋转，当满足并网条件，即转速大于并网转速后，控制系统启动变流器，开始并网发电。

并网发电之后，根据风速不同，机组运行于不同工作状态，如下图2所示。a以下为开环控制区(加速区)；bc为最优叶尖速比运行区；cd为额定转速区，d点之后，为额定功率区，此时通过调整变桨角度，限制机组输入功率。

根据风速不同，机组运行四个工作区(配合参阅图3所示，为风力发电机组四个工作区的示意图)：

恒速运行区一：风机自启动到转速达到最小并网转速，则进入恒速工作区a，控制器控制风机并网，并随着风速的增加控制机组的输出功率增大，直到达到最佳cp曲线(图2中的b点)；

最优叶尖速比运行区：控制器控制风机运行于最佳cp曲线之上，动态调整风机的输出功率实现最大风能捕获；

恒速运行区二：此时风力发电机组的电机转速已经达到额定转速，但是输出功率还未达到额定值，随着风速的增加控制机组的输出功率增大，直到输出功率达到额定值；

额定以上运行区：功率达到额定值后，控制器控制变桨角度，卸载掉多余的风能，维持机组运行在额定转速和额定功率。

在以上四个工作区中，恒速运行区a、恒速运行区b需要转矩控制参数，最优叶尖速比运行区需要最优叶尖速比增益参数，额定以上需要变桨控制参数，这些参数可以通过短周期仿真进行优化整定。但是，对于起机过程中的并网转速等参数和额定以上时的偏航控制参数，目前缺少有效的优化整定工具，因此，如何提供一种风力发电机组长周期控制参数自整定评估系统及方法，可以实现对这些参数的自整定，即为本领域技术人员的研究方向所在。

技术实现要素：

为了达到上述目的，本发明提供一种风力发电机组长周期控制参数自整定系统及方法，以解决起机和偏航参数影响发电量及机组载荷，但是缺少整定工具的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种风力发电机组长周期控制参数自整定系统，包括：

风力发电机组模型、控制参数生成器和控制策略模块，其中：

所述风力发电机组模型与所述控制策略模块连接，根据当前的风速、风向，按照控制器的控制策略，进行实时反应，完成多种动作，输出数据；

所述控制参数生成器与所述风力发电机组模型及所述控制策略模块连接，实时记录所述风机仿真模型输出的各种数据，并对数据进行分析评估，根据数据分析评估结果，生成新的控制参数，并输出给控制策略模块。

较佳的实施方式中，所述风力发电机组模型包括所有机械传动系统、风模型、变桨系统模型、发电机模型及变流器模型。

较佳的实施方式中，根据所述风模型得到的风速风向数据，实时输出风力发电机组运行状态、发电机转速、功率、变桨角度、偏航角度、塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷。

较佳的实施方式中，所述控制策略模块作为控制器，包括变桨、转矩和偏航控制逻辑。

较佳的实施方式中，所述控制参数生成器包括：

记录、统计分析数据单元、实时记录风力发电机组仿真模型输出数据；

寻找最优偏航控制参数单元，用于不断循环寻找最优偏航控制参数；

寻找最优起机控制参数，用于不断循环寻找最优起机控制参数。

较佳的实施方式中，所述控制策略模块包括转矩控制器、变桨控制器和偏航控制器，根据风速、发电机转速、功率等实时测量数据，输出期望转矩、变桨角度和期望偏航角度。

为了达到上述目的，本发明还提供一种风力发电机组长周期控制参数自整定方法，包括以下步骤：

步骤t1：采集风场测风塔一年的风速风向数据；

步骤t2：建立某机型风力发电机组模型；

步骤t3：建立控制策略模块；

步骤t4：建立控制参数生成器；

步骤t5：根据步骤t1至t4，建立完备的长周期控制参数自整定系统，通过进行循环的长周期仿真，得到最优的偏航、起机控制参数。

较佳的实施方式中，在所述步骤t4中，控制参数生成器分为两个步骤：

步骤t41:寻找最优偏航控制参数；

步骤t42:寻找最优起机控制参数。

较佳的实施方式中，步骤t41包括如下子步骤：

步骤t411：偏航、起机参数赋初值；

步骤t412：用初始参数进行一次年仿真，即将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤t413：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量、塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷；

步骤t414：从搜索域获取最新偏航参数，并赋值；

步骤t415：将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤t416：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量，判断年发电量是否增加，如果增加，再对筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷进行统计，并评价是否符合标准，如果符合，则认为该参数优于上一组偏航控制参数；

步骤t417：以此类推，经过不断仿真，最终搜索到最优偏航控制参数。

较佳的实施方式中，步骤t42包括如下子步骤：

步骤t421：偏航控制参数寻优结束后，开始进行起机控制参数寻优；

步骤t422：起机参数赋初值；

步骤t423：用初始参数进行一次年仿真，即将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤t424：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量、塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷；

步骤t425：从搜索域获取最新起机参数，并赋值；

步骤t426：将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤t427：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量，判断年发电量是否增加，如果增加，再对筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷进行统计，并评价其是否符合标准，如果符合，则认为该参数优于上一组起机控制参数；

步骤t428：以此类推，经过不断仿真，最终搜索到最优起机控制参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供一种长周期参数自整定系统和方法，为起机和偏航控制参数提供设计依据，最终实现提高机组可靠性以及发电量，延长机组寿命，具有可观的经济价值。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为现有技术风力发电机组从待机到并网发电过程的流程图；

图2为风力发电机组转速转矩对应关系图；

图3为风力发电机组四个工作区的示意图；

图4为本发明风力发电机组长周期控制参数自整定系统的拓扑图；

图5为本发明风力发电机组模型组成框图；

图6a为本发明控制参数生成器组成框图；

图6b为本发明控制参数生成器流程图；

图7为本发明控制策略模块组成框图；

图8为本发明一种风力发电机组长周期控制参数自整定方法流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图4所示，为本发明风力发电机组长周期控制参数自整定系统的拓扑图，本发明的风力发电机组长周期控制参数自整定系统包括三个模块：风力发电机组模型1、控制策略模块2和控制参数生成器3，其中：

风力发电机组模型1分别与控制策略模块2及控制参数生成器3连接，风力发电机组模型1根据当前的风速数据、风向数据，按照控制策略模块2进行实时反应，完成起机、并网、发电、变桨、偏航和停机等动作，输出功率、发电机转速、载荷等数据。

控制策略模块2，为控制器，包括变桨、转矩和偏航等控制逻辑,用于对风力发电机组模型1及控制参数生成器3进行控制。

控制参数生成器3与风力发电机组模型1及控制策略模块2相连，实时记录风机仿真模型1输出的各种数据，并对数据进行分析评估，根据数据分析评估结果，生成新的控制参数，并输出给控制策略模块2。其中，控制参数生成器3的输入为偏航参数搜索域和起机参数搜索域，为参数的集合，该集合由部件的电气、机械特性限值确定。

风力发电机组模型1根据当前的风速数据、风向数据作为输入，其中，风速数据、风向数据可为年风速数据、年风向数据，通过风力发电机组模型1进行一次完整的仿真后，可以得到一年的风力发电机组数据，对这一年的数据分析评估后，由控制参数生成器3生成新的控制参数，输出给控制策略模块2，再进行一次完整的仿真，以此循环，最后可以得到最优控制参数。

如图5所示，为本发明风力发电机组模型组成框图，风力发电机组模型1包括变桨系统模型11、风模型12、气动模型13、机械传动系统模型14、发电机和变流器模型15，上述的多个模型为风电机组各个部件的实时仿真模型。风力发电机组模型1可以根据风模型12得到的风速数据及风向数据，实时输出风力发电机组运行状态、发电机转速、功率、变桨角度、偏航角度、塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷。

变桨系统模型11:变桨系统包括变桨齿轮箱、变桨轴承等，输入为控制器根据发电机转速计算出的期望变桨角度βref，输出为实际变桨角度β。两者之间的差异主要是由于：变桨齿轮箱的效率、变桨轴承摩擦力等诸多因素。

风模型12:生成指定的湍流风，包括风速、风向。

气动模型13:输出叶轮力矩tt，输入为风速和叶轮旋转角速度ωt。

机械传动系统模型14:输出叶轮旋转角速度ωt和发电机转子角速度ωm，输入为叶轮力矩tt和发电机转矩tem。同时，输出塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷。

发电机和变流器模型15：将发电机转矩tem转化为电网电流，输入为电网电压。

转矩控制系统17：接收控制器转矩指令temref，转化为变流器电压vconverter。

电网模型16：接收发电机和变流器模型的电网电流提供电网电压vgrid。

控制策略模块2：产生期望转矩temref、期望桨距角βref。

其中：ωt：叶轮旋转角速度；

β：桨距角；

vv：风速；

tt：叶轮力矩；

ωm：发电机转子角速度；

tem：发电机转矩；

temref：发电机转矩；

vconverter：变流器电压；

vgrid：电网电压；

βref：期望桨距角。

如图6a所示，为本发明控制参数生成器组成框图，控制参数生成器3包括记录/统计分析数据单元31、寻找最优偏航控制参数单元32及寻找最优起机控制参数单元33，其中，

记录/统计分析数据单元31，用于实时记录风力发电机组仿真模型输出数据，如果一年仿真计算完成，则对年记录数据进行统计。

寻找最优偏航控制参数单元32，用于判断使用该参数的年发电量是否最大，如果最大再判断载荷是否符合标准，不断循环寻找最优偏航控制参数。

寻找最优起机控制参数单元33，判断使用该参数的年发电量是否最大，如果最大再判断载荷是否符合标准，不断循环寻找最优起机控制参数。

如图6b所示，为本发明控制参数生成器流程图，

控制参数生成器最终目的是输出最优偏航、起机控制参数，分为两个步骤：

步骤s1、寻找最优偏航控制参数，其包括如下子步骤：

步骤s11：偏航、起机参数赋初值；

步骤s12：用初始参数进行一次年仿真，即将年风速数据输入，进行一次完

整的仿真；

步骤s13：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量、塔筒载荷、叶

片载荷和轮毂载荷；

步骤s14：从搜索域获取最新偏航参数，并赋值；

步骤s15：将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤s16：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量，判断年发电量

是否增加，如果增加，再对筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷进行统计，并评

价其是否符合标准，如果符合，则认为该参数优于上一组偏航控制参数；

步骤s17：以此类推，经过不断仿真，最终搜索到最优偏航控制参数。

步骤s2、寻找最优起机控制参数，其包括如下子步骤：

步骤s21：偏航控制参数寻优结束后，开始进行起机控制参数寻优；

步骤s22：起机参数赋初值；

步骤s23：用初始参数进行一次年仿真，即将年风速数据输入，进行一次完

整的仿真；

步骤s24：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量、塔筒载荷、叶

片载荷和轮毂载荷；

步骤s25：从搜索域获取最新起机参数，并赋值；

步骤s26：将年风速数据输入，进行一次完整的仿真；

步骤s27：年仿真完成后对数据进行统计，计算出年发电量，判断年发电量

是否增加。如果增加，再对筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷进行统计，并评

价其是否符合标准，如果符合，则认为该参数优于上一组起机控制参数；

步骤s28：以此类推，经过不断仿真，最终搜索到最优起机控制参数；

步骤s29：输出最优偏航、起机控制参数。

如图7所示，为控制策略模块组成框图，本发明的控制策略模块2包括转矩控制器21、变桨控制器22和偏航控制器23，根据风速、发电机转速、功率等实时测量数据，输出期望转矩、变桨角度和期望偏航角度。以下为三个模块详述：

转矩控制器21：以转速测量值和期望转速作为输入的函数，输出为期望发电机转矩。恒速运行区一、最优叶尖速比运行区和恒速运行区二，转矩控制器起作用。

变桨控制器22：以转速测量值、期望功率、转速设置值作为输入的函数，输出为期望变桨角度。额定以上运行区，变桨控制器起作用。

偏航控制器23：以机舱位置测量值和风向作为输入的函数，输出为期望偏航角度。独立于转矩控制器和变桨控制器，满足偏航条件即启动偏航。

如图8所示，为一种风力发电机组长周期控制参数自整定方法流程图，本发明还提供一种风力发电机组长周期控制参数自整定方法，包括以下步骤：

步骤t1：采集风场测风塔一年的风速风向数据；

步骤t2：建立某机型风力发电机组模型；

风力发电机组模型如图5所示。

步骤t3：建立控制策略模块；

控制策略模块如图7所示，主要包括转矩控制器、变桨控制器和偏航控制器。

步骤t4：建立控制参数生成器；

控制参数生成器流程图如图6b所示。该单元为核心模块，功能包括：判断长周期仿真结束后，在仿真结果中提取年发电量、塔筒载荷、叶片载荷和轮毂载荷等特征值，以年发电量最高及载荷符合标准为判断依据，寻找最优控制参数。

步骤t5：根据步骤t1至t4，建立完备的长周期控制参数自整定系统。通过进行循环的长周期仿真，得到最优的偏航、起机控制参数，实现风力发电机组安全的捕获最大风能的控制目标。

综上所述，本发明以年风速、风向输入风力发电机组模型，该模型根据当前的风速、风向，按照控制器的控制策略，进行实时反应，完成起机、并网、发电、变桨、偏航和停机等动作，输出功率、发电机转速、载荷等数据。进行一次完整的仿真，可以得到一年的风力发电机组数据，对这一年的数据分析评估后，由控制参数生成器生成新的控制参数，输出给控制策略模块，再进行一次完整的仿真，以此循环，通过对比不同控制参数对载荷、发电量等的控制效果，最后可以得到最优控制参数。

因此，本发明可提供一种长周期参数自整定系统和方法，为起机和偏航控制参数提供设计依据，最终实现提高机组可靠性以及发电量，延长机组寿命，具有可观的经济价值。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。