风力发电机的额定转速控制方法及装置与流程

本发明实施例涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机的额定转速控制方法及装置。

背景技术：

在风力发电过程中，由于风场中的风速是实时变化的，当风场中的风速小于额定风速时，需要通过增加转速来达到增加发电量的目的，而在现有技术中，提高风力发电机的额定转速是提高风力发电机转速的重要手段之一。当风力发电机的额定转速提高后,风力发电机运行在额定转速至额定风速区间时,功率系数增加,发电量得以增加。

然而在现有技术中，当风场中的风速重新达到或超过额定风速时，风力发电机仍旧会以提高后的额定转速运行，这使得风力发电机中的塔筒、轮毂、叶片等机械部件的载荷存在较大幅度的提高，从而导致这些机械部件的使用寿命降低。并且，由于额定转速的提高会使得额定转速与风力发电机过速故障保护阈值之间的间隔减小，风力发电机的瞬时转速超出过速故障保护阈值的概率也会大幅度增加，这会导致机组的可利用率被降低。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种风力发电机的额定转速控制方法及装置，用以降低风力发电机中塔筒、轮毂、叶片等机械部件的载荷，提高风力发电机的可用性。

本发明实施例第一方面提供一种风力发电机的额定转速控制方法，该方法包括：

获取风力发电机的叶片角度值；

根据所述叶片角度值与参考角度值之间的大小关系，确定所述风力发电机是否在额定风速以上运行，其中，所述参考角度值是所述风力发电机在所述额定风速以下运行，且取得最大功率系数时的叶片角度值；

若是，则将所述风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速；

若不是，则保持所述风力发电机当前的额定转速不变，其中所述当前的额定转速大于所述初始设定的转速。

本发明实施例第二方面提供一种风力发电机的额定转速控制装置，该装置包括：

获取模块，用于获取风力发电机的叶片角度值；

确定模块，用于根据所述叶片角度值与参考角度值之间的大小关系，确定所述风力发电机是否在额定风速以上运行，其中，所述参考角度值是所述风力发电机在所述额定风速以下运行，且取得最大功率系数时的叶片角度值；

执行模块，用于当所述风力发电机在所述额定风速以上运行时，将所述风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速；

所述执行模块，还用于当所述风力发电机在所述额定风速以下运行时，保持所述风力发电机当前的额定转速不变，其中所述当前的额定转速大于所述初始设定的转速。

本发明实施例，通过获取风力发电机的叶片角度值，并根据叶片角度值与预设的参考角度值之间的大小关系，确定风力发电机是否在额定风速以上运行。若风力发电机在额定风速以上运行，则说明风力发电机处于满发状态，此时通过将风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速以避免由于额定转速过高对风力发电机的塔筒、轮毂、叶片等机械部件的载荷造成显著的提升。并且，当风力发电机的额定转速被重置为初始设定的转速之后，风力发电机的转速会降低，由风力发电机的叶片转动所造成的气动噪音也会减小，从而能够达到环保的目的。另外，由于风力发电机的额定转速被重置为初始设定的转速之后，风力发电机的额定转速变小了，这就导致了风力发电机的额定转速与过速保障阈值之间的间隔增大了，因此，在阵风条件下，风力发电机瞬时转速超过过速故障保护阈值的概率就减小了，有利于提高风力发电机的可用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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他的附图。

图1为本发明一实施例提供的风力发电机的转速与电磁扭矩之间的关系图；

图2为本发明一实施例提供的风力发电机的额定转速控制方法的流程图；

图3为本发明一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图；

图4为本发明又一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图；

图5为本发明又一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图；

图6为本发明一实施例提供的风力发电机的额定转速控制装置的结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤的过程或结构的装置不必限于清楚地列出的那些结构或步骤而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程或装置固有的其它步骤或结构。

图1为本发明一实施例提供的风力发电机的转速与电磁扭矩之间的关系图。在图1中，ω₁为风力发电机额定转速的初始设定值，ω₂为风力发电机额定转速提高之后的设定值，并且满足ω₁<ω₂。P_rated为风力发电机的额定功率。P₁、P₂为小于额定功率的功率，且满足P₁<P₂；v₁、v₂为小于额定风速的风速，且满足v₁>v₂。且当风力发电机在风速v₁的条件下运行时，风力发电机的额定转速为ω₁，输出功率为P₁，当风力发电机的额定转速提高到ω₂时，风力发电机的输出功率为P₂。当风力发电机运行在额定风速以下时，风力发电机转速与风力发电机电磁扭矩之间的关系曲线为图1中的ABDE；当风力发电机运行在额定功率时，风力发电机转速与风力发电机电磁扭矩之间的关系曲线从图1中的额定功率曲线P_rated上的E点调整为F点；当风力发电机限功率运行时，风力发电机转速与风力发电机电磁扭矩之间的关系曲线为图1中的ABCF。如图1所示，在风力发电机转速与风力发电机电磁扭矩之间的关系曲线中，越靠近图1右上角的区域，风力发电机的输出功率越大，即提高风力发电机的额定转速，在风力发电机达到额定转速至额定功率的区间，能够提高风力发电机的发电量。而当风力发电机在额定风速以下运行时，本领域技术人员通常也是利用上述原理来提高额定转速至额定功率区间的发电量的。

但是，实际应用中，当风速重新达到或超过额定风速时，风力发电机仍旧会以提高后的额定转速运行，这使得风力发电机中的塔筒、轮毂、叶片等机械部件的载荷存在较大幅度的提高，从而导致这些机械部件的使用寿命降低。并且，由于额定转速的提高会使得额定转速与风力发电机过速故障保护阈值之间的间隔减小，风力发电机的瞬时转速超出过速故障保护阈值的概率也会大幅度增加，这会导致机组的可利用率被降低。

针对上述问题，本发明实施例提供了一种基于风力发电机变桨控制的额定转速调整方法，该方法通过获取风力发电机的叶片角度值，并将该叶片角度值作为判断风力发电机是否在额定风速以上运行的依据。当判断风力发电机在额定风速以上运行时，通过将风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速，以达到降低风力发电机机械部件的载荷，提高风力发电机可用性的目的。

图2为本发明一实施例提供的风力发电机的额定转速控制方法的流程图，该方法可以由一设置在风力发电机上的控制装置来执行，如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101、获取风力发电机的叶片角度值。

本实施例中，通过绝对值编码器对风力发电机的叶片角度值进行实时获取，并将获取到的叶片角度值与时间戳关联存储在数据库中。

在实际应用中，步骤S101的一种实现方法是从数据库中获取风力发电机在当前时刻的叶片角度值，并将该叶片角度值作为初步判断风力发电机是否在额定风速以上运行的依据。其中，所述在额定风速以上运行是指风力发电机在大于额定风速的风场条件下运行。

在步骤S101的另一种实现方法中，也可以一次性从数据库中获取预设个数的叶片角度值，其中该预设个数的叶片角度值是绝对值编码器在当前时刻以及当前时刻之前的预设时间范围内采集获得的。特别的，在实际应用中，上述预设时间范围和预设个数可以根据具体需要具体设定。比如，可以设定为获取当前时刻之前10秒内的10个叶片角度值。

在步骤S101的再一种实现方法中，还可以基于上述实现方法中获取到的预设个数的叶片角度值，计算风力发电机在当前时刻之间的预设时间范围内的平均角度值，并以该平均角度值为判断依据，判断风力发电机是否在额定转速之上运行。即在此实现方法中，步骤S101最终获取的是风力发电机在预设时间范围内的平均角度值。

在图2实施例中，还包括步骤S102、根据所述叶片角度值与参考角度值之间的大小关系，确定所述风力发电机是否在额定风速以上运行，若是，则执行步骤S103，否则，执行步骤S104。

图3为本发明一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图，如图3所示，当步骤S101中采用的是获取当前时刻叶片角度值的方法时，步骤S102包括以下子步骤：

步骤S201、将当前叶片角度值与所述参考角度值进行对比，若所述当前叶片角度值大于所述参考角度值，则执行步骤S202，否则，执行步骤S203。

本实施例中，参考角度值是风力发电机在额定风速以下运行，并取得最大功率系数时的叶片角度值。

当风力发电机在当前时刻的叶片角度值大于该参考值时，则说明此时风力发电机在额定风速以上的风况下运行。而当风力发电机的叶片角度值小于或等于该参考值时，并不能确定风力发电机一定是在额定风速以下的风况下运行。比如，此时，风力发电机可能正处于变桨状态，因此，需要借助步骤S203的方法，通过判断叶片角度值在接下来一段时间范围内的变化趋势来判断当前的风况。

在图3实施例中，还包括步骤S202、确定所述风力发电机在额定风速以上运行。

在图3实施例中，还包括步骤S203、继续获取预设个数的叶片角度值。

在步骤S203中可以采用与步骤S101类似的方法，即通过绝对值编码器获取风力发电机在接下来的一段预设时间范围内的预设个数的叶片角度值。本实施例中该预设时间范围可以根据具体需要具体设定，在这里不做限定。

在图3实施例中，还包括步骤S204、确定所述预设个数的叶片角度值中的每个叶片角度值是否均小于或等于所述参考角度值，若不是，则执行步骤S202，否则执行步骤S205。

实际应用中，若步骤S203中获取到的预设个数的叶片角度值均小于或等于参考角度值，则说明风力发电机未进行变桨操作，且工作在额定风速以下的风况中。否则说明风力发电机在执行变桨操作，且当前风速已重新达到或超过额定风速。

在图3实施例中，还包括步骤S205、确定所述风力发电机在额定风速以下运行。

本实施例，先根据风力发电机在前时刻的叶片角度值对风力发电机的工作风况进行预判，当无法直接判断时，再进一步获取当前时刻之后的预设个数的叶片角度值做进一步的判断，降低了控制装置的资源利用率。

图4为本发明又一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图，如图4所示，步骤S102包括以下子步骤：

步骤S301、将当前叶片角度值与所述参考角度值进行对比，若所述当前叶片角度值大于所述参考角度值，则执行步骤S302，否则，执行步骤S303。

在图4实施例中，还包括步骤S302、确定所述风力发电机在额定风速以上运行。

在图4实施例中，还包括步骤S303、继续获取预设个数的叶片角度值。

在图4实施例中，还包括步骤S304、确定所述预设个数的叶片角度值是否呈现减小的趋势，若是，则执行步骤S305，否则执行步骤S302。

举例来说，假设步骤S101中获取到的预设个数的叶片角度值分别为:10度、15度、16度。则将该三个角度值分别与参考角度值进行对比，确定三个角度值中是否每个角度值都小于或等于参考角度值。若是，则说明风力发电机在额定风速以下运行，否则，需要根据该三个角度值在获取时间上的顺序，确定在第二预设时间范围内叶片角度值的变化趋势，从而根据叶片角度值的变化趋势确定风力发电机是否在额定风速以下运行。当然，此处仅为示例说明而不是对本发明的唯一限定。

实际应用中，由于风场的风速是实时变化的，在某一时间范围内风力发电机可能经历了变桨控制，比如，在某一时间范围内，风场中的风速可能从额定风速以上降低到额定风速以下，此时在该时间范围内获取到的预设个数的叶片角度值中可能既存在大于参考角度值的叶片角度值，也可能存在小于或等于参考角度值的叶片角度值。此时需要根据该预设个数的叶片角度值的变化趋势，确定风力发电机是否在额定风速以上运行。比如，当该预设个数的叶片角度值呈减小趋势时，说明风力发电机经历了从额定转速以上的运行状态到额定转速以下的运行状态的转变，此时风力发电机是工作在额定转速以下的。相反的，则说明风力发电机经历了从额定转速以下的运行状态到额定转速以上的运行状态的转变，此时风力发电机是工作在额定转速以上的。

在图4实施例中，还包括步骤S305、确定所述风力发电机在额定风速以下运行。图5为本发明又一实施例提供的步骤S102的执行方法流程图，如图5所示，步骤S102包括以下子步骤：

步骤S401、将当前叶片角度值与所述参考角度值进行对比，若所述当前叶片角度值大于所述参考角度值，则执行步骤S302，否则，执行步骤S303。

在图5实施例中，还包括步骤S402、确定所述风力发电机在额定风速以上运行。

在图5实施例中，还包括步骤S403、继续获取预设个数的叶片角度值。

步骤S404、

将所述预设个数的叶片角度值的平均角度值与所述参考角度值对比，当所述平均角度值等于所述参考角度值，或者所述平均角度值小于所述参考角度值，且所述参考角度值与所述平均角度值的差值在预设的阈值范围内时，则执行步骤S405，否则，执行步骤S406。

在图5实施例中，还包括步骤S405、确定所述风力发电机在额定风速以下运行。

步骤S406、确定所述预设个数的叶片角度值是否呈现减小的趋势，若是，则执行步骤S405，否则执行步骤S402。

在实际应用中，风力发电机在某一时间范围内可能会经历变桨控制，此时如果风力发电机在该时间范围内的平均叶片角度值小于或等于参考角度值，则说明风力发电机当前在额定风速以下运行。而当风力发电机在该时间范围内的平均叶片角度值大于参考角度值时，风力发电机可能经历了由额定转速以上到额定转速以下的运行，或者额定转速以下到额定转速以上的运行，此时需要进一步根据叶片角度值在该时间范围内的变化趋势来判断当前的风况。

举例来说，当叶片角度值在一时间范围内呈上升趋势，则说明风力发电机经历了由额定转速以下到额定转速以上的运行状态，此时可以判定当前风力发电机在额定风速以上运行。当叶片角度值在该时间范围内呈减小趋势，则说明风力发电机经历了由额定转速以上到额定转速以下的运行状态，此时可以判定当前风力发电机在额定风速以下运行。

在图2实施例中，还包括步骤S103、将所述风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速；

在图2实施例中，还包括步骤S104、保持所述风力发电机当前的额定转速不变，其中所述当前的额定转速大于所述初始设定的转速。

本实施例，通过获取风力发电机的叶片角度值，并根据叶片角度值与预设的参考角度值之间的大小关系，确定风力发电机是否在额定风速以上运行。若风力发电机在额定风速以上运行，则说明风力发电机处于满发状态，此时通过将风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速以避免由于额定转速过高对风力发电机的塔筒、轮毂、叶片等机械部件的载荷造成显著的提升。并且，当风力发电机的额定转速被重置为初始设定的转速之后，风力发电机的转速会降低，由风力发电机的叶片转动所造成的气动噪音也会减小，从而能够达到环保的目的。另外，由于风力发电机的额定转速被重置为初始设定的转速之后，风力发电机的额定转速变小了，这就导致了风力发电机的额定转速与过速保障阈值之间的间隔增大了，因此，在阵风条件下，风力发电机瞬时转速超过过速故障保护阈值的概率就减小了，有利于提高风力发电机的可用性。

图6为本发明一实施例提供的风力发电机的额定转速控制装置的结构示意图，如图6所示，该控制装置包括：

获取模块11，用于获取风力发电机的叶片角度值；

确定模块12，用于根据所述叶片角度值与参考角度值之间的大小关系，确定所述风力发电机是否在额定风速以上运行，其中，所述参考角度值是所述风力发电机在所述额定风速以下运行，且取得最大功率系数时的叶片角度值；

执行模块13，用于当所述风力发电机在所述额定风速以上运行时，将所述风力发电机的额定转速重置为初始设定的转速；

所述执行模块13，还用于当所述风力发电机在所述额定风速以下运行时，保持所述风力发电机当前的额定转速不变，其中所述当前的额定转速大于所述初始设定的转速。

其中，所述获取模块通过绝对值编码器对所述风力发电机的叶片角度值进行实时获取。

本实施例提供的装置，能够用于执行图2所示的方法，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

图7为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图，如图7所示，在图6的基础上，所述确定模块12包括：

第一确定子模块121，用于将当前时刻的叶片角度值与所述参考角度值进行对比；若当前叶片角度值大于所述参考角度值，则确定所述风力发电机在额定风速以上运行；

第一获取子模块122，用于在当前叶片角度值小于或等于所述参考角度值时，继续获取预设个数的叶片角度值；

第二确定子模块123，用于确定所述预设个数的叶片角度值中的每个叶片角度值是否均小于或等于所述参考角度值，若是，则确定所述风力发电机在额定风速以下运行；否则确定所述风力发电机在额定风速以上运行。

本实施例提供的装置，能够用于执行图3所示的方法，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

图8为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图，如图8所示，在图6的基础上，所述确定模块12包括：

第一确定子模块121，用于将当前时刻的叶片角度值与所述参考角度值进行对比；若当前叶片角度值大于所述参考角度值，则确定所述风力发电机在额定风速以上运行；

第一获取子模块122，用于在当前叶片角度值小于或等于所述参考角度值时，继续获取预设个数的叶片角度值；

第三确定子模块124，用于确定所述预设个数的叶片角度值是否呈现减小的趋势，若是，则确定述风力发电机在所述额定风速以下运行，否则，确定所述风力发电机在所述额定风速以上运行。

本实施例提供的装置，能够用于执行图4所示的方法，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

图9为本发明一实施例提供的确定模块12的结构示意图，如图9所示，在图6的基础上，所述确定模块12包括：

第一确定子模块121，用于将当前时刻的叶片角度值与所述参考角度值进行对比；若当前叶片角度值大于所述参考角度值，则确定所述风力发电机在额定风速以上运行；

第一获取子模块122，用于在当前叶片角度值小于或等于所述参考角度值时，继续获取预设个数的叶片角度值；

第四确定子模块125；

所述第四确定子模块，用于：

将所述预设个数的叶片角度值的平均角度值与所述参考角度值对比；

若所述预设个数的叶片角度值的平均角度值大于所述参考角度值，则确定所述预设个数的叶片角度值是否呈现减小的趋势；

其中，若不是，则确定所述风力发电机在所述额定风速以上运行；

若是，则确定所述风力发电机在所述额定风速以下运行。

本实施例提供的装置，能够用于执行图5所示的方法，其执行方式和有益效果类似，在这里不再赘述。

最后需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解上述实施例方法中的全部或者部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可存储于一计算机可读存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可以为磁盘、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。

本发明实施例中的各个功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独的物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现，并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。