控制风力发电机组的转速的方法和装置与流程

本发明风力发电领域，更具体地讲，涉及一种风力发电机组转速控制方法及装置。

背景技术：

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，风力发电机组的各种研究也日益深入。

当风力发电机组在极端阵风环境下运行时，由于转速突然升高后又突然回落而导致风力发电机组的极限载荷偏大，甚至涉及风力发电机组的安全运行。因此，如何控制在极端阵风环境下的风力发电机组的转速防止极限载荷过大是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供控制风力发电机组的转速的方法和装置。

本发明的一方面提供一种控制风力发电机组的转速的方法，所述方法包括：实时检测包括风力发电机组的转速和转速加速度的信号；确定检测到的信号是否满足预定条件；如果确定检测到的信号满足预定条件，则将设定转速从作为当前值的第一值提高到第二值。其中，实时地基于设定转速和风力发电机组的转速对桨距角进行控制。其中，预定条件为：风力发电机组的转速大于或等于风力发电机组的安全转速，并且风力发电机组的转速加速度小于零。

可选地，将设定转速从第一值提高到第二值的步骤包括：将设定转速从第一值逐步提高到第二值。

可选地，所述方法还包括：在设定转速被提高为大于第一值的情况下，如果风力发电机组的转速加速度变为不小于零，则将设定转速降低到第一值。

可选地，设定转速的第一值等于风力发电机组的额定转速，设定转速的第二值等于风力发电机组的额定转速乘以预定系数。

可选地，所述方法还包括：如果确定检测到的信号不满足预定条件，则保持设定转速不变。

可选地，所述方法还包括：如果确定检测到的信号不满足预定条件，返回确定检测到的信号是否满足预定条件的步骤。

可选地，所述方法还包括：将设定转速维持在第二值持续预定时间。

可选地，所述方法还包括：在设定转速维持在第二值持续预定时间之后，将设定转速从第二值降低到第一值。

可选地，将设定转速从第二值降低到第一值的步骤包括：将设定转速从第二值逐步降低到第一值。

可选地，所述方法还包括：将设定转速降低到第一值后，返回确定检测到的信号是否满足预定条件的步骤。

本发明的另一方面提供一种控制风力发电机组的转速的装置，所述装置包括：信号检测单元，实时检测包括风力发电机组的转速和转速加速度的信号；预定条件确定单元，确定检测到的信号是否满足预定条件；设定转速设置单元，如果确定检测到的信号满足预定条件，则将设定转速从作为当前值的第一值提高到第二值，桨距角控制单元，实时地基于设定转速和风力发电机组的转速对桨距角进行控制。其中，预定条件为：风力发电机组的转速大于或等于风力发电机组的安全转速，并且风力发电机组的转速加速度小于零。

可选地，设定转速设置单元将设定转速从第一值逐步提高到第二值。

可选地，在设定转速被提高为大于第一值的情况下，如果风力发电机组的转速加速度变为不小于零，则设定转速设置单元将设定转速降低到第一值。

可选地，设定转速的第一值等于风力发电机组的额定转速，设定转速的第二值等于风力发电机组的额定转速乘以预定系数。

可选地，如果确定检测到的信号不满足预定条件，则设定转速设置单元保持设定转速不变。

可选地，如果确定检测到的信号不满足预定条件，预定条件确定单元继续确定检测到的信号是否满足预定条件。

可选地，设定转速设置单元将设定转速维持在第二值持续预定时间。

可选地，在设定转速维持在第二值持续预定时间之后，设定转速设置单元将设定转速从第二值降低到第一值。

可选地，设定转速设置单元将设定转速从第二值逐步降低到第一值。

可选地，在将设定转速降低到第一值后，预定条件确定单元继续确定检测到的信号是否满足预定条件。

本发明的另一方面提供一种控制风力发电机组的转速的系统，所述系统包括：处理器；存储器，存储有计算机可读代码，当所述计算机可读代码被处理器执行时，执行实现上面所述的方法。

本发明的另一方面提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序被执行时实现上面所述的方法。

根据本发明的控制风力发电机组的转速的方法、装置和系统由于采用柔性转速的控制方法，即在阵风中的风速减小或转速下降阶段中动态改变提高设定转速，可使风力发电机组的桨距角与不采用柔性转速的控制方法的桨距角相比更小，避免在阵风中的风速减小或转速下降阶段中风力发电机前后方向的气动阻力突然变小，从而防止极限载荷过大，同时也降低了整机开发成本。

附图说明

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的极端阵风环境下风力发电机组柔性转速控制的方法的流程图；

图2是示出根据本发明的实施例的风力发电机组柔性转速控制装置的框图；

图3是示出根据本发明的实施例的风力发电机组柔性转速控制方法的曲线图。

具体实施方式

现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例。

以下将通过图1详细描述在极端阵风环境下风力发电机组柔性转速控制的方法。

图1是示出根据实施例的极端阵风环境下风力发电机组柔性转速控制的方法的流程图。

参照图1，在步骤s110中，实时检测包括风力发电机组的转速和转速加速度的信号。

可通过各种方式检测包括风力发电机组的转速和转速加速度，本发明不进行限制。例如，可通过风速仪来检测风力发电机组的转速，可通过加速度传感器测量风力发电机组的转速加速度，或者可通过对测量的转速进行微分得到转速加速度。

在步骤s120中，确定检测到的信号是否满足预定条件。通常，阵风是风速先增加然后再减小的风。在阵风的风速增加的阶段，风力发电机组可采用常规的变桨控制手段，即通过快速收桨(使桨距角变大)来控制(降低)风力发电机组的转速。然而，在阵风的风速减小的阶段，为了避免风力发电机组的前后方向的气动阻力随着阵风的减小以及收桨操作而突然变小，可对风力发电机组进行柔性转速控制。

步骤s120中的预定条件是用于确定风力发电机组是否已经进入阵风的风速减小的阶段的条件。根据本发明构思的实施例，确定风力发电机组是否已经进入阵风的风速减小的阶段的条件可以为：风力发电机组的转速大于或等于风力发电机组的安全转速，并且风力发电机组的转速加速度小于零。

风力发电机组的安全转速表示当风力发电机组的实际运行转速低于该安全转速时，不会对风力发电机组造成损坏的转速。换言之，风力发电机组的安全转速可以是确保风力发电机组安全运行而不损坏的最大转速。例如，风力发电机组的安全转速通常可高于风力发电机组的额定转速。例如，风力发电机组的安全转速可等于风力发电机组的额定转速×第一预定系数factor1，其中，第一预定系数factor1可以是大于1的实数，优选地，可以是介于0与2之间的实数。第一预定系数factor1可根据风力发电机组的不同型号、风力发电机组所在地的不同气候环境、风力发电机组所执行的不同发电任务以及运行风力发电机组的过往经验等而确定。

在步骤s130中，如果确定检测到的信号满足预定条件，则将设定转速从作为当前值的第一值提高到第二值。

这里，设定转速是风力发电机组的期望转速，风力发电机组的变桨控制过程就是将风力发电机组的实际转速调节为设定转速(期望转速)的过程。例如，当风力发电机组的转速与设定转速之差大于零时，风力发电机组执行收桨操作，使桨距角增大；当风力发电机组的转速与设定转速之差小于零时，风力发电机组执行开桨操作，使桨距角减小；当风力发电机组的转速与设定转速之差等于零时，风力发电机组不执行变桨操作。应该理解，基于设定转速和实际转速进行变桨控制属于现有技术，不再赘述。

设定转速的第一值等于风力发电机组的额定转速，设定转速的第二值高于第一值。例如，设定转速的第二值可等于风力发电机组的额定转速×第二预定系数factor2。也就是说，响应于检测到的信号满足预定条件(即，风力发电机组的转速大于或等于风力发电机组的安全转速，并且风力发电机组的转速加速度小于零)，将风力发电机组的设定转速提高到第二值(即，额定转速×第二预定系数factor2)。第二预定系数factor2可以是大于1的实数，优选地，可以是介于1与2之间的实数。第二预定系数factor2可根据风力发电机组的不同型号、风力发电机组所在地的不同气候环境、风力发电机组所执行的不同发电任务以及运行风力发电机组的过往经验等而确定。第一预定系数factor1与第二预定系数factor2可以相同，也可以不相同。

可以以各种方式将设定转速从第一值提高到第二值。例如，可将设定转速从第一值直接提高到第二值。优选地，可将设定转速从第一值逐渐提高到第二值。

通过提高设定转速，可使风力发电机组的桨距角与不采用柔性转速的控制方法的桨距角相比更小，避免在阵风中的风速减小或转速下降阶段中风力发电机前后方向的气动阻力突然变小，从而防止极限载荷过大，同时也降低了整机开发成本。

在一个优选实施例中，该方法还包括：如果在步骤s120确定检测到的信号不满足预定条件，则保持当前的设定转速不变，或者不对当前的设定转速进行更新。在一个优选实施例中，如果检测到的信号不满足预定条件，返回确定检测到的信号是否满足预定条件的步骤(s120)。

在一个优选实施例中，该方法还包括：在通过步骤s130设定转速被提高为大于第一值的情况下，如果风力发电机组的转速加速度变为不小于零，则将设定转速降低到第一值。这里，在设定转速被提高为大于第一值的情况下，如果风力发电机组的转速加速度变为不小于零，则表明风力发电机组没有处于阵风中的风速减小阶段，而是处于阵风中的风速增加阶段。

在一个实施例中，该方法还包括：将设定转速维持在第二值持续预定时间。例如，可将设定转速维持第二值持续与阵风中的风速减小阶段的持续时间相同的时间，或者可将设定转速维持第二值持续比阵风中的风速减小阶段的持续时间短的时间，或者可将设定转速维持第二值持续比阵风中的风速减小阶段的持续时间长的时间。

在一个优选实施例中，在设定转速维持在第二值持续预定时间之后，将设定转速从第二值降低到第一值。

可以以各种方式将设定转速降低到第一值。例如，可将设定转速直接降低到第一值。优选地，可将设定转速逐渐降低到第一值。

在一个优选实施例中，该方法还包括：将设定转速降低到第一值后，返回确定检测到的信号是否满足预定条件的步骤(s130)。

在以上执行步骤s110至s130的过程中，实时地基于设定转速和风力发电机组的转速对桨距角进行控制。由于在阵风的风速减小阶段，设定转速发生变化(变大)，因此实现柔性转速控制。

以上仅是将在极端阵风环境下风力发电机组实现柔性转速控制的方法的一个示例，实现柔性转速控制的方法不限于此。

下面，参照图2描述本发明的风力发电机组柔性转速控制装置。

图2是示出根据本发明的实施例的风力发电机组柔性转速控制装置的框图。

参照图2，风力发电机组柔性转速控制装置200包括：信号检测单元210、预定条件确定单元220、设定转速设置单元230和桨距角控制单元240。

信号检测单元210实时检测包括风力发电机组的转速和转速加速度的信号。信号检测单元210既可使用内部传感器测量风力发电机组的转速和转速加速度，也可根据实际需要使用外部传感器检测风力发电机组的转速和转速加速度。可使用外部检测器来代替信号检测单元210。

预定条件确定单元220确定检测到的信号是否满足预定条件。这里，预定条件与参照图1描述的预定条件相同。

如果确定检测到的信号满足预定条件，则设定转速设置单元230将设定转速从作为当前值的第一值提高到第二值。这里，设定转速的第一值和第二值与操作图1描述的设定转速的第一值和第二值相同。例如，可将设定转速从第一值直接提高到第二值。优选地，可将设定转速从第一值逐渐提高到第二值。

在一个实施例中，在设定转速被提高为大于第一值的情况下，如果风力发电机组的转速加速度变为不小于零，则设定转速设置单元230将设定转速降低到第一值。

在一个实施例中，如果检测到的信号不满足预定条件，则设定转速设置单元230保持设定转速不变，或者则保持当前的设定转速不变。

在一个优选的实施例中，如果确定检测到的信号不满足预定条件，预定条件确定220单元继续确定检测到的信号是否满足预定条件。

在一个实施例中，设定转速设置单元230将设定转速维持在第二值持续预定时间。

在一个优选的实施例中，在设定转速维持在第二值持续预定时间之后，设定转速设置单元将设定转速从第二值降低到第一值。在一个实施例中，可以以各种方式将设定转速降低到第一值。例如，可将设定转速直接降低到第一值。优选地，可将设定转速逐渐降低到第一值。

在一个实施例中，在将设定转速降低到第一值后，预定条件确定单元220继续确定检测到的信号是否满足预定条件。

桨距角控制单元240实时地基于设定转速和风力发电机组的转速对桨距角进行控制。

下面，参照图3描述本发明的风力发电机组柔性转速控制方法的效果。

图3是示出根据本发明的实施例的风力发电机组柔性转速控制方法的曲线图。

参照图3，该曲线图描述了在平均风速11.1m/s，叠加幅值15m/s，额定转速12.3rpm，factor2为1.05的情况下的全波阵风仿真结果。其中，图3中的横轴均表示时间(s)，(a)示出了风速(m/s)随时间的变化，(b)示出了设定转速(rpm)随时间的变化，(c)示出了风力发电机转速(rpm)随时间的变化，(d)示出了桨距角(度)随时间的变化，(e)示出了风力发电机组塔顶载荷(kn/m)随时间的变化。此外，在图3中，实线表示未采用本发明构思的柔性转速控制方法的数据，点划线表示采样本发明构思的柔性转速控制方法的数据。

如图3所示，在阵风的风速增加阶段，风力发电机组的转速也随之不断增加，进而导致变桨控制系统执行收桨操作，以避免转速过快。此时，根据本发明构思的控制风力发电机组的转速的方法不改变设定转速(参照图3的(b))。

在阵风的风速减小阶段，风力发电机组的转速随之不断减小，根据本发明构思的控制风力发电机组的转速的方法将设定转速从第一值12.3rpm提高到第二值12.9rpm，从而使桨距角开桨变快，与未采用本本发明构思的控制风力发电机组的转速的方法相比，同一时刻的桨距角更小，从而受到的气动力相对更大，提升了风力发电机组叶轮前后方向的气动阻力，减小风力发电机组的位移晃动，使得塔顶载荷最大值(即，极限值)明显降低(如图3的(e))。

根据本发明的一个实施例，本发明还提供一种控制风力发电机组的转速的系统。所述系统包括：处理器和存储器。存储器存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上面描述的根据本发明的实施例的控制风力发电机组的转速的方法。

此外，应该理解，根据本发明示例性实施例的设备中的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个单元所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(fpga)或专用集成电路(asic)来实现各个单元。

此外，根据本发明示例性实施例的上述方法可以被实现为计算机可读记录介质中的计算机程序。本领域技术人员可以根据对上述方法的描述来实现所述计算机程序。当所述计算机程序在计算机中被执行时实现本发明的上述方法。

根据本发明的控制风力发电机组的转速的方法、装置和系统由于采用柔性转速的控制方法，即在阵风中的风速减小或转速下降阶段中动态改变提高设定转速，可使风力发电机组的桨距角与不采用柔性转速的控制方法的桨距角相比更小，避免在阵风中的风速减小或转速下降阶段中风力发电机前后方向的气动阻力突然变小，从而防止极限载荷过大，同时也降低了整机开发成本。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。