扭矩控制系数的寻优方法和装置、风力发电机组与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种扭矩控制系数的寻优方法和装置、风力发电机组。

背景技术：

衡量风力发电机组发电能力的一个重要指标是功率吸收系数，功率吸收系数是叶尖速比和桨距角的函数。叶尖速比是叶片顶端的圆周速率除以风接触叶片之前很远距离上的速度，叶尖速比可以由适当的扭矩指令通过扭矩控制系数(kopt)保持，kopt是指机组在过度运行区间时扭矩与转速平方的最优比例系数。为了达到最优风能吸收，需要寻找机组的扭矩控制系数的最优值。

现有技术中，扭矩控制系数的寻优算法主要根据功率实现，比如选取功率值最优时对应的扭矩控制系数作为最优值，未考虑转速和扭矩的影响，当扭矩控制系数随转速变化时，会带来扭矩控制的异常等问题需要解决。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种扭矩控制系数的寻优方法和装置、风力发电机组，能够提高基于kopt控制时的扭矩控制精度。

第一方面，本发明实施例提供一种扭矩控制系数的寻优方法，该寻优方法包括：

获得风力发电机组针对不同风速区间的运行统计数据，运行统计数据包括：扭矩关联参数的平均值和扭矩控制系数倍数的寻优值；

确定优选风速区间，优选风速区间为与位于第一阈值和第二阈值之间的扭矩关联参数的平均值对应的风速区间，第一阈值为风力发电机组运行在最小转速恒定区域下的扭矩关联参数值，第二阈值为风力发电机组运行在最大转速恒定区域下的扭矩关联参数值；

根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值。

在第一方面的一种可能的实施方式中，扭矩关联参数包括扭矩；第一阈值为风力发电机组设定的最小恒转速值的平方与扭矩控制系数的初始值的乘积；第二阈值为风力发电机组设定的最大恒转速值的平方与扭矩控制系数的初始值的乘积。

在第一方面的一种可能的实施方式中，扭矩关联参数包括转速；扭矩关联参数的平均值为转速平均值；第一阈值由统计得到的最小转速恒定区域所在的风速区间下的转速平均值确定；第二阈值由统计得到的最大转速恒定区域所在的风速区间下的转速平均值确定。

在第一方面的一种可能的实施方式中，根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值的步骤，包括：计算所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值的平均值；计算平均值和扭矩控制系数的初始值的乘积，将乘积作为扭矩控制系数的寻优值，或者，将平均值和扭矩控制系数的初始值的乘积与预设环境系数的乘积作为扭矩控制系数的寻优值。

在第一方面的一种可能的实施方式中，预设环境系数为当前空气密度与寻优期间空气密度的平均值的比值。

在第一方面的一种可能的实施方式中，获得风力发电机组针对不同风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值的步骤为：根据扭矩控制系数倍数的待寻优集合控制风力发电机组运行，将运行于同一风速区间的功率数据分为一组，并将各组中对应于待寻优集合中同一参数值的功率数据分为一个子集；计算同一风速区间下各子集的平均功率数据；从扭矩控制系数倍数的待寻优集合中所有参数值的对应于同一风速区间下的子集的平均功率数据中选择最大值，将与该最大值对应的参数值确定为与该风速区间对应的扭矩控制系数倍数的寻优值。

第二方面，本发明实施例提供一种扭矩控制系数的寻优装置，该寻优装置包括：

运行统计数据获得模块，用于获得风力发电机组针对不同风速区间的运行统计数据，运行统计数据包括：扭矩关联参数的平均值和扭矩控制系数倍数的寻优值；

优选风速区间确定模块，用于确定优选风速区间，优选风速区间为与位于第一阈值和第二阈值之间的扭矩关联参数的平均值对应的风速区间，第一阈值为风力发电机组运行在最小转速恒定区域下的扭矩关联参数值，第二阈值为风力发电机组运行在最大转速恒定区域下的扭矩关联参数值；

寻优值计算模块，用于根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值。

在第二方面的一种可能的实施方式中，该寻优装置集成设置在风力发电机组的主控制器中。

第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的扭矩控制系数的寻优装置。

第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序包括用于执行如上所述操作的指令。

如上所述，本发明实施例通过确定优选风速区间，去除了与恒转速控制区域无关的风速区间，然后根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值，能够避免恒转速控制区域对扭矩控制系数寻优结果的影响，提高扭矩控制精度。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为基于固定kopt值和表1的kopt值进行扭矩控制时的转速扭矩曲线的对比图；

图2为本发明实施例提供的扭矩控制系数的寻优方法的流程示意图；

图3为机组1#应用本发明实施例的寻优方法计算的kopt值进行扭矩控制时的功率曲线示意图；

图4为机组2#应用本发明实施例的寻优方法计算的kopt值进行扭矩控制时的功率曲线示意图；

图5为本发明实施例提供的扭矩控制系数的寻优装置的结构框图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。

扭矩关联参数指的是扭矩控制过程中的关联参数。在本发明实施例中，风力发电机组的扭矩关联参数包括扭矩和转速。

在一些实施例中，可以先设置扭矩控制系数(kopt)的待寻优集合，然后采用轮寻方式对kopt待寻优集合进行寻优。

轮寻方式具体为：对kopt[i]赋值，控制风力发电机组按照kopt[i]运行预定时长后，切换至按照kopt[i+1]运行，若kopt[i+1]为kopt待寻优集合中的最后一个参数，则按照kopt[i+1]运行预定时长后切换回按照kopt待寻优集合中的第一个参数kopt[1]运行，直到kopt待寻优集合中所有参数值的对应于各风速区间的子集中功率数据的个数全部达到预设阈值，或者风力发电机组的寻优运行时长达到预设时长。

寻优计算时需要统计的数据包括风速数据和功率数据。也可以统计转速数据、扭矩数据、风向数据和桨距角等数据，用于为后续的寻优分析提供数据支撑。

表1中示出了寻优计算时不同风速区间的运行统计数据。

其中，第一列为各风速区间处于中间位置的风速值，第二列为针对不同风速区间的kopt倍数的寻优值，第三列为对应的转速统计平均值，第四列为对应的扭矩统计平均值。

表1

其中，kopt倍数是相对于kopt的初始值而言的，将kopt倍数的寻优值乘以kopt的初始值就能够得到kopt的寻优值。

具体地，可以通过以下步骤s1-s3计算kopt倍数的寻优值。

s1、将运行于同一风速区间的功率数据分为一组，并将各组中对应于待寻优集合中同一参数值的功率数据分为一个子集。

s2、计算同一风速区间下各子集的平均功率数据。

s3、从kopt倍数的待寻优集合中所有参数值的对应于同一风速区间下的子集的平均功率数据中选择最大值，将与该最大值对应的参数值确定为与该风速区间对应的kopt倍数的寻优值。

图1为基于固定kopt值和表1计算的kopt值进行扭矩控制时的转速扭矩曲线的对比图。其中，浅色散点形成的曲线为基于固定kopt值进行扭矩控制时的转速扭矩曲线，深色散点形成的曲线为表1计算的kopt值进行扭矩控制时的转速扭矩曲线。

对比发现，深色散点形成的曲线不平滑(参看p3指示的区域)，存在扭矩突变(参看p1指示的区域和p2指示的区域)，这些对于扭矩控制是不利的。

其中，

深色散点形成的曲线中p1以左的区域对应表1中前4个风速区间的转速平均值，分别为：7.50，7.50，7.50，7.54，这4个风速区间的转速平均值在数值上相接近，说明风速在4.25m/s以下时风力发电机组处于最小恒转速控制区间。

深色散点形成的曲线中p2以右的区域对应表1中后4个风速区间的转速平均值，分别为：13.32，13.37，13.35，13.43，这4个风速区间的在数值上相接近，说明风速在8.75m/s以上时风力发电机组处于最大横转速运行区间。

根据风力发电机组控制理论，恒转速控制区域内扭矩控制系数不起作用，因此，为了保证基于kopt控制时的扭矩转速曲线的平滑性，提高基于kopt控制时的扭矩控制精度，可以去除kopt寻优结果中与恒转速控制区域相关的数据。

基于上述分析，本发明实施例提供了一种扭矩控制系数的寻优方法和装置、风力发电机组。采用本发明实施例中的技术方案，能够平滑基于kopt控制时的转速扭矩曲线，提高基于kopt控制时的扭矩控制精度。

图2为本发明实施例提供的扭矩控制系数的寻优方法的流程示意图。如图2所示，该扭矩控制系数的寻优方法包括步骤201至步骤203。

在步骤201中，获得风力发电机组针对不同风速区间的运行统计数据。运行统计数据包括：扭矩关联参数的平均值和扭矩控制系数倍数的寻优值(参见表1)。

在步骤202中，确定优选风速区间，优选风速区间为与位于第一阈值和第二阈值之间的扭矩关联参数的平均值对应的风速区间。

其中，第一阈值为风力发电机组运行在最小转速恒定区域下的扭矩关联参数值(参见图1中的p1以左的区域)。

第二阈值为风力发电机组运行在最大转速恒定区域下的扭矩关联参数值(参见图1中的p2以右的区域)。

在步骤203中，根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值。

本发明实施例通过确定优选风速区间，根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值，能够去除kopt寻优结果中与恒转速控制区域无关的风速区间，避免恒转速控制区域对kopt寻优结果的影响，提高基于kopt控制时的扭矩控制精度。

分析图2，可以根据扭矩或者转速确定第一阈值和第二阈值。

以扭矩为例，第一阈值为风力发电机组设定的最小恒转速值的平方与扭矩控制系数的初始值的乘积，第二阈值为风力发电机组设定的最大恒转速值的平方与扭矩控制系数的初始值的乘积。

计算过程如下：

koptinit＝758844；

iwmin＝7.5/9.54929668＝0.7854rad/s；

iwmax＝13.5/9.54929668＝1.4137rad/s；

qmaxatwmin＝koptinit×iwmin×iwmin＝468093nm；

qminatwmax＝koptinit×iwmax×iwmax＝1516621nm。

其中，koptinit为扭矩控制系数的初始值，iwmin为风力发电机组设定的最小恒转速值，iwmax为风力发电机组设定的最大恒转速值，qmaxatwmin为第一阈值，qminatwmax为第二阈值。

优选风速区间为位于qmaxatwmin和qminatwmax之间的扭矩平均值对应的风速区间。根据表1，优选风速区间为风速处于5.25m/s至9.25m/s之间的风速区间。

具体地，可以计算所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值的平均值；以及计算平均值和扭矩控制系数的初始值的乘积，将乘积作为扭矩控制系数的寻优值。

比如，若风速区间5.25m/s至9.25m/s的kopt倍数的寻优值的平均值为0.85，则kopy的最终寻优值koptref为：0.85×koptinit＝645017。

以转速为例，第一阈值可以由统计得到的最小转速恒定区域所在的风速区间下的转速平均值确定；第二阈值可以由统计得到的最大转速恒定区域所在的风速区间下的转速平均值确定。

根据表1，统计得到的最小转速恒定区域的转速平均值约为7.50rpm，统计得到的最大转速恒定区域的转速平均值约为13.30rpm。考虑到表1中数据为统计数据，从准确性角度出发，可以保留适当余量，选择8rpm至13rpm范围内的风速区间为优选风速区间。

在一些实施例中，考虑到环境因素发生变化时，kopt值也会发生改变，可以在计算所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值的平均值和扭矩控制系数的初始值的乘积的步骤之后，将该乘积与预设环境系数的乘积作为扭矩控制系数的寻优值，以使kopt寻优结果能够适应环境变化。

考虑到环境温度、环境湿度、环境气压等因素发生改变时均会引起空气密度的改变。可以利用空气密度来表征环境变化对kopt值的影响。

空气密度与kopt值之间的关系可以表示为：

kopt＝πρr⁵cp/2λ³g³(1)

其中，ρ为空气密度，r为旋转半径，λ为叶尖速比的期望值，cp为基于λ的风能利用系数。

根据公式(1)，kopt值与空气密度成正比关系，除空气密度以外其他参数在设计完成后均为固定参数。因此，预设环境系数可以为当前空气密度与寻优期间空气密度的平均值的比值。即将寻优期间空气密度的平均值作为后期环境自适应调整的空气密度参考基准值，并根据当前空气密度与基准值的比值确定kopt基准值的调整量。

具体实施时，空气密度值可以直接测量或者计算得到。比如，通过安装气压计、环境温度传感器和湿度传感器等并根据一定的公式计算出来。或者，只安装环境温度传感器，则据前期评估确定当地年平均气压等进行估算，以自适应调整环境温度改变带来的kopt变化量。

需要说明的是，本发明实施例不限定空气密度的获取方式。当然与kopt寻优结果相关的其他环境因素也可以用来修正寻优结果，此处不限定环境因素的具体类型。

下面结合图3和图4说明本发明实施例的寻优方法的寻优效果。

图3为机组1#应用本发明实施例的寻优方法计算的kopt值进行扭矩控制时的功率曲线示意图；

图4为机组2#应用本发明实施例的寻优方法计算的kopt值进行扭矩控制时的功率曲线示意图。

其中，横坐标为风速，左侧纵坐标为功率数据(实线为基于本发明实施例的kopt寻优方法计算的kopt值的功率曲线，虚线为基于原始kopt值得到的功率曲线)，右侧纵坐标为功率数据(散点为不同风速区间下功率曲线的提升比)。

aep表示风机按现场风频计算的年发电量的提升比，从图3和图4可以看出，基于本发明实施例的kopt寻优方法计算的kopt值进行扭矩控制时，在5m/s至10m/s的风速区间内，功率曲线有较明显的提升，1#风机和2#风机的年发电量的提升比分别为4.1497％和4.8147％。

图5为本发明实施例提供的扭矩控制系数的寻优装置的结构示意图，图1中的解释说明可以应用于本实施例。如图5所示，该寻优装置包括：运行统计数据获得模块501(其具有与步骤201对应的功能)、优选风速区间确定模块502(其具有与步骤201对应的功能)和寻优值计算模块503(其具有与步骤201对应的功能)。

其中，运行统计数据获得模块501用于获得风力发电机组针对不同风速区间的运行统计数据，运行统计数据包括：扭矩关联参数的平均值和扭矩控制系数倍数的寻优值。

优选风速区间确定模块502用于确定优选风速区间，优选风速区间为与位于第一阈值和第二阈值之间的扭矩关联参数的平均值对应的风速区间。

其中，第一阈值为风力发电机组运行在最小转速恒定区域下的扭矩关联参数值，第二阈值为风力发电机组运行在最大转速恒定区域下的扭矩关联参数值。

寻优值计算模块503用于根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值。

本发明实施例通过确定优选风速区间，根据所有优选风速区间的扭矩控制系数倍数的寻优值和扭矩控制系数的初始值，得到扭矩控制系数的寻优值，能够去除kopt寻优结果中与恒转速控制区域无关的风速区间，避免恒转速控制区域对kopt寻优结果的影响，提高基于kopt控制时的扭矩控制精度。

需要说明的是，本发明实施例中的变流器故障检测装置可以设置在风力发电机组的主控制器中，从而不需要变更任何硬件，也可以是具有独立运算功能的逻辑器件，此处不进行限定。

本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括如上所述的扭矩控制系数的寻优装置。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有程序，所述程序包括用于执行如上所述操作的指令。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。