基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法
【专利摘要】一种基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，该方法是当风力发电机切出时时间计数器复位并检测当前风速，若当前风速小于风力发电机的再切入风速，则时间计数器累加计时；若当前风速大于再切入风速，则时间计数器清零并重新检测当前风速；再判断当前风速持续低于再切入风速的累计时间是否大于时间死区，若累计时间大于时间死区，且当前风速小于再切入风速，则风力发电机再切入并网发电。本发明在现有仅采用切出风速和再切入风速间的风速死区的基础上加入再切入的时间死区，只有在当前风速低于再切入风速且持续时间大于时间死区的条件下才启动风力发电机，能避免风力发电机在强风条件下反复启动和停机，有效减少强风条件下风力发电机频繁启动和停机可能造成的危害。
【专利说明】
基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种台风等高风速条件下，基于风速时间组合死区的风力发电机组的再切入控制方法。
【背景技术】
[0002]风电场多处于山野，运行环境恶劣，检修维护费用高昂。特别是海上和山区的风电机组，一旦出现故障，由于交通不便和天气状况等因素检修维护极其困难。统计表明，陆上风电场的运行维护费用占到风力发电机组发电收入的10%左右，而海上风电场的运行维护费用占到风力发电机组发电收入的30%左右。
[0003]在运行过程中，风力发电机的轴承、齿轮等机械运转部件需承受一定的机械载荷，当风速变化较大时动力部分所承受的机械载荷及扭转力也会相应出现较大的变动，容易造成机械旋转部件的故障。台风等极端天气条件下，风力发电机在紧急停车切出和风速减小再启动的过程中，除静止载荷、随机载荷、正常运行的稳态载荷和周期性载荷外，还需承受由刹车产生的瞬时载荷和台风作用的冲击性载荷，风机叶片可能会发生剧烈扭转振颤，极易诱发桨距调节、偏航等系统故障，使得机械部件的故障概率显著升高，严重影响风力发电机的安全稳定运行。元件失效造成的故障停机将降低风力发电机组的可用率，影响并网发电。因台风下风速剧烈波动，当风速低于再切入风速时风机又将启动，并可能在台风下频繁启动和切出停机，对风力发电机的安全性和可靠性产生突出影响。据统计，陆上发电机的可用率一般在95%至99%之间；海上风电场由于运维作业受潮汐影响明显，既可能面临台风等恶劣工况，还可能面临通达困难问题，并且海上维护作业有效时间短，安全风险大且需要大型维修装备，可用率显著低于陆上风机，有的风电场可用率甚至仅在60%至70%之间。因此，如能避免风力发电机组在台风下反复启停，不但可以降低故障率和检修维护费用支出，还可提高风电机组可用率，对于提高风电场的经济效益具有重要的实际价值。
[0004]为了保护风力发电机，避免在强风条件下承受超设计值的风载荷，风力发电机在检测到风速大于切出风速(一般为25m/s)时，会顺桨刹车停机。需要指出的是，切出风速是由风力发电机组厂家设计给定的固定数值，当风速在切出风速上下波动时，风力发电机将会频繁启动，可能会明显提高风力发电机的故障概率。为了避免风力发电机在强风条件下频繁启停造成损害，2008年以来，不少风力发电机厂家开始引入风力发电机的再切入风速，即在风力发电机遭遇强风切出之后，设置一个低于切出风速的值作为再切入风速(多为23m/s)，只有在当前风速低于再切入风速时，才重新启动风力发电机，利用切出风速和再切入风速之间的风速死区，避免风力发电机在强风条件下频繁启停。需要指出的是，因为强风条件下风速变化率明显高于正常情况，单独在切出风速之下设置再切入风速形成的风速死区并不一定能有效降低风力发电机组的切出次数。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:针对上述现有技术中，风力发电机在台风条件下可能反复切出、再切入然后又再切出，容易导致元件故障、影响风力发电机可用性的问题，提供一种基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，采用在风力发电机的控制系统中于现有再切入风速死区的基础上再增加再切入时间死区的方法，在风力发电机切出后进行再切入控制，即风力发电机切出之后按照当前风速是否持续小于再切入风速，且只有检测的当前风速持续低于再切入风速的时间大于时间死区时方才控制风力发电机开机再切入并网发电，特别适合于频遭台风侵袭的沿海和海上风力发电机。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，该方法步骤如下:
步骤A:当风速超过风力发电机设定的切出风速，风力发电机切出、顺浆停机，进入步骤
B；
步骤B:风力发电机控制系统中装设的时间计数器清零、开始计时；
步骤C:检测当前风速；
步骤D:判断该当前风速是否小于风力发电机的再切入风速，若该当前风速大于或等于风力发电机的再切入风速，则转入步骤B;否则时间计数器累加计时，进入步骤E;
步骤E:判断时间计数器累加的时间是否大于时间死区，若小于时间死区，则转入步骤C;若大于或等于时间死区则进入步骤F;
步骤F:风力发电机再切入并网发电。
[0007]上述风力发电机的再切入风速设置为风力发电机制造厂家设定的风力发电机的再切入风速设定值，对于未设定再切入风速的风力发电机，以低于切出风速2-3m/s的风速作为再切入风速。
[0008]上述时间死区的设置为:陆上1、2类风区风电场的风力发电机时间死区设置为60-120min，陆上3、4类风区风电场的风力发电机时间死区设置为10-60min;海上风电场的时间死区设置为60-180min。
[0009]本发明在原有风力发电机控制系统的基础上增设时间计数器，并增加再切入的时间死区。当风力发电机切出之后，时间计数器清零复位并检测当前风速，若当前风速低于再切入风速时，时间计数器累加计时，否则时间计数器清零复位。时间死区是根据风电场历史风速统计确定的时间段，风力发电机遭遇台风切出之后，以检测的当前风速持续低于再切入风速的时长大于时间死区为控制风力发电机是否再切入发电的充分条件。
[0010]如此，本发明在风力发电机控制系统中增加再切入的时间死区，使得风力发电机在切出停机之后根据检测的当前风速的大小和风速持续低于再切入风速的时长判断是否重新启动和并网发电；从而，当风力发电机遭遇强风切出条件下，不再以当前风速是否小于风力发电机的再切入风速为唯一依据来启动风力发电机。当风力发电机遭遇强风切出条件下，到当前为止，同时满足当前风速低于再切入风速和当前风速持续低于再切入风速的时间大于设置的时间死区时才启动风力发电机，可降低强风条件下再切出概率，避免强风下启动和再切出对风力发电机的损害。因此，本方法能显著降低风力发电机台风条件下反复启停的概率，有助于降低风力发电机的老化和损耗。
[0011]与现有技术相比，本发明在原有的风力发电机控制系统中加入了风力发电机切出后的再切入时间死区控制方法，当前风速持续低于再切入风速的时间由加装的时间计数器计算，只有在当前风速低于风力发电动机的再切入风速且到当前为止，当前风速持续低于风力发电机再切入风速的时间大于时间死区的条件下才启动风力发电机，能避免风力发电机在强风条件下反复启动和停机，有效减少强风条件下风力发电机启动和停机可能造成的危害。
【附图说明】
[0012]图1是现有风力发电动机再切入控制系统中风速在风力发电机切出风速上下波动示意图。
[0013]图2是本发明基于风速时间死区的风力发电机再切入控制的逻辑框图。
【具体实施方式】
[0014]现有的风力发电机根据轮毂高度风速测量仪测量的当前风速与切出风速和再切入风速进行再切入控制，其工作方式如图1所示。当前风速超过风力发电机的切出风速后，风力发电机顺桨刹车停机;待当前风速下降至再切入风速以下时，启动风力发电机并网发电。现有风力发电机控制系统中常规设定的切出风速(多为25m/s)与再切入风速(多为23m/s或22m/s)之间设置有2-3m/s的风速死区。但由于强风条件下风速变化率大，单独设置风速死区对于避免风力发电机切出停机后重新启动又再次切出停机的效果并不明显。
[0015]本发明实施的基于风速时间死区预测的风力发电机再切入控制方法是在现有的风力发电机控制系统上增加再切入的时间死区来实现。具体地，该风力发电机再切入控制方法如下，结合参见图2:
步骤A:当风速超过风力发电机设定的切出风速，风力发电机切出、顺桨停机，进入步骤
B；
步骤B:风力发电机控制系统中装设的时间计数器清零、开始计时；
步骤C:检测当前风速；
步骤D:判断该当前风速是否小于风力发电机的再切入风速，若该当前风速大于或等于风力发电机的再切入风速，则转入步骤B;否则时间计数器累加计时，进入步骤E;
步骤E:判断时间计数器累加的时间是否大于时间死区，若小于时间死区，则转入步骤C;若大于或等于时间死区则进入步骤F;
步骤F:风力发电机再切入并网发电。
[0016]风力发电机的再切入风速直接采用风力发电机厂家设定的再切入风速;对于较早型号厂家未设置再切入风速的风力发电机，可以设置低于切出风速2m/s-3m/s作为再切入风速。时间死区由可能减少的切出次数和对应的维护检修成本及可能的损失发电量共同决定。对于陆上风资源条件较好的1、2类风区风电场，因为每年的利用小时数高，可以设置60-120min的死区时间以尽量降低切出次数;对于陆上风资源条件一般的3、4类风区风电场，因为利用小时数少而且台风前后风力强劲时段风力发电机组可以满发，为保证发电效益可以设置10-60min以内的死区时间；对于海上风电场，因为检修困难且支出费用高，可以设置60-180min的死区时间。
[0017]本发明方法是在风力发电机遭遇强风切出后根据对风速实时测量的结果，当实时测量风速持续低于风力发电机的切出风速的累计时间超过设置的时间死区及此时的实时测量风速低于风力发电机的再切入风速，这两个条件同时满足时，才允许风力发电机再切入并网发电，如果根据实时测量风速的结果，有任意一个条件不满足则不允许风力发电机再切入。
[0018]以图1为例，设置30分钟为时间死区，风力发电机在50分钟时因风速高于切出风速而切出停机;80分钟时，风速明显低于再切入风速，如单独采用风速死区将会再切入启动并网发电，但在时间死区作用下，持续低于再切入风速不足30分钟仍将保持停机状态；110分钟时，风速再次高于切出风速，计时器复位，由此即可减少一次风力发电机的切出操作。180分钟时风速低于再切入风速并且持续时间大于30分钟，故在210分钟时允许风力发电机再切入并网发电。
[0019]根据香港长洲气象站1992至2014年风速数据测算，切出风速为25m/s的风力发电机因台风时风速反复波动，一共切出停机299次。单独采用23m/s再切入风速(2m/s风速死区)时，切出停机次数降低为188次，减少将近1/3，对应损失的发电时间为82小时;如在23m/s风速死区上配合50分钟时间死区，则风力发电机切出停机次数将进一步降低至105次，减少约2/3，损失的发电时间约为192小时。
【主权项】
1.一种基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，其特征在于，该方法步骤如下: 步骤A:当风速超过风力发电机设定的切出风速，风力发电机切出、顺桨停机，进入步骤B； 步骤B:风力发电机控制系统中装设的时间计数器清零、开始计时； 步骤C:检测当前风速； 步骤D:判断当前风速是否小于风力发电机的再切入风速，若该当前风速大于或等于风力发电机的再切入风速，则转入步骤B;否则时间计数器累加计时，进入步骤E; 步骤E:判断时间计数器累加的时间是否大于时间死区，若小于时间死区，则转入步骤C;若大于或等于时间死区则进入步骤F; 步骤F:风力发电机再切入并网发电。2.如权利要求1所述的基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，其特征在于，所述风力发电机的再切入风速设置为风力发电机制造厂家设定的风力发电机的再切入风速设定值;风力发电机未设置再切入风速设定值的，以低于切出风速2m/s-3m/s的风速为再切入风速。3.如权利要求1所述的基于风速时间组合死区的风力发电机再切入控制方法，其特征在于，所述时间死区的设置为:陆上1、2类风区风电场的风力发电机时间死区设置为60-120min，陆上3、4类风区风电场的风力发电机时间死区设置为10-60min;海上风电场的时间死区设置为60-180min。
【文档编号】F03D7/00GK105863962SQ201610471394
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】苏盛, 尹祖亮, 戴承伟, 黄礼忠, 高大兵, 白博
【申请人】长沙理工大学