一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法与系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制的技术领域，尤其是指一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法、系统、存储介质及计算设备。

背景技术

风力发电机组在全生命运行过程中，不可避免地会出现各种故障。其中，风力发电机组的统一叶片跑飞故障是IEC设计规范中必须考虑的一类故障工况。统一叶片跑飞故障是风力发电机组在正常湍流风下运行发电，三个叶片同时出现失控，统一以正最大变桨速率或统一以负最大变桨速率跑飞。控制系统识别出统一叶片跑飞故障后，触发变桨系统的安全链，并立刻停机。目前，统一叶片跑飞故障没有专门识别方法，只能通过变桨指令的跟随误差进行识别。然而为了避免正常发电工况误触发停机，通常跟随误差的阈值设置较大。现有的方法不能快速识别出叶片跑飞故障，且容易将单叶片跑飞故障、卡桨故障与统一叶片跑飞故障识别为一类故障，不利于进行针对故障的停机控制。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法，通过引入变桨期望跟随误差和变桨跟随误差变化率，针对统一跑飞故障提出一种有效识别的方法，能够提升故障识别精度并降低故障识别时间，并且不会将单叶片跑飞误识别为统一叶片跑飞故障。

本发明的第二目的在于提供一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别系统。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法，执行以下操作：

1)基于变桨控制器输出的各叶片变桨指令，以及传感器测量的各叶片当前变桨角度，计算每个叶片的变桨期望跟随误差；

2)基于步骤1)得到的变桨期望跟随误差，计算各叶片的变桨期望跟随误差的导数，经过滤波器后得到变桨跟随误差变化率；

3)基于步骤2)得到的变桨跟随误差变化率，判断叶片1、叶片2、叶片3是否同时出现跑飞故障，得到统一叶片跑飞故障标志位，为正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发；

4)基于步骤3)得到的统一叶片跑飞故障标志位，得到统一跑飞故障停机标志位，并触发风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑，直到机组完全停机。

进一步，在步骤1)中，将每个叶片的变桨指令经过变桨二阶传递函数运算后，得到每个叶片的期望变桨角度；再将每个叶片的期望变桨角度与对应叶片测量的当前变桨角度相减，得到每个叶片的变桨期望跟随误差；

变桨二阶传递函数定义如下：

在上式中，H(s)表示变桨二阶传递函数；ω

变桨期望跟随误差的计算公式如下：

在上式中，

进一步，在步骤2)中，将叶片1的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片1的变桨跟随误差变化率；将叶片2的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片2的变桨跟随误差变化率；将叶片3的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片3的变桨跟随误差变化率；

变桨跟随误差变化率的计算公式如下：

在上式中，

风力发电机组在正常运行情况下，各叶片的变桨跟随误差变化率接近零；在统一叶片跑飞故障发生时，三个叶片的变桨跟随误差变化率将迅速偏离零点。

进一步，所述滤波器选择一阶低通、二阶低通或滑动平均滤波器，以去除高频噪声信号。

进一步，在步骤3)中，统一叶片跑飞故障的识别方法为：叶片1、叶片2与叶片3都以正最大变桨速率跑飞，三个叶片的变桨跟随误差变化率将偏离零点，并明显高于零点，此时为正向统一叶片跑飞故障；叶片1、叶片2与叶片3都以负最大变桨速率跑飞，三个叶片的变桨跟随误差变化率将偏离零点，并明显低于零点，此时为负向统一叶片跑飞故障；通过设定阈值上限和下限，能够识别出统一叶片跑飞故障；

正向统一叶片跑飞故障标志位，定义如下：

在上式中，

负向统一叶片跑飞故障标志位，定义如下：

在上式中，

进一步，在步骤4)中，当正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发，则触发统一跑飞故障停机标志位；统一跑飞故障停机标志位定义如下：

在上式中，Flag是统一跑飞故障停机标志位；

当风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑时，停机过程的变桨速率设定值为查表值，根据当前变桨角度查表得到变桨速率设定值，具体定义如下：

在上式中，

表示统一跑飞故障停机过程的叶片2变桨速率设定值；/>

当风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑时，停机过程的发电机扭矩设定值为查表值，根据当前发电机转速查表得到发电机扭矩设定值，具体定义如下：

在上式中，

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别系统，用于实现上述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法，其包括：

变桨期望跟随误差模块，基于变桨控制器输出的各叶片变桨指令，以及传感器测量的各叶片当前变桨角度，计算每个叶片的变桨期望跟随误差；

变桨跟随误差变化率模块，基于变桨期望跟随误差模块得到的变桨期望跟随误差，计算各叶片的变桨期望跟随误差的导数，经过滤波器后得到变桨跟随误差变化率；

统一叶片跑飞故障识别模块，基于变桨跟随误差变化率模块得到的变桨跟随误差变化率，判断叶片1、叶片2、叶片3是否同时出现跑飞故障，得到统一叶片的跑飞故障标志位，为正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发；

统一叶片跑飞故障停机模块，基于统一叶片跑飞故障识别模块得到的统一叶片跑飞故障标志位，得到统一跑飞故障停机标志位，并触发风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑，直到机组完全停机。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现上述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法。

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明通过将各叶片的变桨期望跟随误差求导数，故障发生时，利用变桨跟随误差变化率偏离零点的特性，能够更快速地识别出统一跑飞故障。

2、本发明无需增加额外的传感器及测量设备，能够有效地识别出统一叶片跑飞故障，且不会将其它故障误识别为统一叶片跑飞故障。

3、本发明能够区分正向变桨速率统一跑飞与负向变桨速率统一跑飞，为基于故障的停机逻辑控制提供可能。

附图说明

图1为本发明系统的架构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法，执行以下操作：

1)基于变桨控制器输出的各叶片变桨指令，以及传感器测量的各叶片当前变桨角度，计算每个叶片的变桨期望跟随误差。

具体方法为：将每个叶片的变桨指令经过变桨二阶传递函数运算后，得到每个叶片的期望变桨角度；再将每个叶片的期望变桨角度与对应叶片测量的当前变桨角度相减，得到每个叶片的变桨期望跟随误差。

由于，变桨系统的通信延迟以及变桨执行机构惯性滞后，测量的当前变桨角度不可能完全跟踪叶片变桨指令。然而，通过引入变桨二阶传递函数，考虑了变桨系统的延迟和惯性滞后性，使所得到的期望变桨角度与测量的当前变桨角度非常接近。

变桨二阶传递函数定义如下：

在上式中，H(s)表示变桨二阶传递函数；ω

变桨期望跟随误差的计算公式如下：

在上式中，

2)基于步骤1)得到的变桨期望跟随误差，计算各叶片的变桨期望跟随误差的导数，经过滤波器后得到变桨跟随误差变化率。

具体方法为：将叶片1的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片1的变桨跟随误差变化率；将叶片2的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片2的变桨跟随误差变化率；将叶片3的变桨期望跟随误差对时间求导数，对结果进行滤波后，得到叶片3的变桨跟随误差变化率；其中，滤波器可选择一阶低通、二阶低通或滑动平均滤波器，以去除高频噪声信号。

变桨跟随误差变化率的计算公式如下：

在上式中，

风力发电机组在正常运行情况下，各叶片的变桨跟随误差变化率非常接近零；在统一叶片跑飞故障发生时，三个叶片的变桨跟随误差变化率的将迅速偏离零点。

3)基于步骤2)得到的变桨跟随误差变化率，判断叶片1、叶片2、叶片3是否同时出现跑飞故障，得到统一叶片跑飞故障标志位，为正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发。

统一叶片跑飞故障的识别方法为：叶片1、叶片2与叶片3都以正最大变桨速率跑飞，三个叶片的变桨跟随误差变化率将偏离零点，并明显高于零点，此时为正向统一叶片跑飞故障。叶片1、叶片2与叶片3都以负最大变桨速率跑飞，三个叶片的变桨跟随误差变化率将偏离零点，并明显低于零点，此时为负向统一叶片跑飞故障。通过设定阈值上限和下限，可识别出统一叶片跑飞故障。

正向统一叶片跑飞故障标志位，定义如下：

在上式中，

负向统一叶片跑飞故障标志位，定义如下：

在上式中，

4)基于步骤3)得到的统一叶片跑飞故障标志位，得到统一跑飞故障停机标志位，并触发风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑，直到机组完全停机。

当正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发，则触发统一跑飞故障停机标志位。统一跑飞故障停机标志位定义如下：

在上式中，Flag是统一跑飞故障停机标志位；

当风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑时，停机过程的变桨速率设定值为查表值，根据当前变桨角度查表得到变桨速率设定值。具体定义如下：

在上式中，

表示统一跑飞故障停机过程的叶片2变桨速率设定值；/>

当风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑时，停机过程的发电机扭矩设定值为查表值，根据当前发电机转速查表得到发电机扭矩设定值。具体定义如下：

在上式中，

实施例2

本实施例公开了一种风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别系统，用于实现实施例1所述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法，如图1所示，该系统包括以下功能模块：

变桨期望跟随误差模块，基于变桨控制器输出的各叶片变桨指令，以及传感器测量的各叶片当前变桨角度，计算每个叶片的变桨期望跟随误差；

变桨跟随误差变化率模块，基于变桨期望跟随误差模块得到的变桨期望跟随误差，计算各叶片的变桨期望跟随误差的导数，经过滤波器后得到变桨跟随误差变化率；

统一叶片跑飞故障识别模块，基于变桨跟随误差变化率模块得到的变桨跟随误差变化率，判断叶片1、叶片2、叶片3是否同时出现跑飞故障，得到统一叶片的跑飞故障标志位，为正向统一叶片跑飞故障标志位或负向统一叶片跑飞故障标志位触发；

统一叶片跑飞故障停机模块，基于统一叶片跑飞故障识别模块得到的统一叶片跑飞故障标志位，得到统一跑飞故障停机标志位，并触发风力发电机组进入统一跑飞故障停机逻辑，直到机组完全停机。

实施例3

本实施例公开了一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1所述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法。

本实施例中的存储介质可以是磁盘、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、U盘、移动硬盘等介质。

实施例4

本实施例公开了一种计算设备，包括处理器以及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1所述的风力发电机组统一叶片跑飞故障的识别方法。

本实施例中所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑、可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)、或其它具有处理器功能的终端设备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。