一种风电机组的湍流强度识别及降载控制方法与系统

技术领域

本发明涉及风电机组控制的技术领域，尤其是指一种风电机组的湍流强度识别及降载控制方法、系统、存储介质及计算设备。

背景技术

风电机组在全生命运行过程中，不可避免地会遇到各种风况。其中，极端湍流工况是风电机组IEC设计规范中必须考虑的一类极端工况。极端湍流工况是风电机组在正常运行发电过程中，遇到极端湍流风并且机组在此风况下不能停机。极端湍流工况经常引起机组叶根和轮毂发生极限载荷，且容易引发叶片净空问题。由于风速仪安装在机舱尾部，受叶片遮挡及尾流影响，无法用机舱风速准确识别出当前的湍流强度，因此不能针对极端湍流工况有效降载。对于机舱安装有激光雷达的风电机组，可以采用激光雷达测量的风速识别湍流强度，然而激光雷达设备昂贵，且容易受到环境：雨、雪、沙尘等天气影响，可靠性不高。

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，提供一种风电机组的湍流强度识别及降载控制方法，对测量的机舱加速度、风轮转速和变桨速率进行计算，得到湍流强度特征量，并通过调节发电机功率、风轮转速和最小桨叶角度，实现机组载荷降低。

本发明的第二目的在于提供一种风电机组的湍流强度识别及降载控制系统。

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：一种风电机组的湍流强度识别及降载控制方法，执行以下操作：

采集风电机组的机舱前后加速度、风轮转速和变桨速率，并进行数据处理，获得机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，并进行加权求和计算后，输出当前湍流强度特征量；

根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最大功率设定值、湍流最大转速设定值和湍流最小桨叶角度；将湍流最大功率设定值作为风电机组的控制器内功率设定值的上限，当发电机功率超过湍流最大功率设定值时，则控制发电机功率降到湍流最大功率设定值；将湍流最大转速设定值作为风电机组的控制器内风轮转速设定值的上限，当风轮转速超过湍流最大转速设定值时，则控制风轮转速降到湍流最大转速设定值；将湍流最小桨叶角度作为风电机组的控制器内变桨角度指令的下限，当变桨角度指令小于湍流最小桨叶角度时，则限幅变桨角度指令不低于湍流最小桨叶角度；最终，通过调节风电机组的发电机功率、风轮转速和桨叶角度，实现有效降低机组在极端湍流工况下载荷。

进一步，采集风电机组的机舱前后加速度，并进行数据处理，以获得机舱前后加速度标准差，具体如下：

通过加速度传感器测量风电机组的机舱前后加速度，所述加速度传感器安装在风电机组的机舱平台上，所述加速度传感器能够实时测量机舱平台的前后运动方向加速度，即机舱前后加速度；

所述加速度传感器测量的机舱前后加速度包含各种频率的信号，仅低频部分的机舱前后加速度能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对机舱前后加速度进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声和传动链的特征频率，定义机舱有效前后加速度，具体公式如下：

在上式中，

对机舱有效前后加速度进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的机舱有效前后加速度；通过计算标准差获得机舱前后加速度标准差，所述机舱前后加速度标准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；机舱前后加速度标准差的计算公式如下：

在上式中，σ

进一步，采集风电机组的风轮转速，并进行数据处理，以获得风轮转速标准差，具体如下：

通过转速传感器测量风电机组的风轮转速，所述转速传感器安装在风电机组的轮毂内滑环上，所述转速传感器能够实时测量风电机组的风轮旋转速度，即风轮转速；

所述转速传感器测量的风轮转速包含各种频率的信号，仅低频部分的风轮转速能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对风轮转速进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声和传动链的特征频率，定义风轮有效转速，具体公式如下：

在上式中，

对风轮有效转速进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的风轮有效转速；通过计算标准差获得风轮转速标准差，所述风轮转速标准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；风轮转速标准差的计算公式如下：

在上式中，ε

进一步，采集风电机组的变桨速率，并进行数据处理，以获得变桨速率标准差，具体如下：

通过变桨编码器传感器测量风电机组的变桨速率，所述变桨编码器传感器安装在风电机组的变桨轴承齿圈上，所述变桨编码器传感器能够实时测量风电机组的叶片旋转速度，即变桨速率；

所述变桨编码器传感器测量的变桨速率包含各种频率的信号，仅低频部分的变桨速率能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对变桨速率进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声和传动链的特征频率，定义有效变桨速率，具体公式如下：

在上式中，

对有效变桨速率进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的有效变桨速率；通过计算标准差获得变桨速率标准差，所述变桨速率准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；变桨速率标准差的计算公式如下：

在上式中，τ

进一步，将获得的机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，进行加权求和计算，获得当前湍流强度特征量，具体如下：

机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差都反映了湍流强度，因此采用加权和的方式，得到综合的湍流强度指标，即湍流强度特征量；定义湍流强度特征量，计算公式如下：

I

在上式中，I

进一步，根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流降功率系数，将发电机额定输出功率乘以湍流降功率系数作为湍流最大功率设定值；

所述湍流降功率系数的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流降功率系数，具体公式如下：

在上式中，μ

湍流最大功率设定值定义如下：

P

在上式中，P

进一步，根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流降转速系数，将风轮额定转速乘以湍流降转速系数作为湍流最大转速设定值；

所述湍流降转速系数的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流降转速系数，具体公式如下：

在上式中，μ

湍流最大转速设定值定义如下：

ω

在上式中，ω

进一步，根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最小桨叶角度；

所述湍流最小桨叶角度的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流最小桨叶角度，具体公式如下：

在上式中，β

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种风电机组的湍流强度识别及降载控制系统，用于实现上述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法，其包括：

湍流强度识别模块，用于采集风电机组的机舱前后加速度、风轮转速和变桨速率，并进行数据处理，获得机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，并进行加权求和计算后，输出当前湍流强度特征量；

湍流降载控制模块，用于根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最大功率设定值、湍流最大转速设定值和湍流最小桨叶角度；将湍流最大功率设定值作为风电机组的控制器内功率设定值的上限，当发电机功率超过湍流最大功率设定值时，则控制发电机功率降到湍流最大功率设定值；将湍流最大转速设定值作为风电机组的控制器内风轮转速设定值的上限，当风轮转速超过湍流最大转速设定值时，则控制风轮转速降到湍流最大转速设定值；将湍流最小桨叶角度作为风电机组的控制器内变桨角度指令的下限，当变桨角度指令小于湍流最小桨叶角度时，则限幅变桨角度指令不低于湍流最小桨叶角度；最终，通过调节风电机组的发电机功率、风轮转速和桨叶角度，实现有效降低机组在极端湍流工况下载荷。

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，实现上述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法。

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，实现上述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明基于采集的风电机组机舱前后加速度、风轮转速和变桨速率，通过构造湍流强度特征量，提出一种湍流强度识别方法，可靠性高，且不增加额外传感器测量设备。

2、本发明基于湍流强度特征量，构建湍流最大功率设定值、湍流最大转速设定值和湍流最小桨叶角度，通过调节风电机组的发电机功率、风轮转速和桨叶角度，可有效降低风电机组的极端湍流工况的载荷。

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电机组的湍流强度识别及降载控制方法，具体执行以下操作：

1)采集风电机组的机舱前后加速度、风轮转速和变桨速率，并进行数据处理，获得机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，并进行加权求和计算后，输出当前湍流强度特征量，具体如下：

a、采集风电机组的机舱前后加速度，并进行数据处理，以获得机舱前后加速度标准差，具体如下：

通过加速度传感器测量风电机组的机舱前后加速度，所述加速度传感器安装在风电机组的机舱平台上，所述加速度传感器能够实时测量机舱平台的前后运动方向加速度，即机舱前后加速度；

所述加速度传感器测量的机舱前后加速度包含各种频率的信号，仅低频部分的机舱前后加速度能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对机舱前后加速度进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声、传动链的特征频率等，定义机舱有效前后加速度，具体公式如下：

在上式中，

对机舱有效前后加速度进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的机舱有效前后加速度；通过计算标准差获得机舱前后加速度标准差，所述机舱前后加速度标准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；机舱前后加速度标准差的计算公式如下：

在上式中，σ

b、采集风电机组的风轮转速，并进行数据处理，以获得风轮转速标准差，具体如下：

通过转速传感器测量风电机组的风轮转速，所述转速传感器安装在风电机组的轮毂内滑环上，所述转速传感器能够实时测量风电机组的风轮旋转速度，即风轮转速；

所述转速传感器测量的风轮转速包含各种频率的信号，仅低频部分的风轮转速能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对风轮转速进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声、传动链的特征频率等，定义风轮有效转速，具体公式如下：

在上式中，

对风轮有效转速进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的风轮有效转速；通过计算标准差获得风轮转速标准差，所述风轮转速标准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；风轮转速标准差的计算公式如下：

在上式中，ε

c、采集风电机组的变桨速率，并进行数据处理，以获得变桨速率标准差，具体如下：

通过变桨编码器传感器测量风电机组的变桨速率，所述变桨编码器传感器安装在风电机组的变桨轴承齿圈上，所述变桨编码器传感器能够实时测量风电机组的叶片旋转速度，即变桨速率；

所述变桨编码器传感器测量的变桨速率包含各种频率的信号，仅低频部分的变桨速率能够作为湍流识别的有效信号，因此需要对变桨速率进行滤波数据处理，滤除高频谐波噪声、传动链的特征频率等，定义有效变桨速率，具体公式如下：

在上式中，

对有效变桨速率进行数据存储，采用队列存储方式首进尾出，存储数组的长度设置为N，存储的数据为当前时刻到前N时刻的有效变桨速率；通过计算标准差获得变桨速率标准差，所述变桨速率准差反映了当前湍流强度，标准差越大对应湍流强度越大；变桨速率标准差的计算公式如下：

在上式中，τ

d、将获得的机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，进行加权求和计算，获得当前湍流强度特征量，具体如下：

机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差都反映了湍流强度，因此采用加权和的方式，得到综合的湍流强度指标，即湍流强度特征量；定义湍流强度特征量，计算公式如下：

I

在上式中，I

2)根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最大功率设定值、湍流最大转速设定值和湍流最小桨叶角度，从而调节风电机组的发电机功率、风轮转速和桨叶角度，实现有效降低机组在极端湍流工况下载荷，具体如下：

a、根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流降功率系数，将发电机额定输出功率乘以湍流降功率系数作为湍流最大功率设定值；

所述湍流降功率系数的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流降功率系数，具体公式如下：

在上式中，μ

湍流最大功率设定值定义如下：

P

在上式中，P

将湍流最大功率设定值作为控制器内功率设定值的上限，当发电机功率超过湍流最大功率设定值时，则控制发电机功率降到湍流最大功率设定值。

b、根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流降转速系数，将风轮额定转速乘以湍流降转速系数作为湍流最大转速设定值；

所述湍流降转速系数的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流降转速系数，具体公式如下：

在上式中，μ

湍流最大转速设定值定义如下：

ω

在上式中，ω

将湍流最大转速设定值作为控制器内风轮转速设定值的上限，当风轮转速超过湍流最大转速设定值时，则控制风轮转速降到湍流最大转速设定值。

c、根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最小桨叶角度；

所述湍流最小桨叶角度的数值不仅与湍流强度特征量相关，还与滤波后平均风速相关，因此设置二维查表函数，通过湍流强度特征量和滤波后平均风速查表得到湍流最小桨叶角度，具体公式如下：

在上式中，β

将湍流最小桨叶角度作为控制器内变桨角度指令的下限，当变桨角度指令小于湍流最小桨叶角度时，则限幅变桨角度指令不低于湍流最小桨叶角度。

实施例2

本实施例公开了一种风电机组的湍流强度识别及降载控制系统，用于实现实施例1所述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法，如图1所示，该系统包括以下功能模块：

湍流强度识别模块，用于采集风电机组的机舱前后加速度、风轮转速和变桨速率，并进行数据处理，获得机舱前后加速度标准差、风轮转速标准差和变桨速率标准差，并进行加权求和计算后，输出当前湍流强度特征量；

湍流降载控制模块，用于根据湍流强度特征量和滤波后平均风速，计算获得湍流最大功率设定值、湍流最大转速设定值和湍流最小桨叶角度；将湍流最大功率设定值作为风电机组的控制器内功率设定值的上限，当发电机功率超过湍流最大功率设定值时，则控制发电机功率降到湍流最大功率设定值；将湍流最大转速设定值作为风电机组的控制器内风轮转速设定值的上限，当风轮转速超过湍流最大转速设定值时，则控制风轮转速降到湍流最大转速设定值；将湍流最小桨叶角度作为风电机组的控制器内变桨角度指令的下限，当变桨角度指令小于湍流最小桨叶角度时，则限幅变桨角度指令不低于湍流最小桨叶角度；最终，通过调节风电机组的发电机功率、风轮转速和桨叶角度，实现有效降低机组在极端湍流工况下载荷。

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所述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法。

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所述的风电机组的湍流强度识别及降载控制方法。

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。