一种风电机组卡桨故障下停机控制方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风电机组卡桨故障下停机控制方法及系统。

背景技术

风力发电机组是将自然界风能转化为电能的新能源装置。随着风电行业的快速发展，优质的风资源稀缺，现有可开发的陆上风电场大多处于山地、低风速地区，随着陆上竞价、海上平价时代的到来，为降低成本，增大风轮直径，提高机组额定功率成为有效的手段之一，但因此也使机组零部件承受更大的极限和疲劳载荷。

目前风电机组设计主要依据IEC61400-1或IEC61400-3标准，通过定义风电机组在运行周期内可能遭遇的各种复杂工况(如遭遇50年一遇极端湍流条件、极端阵风条件、电网掉电、机组偏航系统故障、机组变桨系统故障等)进行整机的极限载荷和疲劳载荷的安全性评估，为避免机组零部件在复杂工况下失效或损坏，必须对风电机组各零部件进行加强，并通过优化控制逻辑来有效降低机组承受的极端载荷，进而降低机组成本。

随着风电机组往大型化、轻量化方向发展，机组在发生故障时停机，特别是发生叶片卡桨的变桨故障停机产生的极限载荷已经成为关键零部件的载荷设计壁垒(轮毂、偏航轴承、主轴承)，卡桨故障下降低整机载荷的方法已是行业内关键技术。

当前，当机组发生叶片卡桨故障时，停机过程的控制一部分采用的是固定速率顺桨停机，在湍流风复杂条件下，极易导致轮毂、偏航系统极限载荷显著变大。另一部分采用预设变速率的开环顺桨控制，没有与机组运行的特征参数关联，无法避免外界风速变化带来的载荷波动，机组的极限载荷控制效果无法满足要求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供的一种风电机组卡桨故障下停机控制方法及系统，以克服现有卡桨停机控制方法的不足。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：

本发明的第一方面，提供一种风电机组卡桨故障下停机控制方法，包括以下步骤：

基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障；

若风电机组发生叶片卡桨故障，则进入闭环停机控制模式；

所述闭环停机控制模式至少用于作出如下响应：

非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，和，

机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值。

可选地，所述基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障，包括如下步骤：

分别计算各桨叶当前测量桨距角与主控系统给定桨距角的差值绝对值，以获取各桨叶所对应的变桨追踪误差，并作出如下判定：

若存在变桨追踪误差大于设定的变桨追踪阈值，则判定相应桨叶发生卡桨故障。

可选地，所述风电机组包括第一桨叶、第二桨叶和第三桨叶，所述基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障，包括：

分别计算两两桨叶当前测量桨距角的差值绝对值，以获取两两桨叶变桨不一致误差，并作出如下判定：

若存在变桨不一致误差大于设定的变桨不一致阈值，则判定发生叶片卡桨故障。

可选地，所述非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，满足以下公式：

X_Pitch＝F(n,P,My)-ref_SP；

Y_Pitch＝kpps_Input*(X_Pitch-X_Pitch_old)+Timestep*0.5*kips_Input*(X_Pitch+X_Pitch_old)；

Pitch_PI＝Pitch_PI_old+Y_Pitch；

式中，F(n,P,My)表示当前机组运行特征值，其中n表示任意时刻的发电机转速，P表示任意时刻的发电机功率，My表示任意时刻的机组风轮面载荷；ref_SP表示当前变桨参考目标；X_Pitch表示当前机组运行特征值与当前变桨参考目标的差值；X_Pitch_old表示上一时间步长机组运行特征值与上一时间步长变桨参考目标的差值；Y_Pitch表示变桨角度相对时间步长的变化量；kpps_Input表示变桨控制器的比例调节增益；kips_Input表示变桨控制器的积分调节增益；Timestep表示数据迭代的时间步长；Pitch_PI表示PI控制输出的相应变桨角度；Pitch_PI_old表示上一个时间步长给定的变桨角度值。

可选地，所述当前变桨参考目标ref_SP的计算过程根据机组故障时刻状态进行自适应调节，满足以下公式：

ref_SP＝F(n0,P0,My0)-(SpeedPoint[2]*SSCfactor)*T；

式中：ref_SP表示进入闭环停机后的变桨参考目标值；F(n0,P0,My0)表示闭环停机触发时机组运行特征值，其中n0表示初始时刻的发电机转速，P0表示初始时刻的发电机功率，My0表示初始时刻的机组风轮面载荷；SpeedPoint[2]表示机组运行的额定转速值；SSCfactor表示闭环停机过程中参考目标下降速率，与卡桨叶片的初始状态关联；SSCfactor∈[0.01，0.05])；T表示闭环停机过程的时间。

可选地，所述机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值，满足以下公式：

Kopt_New＝TorqueDemand/((Tem_gen_speed)*(Tem_gen_speed))；

Torque_PI＝K*Kopt_New*(Tem_gen_speed)*(Tem_gen_speed)；

式中，TorqueDemand表示进入闭环停机控制模式前发电机扭矩给定值；Tem_gen_speed表示发电机滤波转速；Kopt_New表示进入闭环停机控制模式初始时刻的发电机转矩给定值与发电机滤波转速的平方的比值；K表示调节发电机转矩给定值的系数，与发电机性能相关；Torque_PI表示当前给定的发电机扭矩值。

可选地，当变桨角度或者发电机滤波转速满足以下条件时，退出闭环停机控制模式：

MeasuredPitch>SSC_end_Pitch；或Tem_gen_speed

式中，MeasuredPitch表示非卡桨叶片测量的变桨角度；SSC_end_Pitch表示退出闭环停机的角度阈值；SSC_end_mgs表示退出闭环停机的发电机转速阈值系数；SpeedPoint[0]表示发电机最小运行转速。

本发明的第二方面，提供一种风电机组卡桨故障下停机控制系统，包括：

故障识别模块，用于基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障；

停机控制模块，用于基于故障识别模块的输出结果作出如下响应：若风电机组发生叶片卡桨故障，则进入闭环停机控制模式；所述闭环停机控制模式至少包括：

非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，和，

机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值。

可选地，所述停机控制系统还包括：

闭环停机退出模块，用于基于变桨角度或者发电机滤波转速判定退出闭环停机控制模式的时机，若变桨角度或者发电机滤波转速满足以下条件时，即退出闭环停机控制模式：

MeasuredPitch>SSC_end_Pitch；或Tem_gen_speed

式中，MeasuredPitch表示非卡桨叶片测量的变桨角度；SSC_end_Pitch表示退出闭环停机的角度阈值；Tem_gen_speed表示发电机滤波转速；SSC_end_mgs表示退出闭环停机的发电机转速阈值系数；SpeedPoint[0]表示发电机最小运行转速。

本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的一种风电机组卡桨故障下停机控制方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

本发明提供的一种风电机组卡桨故障下停机控制方法，包括以下步骤：基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障；若风电机组发生叶片卡桨故障，则进入闭环停机控制模式；所述闭环停机控制模式至少用于作出如下响应：非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，和，机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值。利用故障前机组状态差异自适应调节停机过程中不同的变桨控制参考目标，实现在不同风况条件下进行自适应的变速率变桨停机动作，突破传统卡桨故障停机方式无法关联机组状态变化的问题，解决了卡桨停机过程中的极限载荷大的难题，实现机组关键部件设计降本。同时，本发明还提供应用风电机组卡桨故障下停机控制方法的停机控制系统及计算机可读存储介质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一种风电机组卡桨故障下停机控制方法的流程图；

图2为非卡桨叶片的变桨角度；

图3为非卡桨叶片的变桨速度；

图4为偏航载荷Mz；

图5为固定轮毂载荷Myz。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种风电机组卡桨故障下停机控制方法，包括以下步骤：

基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障；

若风电机组发生叶片卡桨故障，则进入闭环停机控制模式；

所述闭环停机控制模式至少用于作出如下响应：

非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，和，

机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值。

实施例一

本实施例旨在提供一种风电机组叶片卡桨故障识别方法，包括如下步骤：

分别计算各桨叶当前测量桨距角与主控系统给定桨距角的差值绝对值，以获取各桨叶所对应的变桨追踪误差，并作出如下判定：

若存在变桨追踪误差大于设定的变桨追踪阈值，则判定相应桨叶发生卡桨故障。

具体地，风电机组每支叶片都安装有用于测量叶片桨距角的角度传感器，传感器的测量值最终会传到风电机组主控系统与给定的桨距角进行判断，计算测量桨距角与给定桨距角的差值(叶片变桨追踪误差)，并取绝对值。

Pitch1_Track＝fabs(MeasuredPitch1-Pitch1_Dem)；

Pitch2_Track＝fabs(MeasuredPitch2-Pitch2_Dem)；

Pitch3_Track＝fabs(MeasuredPitch3-Pitch3_Dem)；

式中：MeasuredPitch1表示叶片1测量桨距角；Pitch1_Dem表示叶片1给定桨距角；MeasuredPitch2表示叶片2测量桨距角；Pitch2_Dem表示叶片2给定桨距角；MeasuredPitch3表示叶片3测量桨距角；Pitch3_Dem表示叶片3给定桨距角；Pitch1_Track表示叶片1叶片变桨追踪误差；Pitch2_Track表示叶片2叶片变桨追踪误差；Pitch3_Track表示叶片3叶片变桨追踪误差。

若存在变桨追踪误差大于设定的变桨追踪阈值Track_angle_error_limit，则判定相应桨叶发生变桨追踪故障，即该相应桨叶发生卡桨故障。即若存在Pitch1_Track>Track_angle_error_limit，则说明叶片1发生变桨追踪故障，若存在Pitch2_Track>Track_angle_error_limit，则说明叶片2发生变桨追踪故障，若存在Pitch3_Track>Track_angle_error_limit，则说明叶片3发生变桨追踪故障。

实施例二

本实施例旨在提供另一种风电机组叶片卡桨故障识别方法，包括如下步骤：

分别计算两两桨叶当前测量桨距角的差值绝对值，以获取两两桨叶变桨不一致误差，并作出如下判定：

若存在变桨不一致误差大于设定的变桨不一致阈值，则判定发生叶片卡桨故障。

具体地，风电机组每支叶片都安装有用于测量叶片桨距角的角度传感器，传感器的测量值最终会传到风电机组主控系统进行两两判断，计算两两测量桨距角的差值(叶片变桨不一致误差)，并取绝对值。

diff1＝fabs(MeasuredPitch1-MeasuredPitch2)；

diff2＝fabs(MeasuredPitch2-MeasuredPitch3)；

diff3＝fabs(MeasuredPitch3-MeasuredPitch1)；

式中：diff1表示叶片1和叶片2的叶片变桨不一致误差；diff2表示叶片2和叶片3的叶片变桨不一致误差；diff3表示叶片1和叶片3的叶片变桨不一致误差。

三支叶片变桨角度不一致误差最大值为diff_max，定义为：

diff_max＝MAX(diff1,(MAX(diff2,diff3)))；

三支叶片变桨角度不一致误差最小值为diff_min，定义为：

diff_min＝Min(diff1,(Min(diff2,diff3)))；

若diff_max>＝bld_angle_diff_limit则判定变桨不一致过大，同时若diff_min＝diff2，则说明叶片1发生变桨不一致故障；若diff_min＝diff3，则说明叶片2发生变桨不一致故障；若diff_min＝diff1，则说明叶片3发生变桨不一致故障。

任何一支叶片变桨追踪故障发生或者变桨不一致故障发生后，闭环停机标志位触发(SSC_state＝1),风电机组进入卡桨闭环停机控制模式。进入闭环停机控制模式后，机组非卡桨叶片变桨按照变桨参考目标ref_SP进行PI控制输出相应的变桨角度，满足以下公式：

X_Pitch＝F(n,P,My)-ref_SP；

Y_Pitch＝kpps_Input*(X_Pitch-X_Pitch_old)+Timestep*0.5*kips_Input*(X_Pitch+X_Pitch_old)；

Pitch_PI＝Pitch_PI_old+Y_Pitch；

式中，F(n,P,My)表示当前机组运行特征值，其中n表示任意时刻的发电机转速，P表示任意时刻的发电机功率，My表示任意时刻的机组风轮面载荷；ref_SP表示当前变桨参考目标；X_Pitch表示当前机组运行特征值与当前变桨参考目标的差值；X_Pitch_old表示上一时间步长机组运行特征值与上一时间步长变桨参考目标的差值；Y_Pitch表示变桨角度相对时间步长的变化量；kpps_Input表示变桨控制器的比例调节增益；kips_Input表示变桨控制器的积分调节增益；Timestep表示数据迭代的时间步长；Pitch_PI表示PI控制输出的相应变桨角度；Pitch_PI_old表示上一个时间步长给定的变桨角度值。

其中，所述当前变桨参考目标ref_SP的计算过程根据机组故障时刻状态进行自适应调节，满足以下公式：

ref_SP＝F(n0,P0,My0)-(SpeedPoint[2]*SSCfactor)*T；

式中：ref_SP表示进入闭环停机后的变桨参考目标值；F(n0,P0,My0)表示闭环停机触发时机组运行特征值，其中n0表示初始时刻的发电机转速，P0表示初始时刻的发电机功率，My0表示初始时刻的机组风轮面载荷；SpeedPoint[2]表示机组运行的额定转速值；SSCfactor表示闭环停机过程中参考目标下降速率，与卡桨叶片的初始状态关联；SSCfactor∈[0.01，0.05])；T表示闭环停机过程的时间。

此外，进入闭环停机控制模式后，机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值，满足以下公式：

Kopt_New＝TorqueDemand/((Tem_gen_speed)*(Tem_gen_speed))；

Torque_PI＝K*Kopt_New*(Tem_gen_speed)*(Tem_gen_speed)；

式中，TorqueDemand表示进入闭环停机控制模式前发电机扭矩给定值；Tem_gen_speed表示发电机滤波转速；Kopt_New表示进入闭环停机控制模式初始时刻的发电机转矩给定值与发电机滤波转速的平方的比值；K表示调节发电机转矩给定值的系数，与发电机性能相关；Torque_PI表示当前给定的发电机扭矩值。

作为对上述方案的进一步改进，停机过程中，随着变桨角度的增大，发电机转速逐渐降低，当变桨角度或者发电机滤波转速满足以下条件时，退出闭环停机控制模式：

MeasuredPitch>SSC_end_Pitch；或Tem_gen_speed

式中，MeasuredPitch表示非卡桨叶片测量的变桨角度；SSC_end_Pitch表示退出闭环停机的角度阈值；SSC_end_mgs表示退出闭环停机的发电机转速阈值系数；SpeedPoint[0]表示发电机最小运行转速。

当退出闭环停机控制模式后，机组执行正常停机模式，变桨按照固定速率顺桨，转矩按照斜率跌至0。

以某3.XMW机组为例，进行以上步骤的计算，获得如下参数表。

本次计算中，利用风力发电机组专业仿真软件Bladed；对极端载荷控制使能开启前后计算工况进行对比，其时序如图2～图5。按本发明进行设置后，可以有效实现不同风况条件下进行自适应的变速率变桨停机，机组关键部件下的极限载荷下降，突破现有的技术瓶颈，实现风电机组关键零部件的进一步设计降本。

本发明通过非故障叶片建立停机动作下自适应变桨目标控制，有效降低风速波动下卡桨停机过程中的不平衡载荷，旨在优化风电机组发生卡桨故障条件下的停机动作，解决停机过程中由于风轮面气动不平衡导致轮毂、偏航系统极限载荷，突破现有的技术瓶颈，实现风电机组零部件的设计降载。通过计算测量桨距角与给定桨距角的叶片变桨追踪误差和两两叶片变桨不一致误差的方法来识别风电机组叶片卡桨故障的发生，同时开发基于风电机组自适应分配变桨目标调节停机控制方法，利用故障前机组状态差异自适应调节停机过程中不同的变桨控制参考目标，实现在不同风况条件下进行自适应的变速率变桨停机动作，突破传统卡桨故障停机方式无法关联机组状态变化的问题，解决了卡桨停机过程中的极限载荷大的难题，实现机组关键部件设计降本。

本发明还提供一种风电机组卡桨故障下停机控制系统，包括：

故障识别模块，用于基于各桨叶桨距角差异，识别风电机组叶片卡桨故障；

停机控制模块，用于基于故障识别模块的输出结果作出如下响应：

若风电机组发生叶片卡桨故障，则进入闭环停机控制模式；

其中，所述闭环停机控制模式至少包括：

非卡桨叶片按照变桨参考目标进行PI控制输出相应的变桨角度，和，

机组发电机扭矩按照转矩控制器输出相应的发电机扭矩值。

作为对上述方案的进一步改进，所述停机控制系统还包括：

闭环停机退出模块，用于基于变桨角度或者发电机滤波转速判定退出闭环停机控制模式的时机，若变桨角度或者发电机滤波转速满足以下条件时，即退出闭环停机控制模式：

MeasuredPitch>SSC_end_Pitch；或Tem_gen_speed

式中，MeasuredPitch表示非卡桨叶片测量的变桨角度；SSC_end_Pitch表示退出闭环停机的角度阈值；Tem_gen_speed表示发电机滤波转速；SSC_end_mgs表示退出闭环停机的发电机转速阈值系数；SpeedPoint[0]表示发电机最小运行转速。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的一种风电机组卡桨故障下停机控制方法的步骤。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。