一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法与系统

技术领域

本发明涉及风力发电机组前馈控制的技术领域，尤其是指一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法、系统、存储介质及计算设备。

背景技术

风力发电进入平价上网形势下，通过降低风力发电机组主要机械部件载荷，进而降低主要部件成本成为一种趋势。激光雷达测量前置风速的前馈控制策略，在大容量风力发电机组上获得比较广泛应用，用以降低塔筒疲劳载荷以及相应成本，另外，通过抑制发电机转速波动来减少发电机超速故障发生。然而目前单台机舱式激光雷达成本通常在十万元以上，应用成本较高。

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，提供一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法，当风力发电机组运行在额定转速以及额定功率以上区间应用，一方面通过大幅衰减风力发电机组塔筒前后方向弯矩信号中0.1Hz以下频率分量，从而大幅度降低塔筒疲劳载荷，另一方面减小发电模式发电机转速运行最大值，从而大幅度减少发电机转速超速故障发生，提高风力发电机组的运行可靠性。

本发明的第二目的在于提供一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制系统。

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：一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法，执行以下操作：

风力发电机组运行在并网发电模式时，变频器计算的发电机转速信号即发电机转速测量值实时发送给风力发电机组的主PLC；

主PLC将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器1和低通滤波器1的滤波处理后，再将滤波值与发电机转速给定值相减，差值作为PI比例积分控制器的输入，PI比例积分控制器的输出作为叶片角度给定值的第一分量；

主PLC将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器2和低通滤波器2的滤波处理后，再将滤波值经过相位补偿器的相位补偿处理，当风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时，相位补偿后的发电机转速信号乘以比例增益，得到发电机转速前馈控制的叶片角度补偿值，作为叶片角度给定值的第二分量；

主PLC将叶片角度给定值的第一分量与第二分量相叠加，得到风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时的最终叶片角度给定值，而后送给风力发电机组的叶片变桨机构执行，实现所期望的叶片角度值。

进一步，所述陷波滤波器1的传递函数如下：

式中，s为复变量，ξ

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式中，s为复变量，T

进一步，所述陷波滤波器2的传递函数如下：

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式中，s为复变量，T

进一步，所述相位补偿器的传递函数如下：

式中，s为复变量，a为相位补偿器分度系数，T

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制系统，用于实现上述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法，其包括：

发送模块，用于风力发电机组运行在并网发电模式时，将变频器计算的发电机转速信号即发电机转速测量值实时发送给风力发电机组的主PLC；

第一分量获取模块，用于将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器1和低通滤波器1的滤波处理后，再将滤波值与发电机转速给定值相减，差值作为PI比例积分控制器的输入，PI比例积分控制器的输出作为叶片角度给定值的第一分量；

第二分量获取模块，用于将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器2和低通滤波器2的滤波处理后，再将滤波值经过相位补偿器的相位补偿处理，当风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时，相位补偿后的发电机转速信号乘以比例增益，得到发电机转速前馈控制的叶片角度补偿值，作为叶片角度给定值的第二分量；

叶片角度给定值获取模块，用于将叶片角度给定值的第一分量与第二分量相叠加，得到风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时的最终叶片角度给定值，而后送给风力发电机组的叶片变桨机构执行，实现所期望的叶片角度值。

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，实现上述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法。

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，实现上述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、在不增加任何成本的前提下，通过衰减风力发电机组塔筒前后方向弯矩信号中0.1Hz以下频率分量，从而降低塔筒疲劳载荷以及风力发电机组整机成本。

2、在不增加任何成本的前提下，降低风力发电机组运行在额定转速以及额定功率区间时发电机转速最大值，从而减少发电机转速超速故障的发生，提高机组运行可靠性。

3、在不增加任何成本的前提下，降低叶片疲劳载荷。

附图说明

图1为本发明方法的原理图。

图2为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时发电机转速时序比较图。

图3为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时机组(亦可称风机)输出功率时序比较图。

图4为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时叶片角度时序比较图。

图5为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时塔筒底部My弯矩时序比较图。

图6为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时机组(亦可称风机)推力时序比较图。

图7为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时塔筒底部My弯矩谱密度比较图。

图8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

如图1所示，本实施例公开了一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法，执行以下操作：

风力发电机组运行在并网发电模式时，变频器计算的发电机转速信号(即发电机转速测量值)通过CANopen等通讯方式实时发送给风力发电机组的主PLC；

主PLC将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器1和低通滤波器1的滤波处理后，再将滤波值与发电机转速给定值相减，差值作为PI比例积分控制器的输入，PI比例积分控制器的输出作为叶片角度给定值的第一分量；

主PLC将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器2和低通滤波器2的滤波处理后，再将滤波值经过相位补偿器的相位补偿处理，当风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时，相位补偿后的发电机转速信号乘以比例增益，得到发电机转速前馈控制的叶片角度补偿值，作为叶片角度给定值的第二分量；

主PLC将叶片角度给定值的第一分量与第二分量相叠加，得到风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时的最终叶片角度给定值，而后送给风力发电机组的叶片变桨机构执行，实现所期望的叶片角度值。

具体的，所述陷波滤波器1的传递函数如下：

式中，s为复变量，ξ

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式中，s为复变量，T

具体的，所述陷波滤波器2的传递函数如下：

式中，s为复变量，ξ

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式中，s为复变量，T

具体的，所述相位补偿器的传递函数如下：

式中，s为复变量，a为相位补偿器分度系数，T

图2为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时发电机转速比较图。从图中可以看出，发电机转速前馈控制功能开启时，发电机瞬时转速值较小，且波动峰峰值也较小，对抑制发电机超速故障发生比较有利。

图3为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时机组(亦可称风机)输出功率比较图。从图中可以看出，两种方案机组输出功率10分钟平均值差异比较小。

图4为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时叶片角度比较图。从图中可以看出，相比发电机转速前馈控制功能关闭方案，发电机转速前馈控制功能开启时，叶片角度在相位上处于超前状态，且无明显增加额外的变桨控制动作，达到前馈控制效果。

图5、图6分别为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时，塔筒底部My弯矩信号以及机组(亦可称风机)推力信号比较图。从图中可以看出，发电机转速前馈控制功能开启时，机组推力以及塔筒底部My弯矩信号中低频分量振荡峰峰值更小，意味着更小的塔筒疲劳载荷。

图7为发电机转速前馈控制功能开启与关闭时，塔筒底部My弯矩谱密度比较图。从图中可以看出，相比发电机转速前馈控制功能关闭，发电机转速前馈控制功能开启时，0.1Hz以下低频分量衰减明显，符合设计预期。

实施例2

本实施例公开了一种基于发电机转速的风力发电机组前馈控制系统，用于实现实施例1所述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法，如图8所示，该系统包括以下功能模块：

发送模块，用于风力发电机组运行在并网发电模式时，将变频器计算的发电机转速信号即发电机转速测量值实时发送给风力发电机组的主PLC；

第一分量获取模块，用于将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器1和低通滤波器1的滤波处理后，再将滤波值与发电机转速给定值相减，差值作为PI比例积分控制器的输入，PI比例积分控制器的输出作为叶片角度给定值的第一分量；

第二分量获取模块，用于将发电机转速测量值依次经过陷波滤波器2和低通滤波器2的滤波处理后，再将滤波值经过相位补偿器的相位补偿处理，当风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时，相位补偿后的发电机转速信号乘以比例增益，得到发电机转速前馈控制的叶片角度补偿值，作为叶片角度给定值的第二分量；

叶片角度给定值获取模块，用于将叶片角度给定值的第一分量与第二分量相叠加，得到风力发电机组运行在额定转速以及额定功率时的最终叶片角度给定值，而后送给风力发电机组的叶片变桨机构执行，实现所期望的叶片角度值。

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所述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法。

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所述的基于发电机转速的风力发电机组前馈控制方法。

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。