1.本发明涉及风力发电机组调控技术领域，具体为一种风力发电机组的运行状态切换方法及系统。
背景技术：
2.现有的风力发电机运行状态调控方法主要为国外硬件和软件，为实现对mita、巴赫曼等国外风电主控系统控制器硬件的替代，达到或超过国外控制器的性能水平。风电控制器采用国产龙芯cpu处理器芯片，基于自主可控指令架构进行研制，同时基于跨平台的设计理念，完成编译软件、调试软件等二次开发环境的搭建。控制器硬件上充分考虑风电行业振动大、温差高、湿度大等工作环境，满足风电主控系统的相关功能需求。
3.然而，现有的风力发电机组的运行状态切换方法存在一些缺点。首先，现有的方法可能无法准确地预测和控制风电机组的运行状态，这可能会导致风电机组的运行效率降低，产能不足，甚至可能会导致风电机组的损坏。其次，现有的方法可能无法有效地处理极端风力条件，如极端阵风和强风湍流，如果完全关闭风电机组，强风带动叶片转动，这可能会对风电机组的运行造成严重的影响。此外，现有的方法可能无法有效地处理风电机组的故障状态，这可能会导致风电机组的运行中断，从而影响到电力供应。
4.因此，亟需一种风力发电机组的运行状态切换方法。
技术实现要素：
5.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
6.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
7.因此，本发明解决的技术问题是：现有的风力发电机组运行状态切换方法存在运行效率低下，调节慢，以及如何应对极端天气的优化问题。
8.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种风力发电机组的运行状态切换方法，包括：采集风力发电机组的运行状态数据和环境风力数据；确定风电机组状态划分工作方式并以状态码的方式反馈给主控系统；基于状态感知通过模型预测风电控制策略并执行调节控制策略。
9.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述风力发电机组的运行状态数据包括桨叶角度、桨叶转速、风机温度、桨叶振动幅度、桨叶振动频率以及发电机电压和电流。
10.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述风电机组状态包括确定桨叶位置，采用对桨叶速度积分的方式间接获取桨叶的实时位置，通过绝对值编码器获取实时的桨叶转速值，将桨叶转速进行积分得到桨叶的实时位置，位置变量设置为掉电保持型，每次上电时，获取上一次断电时桨叶的位置。
11.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述确定风电机组状态划分工作方式包括为系统启动、自检、空转、并网、发电、停机及维护，通过plc将风电机组状态数据转为状态码反馈给主控系统，调用预置的处理方法。
12.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述预置的处理方法包括当风力发电机组处于发电状态且无故障，判断当前风速是否处于运行区间，若当前风速低于运行区间，则通过超扭矩滑模控制方法调节桨叶角度和转速，增强风能捕获；若当前风速高于运行区间，则进行减少10％的俯仰角标准偏差并减少7-12％的弦向振动的平均值计算，完成计算后，将准确的角度和转速调节数值通过编码上传控制器进行调节，同时采用个二阶低通滤波器对转速反馈信号滤波，降低控制器对高频噪声及扰动的敏感性。
13.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述状态感知包括当预测存在极端阵风时，风机通过自适应pi控制器自动调整叶片角度，在正常发电情况下，总谐波失真以降低到7.11％以下，在故障状态或暂停状态，thd降低到9.93％以下；当预测存在强风湍流时，风机通过自适应pi控制器自动调整叶片角度和转速，在正常发电情况下，总谐波失真降低到8.84％以下，在故障状态或暂停状态，thd降低到72.8％以下。
14.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换方法的一种优选方案，其中：所述预置的处理方法还包括基于双pi控制算法进行风机桨叶的转速和位置的控制，控制器外环为桨叶位置控制，将位置实测值与位置设定值进行对比，得到的误差通过pi控制算法得到内环的速度控制的速度指令，表示为：
15.u(p(t))＝k
pp
*e(p(t)) k
ip
∫e(p(t))dt
16.其中，k
pp
表示位置比例系数，e(p(t))表示位置偏差信号，k
ip
表示位置积分系数，∫e(p(t))dt表示位置误差积分；在内环控制中，在将实测的速度信号与速度指令进行对比，将误差在经过内环pid控制器得到变频器的电控指令信号，表示为：
17.u(v(t))＝k
pv
*e(v(t)) k
iv
*∫e(v(t))dt k
dv
*de(v(t))/dt
18.其中，k
pv
表示速度比例系数，e(v(t))表示速度偏差信号，k
iv
表示速度积分系数，∫e(v(t))dt表示位置误差积分，k
dv
表示微分比例系数，de(v(t))/dt表示速度误差变化率。
19.本发明的另外一个目的是提供一种风力发电机组的运行状态切换系统，其能通过pid控制器准确调节叶片角度和转速，解决了目前调节过程中调节精度不足造成产能低下的问题。
20.作为本发明所述的风力发电机组的运行状态切换系统的一种优选方案，其中：包括信息采集模块，plc编码模块，pid控制模块；所述信息采集模块用于采集风力发电机组的运行状态和环境气象信息，并将信息传递至plc编码模块；所述plc编码模块用于将获取的状态信息转化为状态码，将状态码传递给pid控制器中；所述pid控制模块根据状态码进行状态计算分析预测，并根据输出值调用预置的处理方法调控桨叶转速和角度。
21.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序是实现风力发电机组的运行状态切换方法的步骤。
22.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现风力发电机组的运行状态切换方法的步骤。
23.本发明的有益效果：本发明提供的风力发电机组的运行状态切换方法通过plc编码器将状态数据转为状态码，减少机组控制器的反应速度，可以快速应对多变的天气。预设极端天气的桨叶控制模式，避免了停滞叶片遇到强风造成损坏的情况。通过pid控制器对桨叶进行控制，提升了控制精度和反应速度。本发明在反应速度、抗极端天气和控制精度方面都取得更加良好的效果。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
25.图1为本发明第一个实施例提供的一种风力发电机组的运行状态切换方法的整体流程图。
26.图2为本发明第一个实施例提供的一种风力发电机组的运行状态切换方法的pid示意图。
27.图3为本发明第三个实施例提供的一种风力发电机组的运行状态切换系统的整体流程图。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
29.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
30.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
31.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
32.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，
也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例1
35.参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种风力发电机组的运行状态切换方法，包括：
36.s1：采集风力发电机组的运行状态数据和环境风力数据。
37.更进一步的，风力发电机组的运行状态数据包括桨叶角度、桨叶转速、风机温度、桨叶振动幅度、桨叶振动频率以及发电机电压和电流。
38.应说明的是，桨叶位置可以通过安装在桨叶齿轮上的角度编码器直接测量获得，但为减少误差和降低因角度编码器故障带来的安全性问题，可采用对桨叶速度积分的方式间接获取桨叶的实时位置。通过绝对值编码器获取实时的桨叶转速值，将桨叶转速进行积分得到桨叶的实时位置，确定桨叶位置，采用对桨叶速度积分的方式间接获取桨叶的实时位置，通过绝对值编码器获取实时的桨叶转速值，将桨叶转速进行积分得到桨叶的实时位置，位置变量设置为掉电保持型，每次上电时，获取上一次断电时桨叶的位置。
39.还应说明的是，风力发电机组的运行方式采用基于状态切换的控制，根据风电机组各系统所处状态及工作方式可划分为系统启动、自检、空转、并网、发电、停机及维护等工作状态，不同状态执行相应的变桨、偏航、转矩、转速调节控制策略，故障和报警信息以状态码的方式反馈给主控系统并调用预置的处理程序。同时，基于国产plc可编程控制器完成风电主控系统的主状态切换、状态码触发及堆栈处理、事件记录、部件控制等程序设计。
40.s2：确定风电机组状态划分工作方式并以状态码的方式反馈给主控系统。
41.更进一步的，确定风电机组状态划分工作方式包括为系统启动、自检、空转、并网、发电、停机及维护，通过plc将风电机组状态数据转为状态码反馈给主控系统，调用预置的处理方法。
42.应说明的是，plc还与软件平台联系，软件平台包括编辑器、编译器、调试器、仿真器和图形用户界面工具，主要完成硬件配置、测点组态、软件编程、仿真、调试及下载工作。具备iec61131-3标准编程语言同时支持c语言等编程功能、直观的在线监测功能、强大的在线调试功能、脱离硬件的完善仿真功能及可直接调用的风电功能库，该软件平台为工程技术人员提供了一套简单实用的软件编程和联机调试工具。
43.s3：基于状态感知通过模型预测风电控制策略并执行调节控制策略。
44.更进一步的，预置的处理方法包括当风力发电机组处于发电状态且无故障，判断当前风速是否处于运行区间，若当前风速低于运行区间，则通过超扭矩滑模控制方法调节桨叶角度和转速，增强风能捕获；若当前风速高于运行区间，则进行减少10％的俯仰角标准偏差并减少7-12％的弦向振动的平均值计算，完成计算后，将准确的角度和转速调节数值通过编码上传控制器进行调节，同时采用个二阶低通滤波器对转速反馈信号滤波，降低控制器对高频噪声及扰动的敏感性。
45.应说明的是，运行区间为最优发电风力区间，上述操作为风力略微超过或低于风力区间的操作，当风力遇到极端天气或无风天气时，采取其他应对措施，将变桨控制和转矩控制相结合实现风电机组平滑地跟踪最大风能，比传统转矩控制策略年发电量可提升1％以上。
46.还应说明的是，在风电机组控制中引入风速风向、转速、叶片位置等控制信息，结合风电机组转动惯量、翼型气动及发电系统特性，通过精细化模型预测及控制技术，提高风电机组全域入流风响应速度，提高风力发电机在极端阵风或强风湍流等恶劣工况下的生存能力，增强系统的环境适应性和鲁棒性，提升极端工况下风力发电机组稳定发电的性能。当预测存在极端阵风时，风机通过自适应pi控制器自动调整叶片角度，在正常发电情况下，总谐波失真以降低到7.11％以下，在故障状态或暂停状态，thd降低到9.93％以下；当预测存在强风湍流时，风机通过自适应pi控制器自动调整叶片角度和转速，在正常发电情况下，总谐波失真降低到8.84％以下，在故障状态或暂停状态，thd降低到72.8％以下。
47.总谐波失真(total harmonic distortion，thd)是一个衡量系统非线性失真的参数，它是所有谐波分量与基波分量的比值。在电力系统中，如果存在谐波，那么电压和电流的波形就会发生失真，从而影响电力系统的正常运行。因此，降低thd是提高电力系统性能的重要目标。当遇到极端天气，停滞状态下，也存在一定危险，因此通常可以设置为thd不低于5％，让风机以低速随着强风旋转实现泄力的效果，可以有效提升桨叶的寿命。
48.更进一步的，预置的处理方法还包括基于双pi控制算法进行风机桨叶的转速和位置的控制，控制器外环为桨叶位置控制，将位置实测值与位置设定值进行对比，得到的误差通过pi控制算法得到内环的速度控制的速度指令，表示为：
49.u(p(t))＝k
pp
*e(p(t)) k
ip
∫e(p(t))dt
50.其中，k
pp
表示位置比例系数，e(p(t))表示位置偏差信号，k
ip
表示位置积分系数，∫e(p(t))dt表示位置误差积分；在内环控制中，在将实测的速度信号与速度指令进行对比，将误差在经过内环pid控制器得到变频器的电控指令信号，表示为：
51.u(v(t))＝k
pv
*e(v(t)) k
iv
*∫e(v(t))dt k
dv
*de(v(t))/dt
52.其中，k
pv
表示速度比例系数，e(v(t))表示速度偏差信号，k
iv
表示速度积分系数，∫e(v(t))dt表示位置误差积分，k
dv
表示微分比例系数，de(v(t))/dt表示速度误差变化率。
53.应说明的是，如图2所示的控制体系，基于叶片自身气动特性及翼形，在不同的桨叶角度下自动匹配不同的pid参数与之适应，与机组动态性能相匹配，有效避免比例作业引起的超调和振荡，同时能最大限度的保证桨叶位置控制的快速性和有效性；同时在变桨位置控制中基于抗积分饱和快速退积分饱和算法，能够实现风电机组叶片位置控制的响应速率，完美解决了积分饱和情况下叶片无法执行动作的问题，在风力发电机转速控制方面将两者的有效结，能够使发电机转速控制在
±
10rpm以内，有效保证风电机组安全稳定运行。
54.实施例2
55.本发明的一个实施例，提供了一种风力发电机组的运行状态切换方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
56.使用matlab构建风力发电模型，桨叶型号选择a86m。模拟已在具有intel处理器和16gb ram的环境中运行。使用的操作系统是64位windows11ultimate。用matlab编程语言对点系统进行仿真，连接记录，构建风力分布。
57.预设两组每组四个风力发电机住，在相同的时间段内，记录两组风电机组的运行效率，包括发电量和风能捕获率。
58.在极端风力条件下，记录两组风电机组的处理能力，包括运行状态调节时间。
59.在发电状态下，记录两组风电机组的控制精度，包括转速偏差。
60.如表1所示，首先，从运行效率来看，我们的发明比现有技术提高了约2个百分点，这是由于运行区间的微调和极端天气的随风泄力效果，略微提升了发电效率。
61.其次，从极端风力处理能力来看，我方发明通过pid控制和plc快速转码，以适应极端风力条件。这是一个重要的优点，因为它可以保护风力发电机组免受极端风力的损害，从而延长其使用寿命。
62.再次，从转速偏差来看，我方发明采取pid控制，极大的提升了控制精度，从而提高其可用性。
63.最后，从运行状态变换时间来看，我方发明可以更快地切换运行状态，以适应不同的运行条件。可以提高风力发电机组的灵活性，从而使其能够更好地适应变化的风力条件。
64.表1控制效能对比表
65.指标我方发明现有技术运行效率(％)98.30％96.20％极端风力处理时间(秒)1321转速偏差(rpm)9.322.1运行状态变换时间(秒)1120
66.实施例3
67.参照图3，为本发明的一个实施例，提供了一种风力发电机组的运行状态切换系统，包括：信息采集模块，plc编码模块，pid控制模块.
68.其中，信息采集模块用于采集风力发电机组的运行状态和环境气象信息，并将信息传递至plc编码模块；plc编码模块用于将获取的状态信息转化为状态码，将状态码传递给pid控制器中；pid控制模块根据状态码进行状态计算分析预测，并根据输出值调用预置的处理方法调控桨叶转速和角度。
69.功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
70.在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
71.计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)、便携式计算机盘盒(磁装置)、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)、光纤装置以及便携式光盘只读存
储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
72.应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
73.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。