基于空气密度的风电机组控制方法及装置与流程-j9九游会真人

1.本发明涉及风电机组技术领域，尤其涉及一种基于空气密度的风电机组控制方法及装置。


背景技术：

2.风电机组是一种将风能转化为电能的大型设备，其通过叶轮旋转将风能转换为机械能，再通过发电系统将机械能转换为电能。伴随着风电技术的不断发展，风电机组在电力系统中的应用日益增加。
3.空气密度是影响风电机组性能的重要参数，而空气密度会随着温度、气压等参数实时发生变化。在风电机组运行时，不同的空气密度会影响风电机组的控制参数，从而对风电机组实际的功率曲线、载荷等产生影响。因此，为了使风电机组性能达到最优，在风电机组的运行过程中需要根据空气密度的变化来调整风电机组的控制参数。
4.考虑到空气密度的影响，目前普遍使用的风电机组的控制方法主要包括两种，其一是根据年平均气温和气压设置一个基本空气密度，基于设定的基本空气密度进行风电机组的控制，或者根据不同季节的气温及气压情况设置多个基本空气密度，在不同季节时段下，基于该季节时段对应的基本空气密度进行风电机组的控制。其二是实时获取风电机组所处环境的空气密度，根据实时获取的空气密度实时计算并调整风电机组的控制参数。
5.然而，上述的第一种控制方法以预先设置的基本空气密度代替实际空气密度，没有考虑风电机组所处环境的变化情况，风电机组的控制参数与实际性能无法达到最优状态。上述的第二种控制方法根据实时获取的空气密度实时计算对应的风电机组的控制参数，并根据计算得到的控制参数对风电机组进行实时调整，其在实际运行过程中，会导致风电机组的启动调整次数明显增多，而风电机组频繁启动调整既不利于风电机组的稳定运行，又容易导致风电机组受损。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于空气密度的风电机组控制方法及装置。
7.本发明的技术方案如下：
8.第一方面，提供了一种基于空气密度的风电机组控制方法，包括：
9.建立包含最低运行空气密度、最低失速空气密度、最高运行空气密度、以及多个不同空气密度及空气密度对应的风电机组的最优控制参数的数据库；
10.响应于风电机组的运行，获取风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度；
11.根据获取的环境参数计算当前环境的空气密度，将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，其中，若计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当
前控制参数运行。
12.在一些可能的实现方式中，所述环境参数至少包括：气温和气压。
13.在一些可能的实现方式中，所述将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，包括：
14.将计算的空气密度分别与最低运行空气密度、最低失速空气密度、基准空气密度、以及最高运行空气密度进行比较；
15.若计算的空气密度小于或等于最低运行空气密度，则比较当前环境温度与预设最高运行温度，若当前环境温度大于或等于预设最高运行温度，则控制风电机组停机，若当前环境温度小于预设最高运行温度，则使记录的误差次数加一，并判断当前误差次数是否小于设定阈值，若是，则控制风电机组以最低运行空气密度对应的控制参数运行，若否，则控制风电机组停机，检查风电机组的传感器是否故障、以及参数计算是否错误，并重置误差次数；
16.若计算的空气密度大于运行最低运行空气密度，且小于或等于最低失速空气密度，则控制风电机组以预设防失速控制参数运行；
17.若计算的空气密度大于最低失速空气密度，且计算的空气密度与基准空气密度的差值小于或等于第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当前控制参数运行；
18.若计算的空气密度大于最低失速空气密度，以及计算的空气密度与基准空气密度的差值大于第一预设偏差阈值且小于第二预设偏差阈值，则获取风电机组的当前运行状态参数，计算风电机组的当前最佳尖速比和最佳增益，根据数据库中数据确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数，控制风电机组以最优控制参数运行；
19.若计算的空气密度大于最低失速空气密度，且计算的空气密度与基准空气密度的差值大于或等于第二预设偏差阈值，则控制风电机组以预设低温控制参数运行；
20.若计算的空气密度大于或等于最高运行空气密度，则比较当前环境温度与预设最低运行温度，若当前环境温度小于或等于预设最低运行温度，则控制风电机组停机，若当前环境温度大于预设最低运行温度，则使记录的误差次数加一，并判断当前误差次数是否小于设定阈值，若是，则控制风电机组以最高运行空气密度对应的控制参数运行，若否，则控制风电机组停机，检查风电机组的传感器是否故障、以及参数计算是否错误，并重置误差次数。
21.在一些可能的实现方式中，所述第一预设偏差阈值为5％，所述第二预设偏差阈值为20％。
22.在一些可能的实现方式中，运行状态参数至少包括：功率和转速。
23.在一些可能的实现方式中，根据数据库中数据通过查表或者插值计算方式确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数。
24.在一些可能的实现方式中，每隔一个预设时间获取一次风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度。
25.在一些可能的实现方式中，风电机组的控制参数包括：
26.第二方面，还提供了一种基于空气密度的风电机组控制装置，包括：机组功率、转速、增益、pid系数、变桨和净空参数。
27.数据库模块，预存有包含最低运行空气密度、最低失速空气密度、最高运行空气密
度、以及多个不同空气密度及空气密度对应的风电机组的最优控制参数的数据库；
28.参数获取模块，用于在风电机组的运行过程中，获取风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度；
29.控制模块，分别与数据库模块和参数获取模块连接，用于根据环境参数计算当前环境的空气密度，以及将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，其中，若计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当前控制参数运行。
30.在一些可能的实现方式中，所述控制装置安装在风电机组上。
31.本发明技术方案的主要优点如下：
32.本发明的基于空气密度的风电机组控制方法及装置通过预先建立包含理论数据的数据库，而后在风电机组的实际运行过程中，计算实际的空气密度，将计算的空气密度与当前控制参数下的基准空气密度和数据库中预存的空气密度进行比较，并基于不同的比较结果采用不同的风电机组控制方式，能够保证风电机组在不同环境下均能够运行在最佳状态，显著提高风电机组的发电量，降低机组载荷；并且，在计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值时控制风电机组继续以当前控制参数运行，能够避免风电机组频繁启动调整，有效地提高风电机组的运行稳定性和使用寿命。
附图说明
33.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
34.图1为本发明一实施例的一种基于空气密度的风电机组控制方法的流程图；
35.图2为本发明一实施例的另一种基于空气密度的风电机组控制方法的流程图；
36.图3为本发明一实施例的一种基于空气密度的风电机组控制装置的结构示意图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
38.以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
39.参考图1，第一方面，本发明一实施例提供了一种基于空气密度的风电机组控制方法，该方法包括以下步骤：
40.步骤s1，建立包含最低运行空气密度、最低失速空气密度、最高运行空气密度、以及多个不同空气密度及空气密度对应的风电机组的最优控制参数的数据库。
41.本发明一实施例中，最低运行空气密度表示风电机组设计能够允许运行的最低临界空气密度，低于此空气密度风电机组就会停机；最低失速空气密度表示风电机组发生失速的空气密度，其通过理论计算及实际测试获得，其中，在确定最低失速空气密度时可以考虑一定的失速裕度，低于此空气密度风电机组就会容易发生失速；最高运行空气密度表示
风电机组设计能够允许运行的最高临界空气密度，高于此空气密度风电机组就会停机。空气密度对应的风电机组的最优控制参数表示在当前空气密度下风电机组能够达到最佳发电功率和载荷的控制参数。
42.本发明一实施例中，通过进行风电机组的建模仿真分析实验，对不同空气密度下的风电机组的发电功率和载荷大小进行计算和迭代优化，来获取不同空气密度对应的风电机组的最优控制参数，以及获取风电机组对应的最低运行空气密度、最低失速空气密度和最高运行空气密度。
43.步骤s2，响应于风电机组的运行，获取风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度。
44.具体地，在风电机组的运行过程中，实时获取风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度。
45.其中，环境参数通过设置在风电机组上的传感器进行检测获取，控制参数及基准空气密度从风电机组的控制系统中获取。
46.步骤s3，根据获取的环境参数计算当前环境的空气密度，将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，其中，若计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当前控制参数运行。
47.本发明一实施例中，根据步骤s2获取的环境参数计算当前环境的空气密度，将计算的空气密度分别与步骤s2获取的基准空气密度和步骤s1建立的数据库中的最低运行空气密度、最低失速空气密度、最高运行空气密度进行比较，根据比较结果的不同采用不同控制方式控制风电机组的运行。
48.本发明一实施例提供的基于空气密度的风电机组控制方法通过预先建立包含理论数据的数据库，而后在风电机组的实际运行过程中，计算实际的空气密度，将计算的空气密度与当前控制参数下的基准空气密度和数据库中预存的空气密度进行比较，并基于不同的比较结果采用不同的风电机组控制方式，能够保证风电机组在不同环境下均能够运行在最佳状态，显著提高风电机组的发电量，降低机组载荷；并且，在计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值时控制风电机组继续以当前控制参数运行，能够避免风电机组频繁启动调整，有效地提高风电机组的运行稳定性和使用寿命。
49.进一步地，本发明一实施例中，为了确保能够根据获取的环境参数计算得到当前环境的空气密度，获取的风电机组所处的环境参数至少包括：气温和气压。
50.其中，空气密度可以利用以下公式计算：
51.空气密度＝1.293
×
(实际气压/标准物理大气压)
×
(273.15/实际绝对温度)，绝对温度＝摄氏温度 273.15。
52.参考图2，进一步地，本发明一实施例中，将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，进一步包括以下步骤：
53.步骤s31，将计算的空气密度分别与最低运行空气密度、最低失速空气密度、基准空气密度、以及最高运行空气密度进行比较；
54.步骤s32，若计算的空气密度小于或等于最低运行空气密度，则比较当前环境温度
与预设最高运行温度，若当前环境温度大于或等于预设最高运行温度，则控制风电机组停机，若当前环境温度小于预设最高运行温度，则使记录的误差次数加一，并判断当前误差次数是否小于设定阈值，若是，则控制风电机组以最低运行空气密度对应的控制参数运行，若否，则控制风电机组停机，检查风电机组的传感器是否故障、以及参数计算是否错误，并重置误差次数；
55.步骤s33，若计算的空气密度大于运行最低运行空气密度，且小于或等于最低失速空气密度，则控制风电机组以预设防失速控制参数运行；
56.步骤s34，若计算的空气密度大于最低失速空气密度，且计算的空气密度与基准空气密度的差值小于或等于第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当前控制参数运行；
57.步骤s35，若计算的空气密度大于最低失速空气密度，以及计算的空气密度与基准空气密度的差值大于第一预设偏差阈值且小于第二预设偏差阈值，则获取风电机组的当前运行状态参数，计算风电机组的当前最佳尖速比和最佳增益，根据数据库中数据确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数，控制风电机组以最优控制参数运行；
58.步骤s36，若计算的空气密度大于最低失速空气密度，且计算的空气密度与基准空气密度的差值大于或等于第二预设偏差阈值，则控制风电机组以预设低温控制参数运行；
59.步骤s37，若计算的空气密度大于或等于最高运行空气密度，则比较当前环境温度与预设最低运行温度，若当前环境温度小于或等于预设最低运行温度，则控制风电机组停机，若当前环境温度大于预设最低运行温度，则使记录的误差次数加一，并判断当前误差次数是否小于设定阈值，若是，则控制风电机组以最高运行空气密度对应的控制参数运行，若否，则控制风电机组停机，检查风电机组的传感器是否故障、以及参数计算是否错误，并重置误差次数。
60.基于不同的比较结果，采用上述设定的控制方式进行风电机组的运行控制，能够保证风电机组在不同环境下均能够运行在最佳状态，显著提高风电机组的发电量，降低机组载荷，并且能够提高风电机组的运行稳定性和使用寿命。
61.最高运行温度和最低运行温度根据实际情况具体设置。具体地，最高运行温度和最低运行温度均根据机组设计等级进行确定，需要考虑机组各材料的许用应力和疲劳安全系数、润滑油或润滑脂的适应温度以及机组的载荷大小。
62.防失速控制参数根据实际情况具体设置。具体地，在确定防失速控制参数时，先确定最低失速空气密度，通过在最低失速空气密度下调节控制参数，以使机组能从失速情况变为不失速，此时机组的控制参数即为防失速控制参数。其中，在确定防失速控制参数时，还可以考虑一定的裕度。
63.低温控制参数表示在低温环境下采取的一些特定控制措施(例如打开机舱加热器、略微提高转速、加快机组响应等)所对应的控制参数，低温控制参数根据实际需求具体设置。
64.其中，预设最高运行温度、预设防失速控制参数、预设低温控制参数和预设最低运行温度可以预存在数据库中。
65.进一步地，本发明一实施例中，设定阈值、第一预设偏差阈值和第二预设偏差阈值根据实际情况具体设置。较优地，第一预设偏差阈值为5％，第二预设偏差阈值为20％，设定阈值为5。其中，设定阈值、第一预设偏差阈值和第二预设偏差阈值可以预存在数据库中。
66.进一步地，误差次数的初始值设置为0。
67.本发明一实施例中，步骤s35中获取的风电机组的运行状态参数至少包括：功率和转速。
68.本发明一实施例中，最佳尖速比和最佳增益利用以下公式计算：
[0069][0070][0071]
其中，λ表示尖速比，ω表示叶轮转速，r表示叶轮半径，v表示风速，k表示最佳增益，π表示圆周率，ρ表示空气密度，c
p
表示尖速比λ对应的功率系数，g表示齿轮箱速比。
[0072]
进一步地，由于数据库中的具体空气密度数据可能包含当前计算的空气密度，也可能不包含当前计算的空气密度。为此，本发明一实施例中，在步骤s35中，根据数据库中数据通过查表或者插值计算方式确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数。具体地，当数据库中的具体空气密度数据包含当前计算的空气密度时，通过查表确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数；当数据库中的具体空气密度数据不包含当前计算的空气密度时，通过插值计算方式确定当前计算的空气密度对应的最优控制参数。
[0073]
进一步地，考虑到短时间内的空气密度变化较小，为此，本发明一实施例中，在步骤s2中，每隔一个预设时间获取一次风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度。
[0074]
其中，预设时间根据实际情况具体设置，例如设置为2小时。
[0075]
进一步地，本发明一实施例中，风电机组的控制参数根据实际情况具体设置，例如包括：机组功率、转速、增益、pid系数、变桨和净空参数等。
[0076]
参考图3，第二方面，本发明一实施例还提供了一种基于空气密度的风电机组控制装置，该控制装置包括：
[0077]
数据库模块100，预存有包含最低运行空气密度、最低失速空气密度、最高运行空气密度、以及多个不同空气密度及空气密度对应的风电机组的最优控制参数的数据库；
[0078]
参数获取模块200，用于在风电机组的运行过程中，获取风电机组所处的环境参数、风电机组的当前控制参数、以及确定当前控制参数时所使用的基准空气密度；
[0079]
控制模块300，分别与数据库模块100和参数获取模块200连接，用于根据环境参数计算当前环境的空气密度，以及将计算的空气密度分别与基准空气密度和数据库中的空气密度进行比较，并根据比较结果控制风电机组的运行，其中，若计算的空气密度与基准空气密度的差值不超过第一预设偏差阈值，则控制风电机组继续以当前控制参数运行。
[0080]
本发明一实施例所提供的一种基于空气密度的风电机组控制装置中各模块为与上述方法步骤对应的装置，能够实现上述任一实施例所述的基于空气密度的风电机组控制方法的所有流程，各个模块的具体工作原理、作用以及实现的技术效果分别与上述实施例所述的基于空气密度的风电机组控制方法对应相同，这里不再赘述。
[0081]
进一步地，为了便于控制，该控制装置安装在风电机组上。
[0082]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
[0083]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。