[發明專利]風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統及其方法

有效

• 申請號: 201110243605.X
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102305179A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發明（設計）人: 王建明;紀國瑞;潘磊;秦明;孫黎翔
• 申請（專利權）人: 國電聯合動力技術有限公司
• 主分類號: F03D7/02
• 分類號: F03D7/02
• 代理公司: 北京方韜法業專利代理事務所 11303
• 代理人: 遆俊臣

技術領域

本發明涉及風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統及其方法。

背景技術

現代水平軸風力發電機組通常為上風向風機，如果風向改變，葉輪掃掠面和風向不垂直，不但功率輸出減少，而且承受的載荷更加惡劣，所以需要有主動式的偏航系統跟蹤風向，驅動機艙圍繞塔架中心線旋轉，使葉輪掃掠面與風向垂直，降低運行載荷，獲取最大的動能。

隨著風電產業的發展，越來越多的風場建在地形條件比較復雜的地區或者潮間帶。地形復雜的地區，氣流因受周圍地形的影響，風速和風向都將發生很大的變化，導致某些方位風的平均風速較低而湍流強度很大，如果風機偏航進入這些區域，運行時疲勞載荷會大很多，嚴重影響風機的使用壽命。對于潮間帶風場，白天風多是從海上吹向陸地(海風)；夜間，風則從陸地吹向海上(陸風)。因為白天海陸溫差大，而夜間海陸溫差較小，一般海風比陸風要大很多，并且相應空的氣密度也有不同。如果風機運行過程中對海風和陸風采用同樣的控制曲線會導致風機的風能利用率偏低。

針對上述問題，如何能創設一種可保證機組能在運行過程中避開高湍流的區域帶來的大疲勞載荷，在風能質量較好的區域后使用單獨設計的運行和控制方案，提高機組的風能利用效率的新的風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統及其方法，是當前業界的重要研究課題之一。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統及其方法，使其可保證機組能在運行過程中避開高湍流的區域帶來的大疲勞載荷，在風能質量較好的區域后使用單獨設計的運行和控制方案，提高機組的風能利用效率。

為解決上述技術問題，本發明一種風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統，包括：通過傳感器測量機艙當前位置、判斷是否進入特定扇區的偏航扇區位置檢測模塊；存儲各扇區特定控制算法的扇區控制策略模塊；以及根據機艙進入的扇區位置切換到對應控制算法并輸出控制信號的控制模式切換模塊。

作為本發明的一種改進，所述的傳感器為加裝在偏航軸承上的傳感器，或為偏航系統原有的傳感器。

所述的傳感器為絕對值型旋轉編碼器。

所述的控制信號包括變槳距控制信號和發電機電磁扭矩控制信號，通過通信回路分別傳輸至風力發電機組的變槳距系統和變流器系統。

所述的控制模式切換模塊和扇區控制策略模塊均設置在風力發電機組主控系統的PLC中。

此外，本發明還提供一種應用上述系統的風力發電機組偏航扇區管理和優化控制方法，包括以下步驟：對風力發電機組偏航掃過的所有空間劃分扇區，扇區的絕對位置坐標與偏航系統的坐標一致；根據各扇區的風能特性設計運行和控制算法；實時檢測風機葉輪當前對風的位置，并確定風機當前所進入的扇區；根據所進入的扇區，切換至相應的運行和控制算法，并根據結果輸出控制信號進行控制。

作為進一步改進，所述的扇區的劃分方法為：首先根據海陸邊界進行扇區劃分，之后根據風場多年的氣象數據和風玫瑰圖，如果某個風向的湍流強度大于風場平均湍流強度20％以上，則該方向左右16度劃分為一個扇區，每個扇區應不小于32度，扇區總數不超過6個。

所述的運行和控制算法包括變槳距控制算法和發電機扭矩控制算法。

所述的扭矩控制算法的計算公式為：其中，Q_d為最優電磁扭矩，ω_g為發電機的轉速，K_opt為最優比例系數，K_opt通過以下公式計算得到：其中，C_pmax為機組最優風能利用系數，λ_max為最優風能利用系數對應的葉尖速比值，R為葉輪的半徑，ρ為空氣密度，G為齒輪箱的傳動比。

當葉輪進入風速較小而湍流強度較大的扇區時，通過調整C_pmax和λ_max取較小的K_opt值。

采用這樣的設計后，將本發明風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統及其方法，應用于現代水平軸風力發電機組，可以提高地形條件復雜的風場內機組的運行條件，降低運行載荷，優化潮間帶風場風機的控制效果，提高風能利用效率。

附圖說明

上述僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，以下結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

圖1是本發明風力發電機組偏航扇區管理和優化控制系統的組成示意圖。

具體實施方式