CN107725286B - 一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法。该基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，根据对环境参数监控、相关传感器数据的采集以及机组运行参数的设定，通过结冰判定模块执行机组的结冰判定并给出对应的结冰等级划分。通过对结冰等级分析，执行对应的桨距角运行控制或是机组安全停机操作。其有益效果是：该方法能够较为准确的检测风机叶片结冰情况，检测准确、可靠性高、成本低；且可以控制基本全风速段下机组的结冰运行和安全停机操作，提高了机组的可利用率和安全性。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机技术领域，具体涉及一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法。
背景技术
随着风电市场的扩大，风机逐步向低风速区或是超低风速区发展。然而，风资源较好的区域一般处于海拔相对较高的地区，加之冬季湿度较大，气温较低时容易出现叶片结冰情况。叶片结冰容易导致翼型几何形状改变，叶片性能下降，叶轮升力减小。随覆冰厚度增大以及覆冰表面积不同，容易导致叶轮重量不均衡，造成整机运行疲劳载荷过大，发电效率降低，甚至叶片断裂，严重的影响风力发电机组的性能及使用寿命。
专利CN102410140A提供了一种风力发电机叶片结冰自检测以及安全运行控制方法，如附图1所示。该方法通过气象检测模块、结冰风险等级计算模块以及冰载运行控制模块实现机组结冰的检测和运行。该方法可以准确判定机组的结冰可能性并可以通过结冰传感器判定结冰情况执行对应的结冰等级划分，为后续的冰载运行切换提供判定依据。然而，该专利通过添加较多的硬件检测设备提高结冰可能性准确性的判定，增加了整机监控成本。专利CN103912449A提供了一种叶片结冰情况下增加机组安全性的方法。当检测到叶片结冰时，将桨叶顺桨并使机头与塔筒门偏离一定夹角，保证融冰坠落不会造成人身安全危害。在结冰接触后，手动复位启动机组。该专利可以提高机组结冰情况下的安全性，但未对结冰安全运行进行说明。专利CN104314756A提供了一种机组结冰情况下安全停机的方式。通过对结冰厚度进行检测判定是否执行停机操作，在停机时执行0°到-90°动作，避免常规中叶片前缘结冰改变翼型结构引起某桨距角称为最优桨距角。后续通过高速轴转速判定执行刹车，此时根据风速情况执行三叶片从-90°到90°的顺桨动作。该专利考虑了机组叶片结冰翼型变化可能会导致最优桨距角改变的情况执行停机，通过执行0到-90°停机方式解决该问题。然而，这种方式不能最大限度的利用结冰情况下机组的发电量，过大的考虑了结冰危害性，损失了低风速下的发电量。专利CN104454386 A提出了一种叶片结冰检测和机组结冰运行的方法。通过结冰传感器并结合环境条件和机组运行参数，检测机组叶片的结冰可能性。根据结冰程度执行不同的结冰运行控制。该专利通过设定对应风速值下的下限转速，在风速超过设定值而转速维持在下限转速的时间作为判定结冰程度方法。然而，该方法针对机组结冰较为严重情况转速上不去，但风速很大情况下不能够执行较为安全的机组运行操作；且对于结冰情况轻微的不能够通过转速条件进行判定，这样对于叶片轻微结冰的情况缺少进一步的判定结冰条件。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，包括：环境监控***、测速***、结冰判定模块和控制执行模块，所述环境监控***中温度传感器监测机舱位置处环境温度数据、风速风向传感***监控风速和风向数据变化情况以及做传感器自身故障监控；风速风向传感***包括风速传感器和风向传感器，风速传感器监控机组的叶轮转速和发电机转速；结冰判定模块对所采集的滤波风速数据和滤波转速数据进行处理和分析，经过各自的反时限控制模块进行标志位的判定和数值的判定，通过对标志位判定给出机组结冰判定、传感器故障判定以及机组正常运行判定等；控制执行模块主要为对机组结冰情况的处理和运行做控制。
作为上述技术方案的进一步说明：
优选的，所述环境监控***主要对温度传感器、风速风向传感***进行数据监控，温度传感器通过对机舱外环境温度数据进行采集，当环境温度大于0，不进行结冰条件判定；当环境温度小于0，则作为结冰条件判定输入条件之一。
优选的，对环境温度满足结冰判定条件后，对风速风向传感***数据进行判定，风速风向传感***包括风速风向传感***一和风速风向传感***二，若采用对照风速风向传感***一和风速风向传感***二作为判定机组结冰标准，但未对其自身故障情况进行分析，则可能出现风速风向传感***一存在结冰，而风速风向传感***二恰巧出现自身故障，若采用风速风向传感***一数据则需要通过其他参数判定结冰可能性，但若通过采集风速风向传感***二数据作为正常风速采集，则在其故障时且叶片气动性能变好，容易导致结冰误报或是不报，此时会导致机组可利用率降低或是在冰载运行，影响机组安全。
优选的，风速风向传感***一采用机械式风速风向传感***，风速风向传感***二采用超声波风速风向传感***，通过机械式风速风向传感***和超声波风速风向传感***作为判定结冰可能性中，超声波风速风向传感***在低温下不存在结冰可能，而机械式风速风向传感***容易发生结冰可能，可以作为很好的对照传感器；另一方面，对超声波风速风向传感***自身故障情况下也做了处理，在其故障时，切换至机械式风速风向传感***，仍然可以对结冰情况进行有效判定。
优选的，所述测速***主要采集机组的叶轮转速和发电机转速数据，作为机组数据采集监控的数据输入。
优选的，所述结冰判定模块主要实现对滤波风速和滤波转速数据采集并通过风速反时限模块和转速反时限模块进行结冰模式触发信号的判定，该判定方法基于机组的风速和转速信号，并结合反时限控制的标志位给定不同风速和转速信号下机组结冰可能性的判定，该方法不仅可以判定结冰情况，而且可以判定出机组正常运行情况以及监控传感器故障判定，风速反时限模块和转速反时限模块采用的公式如下所示：
需要说明的是，Tv表示机组结冰延时判定其中一个参考时间；Tω表示机组结冰延时判定的另一个参考时间；Vact表示机组实际风速滤波风速，Vref表示机组参考风速阈值；ωact表示机组实际滤波转速；ωref表示机组参考转速阈值；α表示风速反时限延时常数(可取1.5～2.5)；β表示转速反时限延时常数(可取1～1.5)；m和n为常数，取值为2。
优选的，在根据风速反时限模块进行判定时，通过设定参考风速阈值来进行结冰延时时间的计算和标志位1的判定，参考风速阈值一般取(85％～90％)的额定风速，在实际风速小于参考风速时，Tv为负数；否则其值为正数，根据转速反时限模块进行判定时，通过设定参考转速阈值来进行结冰延时时间的计算和标志位2的判定。参考转速阈值一般取(90％～95％)的额定转速，在实际转小于参考转速时，Tω为负数，否则为正数。根据Tv和Tω数值可以给定不同的标志位，后续根据标志位进行结冰模式和其它模式的判定。
需要说明的是，在Vact＝Vref或ωact＝ωref时，计算出现无穷大，因此滤波风速和转速需要做数值跳转，避开这个参考数值点。一般在该种情况出现时，给定实际风速限制(95％～98％)Vref在和转速限制在(95％～98％)ωref。
优选的，机组在结冰模式下触发结冰模式2，此时机组标志位：Tv＝TRUE，Tω＝TRUE，也就是此时风速超过风速阈值且转速超过转速阈值。此时会存在两种情况：1)机组正常模式，叶片无结冰；2)叶片可能结冰。针对叶片可能结冰情况，需要判定功率是否超过设定Pset来进一步判定结冰情况。因此时风速较大而机组功率相较正常功率偏低，此时为了保证机组的整机安全进行停机保护动作并给出结冰停机指令。
优选的，机组在结冰模式下触发结冰模式1，此时机组处于额定风速及其以上的发电状态或是未发电空转状态。此时通过判定标志位Tv＝TRUE，Tω＝FALSE，即在风速较大情况下机组的转速较低，从而判定机组处于结冰状态。
优选的，在机组标志位Tv＝FALSE，Tω＝TRUE，此时机组处于小风速但发电机转速过高，一般有两种可能。其一为风速仪故障；其二为转速传感器故障。一般对照组风速仪具有抗低温特性，其自身同时故障概率较低，则可以确认为转速传感器故障。此时可以作为转速传感器故障判定的一个方式。
优选的，在机组标志位Tv＝FALSE，Tω＝FALSE，此时机组处于小风速和低转速情况，即使出现结冰情况也不会危及机组安全，因此将此情况默认为机组安全运行情况。
优选的，所述控制执行模块为依据机组给定的不同的结冰模式执行不同的操作。在机组给定结冰模式1时，若机组处于发电状态则维持正常运行状态并根据延时时间Min(Tv，Tω)给出结冰警告；若机组处于非发电状态，此时给定延时时间Min(Tv，Tω)报出结冰警告，通过在区间θfine→θset动态改变机组的桨距角，在判定机组可以实现并网操作后维持动态设定的桨距角。在机组给定结冰模式2时，此时为了保证机组的整机安全进行停机保护动作并给该给定延时时间Min(Tv，Tω)出结冰停机指令。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
基于常规的机舱外环境温度监控、风速-风向数据采集、转速数据采集等方式，且通过设定两组风速风向传感***增强风速数据的准确性。通过主控PLC中结冰判定模块，采用反时限控制方法，可以有效判定机组叶片的结冰情况。在结冰判定模块中充分考虑了风速、转速以及功率三个重要参数，并根据风速反时限模块和转速反时限模块判定机组的结冰模式、传感器故障以及正常模式。根据结冰模式给出了不同的结冰执行控制，实现机组结冰运行、结冰停机两种方式的判定。通过上述控制方法，提高了机组结冰判定的可靠性，并且通过给定不同的结冰模式，提高了机组结冰状态下的发电量并保证了机组的安全。
本专利的有益效果是：
基于现有专利特点，本专利的主要优势在于：
1)通过对风速风向传感***自身故障监控判定，排除了对照传感器自身故障引起的结冰误报从而引起发电量损失，同样排除了结冰不能够监控带来的机组疲劳载荷过大情况，能够有效监控机组的叶片结冰可能性；
2)通过采用反时限控制方式，可以确认机组的结冰可能性、传感器故障形式以及机组正常运行模式，并且准确可靠；
3)通过对不同结冰模式下执行不同的控制方式，可以提高机组在结冰情况下的发电量和可利用率，并保证机组在大风下结冰运行的安全性；
4)通过反时限控制方式，可以针对机组的结冰情况进行时间调节，提高结冰检测的鲁棒性和机组的安全性。
通过基于反时限控制的风力发电机组叶片结冰检测控制方法，根据对环境参数监控、相关传感器数据的采集以及机组运行参数的设定，通过结冰判定模块执行机组的结冰判定并给出对应的结冰等级划分。通过对结冰等级分析，执行对应的桨距角运行控制或是机组安全停机操作。该方法能够较为准确的检测风机叶片结冰情况，检测准确、可靠性高、成本低；且可以控制基本全风速段下机组的结冰运行和安全停机操作，提高了机组的可利用率和安全性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图1为本专利总体***结构框图；
附图2为本专利风速风向传感***检测判定图；
附图3为本专利具体实施流程图。
图中，1温度传感器；2结冰判定模块；3控制执行模块；4风速传感器；5风向传感器；6转速传感器。
具体实施方式
本专利提出一种基于反时限控制的风力发电机组叶片结冰检测控制方法，根据对环境参数监控、相关传感器数据的采集以及机组运行参数的设定，通过结冰判定模块2执行机组的结冰判定并给出对应的结冰等级划分。通过对结冰等级分析，执行对应的桨距角运行控制或是机组安全停机操作。该方法能够较为准确的检测风机叶片结冰情况，检测准确、可靠性高、成本低；且可以控制基本全风速段下机组的结冰运行和安全停机操作，提高了机组的可利用率和安全性。
为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的实施例是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
具体实施例
附图1为本发明提供的一种基于反时限控制的风力发电机组叶片结冰检测控制方法的***框图，具体实施如下：
附图1给出了机组结冰检测控制方法的整个流程框图，一种基于反时限控制的风力发电机叶片结冰检测控制方法，其特征在于包括：
该结冰检测控制***主要包括：环境监控***、温度传感器1、风速风向传感***、测速***、结冰判定模块2和控制执行模块3，所述环境监控***中温度传感器1监测机舱位置处环境温度数据；风速风向传感***监控风速和风向数据变化情况以及做传感器自身故障监控；风速风向传感***包括风速传感器4和风向传感器5，风速传感器4监控机组的叶轮转速和发电机转速；结冰判定模块2对所采集的滤波风速数据和滤波转速数据进行处理和分析，经过各自的反时限控制模块进行标志位的判定和数值的判定，通过对标志位判定给出机组结冰判定、传感器故障判定以及机组正常运行判定等；控制执行模块3主要为对机组结冰情况的处理和运行做控制。
所述环境监控***，主要包含对温度传感器1、风速风向传感***进行数据监控，温度传感器1通过对机舱外环境温度数据进行采集，当环境温度大于0，不进行结冰条件判定；当环境温度小于0，则作为结冰条件判定输入条件之一。
对环境温度满足结冰判定条件后，对风速风向传感***数据进行判定，风速风向传感***包括风速风向传感***一和风速风向传感***二，若采用对照风速风向传感***一和风速风向传感***二作为判定机组结冰标准，但未对其自身故障情况进行分析，则可能出现风速风向传感***一存在结冰，而风速风向传感***二恰巧出现自身故障，此时两者数据对比容易出现机组实际结冰但主控检测不报，导致机组在冰载运行，影响机组安全，风速风向传感***一采用机械式风速风向传感***，风速风向传感***二采用超声波风速风向传感***，通过机械式风速风向传感***和超声波风速风向传感***作为判定结冰可能性中，在采用机械式风速风向传感***和超声波风速风向传感***作为判定结冰可能性中，超声波风速风向传感***在低温下不存在结冰可能，而机械式风速风向传感***容易发生结冰可能，可以作为很好的对照传感器；另一方面，对超声波风速风向传感***自身故障情况下也做了处理，仍然可以对结冰情况进行有效判定。
测速***主要采集机组的叶轮转速和发电机转速数据，作为机组数据采集监控的数据输入。
所述结冰判定模块2主要实现对滤波风速和滤波转速数据采集并通过风速反时限模块和转速反时限模块进行结冰模式触发信号的判定。该判定方法基于机组的风速和转速信号，并结合反时限控制的标志位给定不同风速和转速信号下机组结冰可能性的判定。该方法不仅可以判定结冰情况，而且可以判定出机组正常运行情况以及监控传感器故障判定。风速反时限模块和转速反时限模块采用的公式如下所示：
具体的，Tv表示机组结冰延时判定其中一个参考时间；Tω表示机组结冰延时判定的另一个参考时间；Vact表示机组实际风速滤波风速，Vref表示机组参考风速阈值；ωact表示机组实际滤波转速；ωref表示机组参考转速阈值；α表示风速反时限延时常数(可取1.5～2.5)；β表示转速反时限延时常数(可取1～1.5)；m和n为常数，取值为2。
具体的，在根据风速反时限模块进行判定时，通过设定参考风速阈值来进行结冰延时时间的计算和标志位1的判定。参考风速阈值一般取(85％～90％)的额定风速，在实际风速小于参考风速时，Tv为负数；否则其值为正数。根据转速反时限模块进行判定时，通过设定参考转速阈值来进行结冰延时时间的计算和标志位2的判定。参考转速阈值一般取(90％～95％)的额定转速，在实际转小于参考转速时，Tω为负数，否则为正数。根据Tv和Tω数值可以给定不同的标志位，后续根据标志位进行结冰模式和其它模式的判定。
需要说明的是，在Vact＝Vref或ωact＝ωref时，计算出现无穷大，因此滤波风速和转速需要做数值跳转，避开这个参考数值点。一般在该种情况出现时，给定实际风速限制(95％～98％)Vref在和转速限制在(95％～98％)ωref。
优选的，机组在结冰模式下触发机组给定结冰模式2，此时机组标志位：Tv＝TRUE，Tω＝TRUE。也就是此时风速超过风速阈值且转速超过风速阈值。此时会存在两种情况：1)机组正常模式，叶片无结冰；2)叶片可能结冰。针对叶片可能结冰情况，需要判定功率是否超过设定Pset来进一步判定结冰情况。为了保证机组大风结冰运行安全性，需要判定机组的上网功率数值和理论功率值的大小，0.8Pset≤Pact≤0.9Pset，Pset为理论功率值，Pact表示机组上网功率值；在判定满足风速反时限标志位和转速反时限标志位在判定两个标志位都为TRUE时并且0.8Pset≤Pact≤0.9Pset条件时通过执行模块执行机组结冰条件下安全停机操作。因此时风速较大而功率较低，此时为了保证机组的整机安全进行停机保护动作并给出结冰停机指令。
优选的，机组在结冰模式下触发机组给定结冰模式1，此时机组处于额定风速及其以上的发电状态或是未发电空转状态。此时通过判定标志位Tv＝TRUE，Tω＝FALSE，即在风速较大情况下机组的转速较低，从而判定机组处于结冰状态。
优选的，在机组标志位Tv＝FALSE，Tω＝TRUE，此时机组处于小风速但发电机转速过高，一般有两种可能。其一为风速仪故障；其二为转速传感器6故障。一般对照组风速仪具有抗低温特性，其自身同时故障概率较低，则可以确认为转速传感器6故障。此时可以作为转速传感器6故障判定的一个方式。
优选的，在机组标志位Tv＝FALSE，Tω＝FALSE，此时机组处于小风速和低转速情况，即使出现结冰情况也不会危及机组安全，因此将此情况默认为机组安全运行情况。
所述控制执行模块3为依据机组给定的不同的结冰模式执行不同的操作。在机组给定结冰模式1时，若机组处于发电状态则维持正常运行状态并根据延时时间Min(Tv，Tω)给出结冰警告；若机组处于非发电状态，此时给定延时时间Min(Tv，Tω)报出结冰警告，通过在区间θfine→θset动态改变机组的桨距角，θfine→θset是指区间θfine调整到θset动态改变机组的桨距角，θfine表示机组的最优桨距角，θset表示机组在结冰时设定目标桨距角；在判定机组可以实现并网操作后维持动态设定的桨距角。在机组给定结冰模式2时，此时为了保证机组的整机安全进行停机保护动作并给该给定延时时间Min(Tv，Tω)出结冰停机指令。
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；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：对前述实施例技术方案的修改或是对其中部分或是全部技术特征进行等同替换，这些修改仍然在本发明实施例的技改方案范围。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (4)
1.一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，其中，结冰检测控制***包括：环境监控***、测速***、结冰判定模块和控制执行模块，其特征在于；在结冰检测中，首先检测环境条件是否满足结冰条件，通过环境监控***中温度传感器监测机舱位置处环境温度数据,根据温度数据变化情况作为机组结冰检测模块中逻辑判定的一个使能条件；当环境条件满足后，针对风速风向传感***监控风速和风向数据变化情况，并根据数据变化情况在主控中做传感器自身故障监控，用来实现非故障风速风向传感***的切换，确保主控检测读取到的数据准确可靠；针对测速***，通过对主轴处和发电机处测速接近开关的数据读取，测量机组的叶轮转速和发电机转速；将上述测量数据和判定结果给定主控中结冰判定模块，该模块对所采集的滤波风速数据和滤波转速数据经由风速反时限模块以及转速反时限模块进行标志位的判定和数值的判定，通过对不同模块标志位组合逻辑判定给出机组结冰判定、传感器故障判定以及机组正常运行判定，所述结冰判定模块包括风速反时限模块和转速反时限模块，所述风速反时限模块中参考风速阈值为85％～90％的额定风速值；根据滤波风速值判定布尔标志位Tv的变化情况，根据其为TRUE或是FALSE，Tv>0标志位为TRUE，Tv<0标志位为FALSE，结合转速反时限模块进行结冰标志位的判定，所述转速反时限模块中参考转速阈值为90％～95％的额定转速；根据滤波转速值判定布尔标志位Tω的变化情况，根据其为TRUE或是FALSE，Tω>0标志位为TRUE，Tω<0标志位为FALSE，结合风速反时限模块进行结冰标志位的判定，
风速反时限模块和转速反时限模块采用的公式如下所示：
具体的，Tv表示机组结冰延时判定其中一个参考时间；Tω表示机组结冰延时判定的另一个参考时间；Vact表示机组实际风速滤波风速，Vref表示机组参考风速阈值；ωact表示机组实际滤波转速；ωref表示机组参考转速阈值；α表示风速反时限延时常数，取1.5～2.5；β表示转速反时限延时常数，取1～1.5；m和n为常数，取值为2。
2.根据权利要求1所述的一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，其特征是：所述反时限模块设定95％～98％的额定转速以避开转速死区；在对风速反时限模块中，设定95％～98％的额定风速以避开风速死区。
3.根据权利要求1所述的一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，其特征是：所述风速反时限标志位和转速反时限标志位在判定两个标志位都为TRUE时，即风速反时限模块检测到实际风速大于参考阈值风速且发电机转速大于参考阈值转速时，判定机组的上网功率数值和理论功率值的大小，0.8Pset≤Pact≤0.9Pset，Pset为理论功率值，Pact表示机组上网功率值；在判定满足风速反时限标志位和转速反时限标志位在判定两个标志位都为TRUE时并且0.8Pset≤Pact≤0.9Pset条件时通过执行模块执行机组结冰条件下安全停机操作。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于反时限控制的风力发电机组结冰检测控制方法，其特征是：所述执行模块依据机组给定的不同的结冰模式执行不同的操作，在机组给定结冰模式1时，此时机组处于额定风速及其以上的发电状态或是未发电空转状态，此时通过判定标志位Tv＝TRUE，Tω＝FALSE，即在风速较大情况下机组的转速较低，从而判定机组处于结冰状态；若机组处于发电状态则维持正常运行状态并根据延时时间Min(Tv，Tω)给出结冰警告；若机组处于非发电状态，此时给定延时时间Min(Tv，Tω)报出结冰警告，通过在区间θfine→θset动态改变机组的桨距角，θfine→θset是指从θfine调整到θset动态改变机组的桨距角，θfine表示机组的最优桨距角，θset表示机组在结冰时设定目标桨距角；在判定机组可以实现并网操作后维持动态设定的桨距角，在机组给定结冰模式2时，此时机组标志位：Tv＝TRUE，Tω＝TRUE，也就是此时风速超过风速阈值且转速超过转速阈值；此时为了保证机组的整机安全进行停机保护动作，并在满足给定延时时间Min(Tv，Tω)时，执行结冰停机指令。
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