CN110566402B - 一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法，使用状态机切换方法实现风机的启停过程控制，将机组在启动运行并网过程中的状态分为初始化模式、待机模式、启动模式、预加速模式、加速模式、并网模式、停机模式、服务模式，在启动过程中机组每到达一个模式，在该模式下具备相应的控制目标，当电机转速、叶片桨距角及延时时间达到设定值后，机组进入下一个状态机模式。此种控制方法可实现机组在无人值守的情况下根据外界环境及机组自身状况实现风机自动启停，启停过程中主控***与变流器、变桨***协同控制，最终保障机组的安全稳定运行。

Description

一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法

技术领域

本发明属于风电机的控制的技术领域，特别涉及一种永磁直驱式风电机组主控***自动启停控制方法。

背景技术

风能是重要的清洁可再生能源，风力发电是开发利用风能的主要形式，当前风电机组向着大容量方向发展，永磁直驱式风机是兆瓦级风电机组的主要装机形式。风电机组需在无人值守的情况下长期运行，对控制***的安全性与可靠性要求很高，设计出满足实际运行要求的永磁直驱式风机主控***具有重要意义。

目前国内外对永磁直驱式风机主控***的设计开发进行了相关研究，但还存在一些问题。机组启动过程中状态机与变流器、变桨***间的协同控制方法不完善；对机组启动过程中不同升负荷阶段下的各状态机控制参数范围及状态机切换标准无明显划分界限；同时对电机接近开关转速等重要参数的滤波处理方法较为简易。

综上，在主控***中针对机组自动启停的实现进行设计优化并制定机组启动并网过程中主控***状态机与变流器和变桨***协通控制策略，同时充分考虑现场设备信息确定机组停机逻辑并开展分级实现停机过程中变桨***的控制方法研究具有很强的现实意义。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法，其可实现机组在无人值守的情况下根据外界环境及机组自身状况实现自动启停，启停过程中主控***与变流器、变桨***协同控制，最终保障机组的安全稳定运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法，使用状态机切换方法实现风机的启停过程控制，在启动过程中机组每到达一个模式，在该模式下具备相应的控制目标，当电机转速、叶片桨距角及延时时间达到设定值后，机组进入下一个状态机模式。

将机组在启动运行并网过程中的状态分为初始化模式、待机模式、启动模式、预加速模式、加速模式、并网模式、停机模式、服务模式，按照如下步骤对机组状态机模式进行切换操作：

步骤1，主控***在初始化模式进行自检并初始化***参数、全局变量，初始化通过后进入待机模式状态；

步骤2，在待机模式下当全局停机等级与全局偏航等级均小于设定值，且风机处于顺桨角最大状态，变流器自检完成；在塔基柜或显示器上按下启动按钮，或风机停机经过一段延时后自启动时间到，此时进入机组启动模式；在待机模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_max}；

步骤3，在启动模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_t2}，叶片目标开桨速率为w_{b_t2}，主控***向变流器下发预充电指令，之后主控下发网侧启动指令，进行网侧调制，同时等待机侧调制；当电机转速达到n_{g_t2}，并经过延时T_delay2后，机组进入预加速模式；

步骤4，在预加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t3}，叶片目标开桨速率为w_{b_t3}，当电机转速达到n_{g_t3}，并且机舱对风误差小于设定值后，并经过延时T_delay3，机组进入加速模式；

步骤5，在加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t4}，叶片目标开桨速率为w_{b_t4}，当电机转速达到n_{g_t4}，并经过延时T_delay4，机组进入并网模式；

步骤6，在并网模式下，如果机侧已调制，则主控***首次向变流器下发目标转矩指令，机组执行转矩变桨联合控制；当风速逐渐升高时，主控***依次经过最大风能捕捉区，恒转速区、恒功率区，分别以维持机组出力最大为控制目标，以维持电机转区恒定为控制目标，以维持机组出力在额定功率为控制目标；

步骤7，当全局停机等级大于设定值时，机组立刻进入停机模式；在启动模式、预加速模式、加速模式及并网模式下，若全局停机等级大于设定值，延时后进入停机模式；

步骤8，在停机模式下，当机组叶片达到最大桨距角后延时设定时间后进入待机模式；在待机模式下，当塔基柜面板将服务模式开关按下，则机组进入服务模式，在服务模式下，当塔基柜面板将服务模式开关复归，则进入停机模式。

进一步地，在设计额定风速以下的最大风能捕获区，根据最佳叶尖速和最大风能利用系数实时计算目标功率及目标转矩。

进一步地，***具备自动停机功能，其特征在于：

当停机相关事件触发时，进入停机流程判断过程。在待机模式下，当全局停机等级大小满足设定条件时，或者在启动、预加速、加速及并网模式下，当全局停机等级大小满足设定条件时，延时后机组进入停机模式。进入停机模式后，执行停机流程判断过程。一方面先根据全局停机等级确定叶片收桨速率，之后根据任务周期计算出单次收桨角度，最后下达给变桨控制器，执行叶片顺桨过程。另一方面，主控***给变流器下达停机指令，变流器停止调制、机侧隔离开关和网侧断路器断开。机组计算给出递减的目标转矩，当电机转速降低的设定值以下，或者叶片桨角达到最大设定角度后，经一段时间的延时，停机过程结束，机组进入待机模式。

进一步地，机组并网运行的过程中，在自然界风速较低时，若电机转速降低到第一级临界转速值并持续较短设定时长后，或者电机转速降低到第二级临界转速值并持续较长设定时长后激活低转速停机事件，若电机转速降低到第三级临界转速值后则立刻激活低转速停机事件，之后执行停机流程。

进一步地，综合考虑电机接近开关转速与变流器计算转速确定风机控制算法中使用的叶轮转速。在电机转速较高时，控制器算法使用的叶轮转速选取变流器计算转速；在电机转速较低时，控制器算法使用的叶轮转速选取电机接近开关转速。

特别地，电机接近开关测得的转速为高频信号，对测量到的接近开关瞬时转速进行滤波处理，以减弱瞬时转速中的高频信号噪声与干扰对输出到控制器转速的影响。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

(1)使用一种状态机切换方法实现风机的启停过程控制，由状态机确定叶片目标桨距角及开桨速率，根据电机转速、叶片桨距角及延时间隔进行状态机跳转；

(2)明确机组状态机划分界限与切换方法，在状态机切换的过程中主控***与变流器、变桨***协调控制，主控***向变流器及变桨***下发控制指令实现协调控制，在设计额定风速以下的最大风能捕获区，根据最佳叶尖速和最大风能利用系数实时计算目标功率及目标转矩，主控***向变流器实时下发目标转矩及功率因数指令实现对电机的控制，主控***向变桨控制器实时下发目标桨叶角指令实现对叶轮的控制。停机过程中根据全局停机级别确定顺桨速率实现分级停机；

(3)采用一种递推平均的滑动窗口法对电机接近开关转速进行滤波处理，综合考虑变流器计算转速与电机接近开关转速后确定控制算法使用的电机转速；

(4)本发明稳定可靠，容易实现与部署，具有易操作性与可实施性。

附图说明

图1是***状态机切换流程图；

图2是机组启动过程流程图；

图3是机组停机过程流程图；

图4是电机接近开关转速滤波方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法，使用一种状态机切换实现风机的启停过程控制，将机组在启动运行并网过程中的状态分为初始化模式(Initialization)、待机模式(Standby)、启动模式(Staring)、预加速模式(Pre_Acceleration)、加速模式(Acceleration)、并网模式(Grid_Connected)、停机模式(Shutdown)、服务模式(Service)。在启动过程中机组每到达一个模式，在该模式下具备相应的控制目标，当电机转速、叶片桨距角及延时时间达到设定值后，机组进入下一个状态机模式。

本实施例建立了一个2MW永磁直驱风机的主控***自启动模型，进行相关参数的控制。该风机的主要性能参数如下：此风力发电机组额定功率为2000kW，基本结构型式采用三叶片上风向，叶轮直径121.6m，轮毂高度为90m，切入风速2.5m/s，额定风速8.6m/s，切出风速22m/s。最佳叶尖速比为10，转矩系数为671083。变流器额定容量为2990kVA，相数3P+PE，机侧电压0-690VAC，机侧电流2500A，机侧频率0-50Hz，网侧电压690VAC，网侧电流2500A。

使用图1所示的步骤对机组状态机模式进行切换操作：

(1)在步骤101中，主控***在初始化模式进行自检并初始化***参数、全局变量，初始化通过后进入步骤102待机模式状态；

(2)承接步骤102，在待机模式下当全局停机等级与全局偏航等级均小于设定值，且风机处于顺桨角最大状态，变流器自检完成。在塔基柜或显示器上按下启动按钮，或风机停机经过一段延时后自启动时间到，此时进入步骤103机组启动模式。在待机模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_max}，即保持为机组停机后叶片顺桨达到的最大桨距角不变；

(3)承接步骤103，在启动模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_t2}，叶片目标开桨速率为w_{b_t2}，主控***向变流器下发预充电指令，直流母线建压，主断路器吸合，之后主控下发网侧启动指令，进行网侧调制，同时等待机侧调制。此时叶片收桨，叶片受到的机械转矩增加，电机加速，当电机转速达到n_{g_t2}，并经过延时T_delay2后，进入步骤104，机组进入预加速模式；

(4)承接步骤104，在预加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t3}，叶片目标开桨速率为w_{b_t3}，此时叶片继续收桨，叶片受到的机械转矩增加，电机转速继续上升，当电机转速达到n_{g_t3}，并且机舱对风误差小于设定值后，并经过延时T_delay3，进入步骤105，机组进入加速模式；

(5)承接步骤105，在加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t4}，叶片目标开桨速率为w_{b_t4}，此时叶片继续收桨，叶片受到的机械转矩增加，电机继续加速，当电机转速达到n_{g_t4}，并经过延时T_delay4，进入步骤106，机组进入并网模式；

(6)承接步骤106，在并网模式下，如果机侧已调制，则主控***首次向变流器下发目标转矩指令，机组执行转矩变桨联合控制。当风速逐渐升高时，主控***依次经过最大风能捕捉区，恒转速区、恒功率区，分别以维持机组出力最大为控制目标，以维持电机转区恒定为控制目标，以维持机组出力在额定功率为控制目标；

(7)在步骤102待机模式下，当全局停机等级大于设定值时，机组立刻进入步骤107停机模式。在步骤103启动模式、步骤104预加速模式、步骤105加速模式及步骤106并网模式下，若全局停机等级大于设定值，延时后进入步骤107停机模式；

(8)在步骤107停机模式下，主控下发的目标转矩迅速降低，根据不同的全局停机等级设定不同的顺桨速率使得叶片顺桨，电机转速降低。当电机转速降低到设定值后，主控向变流器下发停止网侧调制指令，变流器停止调制。在停机模式下，当机组叶片达到最大桨距角后延时设定时间后进入步骤102待机模式；

(9)在步骤102待机模式下，当塔基柜面板将服务模式开关按下，则机组进入步骤108服务模式。在步骤108服务模式下，当塔基柜面板将服务模式开关复归，则进入步骤107停机模式。在步骤108服务模式下，可以进行设备检修、维护等操作。

在状态码切换过程中，桨距角设定值θ_{b_max}、θ_{b_t2}、θ_{b_t3}、θ_{b_t4}，叶片目标开桨速率设定值w_{b_t2}、w_{b_t3}、w_{b_t4}，电机转速设定值n_{g_t2}、n_{g_t3}、n_{g_t4}，延时时间T_delay2、T_delay3、T_delay4为常量，根据风机设计要求进行选取确定。本实施例确定的上述桨距角依次是88°、75°、40°、0°，上述叶片目标开桨速率设定值依次是2.5°/s，1.5°/s，1.1°/s，上述电机转速设定值依次是0.2rpm、1.2rpm、6.5rpm，上述延时依次是15s、20s、0s。

风机启动过程中主控***实施与变桨***、变流器进行控制命令的下发与状态反馈的收集，进而实现协同控制，结合图2进行详细说明如下：

在步骤201主控***自检完成后机组启动进入步骤202，在步骤202中主控***向变流器下发预充电指令，直流母线建压，主断路器吸合后，进入步骤203进行网侧调制，之后进入步骤204。承接步骤204主控***向变桨***发出启动位置变桨目标速率，由步骤212执行。在此过程中，在步骤205当电机转速达到目标值后，进入步骤206主控***向变桨***发出预加速位置变桨目标速率，由步骤213执行。在此过程中，在步骤207当电机转速达到目标值后，进入步骤208主控***向变桨***发出加速位置变桨目标速率，由步骤214执行。在此过程中，在步骤209当电机转速达到目标值后进入步骤210机侧调制，之后进入步骤211并网模式，主控***向变流器下发并网指令，变流器进行机侧调制后向主控上送等待转矩指令，主控***下发目标转矩，变流器对电机进行控制，机组并网发电，至此启动过程结束。

机组在进入设计额定风速以下的最大风能捕捉区运行时，目标转矩与目标功率的计算方法如下：

(a)建立风机运行仿真模型，确定模型的边界条件与约束条件。

(b)对上述模型进行求解，仿真得到风能利用系数与叶尖速比之间的C_p-λ曲线，获得最大的风能利用系数C_p及其对应的最佳叶尖速比λ_opt。

(c)建立机组目标功率函数与目标转矩函数：

(d)所述步骤(a)中求得的最大的风能利用系数C_p及其对应的最佳叶尖速比λ_opt代入所述步骤(c)，即求出目标转矩与目标功率，进而下发给变流器。

优选地，所述步骤(a)中的仿真模型使用Bladed软件建立。

本实施例确定的最佳叶尖速比为10，转矩系数为671083。

按照图3所示的方法执行机组停机流程，在步骤301中，当状态码停机事件触发后，如果在步骤302中机组处于待机模式且全局停机等级不小于设定值，或者在步骤303中机组处于运行模式且全局停机等级大于设定值，延时后则进入步骤304。承接步骤304，根据设定的收桨速率及程序所在的任务周期计算出该周期内目标的收桨角度，根据停机等级向变桨***下发顺桨速率指令进入步骤309，在步骤309中叶片顺桨。之后在步骤305中主控***向变流器下发停机指令，变流器停止调制、机侧隔离开关和网侧断路器断开，由步骤310执行。在步骤306，机组计算给出递减的目标转矩，在步骤307当电机转速降低到设定临界值以下，或者叶片桨角达到最大设定角度后，经一段时间的延时，停机过程结束，进入步骤308，机组进入待机模式。

进一步地，机组并网运行的过程中，在自然界风速较低时，若电机转速降低到第一级临界转速值并持续较短设定时长后，或者电机转速降低到第二级临界转速值并持续较长设定时长后激活低转速停机事件，若电机转速降低到第三级临界转速值后则立刻激活低转速停机事件，之后执行停机流程。本实施例确定的转速临界值及延时如下：当电机转速降低到状态码第一级临界值6.5rpm并持续15min后，或当电机转速降低到第二级临界值6.3并持续3min后，则激活Event状态码中的低转速自动停机事件执行停机流程。当电机转速降低到第三级临界值4.7rpm后，立刻激活Event状态码中的低转速自动停机事件执行停机流程。

综合考虑电机接近开关转速与变流器计算转速确定风机控制算法中使用的叶轮转速。在叶轮转速较高时，与电机接近开关转速相比，变流器计算转速值较为准确。在电机转速较高时，控制器算法使用的叶轮转速选取变流器计算转速；在电机转速较低时，控制器算法使用的叶轮转速选取电机接近开关转速。

电机接近开关测得的转速为高频信号，对测量到的接近开关瞬时转速采用一种递推平均滑动窗口法进行滤波处理，以减弱瞬时转速中的高频信号噪声与干扰对输出到控制器转速的影响，结合图4所示的电机接近开关转速滤波方法说明如下：

在步骤401中，初始化参数滑动缓冲窗口总长度及滑动窗口长度，入栈地址Insert_Pos，出栈地址Remove_Pos，之后进入步骤402，当检测到接近开关第k次瞬时转速到来时，进入步骤403，将新数据置于缓冲窗口入栈地址Insert_Pos。之后进入步骤404，更新入栈位置Insert_Pos递增1。进入步骤405，更新滑动窗口长度后，进入步骤406。承接步骤406，若滑动窗口长度小于设定值，进入步骤407，累加当前新数据后计算转速均值，之后进入步骤409输出滤波后转速。承接步骤406，当若滑动窗口长度大于设定值，则在步骤410中累加缓冲窗口出栈地址到入栈位置之间电机转速的均值进行输出，同时Remove_Pos递增1，若Remove_Pos>Win_Length，则将Remove_Pos对窗口总长度取余作为Remove_Pos新值，更新IRemove_Pos。在步骤411中更新出栈位置后，步骤412累加当前输入数据后在步骤413中计算滤波后转速均值并输出。重复上述步骤，计算下一周期瞬时新转速到来时的滤波后转速。

本发明中的主控***基于PLC硬件进行开发，控制器硬件分置与机舱柜与塔基柜内，主控***采用硬接线将控制指令下发至相关自动化设备。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁直驱风机主控***机组自动启停的控制方法，其特征在于：使用状态机切换方法实现风机的启停过程控制，在启动过程中机组每到达一个模式，在该模式下具备相应的控制目标，当电机转速、叶片桨距角及延时时间达到设定值后，机组进入下一个状态机模式；

将机组在启动运行并网过程中的状态分为初始化模式、待机模式、启动模式、预加速模式、加速模式、并网模式、停机模式、服务模式，按照如下步骤对机组状态机模式进行切换操作：

步骤1，主控***在初始化模式进行自检并初始化***参数、全局变量，初始化通过后进入待机模式状态；

步骤2，在待机模式下当全局停机等级与全局偏航等级均小于设定值，且风机处于顺桨角最大状态，变流器自检完成；在塔基柜或显示器上按下启动按钮，或风机停机经过一段延时后自启动时间到，此时进入机组启动模式；在待机模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_max}；

步骤3，在启动模式下，叶片的目标桨距角为θ_{b_t2}，叶片目标开桨速率为w_{b_t2}，主控***向变流器下发预充电指令，之后主控下发网侧启动指令，进行网侧调制，同时等待机侧调制；当电机转速达到n_{g_t2}，并经过延时T_delay2后，机组进入预加速模式；

步骤4，在预加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t3}，叶片目标开桨速率为w_{b_t3}，当电机转速达到n_{g_t3}，并且机舱对风误差小于设定值后，并经过延时T_delay3，机组进入加速模式；

步骤5，在加速模式下，调整叶片的目标桨距角为θ_{b_t4}，叶片目标开桨速率为w_{b_t4}，当电机转速达到n_{g_t4}，并经过延时T_delay4，机组进入并网模式；

步骤6，在并网模式下，如果机侧已调制，则主控***首次向变流器下发目标转矩指令，机组执行转矩变桨联合控制；当风速逐渐升高时，主控***依次经过最大风能捕捉区，恒转速区、恒功率区，分别以维持机组出力最大为控制目标，以维持电机转区恒定为控制目标，以维持机组出力在额定功率为控制目标；

步骤7，当全局停机等级大于设定值时，机组立刻进入停机模式；在启动模式、预加速模式、加速模式及并网模式下，若全局停机等级大于设定值，延时后进入停机模式；

步骤8，在停机模式下，当机组叶片达到最大桨距角后延时设定时间后进入待机模式；在待机模式下，当塔基柜面板将服务模式开关按下，则机组进入服务模式，在服务模式下，当塔基柜面板将服务模式开关复归，则进入停机模式。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述桨距角设定值θ_{b_max}、θ_{b_t2}、θ_{b_t3}、θ_{b_t4}依次是88°、75°、40°、0°，叶片目标开桨速率设定值w_{b_t2}、w_{b_t3}、w_{b_t4}依次是2.5°/s，1.5°/s，1.1°/s，电机转速设定值n_{g_t2}、n_{g_t3}、n_{g_t4}依次是0.2rpm、1.2rpm、6.5rpm。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述延时时间T_delay2、T_delay3、T_delay4依次是15s、20s、0s。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述机组启动的过程是：主控***自检完成后，机组启动，主控***向变流器下发预充电指令，直流母线建压，主断路器吸合后，进行网侧调制，之后主控***向变桨***发出启动位置变桨目标速率w_{b_t2}；随着风机叶片逐渐开桨至目标桨距角θ_{b_t2}，电机转速逐渐增加，在电机转速达到设定值n_{g_t2}后，主控***向变桨***发出预加速位置变桨目标速率w_{b_t3}；随着风机叶片逐渐开桨至目标桨距角θ_{b_t3}，电机转速逐渐增加，在电机转速达到设定值n_{g_t3}后，主控***向变桨***发出加速位置变桨目标速率w_{b_t4}；随着风机叶片逐渐开桨至目标桨距角θ_{b_t4}，电机转速逐渐增加，在电机转速达到设定值n_{g_t4}后，进行机侧调制，之后进入并网模式，主控***向变流器下发并网指令，变流器进行机侧调制后向主控上送等待转矩指令，主控***下发目标转矩，变流器对电机进行控制，机组并网发电，至此启动过程结束。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于：机组在进入设计额定风速以下的最大风能捕捉区运行时，目标转矩与目标功率的计算方法如下：

(a)建立风机运行仿真模型，确定模型的边界条件与约束条件；

(b)对上述模型进行求解，仿真得到风能利用系数与叶尖速比之间的C_p-λ曲线，获得最大的风能利用系数C_p及其对应的最佳叶尖速比λ_opt；

(c)建立机组目标功率函数与目标转矩函数：

(d)将步骤(b)中求得的最大的风能利用系数C_p及其对应的最佳叶尖速比λ_opt代入步骤(c)，即求出目标转矩与目标功率，进而下发给变流器。

6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述机组停机的过程是：当停机相关事件触发后，如果机组处于待机模式且全局停机等级不小于设定值，或者机组处于运行模式且全局停机等级大于设定值，延时后则根据设定的收桨速率及所处的任务周期计算出该周期内目标的收桨角度，根据停机等级向变桨***下发顺桨速率指令，执行叶片顺桨过程；之后主控***向变流器下发停机指令，变流器停止调制、机侧隔离开关和网侧断路器断开，机组计算给出递减的目标转矩，当电机转速降低到设定临界值以下，或者叶片桨角达到最大设定角度后，经一段时间的延时，停机过程结束，机组进入待机模式。

7.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在机组并网运行的过程中，若电机转速降低到第一级临界转速值并持续较短设定时长后，或者电机转速降低到第二级临界转速值并持续较长设定时长后，激活低转速停机事件；若电机转速降低到第三级临界转速值后则立刻激活低转速停机事件，之后执行停机流程。

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