CN112502899A - 一种风力发电机组降耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组降耗的方法，将机组运行工况判断作为风电机组降耗控制逻辑的判断条件，将未来预测风速加入机组等风停机逻辑判断中，将未来预测风速和未预测风向加入风机偏航策略中，在不同运行工况下，按需启动齿轮箱油泵的间歇运行模式和压力控制模式。有效减少耗电量多于频繁启停过程中的发电量，整体上提高风电机组发电量，减少机组关键部件的机械及电气消耗；便于未来风速满足启机条件后，机组快速进入发电状态；降低齿轮箱自身的耗电量损耗和不必要的机械磨损。

Description

一种风力发电机组降耗的方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制策略。
背景技术
风电场经营管理的主要目标就是要发电量、要效益，开源节流是增加电场利润的主要手段，降低综合厂用电率及风机耗材，对于提升电场生产效益具有一定的经济价值。且随着风力发电机组单机容量的逐步增加，风机本身的自耗电量及耗材也逐步增加。由于风机自耗电及耗材是风机发电不可避免的损耗，自耗电及耗材本身只能减少不能消除，降低风机自耗电及耗材使用量，达到提高风电场的运行经济性的目的。随着能源危机的加重和环境的日趋恶化，风电得到前所未有的发展，但对于风电机组自耗电及耗材使用问题国内外众多风电场仍未进行相关深入研究。为了增加机组有效出力、降低风机耗材使用量，基于风力发电机组自身特性，在不影响风电机组安全和原有性能的前提下，通过优化风电机组硬件和软件控制逻辑来提高发电效率、降低风机耗品损耗，最终降低风机度电成本。
发明内容
本发明针对现有风力发电机组控制策略的不足，基于风力发电机组的不同工况对变桨***、偏航***和齿轮箱等组件进行控制，实现降耗功能。
一种风力发电机组降耗的方法，包括：
判断机组运行工况；
当机组处于发电状态时，当发电功率小于脱网功率时，使用预测风速参与控制逻辑，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速小于启动风速，则延时一段时间t1后进入等风停机状态；当预测风速高于启动风，机组继续维持桨叶打开，若此期间未捕获到更多风能量则计时结束后，机组进入等风停机状态；
当机组处于停机状态时，使用预测风速参与控制逻辑，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速大于偏航启动风速且低于启动风速时，预测未来一定时间内的风向，当预测风向与风机实际位置的偏差在预设范围内，延时一段时间t2后、若实时监测的风速和风向仍满足条件，则机组进入自动无压偏航控制，直到机组跟踪到预测风向；若在延时t2期间，风速和风向中有任一条件不满足时，机组进入停机状态，无偏航动作。
还包括根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作，当机组处于停机状态时，当齿轮箱油泵油池温度大于加热停止温度阈值时，控齿轮箱油泵的制低速泵间歇运行。
所述根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作还包括：
当机组处于发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当泵入口压力大于第一压力阈值时，同时停止低速泵和高速泵，使得齿轮箱油泵停止运行；当泵入口压力小于第二压力阈值时，启动低速泵，同时根据油池温度和/或轴承温度参数判断是否启动高速泵；具体为：当油池温度大于第一启高速油温阈值或轴承温度大于第一启高速轴承温度阈值时，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；当油池温度小于第二启高速油温阈值且轴承温度小于第二启高速轴承温度阈值时，停止高速泵，使得齿轮箱油泵仅低速泵运行。其中，第一压力阈值大于第二压力阈值，第一启高速油温阈值大于第二启高速油温阈值，第一启高速轴承温度阈值大于第二启高速轴承温度阈值。
当机组处于不发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当油池温度小于加热启动温度阈值时，启动低速泵并停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行；当油池温度不小于加热启动温度阈值时，还判断油池温度是否大于加热停止温度阈值，且当油池温度大于加热停止温度阈值时，启动低速泵间歇运行，比如每20分钟运行5分钟；低速泵在运行过程中，若油池温度大于第一启高速油温阈值且持续一定时间阈值的情况下，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；低速泵停止或油池温度小于第二启高速油温阈值的情况下，停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行。其中，加热启动温度阈值大于加热停止温度阈值。
所述延时t1和t2小于等于预测时间T。
将机组运行工况判断作为风电机组降耗控制逻辑的判断条件，将未来预测风速加入机组等风停机逻辑判断中，将未来预测风速和未预测风向加入风机偏航策略中，在不同运行工况下，按需启动齿轮箱油泵的间歇运行模式和压力控制模式。有效地避免风电机组在风速较小情况下，既不能有效发电，又需频繁启停风机消耗较多电能的情况，最终实现减少耗电量多于频繁启停过程中的发电量，整体上提高风电机组发电量，减少机组关键部件的机械及电气消耗；有效避免小风期间风机的无用偏航电量消耗并提前将对正未来预测风向，便于未来风速满足启机条件后，机组快速进入发电状态；既可以保证齿轮箱的正常润滑，也可以降低齿轮箱自身的耗电量损耗和不必要的机械磨损。
附图说明
图1为机组处于发电状态时的降耗控制逻辑图；
图2为机组处于停机状态时的降耗控制逻辑图；
图3为基于不同工况的齿轮箱油泵控制逻辑图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明范围。
本发明提供了一种风力发电机组降耗的方法，包括：
判断机组运行工况为发电状态或是停机状态。
当机组处于发电状态时的降耗方法包括等风停机控制逻辑。如图1所示，当发电功率小于脱网功率时，使用预测风速参与控制逻辑，即当预测风速使能=1时，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速小于启动风速，则延时一段时间t1后进入等风停机状态；当预测风速高于启动风，机组继续维持桨叶打开，若此期间未捕获到更多风能量则计时结束后，机组进入等风停机状态。延时t1小于等于预测时间T。启动风速根据当前空气密度将其折算为标准空气密度下的风速。
机组启停是风电机组运行过程中耗能较高的阶段，且机组的频繁启停会影响机组包括发电机、变频器、变桨***、接触器等关键部件的使用寿命。通常，一个风场每台风机均使用自身气象测风设备判断是否达到启动条件，在小风环境下，容易经常启停机，但实发电量却很少，难以弥补发电期间各部件自耗电损失。同时，也加速了各部件老化及磨损，增加机组运行风险，不利于机组长期稳定运行。
针对上述问题，针对变桨***设计了等风停机逻辑优化策略，具体为：当预测风速使能为0时，则仍按现有逻辑执行；当预测风速使能为1时，当机组不满足最低发电功率要求时，且监测到未来15min预测风速低于启动风速，则倒计时结束后进入等风停机状态；但当监测到未来15min预测风速高于启动风速时，机组将继续维持桨叶打开等待捕获更多的风能量，若此期间未捕获到更多风能量则计时结束后，机组进入等风停机状态，若此期间捕获到更多风能量则机组也可脱离最低发电功率下限，继续维持功率输出。通过预测风速的引入，可有效降低机组在小风工况下的频繁启机，减少不必要的功率消耗。
当机组处于停机状态时的降耗方法包括偏航控制逻辑。如图2所示，使用预测风速参与控制逻辑，即当预测风速使能=1时，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速大于偏航启动风速且低于启动风速时，预测未来一定时间内的风向，当预测风向与风机实际位置的偏差在预设范围内时，延时一段时间t2后、若实时监测的风速和风向仍满足条件，则机组进入自动无压偏航控制，直到机组跟踪到预测风向；若在延时t2期间，风速和风向中有任一条件不满足时，机组进入停机状态，无偏航动作。这里优选预设范围为8°-30°。延时t2小于等于预测时间T。预测风向和风机实际位置，都是基于正北方向给定的值，所有当预测风向与风机实际位置偏移较大时，可以控制风机提前偏航到预测风向位置，便于风机快速对风发电。
将机组运行工况判断作为风电机组降耗控制逻辑的判断条件，将未来预测风速加入机组等风停机逻辑判断中，将未来预测风速和未预测风向加入风机偏航策略中，在不同运行工况下，按需启动齿轮箱油泵的间歇运行模式和压力控制模式。有效地避免风电机组在风速较小情况下，既不能有效发电，又需频繁启停风机消耗较多电能的情况，最终实现减少耗电量多于频繁启停过程中的发电量，整体上提高风电机组发电量，减少机组关键部件的机械及电气消耗；有效避免小风期间风机的无用偏航电量消耗并提前将对正未来预测风向，便于未来风速满足启机条件后，机组快速进入发电状态；既可以保证齿轮箱的正常润滑，也可以降低齿轮箱自身的耗电量损耗和不必要的机械磨损。
偏航电机工作将消耗电能，根据数据统计，偏航消耗电能占据机组自耗电能量的14%，因此，减少无用偏航，不单能减少刹车片损耗及降低偏航***故障率，还能减少机组自耗电量，间接提升发电量。故针对风速无法达到风电机组启动风速时，因机组仍会跟随风向偏航，从而消耗不必要的电量的情况。
针对上述问题，针对偏航***设计了停机状态下偏航控制优化策略，具体为：当预测风速使能为0时则仍按现有逻辑执行；当预测风速使能为1时，当机组在停机状态下时，未来15min预测风速高于偏航启动风速且低于启动风速时，若未来15min预测风向与现风机位置偏差在某一范围内时,经15min延时后若仍满足风速和风向条件后，则机组进入无压偏航控制，直到机组跟踪到预测15min风向。若在15min延时期间，风速和风向有任一条件不满足时，机组进入停机状态，无偏航动作。该控制策略可有效降低机组在低于启动风速期间的偏航自耗电消耗，同时通过机组跟踪未来预测风向，使机组下次满足启动条件后快速进入发电状态，提高机组的能量利用率。另，采用在满足整机载荷安全的前提下，采用无压偏航可有效降低偏航刹车片的磨损，延长其寿命，最终达到降低运维成本的目的。
如图1和2所示的预测风速使能为预测风速是否参与控制逻辑的使能。当预测风速使能=0时仅使用风速计数据参与控制；预测风速使能=1时使用预测风速参与控制；主要用于避免当预测风速不准引起风机无法启动时，将该使能手动设为0，保证机组正常启动。由于机组设计的启停风速均为标准空气密度下风速，空气密度会受温度海拔等因素影响，故需将实测风速折算到标准空气密度下。
还包括根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作，如图3所示，当机组处于停机状态时，当齿轮箱油泵油池温度大于加热停止温度阈值时，控齿轮箱油泵的制低速泵间歇运行。
根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作的控制逻辑还包括：
当机组处于发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当泵入口压力大于第一压力阈值时，同时停止低速泵和高速泵，使得齿轮箱油泵停止运行；当泵入口压力小于第二压力阈值时，启动低速泵，同时根据油池温度和/或轴承温度参数判断是否启动高速泵；具体为：当油池温度大于第一启高速油温阈值或轴承温度大于第一启高速轴承温度阈值时，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；当油池温度小于第二启高速油温阈值且轴承温度小于第二启高速轴承温度阈值时，停止高速泵，使得齿轮箱油泵仅低速泵运行。其中，第一压力阈值大于第二压力阈值，第一启高速油温阈值大于第二启高速油温阈值，第一启高速轴承温度阈值大于第二启高速轴承温度阈值。
当机组处于不发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当油池温度小于加热启动温度阈值时，启动低速泵并停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行；当油池温度不小于加热启动温度阈值时，还判断油池温度是否大于加热停止温度阈值，且当油池温度大于加热停止温度阈值时，启动低速泵间歇运行，比如每20分钟运行5分钟；低速泵在运行过程中，若油池温度大于第一启高速油温阈值且持续一定时间阈值的情况下，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；低速泵停止或油池温度小于第二启高速油温阈值的情况下，停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行。其中，加热启动温度阈值大于加热停止温度阈值。
在保证齿轮箱日常润滑到位的前提下，将原有齿轮箱油泵运行逻辑中加入机组运行工况的判断，在不同运行工况下，按需启动间歇运行模式和压力控制模式。同时，对间歇运行模式的间隔时间和运行时间进行适当拉长。在机组进入发电状态前，保持齿轮箱油泵处于以间隔时间和运行时间为控制参数的间歇控制模式，并在保证齿轮箱内部机械齿轮润滑需求的前提下，适当拉长上述两个参数，既有助于降低发电前自耗电损耗，有有利于电机寿命的延长。同时，机组进入发电状态后，保持入口压力控制模式，保障机组运行期间齿轮箱内部机械齿轮的充分润滑。

Claims (4)

1.一种风力发电机组降耗的方法，其特征在于，包括：
判断机组运行工况；
当机组处于发电状态时，当发电功率小于脱网功率时，使用预测风速参与控制逻辑，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速小于启动风速，则延时一段时间t1后进入等风停机状态；当预测风速高于启动风，机组继续维持桨叶打开，若此期间未捕获到更多风能量则计时结束后，机组进入等风停机状态；
当机组处于停机状态时，使用预测风速参与控制逻辑，预测未来一定时间T内的风速，当预测风速大于偏航启动风速且低于启动风速时，预测未来一定时间内的风向，当预测风向与风机实际位置的偏差在预设范围内时，延时一段时间t2后、若实时监测的风速和风向仍满足条件，则机组进入自动无压偏航控制，直到机组跟踪到预测风向；若在延时t2期间，风速和风向中有任一条件不满足时，机组进入停机状态，无偏航动作。
2.如权利要求1所述的风力发电机组降耗的方法，其特征在于，还包括根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作，当机组处于停机状态时，当齿轮箱油泵油池温度大于加热停止温度阈值时，控齿轮箱油泵的制低速泵间歇运行。
3.如权利要求2所述的风力发电机组降耗的方法，其特征在于，所述根据机组运行工况控制齿轮箱油泵工作还包括：
当机组处于发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当泵入口压力大于第一压力阈值时，同时停止低速泵和高速泵，使得齿轮箱油泵停止运行；当泵入口压力小于第二压力阈值时，启动低速泵，同时根据油池温度和/或轴承温度参数判断是否启动高速泵；具体为：当油池温度大于第一启高速油温阈值或轴承温度大于第一启高速轴承温度阈值时，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；当油池温度小于第二启高速油温阈值且轴承温度小于第二启高速轴承温度阈值时，停止高速泵，使得齿轮箱油泵仅低速泵运行；
其中，第一压力阈值大于第二压力阈值，第一启高速油温阈值大于第二启高速油温阈值，第一启高速轴承温度阈值大于第二启高速轴承温度阈值；
当机组处于不发电状态下，比较泵入口压力与压力阈值，实现不同的控制功能，具体为：当油池温度小于加热启动温度阈值时，启动低速泵并停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行；当油池温度不小于加热启动温度阈值时，还判断油池温度是否大于加热停止温度阈值，且当油池温度大于加热停止温度阈值时，启动低速泵间歇运行，比如每20分钟运行5分钟；低速泵在运行过程中，若油池温度大于第一启高速油温阈值且持续一定时间阈值的情况下，启动高速泵，使得齿轮箱油泵的低速泵和高速泵同时运行；低速泵停止或油池温度小于第二启高速油温阈值的情况下，停止高速泵，使得齿轮箱油泵低速运行；
其中，加热启动温度阈值大于加热停止温度阈值。
4.如权利要求1所述的风力发电机组降耗的方法，其特征在于，所述延时t1和t2小于等于预测时间T。
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