CN112709669B - 基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备 - Google Patents

基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备 Download PDF

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Abstract

提供一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，在该变桨控制方法中，确定用于检测塔架净空的传感器的有效性，在传感器没有失效的情况下实时获取塔架净空，并基于塔架净空来进行变桨控制，当塔架净空小于净空安全阈值时，控制风力发电机组停机，当塔架净空不小于净空安全阈值时，控制风力发电机组执行基于附加变桨角度值的净空保护策略。在该净空保护策略中基于塔架净空动态调整每只叶片的附加变桨角度值以确定每只叶片的桨距角控制值，将桨距角控制值同时施加到每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作。在上述变桨控制方法和设备中，实现了基于塔架净空的闭环变桨控制策略，能够更加安全有效地提升塔架净空，降低叶片扫塔的风险。

Description

基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备
技术领域
本发明总体上涉及风力发电技术领域，更具体地讲，涉及一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备。
背景技术
塔架净空(叶片的尖端到塔架的距离)是风力发电机组开发中的关键设计指标，尤其是随着大叶轮、轻量化以及玻纤叶片的开发，叶片变得非常柔软，塔架净空面临着非常严峻的挑战。
现有解决净空的相关控制技术有雷达以及提前变桨方案，但是雷达成本高而且开发周期长，提前变桨方案对发电量造成的损失较大。
目前智能传感技术已经在净空监测中得到应用，通过对塔架净空的实时检测在有风险的情况下及时开启保护措施，在一定程度上提升净空，保障机组安全。现有的基于测量塔架净空的保护方案是根据当前叶片的塔架净空测量情况通过单叶片变桨控制对下一叶片实施保护，避免下一叶片出现“扫塔”风险。但是，单叶片变桨控制方案存在引起叶轮不平衡的风险，并且现有的单叶片变桨控制方案是开环的，没有形成基于塔架净空的闭环反馈保护。
发明内容
本发明的示例性实施例的目的在于提供一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，以克服上述至少一个缺点。
在一总体方面，提供一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法，风力发电机组包括至少两只叶片，包括：实时获取风力发电机组的塔架净空；基于实时获取的塔架净空，动态调整每只叶片的附加变桨角度值；根据每只叶片已有的桨距角给定值和附加变桨角度值，确定每只叶片的桨距角控制值；将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
可选地，基于实时获取的塔架净空，动态调整每只叶片的附加变桨角度值的步骤可包括：基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间；根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
可选地，根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤可包括：如果所确定的净空区间为第一净空区间，则触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机；如果所确定的净空区间为第二净空区间，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
可选地，如果所确定的净空区间为第二净空区间，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤可包括：在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
可选地，动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤可包括：在逐步增大附加变桨角度值的过程中或者在附加变桨角度值达到所述预设附加角度值之后，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间，则保持当前附加变桨角度值不变，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第四净空区间，则在第二预设时间内逐步减小所述当前附加变桨角度值，其中，第二预设时间的时间长度大于第一预设时间的时间长度。
可选地，动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤可包括：如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第四净空区间变化为第三净空区间，则持续减小附加变桨角度值，直到所述第二预设时间终止，如果在所述第二预设时间终止前，实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第二净空区间，则重新开始在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
可选地，第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间可通过以下方式被确定：将用于触发风力发电机组停机的净空安全阈值确定为第一阈值，将用于触发附加变桨保护的净空阈值确定为第二阈值，将用于触发附加变桨保护复位的净空阈值确定为第三阈值，其中，将零值作为第一净空区间的下限，将第一阈值作为第一净空区间的上限，将第一阈值作为第二净空区间的下限，将第二阈值作为第二净空区间的上限，将第二阈值作为第三净空区间的下限，将第三阈值作为第三净空区间的上限，将第三阈值作为第四净空区间的下限，第四净空区间的上限为塔架净空的理论最大值。
可选地，所述变桨控制方法可还包括：如果确定一次完整的附加桨角保护完成，则停止附加桨角保护功能，并启动计时，在计时期间，保持使能净空超限停机保护功能，在计时时间达到第三预设时间时，重新使能附加桨角保护功能，其中，当满足以下条件时可确定一次完整的附加桨角保护完成：附加变桨角度值从零开始增大，并在所述第二预设时间内减小至零。
可选地，在每个运算周期的叶片的桨距角控制值可为该运算周期已有的桨距角给定值与附加变桨角度值之和。
可选地，实时获取风力发电机组的塔架净空的步骤可包括：对用于检测风力发电机组的塔架净空的传感器进行失效检测，其中，通过检测传感器的心跳信号和算法准确标志位来确定传感器是否失效，如果确定传感器没有失效，则从传感器实时获取风力发电机组的塔架净空，如果确定传感器失效，则控制风力发电机组切换到已有的常规净空保护策略。
可选地，所述变桨控制方法可还包括：确定当前的叶轮方位角，其中，当叶轮方位角指示叶片处于测量净空有效方位角范围内时，获取风力发电机组的塔架净空。
在另一总体方面，提供一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备，风力发电机组包括至少两只叶片，包括：净空获取模块，实时获取风力发电机组的塔架净空；附加桨角调整模块，基于实时获取的塔架净空，动态调整每只叶片的附加变桨角度值；桨角控制值确定模块，根据每只叶片的桨距角给定值和附加变桨角度值，确定每只叶片已有的桨距角控制值；变桨控制模块，将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
可选地，附加桨角调整模块可包括：净空区间确定子模块，基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间；桨距角调整子模块，根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
可选地，如果所确定的净空区间为第一净空区间，则桨距角调整子模块触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机；如果所确定的净空区间为第二净空区间，则桨距角调整子模块触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
可选地，如果所确定的净空区间为第二净空区间，则桨距角调整子模块在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
可选地，在逐步增大附加变桨角度值的过程中或者在附加变桨角度值达到所述预设附加角度值之后，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间，则桨距角调整子模块保持当前附加变桨角度值不变，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第四净空区间，则桨距角调整子模块在第二预设时间内逐步减小所述当前附加变桨角度值，其中，第二预设时间的时间长度大于第一预设时间的时间长度。
可选地，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第四净空区间变化为第三净空区间，则桨距角调整子模块持续减小附加变桨角度值，直到所述第二预设时间终止，如果在所述第二预设时间终止前，实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第二净空区间，则桨距角调整子模块重新开始在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
可选地，净空区间确定子模块可通过以下方式确定第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间：将用于触发风力发电机组停机的净空安全阈值确定为第一阈值，将用于触发附加变桨保护的净空阈值确定为第二阈值，将用于触发附加变桨保护复位的净空阈值确定为第三阈值，其中，将零值作为第一净空区间的下限，将第一阈值作为第一净空区间的上限，将第一阈值作为第二净空区间的下限，将第二阈值作为第二净空区间的上限，将第二阈值作为第三净空区间的下限，将第三阈值作为第三净空区间的上限，将第三阈值作为第四净空区间的下限，第四净空区间的上限为塔架净空的理论最大值。
可选地，所述变桨控制设备可还包括：计时器，如果确定一次完整的附加桨角保护完成，则变桨控制模块停止附加桨角保护功能，计时器启动计时，在计时期间，保持使能净空超限停机保护功能，在计时时间达到预定时间时，计时器重新使能附加桨角保护功能，其中，当满足以下条件时确定一次完整的附加桨角保护完成：附加变桨角度值从零开始增大，并在所述第二预设时间内减小至零。
可选地，在每个运算周期的叶片的桨距角控制值可为该运算周期已有的桨距角给定值与附加变桨角度值之和。
可选地，所述变桨控制设备可还包括：失效检测模块，对用于检测风力发电机组的塔架净空的传感器进行失效检测，其中，通过检测传感器的心跳信号和算法准确标志位来确定传感器是否失效，其中，如果确定传感器没有失效，则净空获取模块可从传感器实时获取风力发电机组的塔架净空，如果确定传感器失效，则变桨控制模块可控制风力发电机组切换到已有的常规净空保护策略。
可选地，所述变桨控制设备可还包括：方位角确定模块，确定当前的叶轮方位角，其中，当叶轮方位角指示叶片处于测量净空有效方位角范围内时，净空获取模块获取风力发电机组的塔架净空。
在另一总体方面，提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
在另一总体方面，提供一种风力发电机组的控制器，包括：处理器；输入\输出接口；存储器，用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现上述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
在另一总体方面，提供一种风力发电机组的控制***，包括：传感器，实时检测风力发电机组的塔架净空；控制器，从传感器实时获取风力发电机组的塔架净空，以实现上述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
在本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备中，通过采用基于塔架净空的闭环变桨控制策略，能够更加安全有效地提升塔架净空，降低叶片扫塔的风险，并且避免了现有技术中基于测量净空信号执行单叶片变桨保护的不平衡问题。
附图说明
图1示出根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法的流程图；
图2示出根据本发明示例性实施例的塔架净空监测***的示意图；
图3A至图3C示出根据本发明示例性实施例的测量叶轮方位角的示意图；
图4示出根据本发明示例性实施例的动态调整每只叶片的附加变桨角度值的步骤的流程图；
图5A至图5D示出根据本发明示例性实施例的在极端风剪切工况下上述变桨控制方法的控制效果示意图；
图6A至图6E示出根据本发明示例性实施例的在正常发电工况下上述变桨控制方法的控制效果示意图；
图7示出根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备的框图；
图8示出根据本发明示例性实施例的附加桨角调整模块的框图；
图9示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制器的框图；
图10示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制***的框图。
具体实施方式
现在，将参照附图更充分地描述不同的示例实施例，一些示例性实施例在附图中示出。
图1示出根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法的流程图。
参照图1，在步骤S10中，实时获取风力发电机组的塔架净空。该风力发电机组包括至少两只叶片，优选地，该风力发电机组可包括三只叶片。
这里，应理解，塔架净空(tower clearance)指叶轮在旋转过程中叶尖到塔筒表面的距离，在IEC标准中定义了对于塔架净空的约束条件：
(LS-PCT)*γM*γf＜LS (1)
公式(1)中，LS为静态塔架净空，γM为材料安全系数，γf为载荷安全系数，PCT为动态净空的要求值。
这里，可利用现有的各种检测装置来实时检测风力发电机组的塔架净空，以从检测装置来实时获取风力发电机组的塔架净空。
例如，各种检测装置可包括用于测量塔架净空的传感器。在一优选实施例中，在执行步骤S10之前，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法可还包括：对传感器进行失效检测。
优选地，可通过检测传感器的可用状态来确定传感器是否失效，作为示例，传感器的可用状态可基于传感器的心跳信号以及传感器的算法准确标志位来被确定，但本发明不限于，还可以通过其他方式来确定传感器的可用状态。
当确定传感器当前处于可用状态(传感器的心跳信号以及传感器的算法准确标志位均满足要求)时，认为传感器未失效，此时可以从传感器获取风力发电机组的塔架净空。
当确定传感器当前处于不可用状态(传感器的心跳信号和传感器的算法准确标志位中的任一项不满足要求)时，认为传感器失效，此时传感器检测到的数据不可用，立即控制风力发电机组切换到其他净空保护策略(如执行已有的常规净空保护策略)，并报出传感器故障信号，以便于及时维修。
在一优选实施例中，在对传感器进行失效检测之前，可还确定本发明示例性实施例的基于塔架净空的变桨控制功能是否使能，当上述变桨控制功能处于使能状态时，对传感器进行失效检测，当上述变桨控制功能没有处于使能状态时，继续判断基于塔架净空的变桨控制功能是否使能。作为示例，可以通过检测用于指示塔架净空的变桨控制功能的使能标志位来确定变桨控制功能是否使能。
下面参照图2来介绍检测风力发电机组的塔架净空的一种方式，应理解，图2所示的检测塔架净空的方式仅为一示例，本发明不限于此，还可以通过其他方式来检测塔架净空。
图2示出根据本发明示例性实施例的塔架净空监测***的示意图。
图2示出的是用于检测风力发电机组的塔架净空的塔架净空监测***的安装示意图，如图2所示，101为塔架净空监测***的采集装置，优选地可以选择将该采集装置布置于机舱底部，当叶片旋转至最低点时，该采集装置实时检测并计算塔架净空。102为方位角传感器，用于检测叶轮方位角，103为风力发电机组的控制***，从采集装置101实时获取塔架净空，从方位角传感器实时获取叶轮方位角，以实施变桨控制。
作为示例，可选择重量轻、精度高(优选地，可为0.1m以内)、可靠性高、环境适应性强、采样频率高的设备来作为塔架净空监测***的采集装置。
以图2所示为例，可以在机舱外壳底部上处于塔架与轮毂之间的区域内设置采集装置101，以在叶片旋转至测量净空有效方位角范围内(即，叶片接近于垂直向下)时，采集装置101能够检测到塔架净空。例如，该采集装置可获取包含叶片和塔架的图像，并通过对图像进行分析来确定塔架净空。
可以通过调整采集装置101与风力发电机组的叶片、塔架之间的相对位置关系，使得叶片位于测量净空有效方位角范围内时，采集装置101能够检测到塔架净空。
这里，上述测量净空有效方位角范围可以是预定的角度范围。例如，该测量净空有效方位角范围可指当叶片的尖端垂直于地面时所处的叶轮方位角附近的预定角度范围，换句话说，是指以塔架为对称线和半径且中心角为预定角度的扇形。
在一优选实施例中，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法可还包括：确定当前的叶轮方位角。当叶轮方位角指示叶片处于测量净空有效方位角范围内时，执行步骤S10获取风力发电机组的塔架净空。
图3A至图3C示出根据本发明示例性实施例的测量叶轮方位角的示意图。
如图3A至图3C所示，以风力发电机组包括三只叶片为例，假设风力发电机组的叶片1、叶片2、叶片3沿顺时针方向旋转，叶轮方位角ψ(rotor azimuth)记录了叶轮的位置，叶片1垂直向上时，叶轮方位角为0度(ψ＝0deg)，叶片1在最下方时，ψ＝180deg。
作为示例，在本发明示例性实施例中，可定义测量净空有效方位角范围分别是
Figure BDA0002247869130000081
[PI-δ，PI+δ]，
Figure BDA0002247869130000082
这里，PI＝180deg，δ为输出有效测量净空的角度范围。不同的塔架净空检测手段可以具有不同的测量净空有效方位角范围。
返回图1，在步骤S20中，基于实时获取的塔架净空，动态调整每只叶片的附加变桨角度值。
在一优选实施例中，可预先建立多个净空区间与多种附加变桨角调整方式的对应关系，在此情况下，可确定实时获取的塔架净空所对应的净空区间，并基于与塔架净空所对应的净空区间对应的附加变桨角调整方式来动态调整每只叶片的附加变桨角度值。
下面参照图4来介绍动态调整每只叶片的附加变桨角度值的步骤。
图4示出根据本发明示例性实施例的动态调整每只叶片的附加变桨角度值的步骤的流程图。应理解，图4所示的动态调整每只叶片的附加变桨角度值的方式仅为示例，本发明不限于此，还可以通过其他方式来基于塔架净空动态调整每只叶片的附加变桨角度值。
参照图4，在步骤S201中，基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间。
例如，当获取到风力发电机组的塔架净空之后，可确定获取到的塔架净空属于预先设置的净空区间中的哪一净空区间。
在步骤S202中，根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
例如，如果所确定的净空区间为第一净空区间(即，塔架净空小于净空安全阈值)，则触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机；如果所确定的净空区间为第二净空区间(即，塔架净空不小于净空安全阈值)，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
作为示例，当实时获取的塔架净空所对应的净空区间为第一净空区间时，表明风力发电机组当前存在较大的“扫塔”风险，此时可控制风力发电机组停机，例如，可控制风力发电机组执行快速停机。
也就是说，当实时获取的塔架净空处于第一净空区间时，通过控制风力发电机组停机来实现净空保护，当实时获取的塔架净空处于第二净空区间时，通过调整附加桨距角度值来实现净空保护。
在本发明示例性实施例中，在触发附加桨角保护功能之后，通过在原有桨距角给定值基础上，调整附加变桨角度值来减少风力发电机组吸收风能的能力，使塔架净空增大。同时，对塔架净空进行实时监测，基于实时获取的塔架净空的变化来进一步动态调整附加变桨角度值，确保塔架净空处于安全范围，从而形成了基于塔架净空的闭环变桨控制策略。
下面介绍在触发附加桨角保护功能之后，动态调整每只叶片的附加桨距角度值的具体过程。
例如，当实时获取的塔架净空所对应的净空区间为第二净空区间时，表明风力发电机组的塔架净空较小，需要通过变桨控制方式对塔架净空进行干预。因此，可在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
作为示例，逐步增大附加变桨角度值的过程可指在每个运算周期内增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。上述逐步增大附加变桨角度值的方式可使附加桨距角在较短时间内增大到预设附加角度值。这里，该预设附加角度值可指能够使得叶片处于安全净空范围的附加变桨角度值，作为示例，预设附加角度值可根据基于当前风况确定的对净空的提升需求以及变桨执行机构的响应能力来确定。
在一优选实施例中，可以使得附加变桨角度值在每个运算周期内匀速增加，例如，以预设附加角度值为2度为例，可使附加变桨角度值在1秒内匀速增大2度。
在逐步增大附加变桨角度值的过程中或者在附加变桨角度值达到预设附加角度值之后，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间，则保持当前附加变桨角度值不变。此时表明通过上述调整附加桨距角，塔架净空已经处于一个安全的净空范围。
这里可指保持上一运算周期的附加变桨角度值不变，也就是说，保持塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间时的附加变桨角度值不变。
可以理解的是，当附加桨距角不变的情况下，净空的变化很大程度上取决于当前的风速变化。如果风速逐步变小，则塔架净空有可能会进一增大，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第四净空区间，表明塔架净空过大，此时会造成发电量不必要的损失，因此，需要减小附加桨距角度值，使得净空逐渐减小，同时增加风力发电机组吸收风能的能力。具体地，可以在第二预设时间内逐步减小当前附加变桨角度值。作为示例，为了在减小桨距角的过程中使风力发电机组吸收风能带来的载荷不会增加过快，本发明实施例将第二预设时间的时间长度设置的大于第一预设时间的时间长度，使得附加桨距角度值逐步减小。
作为示例，逐步减小附加变桨角度值的过程可指在每个运算周期内减小附加变桨角度值。在一优选实施例中，可以使得附加变桨角度值在每个运算周期内匀速减小。如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第四净空区间变化为第三净空区间，则持续减小附加变桨角度值，直到第二预设时间终止。
如果在第二预设时间终止前，实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第二净空区间，则重新开始在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
应理解，在本发明示例性实施例中，在实时获取的塔架净空处于第二净空区间时触发附加桨角保护功能，如果在触发附加桨角保护功能之前，确定实时获取的塔架净空处于第三净空区间或者处于第四净空区间，由于不存在附加变桨角度值，则可无需进行额外干预，此时可以控制风力发电机组执行常规的控制策略。
在本发明示例性实施例中，设置了用于净空保护的三个阈值。例如，可将用于触发风力发电机组停机的净空安全阈值确定为第一阈值，将用于触发附加变桨保护的净空阈值确定为第二阈值，将用于触发附加变桨保护复位的净空阈值确定为第三阈值。这里，第三阈值大于第二阈值，第二阈值大于第一阈值，可以通过实验方式或者根据经验来确定上述三个阈值的取值大小。
基于上述所设置的三个阈值可获得第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间四个净空区间。
例如，可将零值作为第一净空区间的下限，将第一阈值作为第一净空区间的上限，第一净空区间为半闭半开区间。将第一阈值作为第二净空区间的下限，将第二阈值作为第二净空区间的上限，第二净空区间为半闭半开区间。将第二阈值作为第三净空区间的下限，将第三阈值作为第三净空区间的上限，第三净空区间为半闭半开区间。将第三阈值作为第四净空区间的下限，第四净空区间为半闭半开区间。这里，第四净空区间的上限可指根据风力发电机组实际运行状况所确定的塔架净空的理论最大值。
返回图1，在步骤S30中，根据每只叶片已有的桨距角给定值和附加变桨角度值，确定每只叶片的桨距角控制值。
例如，在每个运算周期的叶片的桨距角控制值可为该运算周期已有的桨距角给定值与附加变桨角度值之和。作为示例，桨距角给定值可指为在常规变桨策略下的常规变桨角度给定值。也就是说，本发明示例性实施例的附加桨角保护功能是在常规变桨策略的基础上，附加一变桨角度值，以用于调节塔架净空。
例如，针对逐步增大附加变桨角度值的情况，可使该附加变桨角度值从零逐步增大到预设附加角度值，针对逐步减小附加变桨角度值的情况，可使附加变桨角度值逐步减小到零。
在步骤S40中，基于所确定的桨距角控制值来控制叶片执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
优选地，将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作，这样可以有效避免现有的单叶片变桨控制方案中存在的叶轮不平衡的风险。
优选地，在本发明示例性实施例中，还可以具备避免附加变桨角度值频繁触发的保护功能。
为了避免基于塔架净空的变桨控制功能频繁触发导致附加变桨角度值的增大和减小动作切换的过于频繁，带来变桨疲劳的增大，在本发明示例性实施例中，当一次完整的附加桨角保护完成以后，可以在预定时间之内不再触发附加桨角保护功能。
例如，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法可还包括：如果确定一次完整的附加桨角保护完成，则停止执行附加桨角保护功能，以避免该功能被频繁触发，并启动计时，在计时期间，保持使能净空超限停机保护功能，以保证风力发电机组运行安全，在计时时间达到预设时间时，重新使能附加桨角保护功能。
这里，当满足以下条件时可确定一次完整的附加桨角保护完成：附加变桨角度值从零开始增大，并在第二预设时间内减小至零。
图5A至图5D示出根据本发明示例性实施例的在极端风剪切工况下上述变桨控制方法的控制效果示意图。
图5A至图5D示出的是基于IEC标准DLC1.5工况的仿真结果，其中，图5A示出了极端垂直风剪切来临时，叶轮面的风速变化，横坐标为时间，纵坐标为风速值，叶轮面顶部(虚线)和叶轮面底部(实线)的风速差异导致塔架净空快速变小。
如图5B所示，横坐标为时间，实线表示实时获取的塔架净空所处的净空区间，虚线表示附加变桨角度值的实时变化，虚点线表示附加桨角保护功能的使能标志位的变化，当该使能标志位为1时，表示附加桨角保护功能处于使能状态，当该使能标志位为0时，表示附加桨角保护功能没有处于使能状态。
以图5B所示为例，当极端垂直风剪切来临时，如果塔架净空下降到净空区间2，则逐步增大附加变桨角度值，以使塔架净空逐渐提升，当塔架净空上升至净空区间4时，再逐步减小附加变桨角度值，在逐步减小附加变桨角度值的过程中，如果塔架净空再次下降到净空区间2，说明此时恶劣风况还未过去，因此需再次逐步增大附加变桨角度值，直至恶劣风况过去，塔架净空处于安全状态。当一次完整的净空保护控制周期完成之后，使能标志位变为低电平，在预定时间内，附加桨角保护功能不允许再次触发。
如图5C所示，横坐标为时间，纵坐标为桨距角值，从图5C所示可以看出，开启附加桨角保护功能(虚线)时叶片的桨距角值相对于未开启附加桨角保护功能(实线)时叶片的桨距角值得到了增大。
如图5D所示，横坐标为时间，纵坐标为最小净空值，从图5D所示可以看出，开启附加桨角保护功能(虚线)时的最小净空值相对于未开启附加桨角保护功能(实线)时的最小净空值有了显著提升。
图6A至图6E示出根据本发明示例性实施例的在正常发电工况下上述变桨控制方法的控制效果示意图。
图6A至图6E示出的是基于IEC标准DLC1.2工况的仿真结果，在正常发电工况下与上述在极端风剪切工况下具有相同的触发机制，基于本发明示例性实施例的变桨控制方法也可以在一定程度上提升净空。
图6A示出的是正常湍流的风速变化曲线，横坐标为时间，纵坐标为风速值。如图6B所示，横坐标为时间，实线表示实时获取的塔架净空所处的净空区间，虚线表示附加变桨角度值的实时变化，虚点线表示附加桨角保护功能的使能标志位的变化。
如图6C所示，横坐标为时间，纵坐标为桨距角值，从图6C所示可以看出，开启附加桨角保护功能(虚线)时叶片的桨距角值相对于未开启附加桨角保护功能(实线)时叶片的桨距角值得到了一定增大。
如图6D所示，横坐标为时间，纵坐标为最小净空值，从图6D所示可以看出，开启附加桨角保护功能(虚线)时的最小净空值相对于未开启附加桨角保护功能(实线)时的最小净空值有了提升。
如图6E所示，横坐标为时间，纵坐标为上网功率，从图6E所示可以看出，在正常发电工况下触发附加桨角保护功能，可能会导致发电量有微小损失。
图7示出根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备的框图。
如图7所示，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备100包括：净空获取模块101、附加桨角调整模块102、桨角控制值确定模块103和变桨控制模块104。该风力发电机组包括至少两只叶片，优选地，该风力发电机组可包括三只叶片。
具体说来，净空获取模块101实时获取风力发电机组的塔架净空。
优选地，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备可还包括：方位角确定模块(图中未示出)，确定当前的叶轮方位角。当叶轮方位角指示叶片处于测量净空有效方位角范围内时，净空获取模块获取风力发电机组的塔架净空。
这里，可利用现有的各种检测装置来实时检测风力发电机组的塔架净空，净空获取模块101从检测装置来实时获取风力发电机组的塔架净空。
例如，各种检测装置可包括用于测量塔架净空的传感器。在一优选实施例中，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备可还包括：失效检测模块(图中未示出)，对传感器进行失效检测。
作为示例，失效检测模块可通过检测传感器的可用状态来对确定传感器是否失效。优选地，传感器的可用状态可基于传感器的心跳信号以及传感器的算法准确标志位来被确定。
当失效检测模块确定传感器当前处于可用状态时，认为传感器未失效，此时净空获取模块101可以从传感器获取风力发电机组的塔架净空。
当失效检测模块确定传感器当前处于不可用状态时，认为传感器失效，此时传感器检测到的数据不可用，变桨控制模块立即控制风力发电机组切换到其他净空保护策略，并报出传感器故障信号，以便于对失效传感器及时进行维修。
在一优选实施例中，失效检测模块可还确定本发明示例性实施例的基于塔架净空的变桨控制功能是否使能，当上述变桨控制功能处于使能状态时，失效检测模块对传感器进行失效检测，当上述变桨控制功能没有处于使能状态时，失效检测模块继续判断基于塔架净空的变桨控制功能是否使能。作为示例，失效检测模块可以通过检测用于指示塔架净空的变桨控制功能的使能标志位来确定变桨控制功能是否使能。
附加桨角调整模块102基于实时获取的塔架净空，动态调整每只叶片的附加变桨角度值。
在一优选实施例中，附加桨角调整模块102可确定实时获取的塔架净空所对应的净空区间，并基于与塔架净空所对应的净空区间对应的附加变桨角调整方式来动态调整每只叶片的附加变桨角度值。
下面参照图8来介绍动态调整每只叶片的附加变桨角度值的具体过程。
图8示出根据本发明示例性实施例的附加桨角调整模块102的框图。
如图8所示，根据本发明示例性实施例的附加桨角调整模块102可包括：净空区间确定子模块210和桨距角调整子模块220。
净空区间确定子模块210基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间。
桨距角调整子模块220根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
例如，如果所确定的净空区间为第一净空区间，则桨距角调整子模块220触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机。如果所确定的净空区间为第二净空区间，则桨距角调整子模块220触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值。
如果所确定的净空区间为第二净空区间，则桨距角调整子模块220在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
在逐步增大附加变桨角度值的过程中或者在附加变桨角度值达到所述预设附加角度值之后，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间，则桨距角调整子模块220保持当前附加变桨角度值不变。
如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第四净空区间，则桨距角调整子模块220在第二预设时间内逐步减小当前附加变桨角度值。这里，第二预设时间的时间长度大于第一预设时间的时间长度。
如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第四净空区间变化为第三净空区间，则桨距角调整子模块220持续减小附加变桨角度值，直到第二预设时间终止。
如果在第二预设时间终止前，实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第二净空区间，则桨距角调整子模块220重新开始在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
在本发明示例性实施例中，设置了用于净空保护的三个阈值。例如，净空区间确定子模块210可将用于触发风力发电机组停机的净空安全阈值确定为第一阈值，将用于触发附加变桨保护的净空阈值确定为第二阈值，将用于触发附加变桨保护复位的净空阈值确定为第三阈值。这里，第三阈值大于第二阈值，第二阈值大于第一阈值。
净空区间确定子模块210基于上述所设置的三个阈值可获得第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间四个净空区间。
例如，净空区间确定子模块210可通过以下方式确定第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间：将零值作为第一净空区间的下限，将第一阈值作为第一净空区间的上限，第一净空区间为半闭半开区间。将第一阈值作为第二净空区间的下限，将第二阈值作为第二净空区间的上限，第二净空区间为半闭半开区间。将第二阈值作为第三净空区间的下限，将第三阈值作为第三净空区间的上限，第三净空区间为半闭半开区间。将第三阈值作为第四净空区间的下限，第四净空区间的上限为塔架净空的理论最大值，第四净空区间为半闭半开区间。
桨角控制值确定模块103根据每只叶片已有的桨距角给定值和所确定的附加变桨角度值，确定每只叶片的桨距角控制值。
在本发明示例性实施例中，叶片的桨距角给定值可为在常规变桨策略下的常规变桨角度给定值。作为示例，可以根据测量得到的各叶片的桨距角值和发动机转速来确定桨距角给定值。但本发明不限于此，也可以直接从常规变桨策略中获取对应的常规变桨角度给定值。
在每个运算周期的叶片的桨距角控制值可为该运算周期的常规变桨角度给定值与附加变桨角度值之和。例如，针对逐步增大附加变桨角度值的情况，可使从零逐步增大到预设附加角度值，针对逐步减小附加变桨角度值的情况，可使附加变桨角度值逐步减小到零。
变桨控制模块104基于所确定的桨距角控制值来控制叶片执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
优选地，变桨控制模块104将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作。
优选地，还可以针对附加变桨角度值设置避免频繁触发的保护功能。在此情况下，根据本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备可还包括：计时器(图中未示出)。
例如，如果确定一次完整的附加桨角保护完成，则变桨控制模块104停止执行附加桨角保护功能，计时器启动计时，在计时期间，保持使能净空超限停机保护功能，当计时时间达到预定时间时，重新使能附加桨角保护功能。作为示例，当满足以下条件时可确定一次完整的附加桨角保护完成：附加变桨角度值从零开始增大，并在第二预设时间内减小至零。
图9示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制器的框图。
如图9所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制器200包括：处理器201、输入\输出接口202和存储器203。
具体说来，存储器203用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器201执行时实现上述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。该输入\输出接口202用于连接各种输入\输出设备。
作为示例，风力发电机组的控制器200可以是部署在风力发电机组内的主控制器或者是与主控制器进行交互的子控制器。
这里，图1所示的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法可在图9所示的处理器201中执行。也就是说，图7所示的各模块可由数字信号处理器、现场可编程门阵列等通用硬件处理器来实现，也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现，还可完全通过计算机程序来以软件方式实现，例如，可被实现为图9中所示的处理器201中的各个模块。
图10示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制***的框图。
如图10所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的控制***300包括：传感器301和控制器302。
传感器301用于实时检测风力发电机组的塔架净空。这里，传感器301可为现有的各种能够用于检测风力发电机组的塔架净空的装置，例如，传感器301可包括但不限于测距传感器(如多线激光测距仪)。
控制器302从传感器301实时获取风力发电机组的塔架净空，以执行上述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
也就是说，在控制器302中执行图1所示的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法，本发明对此部分的内容不再赘述。
根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行上述基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机***读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
采用本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，可以针对风力发电机组的所有叶片同时附加变桨角度，减小了叶轮不平衡的风险。
此外，采用本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，实现了基于实时测量的塔架净空的闭环反馈控制，能够更加安全有效地提升塔架净空。
此外，采用本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，还能够在解决塔架净空安全问题的前提下，减小发电量损失。
此外，采用本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备，算法开发周期短，计算成本较低。
综上，采用本发明示例性实施例的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法和设备可以解决轻柔叶片的净空问题，有效降低叶片成本。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (13)

1.一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法，所述风力发电机组包括至少两只叶片，其特征在于，包括：
实时获取风力发电机组的塔架净空；
基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间，根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加变桨角度值，其中，如果所确定的净空区间为第一净空区间，则触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机；如果所确定的净空区间为第二净空区间，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值；
根据每只叶片已有的桨距角给定值和附加变桨角度值，确定每只叶片的桨距角控制值；
将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
2.如权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，如果所确定的净空区间为第二净空区间，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤包括：
在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
3.如权利要求2所述的变桨控制方法，其特征在于，动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤包括：
在逐步增大附加变桨角度值的过程中或者在附加变桨角度值达到所述预设附加角度值之后，如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第二净空区间变化为第三净空区间，则保持当前附加变桨角度值不变，
如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第四净空区间，则在第二预设时间内逐步减小所述当前附加变桨角度值，
其中，第二预设时间的时间长度大于第一预设时间的时间长度。
4.如权利要求3所述的变桨控制方法，其特征在于，动态调整每只叶片的附加桨距角度值的步骤包括：
如果实时获取的塔架净空对应的净空区间由第四净空区间变化为第三净空区间，则持续减小附加变桨角度值，直到所述第二预设时间终止，
如果在所述第二预设时间终止前，实时获取的塔架净空对应的净空区间由第三净空区间变化为第二净空区间，则重新开始在第一预设时间内逐步增大附加变桨角度值，并达到预设附加角度值。
5.如权利要求3所述的变桨控制方法，其特征在于，第一净空区间、第二净空区间、第三净空区间和第四净空区间通过以下方式被确定：
将用于触发风力发电机组停机的净空安全阈值确定为第一阈值，将用于触发附加变桨保护的净空阈值确定为第二阈值，将用于触发附加变桨保护复位的净空阈值确定为第三阈值，
其中，将零值作为第一净空区间的下限，将第一阈值作为第一净空区间的上限，
将第一阈值作为第二净空区间的下限，将第二阈值作为第二净空区间的上限，
将第二阈值作为第三净空区间的下限，将第三阈值作为第三净空区间的上限，
将第三阈值作为第四净空区间的下限，第四净空区间的上限为塔架净空的理论最大值。
6.如权利要求3所述的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨控制方法还包括：
如果确定一次完整的附加桨角保护完成，则停止附加桨角保护功能，并启动计时，
在计时期间，保持使能净空超限停机保护功能，在计时时间达到第三预设时间时，重新使能附加桨角保护功能，
其中，当满足以下条件时确定一次完整的附加桨角保护完成：附加变桨角度值从零开始增大，并在所述第二预设时间内减小至零。
7.如权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，在每个运算周期的叶片的桨距角控制值为该运算周期已有的桨距角给定值与附加变桨角度值之和。
8.如权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，实时获取风力发电机组的塔架净空的步骤包括：
对用于检测风力发电机组的塔架净空的传感器进行失效检测，其中，通过检测传感器的心跳信号和算法准确标志位来确定传感器是否失效，
如果确定传感器没有失效，则从传感器实时获取风力发电机组的塔架净空，
如果确定传感器失效，则控制风力发电机组切换到已有的常规净空保护策略。
9.如权利要求1所述的变桨控制方法，其特征在于，所述变桨控制方法还包括：确定当前的叶轮方位角，
其中，当叶轮方位角指示叶片处于测量净空有效方位角范围内时，获取风力发电机组的塔架净空。
10.一种基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制设备，所述风力发电机组包括至少两只叶片，其特征在于，包括：
净空获取模块，实时获取风力发电机组的塔架净空；
附加桨角调整模块，基于实时获取的塔架净空确定相应的净空区间，根据所确定的净空区间动态调整每只叶片的附加变桨角度值，其中，如果所确定的净空区间为第一净空区间，则触发净空超限停机保护功能，并控制风力发电机组停机；如果所确定的净空区间为第二净空区间，则触发附加桨角保护功能，并动态调整每只叶片的附加桨距角度值；
桨角控制值确定模块，根据每只叶片已有的桨距角给定值和附加变桨角度值，确定每只叶片的桨距角控制值；
变桨控制模块，将所确定的桨距角控制值同时施加到风力发电机组的每只叶片，以控制所有叶片同时执行变桨动作，以调整风力发电机组的塔架净空。
11.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1至9中的任意一项所述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
12.一种风力发电机组的控制器，其特征在于，包括：
处理器；
输入\输出接口；
存储器，用于存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时实现如权利要求1至9中任意一项所述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
13.一种风力发电机组的控制***，其特征在于，包括：
传感器，实时检测风力发电机组的塔架净空；
控制器，从传感器实时获取风力发电机组的塔架净空，以实现如权利要求1至9中任意一项所述的基于风力发电机组的塔架净空的变桨控制方法。
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