CN113217281A - 风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质 - Google Patents

风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质。该控制方法包括：确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速；根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。从而，通过对桨叶扭角的调节，风力发电***中可以不设变流器，从而，一方面可以避免因变流器故障导致风力发电***整机停机，造成大量发电量的损失的情形，提高电力***的电力惯量稳定性；另一方面可以减弱对电网高低电压穿越状态变化的敏感度。

Description

风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质。
背景技术
当前主流风力发电***可分为全功率与双馈两种类型。全功率类型的风力发电***包括全功率风力发电机，全功率风力发电机的定子与电网间连接了一个变流器，该变流器用于将发电机输出的电能经过整流、逆变后转变成与电网电压、频率相同的电能，输入电网。双馈类型的风力发电***包括双馈风力发电机，双馈风力发电机的转子与电网间连接了一个变流器，该变流器用于改变转子中的励磁电流的频率，使得在双馈风力发电机的定子上发出与电网电压、频率相同的电能，输入电网。
可见，现有技术中，无论是全功率类型的风力发电***，还是双馈类型的风力发电***，均需要变流器将风力发电机输出的电能变成与电网电压、频率相同的电能，才能实现风力发电***与电网的并网，而变流器因故失效会导致风力发电***整机停机，造成大量发电量的损失。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的风力发电***需要变流器才能实现并网，否则无法实现并网的缺陷，提供一种风力发电***及其控制方法、装置、电子设备、存储介质。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种风力发电***的控制方法，所述风力发电***包括：发电机和叶轮，所述发电机用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
所述控制方法包括：
确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速；
根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
可选地，确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速，包括：
确定所述发电机的齿轮箱变比以及磁极对数；
根据所述齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于所述目标电能参数的目标转速。
可选地，根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角，包括：
确定转速相关信息，所述转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、所述桨叶的尺寸信息和所述风力发电***的用电需求信息；
根据所述转速相关信息和所述目标转速确定所述目标扭角。
一种风力发电***的控制装置，所述风力发电***包括：发电机和叶轮，所述发电机用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
所述控制装置包括：
计算模块，用于确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述电能参数的所述叶轮的目标转速，以及根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
驱动模块，用于驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
一种风力发电***，包括：
叶轮；
发电机，用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
控制器，用于确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速，以及根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
桨叶驱动器，用于驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
可选地，在确定所述目标转速时，所述控制器用于：
确定所述发电机的齿轮箱变比以及磁极对数；
根据所述齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于所述目标电能参数的目标转速。
可选地，在确定所述目标扭角时，所述控制器用于：
确定转速相关信息，所述转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、所述桨叶的尺寸信息和所述风力发电***的用电需求信息；
根据所述转速相关信息和所述目标转速确定所述目标扭角。
可选地，所述风力发电***还包括：并网装置；
所述发电机通过所述并网装置接入电网。
可选地，所述所述风力发电***还包括：
无功补偿装置，并联于所述发电机与电网之间的电路上，所述无功补偿装置用于在所述叶轮的实际转速大于所述叶轮的额定转速的情况下，补偿所述发电机产生的无功功率。
可选地，所述发电机为鼠笼发电机。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的风力发电***的控制方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任一项所述的风力发电***的控制方法的步骤。
本发明的积极进步效果在于：
本发明实施例中，根据发电机输出预期电能的目标电能参数调节桨叶的扭角，实现风力发电***的发电机直接输出与预期的目标电能参数相匹配的电能，从而风力发电***中无需设置变流器，一方面可以避免因变流器故障导致风力发电***整机停机，造成大量发电量的损失的情形，提高电力***的电力惯量稳定性；另一方面可以减弱对电网高低电压穿越状态变化的敏感度。
附图说明
图1a为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的结构示意图；
图1b为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的部分模块示意图；
图2为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的控制方法的流程图；
图3为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的控制装置的模块示意图；
图4是本发明一示例实施例示出的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
图1a为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的结构示意图，图1b为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的部分模块示意图，参见图1a和图1b，该风力发电***包括叶轮11、发电机12、控制器13和桨叶驱动器14，叶轮11包括风轮111和桨叶112，桨叶112在风力的带动下旋转，以使风轮111将风能转化为动能。该叶轮11与发电机12连接，发电机12用于将叶轮产生的动能转换成电能并输出至电网15。控制器13分别与发电机12和桨叶驱动器14连接，控制器13用于确定发电机12输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于目标电能参数的叶轮11的目标转速，以及根据目标转速确定叶轮11的桨叶112的目标扭角(桨叶角)，进而控制桨叶驱动器14驱动桨叶112达到目标扭角，以使桨叶112以目标扭角在风力的带动下旋转。可以理解地，桨叶112以目标扭角旋转，可以使得发电机输出的电能的电能参数匹配于目标电能参数。
其中，预期电能的目标电能参数也即用户希望发电机12输出的电能的目标电能参数，目标电能参数包括电流的幅值和/或频率。
预期电能的目标电能参数可以根据负载所需的电能参数确定，举例来说，若风力发电***的负载所需的电流频率为50Hz，则确定目标电能参数包括：电流频率50Hz。若桨叶112以基于电流频率50Hz而确定的目标扭角旋转，此时发电机12输出的电流的频率为50Hz左右，符合为负载供电的要求，发电机12输出的电流可以直接为负载供电，而无需经过变流器的整流、逆变。
预期电能的目标电能参数可以根据电网15的电能参数确定，举例来说，电网15的电流频率为50Hz，则确定目标电能参数包括：电流频率50Hz。若桨叶112以基于电流频率50Hz而确定的目标扭角旋转，此时发电机12输出的电流的频率为50Hz左右，符合电网的并网要求，发电机12输出的电流可以直接输入电网，而无需经过变流器的整流、逆变。
也就是说，本公开实施例中，风力发电***中可以不设变流器，从而，一方面可以避免因变流器故障导致风力发电***整机停机，造成大量发电量的损失的情形，提高电力***的电力惯量稳定性；另一方面可以减弱对电网高低电压穿越状态变化的敏感度。
需要说明的是，发电机输出的电能的电能参数匹配于目标电能参数，并不意味着各个电能参数与对应的目标电能参数完全相同，实际运行过程中，可以存在误差，只要确保各个电能参数与对应的目标电能参数之差在误差允许范围内即可，误差允许范围可根据实际需求自行设置。例如，经过调节桨叶的目标扭角，发电机实际输出的电流的频率与目标电能参数所含的电流频率之差很小，差值在误差允许范围内，确定发电机输出的电能的电能参数匹配于目标电能参数。
在一个实施例中，在确定目标转速时，控制器先确定发电机的齿轮箱变比以及磁极对数，再根据齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于目标电能参数的目标转速。以目标电能参数包括电流频率为例，电流频率与叶轮的目标转速可以通过以下公式表征：
Figure BDA0003060883150000061
其中，n表示叶轮的目标转速(单位：RPM)，f表示电流频率(目标电能参数)，p表示磁极对数，L表示齿轮箱变比。
在f、p和L已知的情况下，根据上述公式，即可求出对应于目标电能参数f的叶轮的目标转速n。举例来说，我国电网的电流频率为50Hz，若设置f＝50Hz，又已知p＝3，L＝1的情况下，根据上述公式可以求得对应的目标转速n＝1000r/min。
在一个实施例中，在确定目标扭角时，控制器先确定转速相关信息，再根据转速相关信息和目标转速确定目标扭角。其中，转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、桨叶的尺寸信息和风力发电***的用电需求信息。环境信息包含风速、环境湿度等。
可以理解地，叶轮实际运行过程中，桨叶的尺寸信息一般是固定不变的，影响目标扭角的参数信息为环境信息和用电需求信息。
在一个实施例中，在确定目标扭角时，可以基于反馈控制法实现，举例来说，其他转速相关信息不变的情况下，若当前风速增加，叶轮的实际转速(也即风轮的实际转速)高于计算得到的目标转速，则相应减小目标扭角，通过控制桨叶驱动器将桨叶略微收起；若当前风速减小，叶轮的实际转速低于计算得到的目标转速，则相应增加目标扭角，通过控制桨叶驱动器将桨叶略微打开。
在一个实施例中，转速相关信息与目标转速的映射关系通过风机气动模型确定。风机气动模型可以但不限于是采用大量样本数据对神经网络训练得到的，该神经网络的输入参数包括转速相关信息，输出参数为目标转速，模型的具体训练过程，此处不再赘述。
在一个实施例中，参见图1，风力发电***还包括并网装置16，并网装置16部署有并网与脱网逻辑，负责风力发电***的并网与脱网，也即发电机通过该并网装置16接入电网，通过该并网装置实现将发电机输出的电能输入电网或者避免将发电机输出的电能输入电网。
在一个实施例中，参见图1，风力发电***还包括无功补偿装置17，无功补偿装置17联于发电机12与电网15之间的电路上，该无功补偿装置17用于在叶轮11的实际转速大于叶轮的额定转速的情况下，补偿发电机产生的无功功率，以提高电网的功率因数，降低电能输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。
无功补偿装置17可以但不限于是SVC(静止无功补偿装置)或SVG(动态无功补偿装置)。如果风力发电***采用的无功补偿装置为SVG，并网方式可以由SVG在并网前建立一个与电网相位幅值相同的内部端电压，此时并网装置可以不包含并网软起电路。如果风力发电***采用的无功补偿装置为SVC，上述并网装置需包含并网软起电路，通过并网软起电路来抑制并网瞬间带来的电流冲击。
相关技术中，为了提高风能捕获的利用率，一般控制叶轮以额定转速旋转，而本发明实施例中，通过对桨叶的扭角调节，实现叶轮不必然以额定转速旋转，叶轮的实际转速可能小于额定转速，叶轮的实际转速也可能大于额定转速。
由于鼠笼发电机可以运行于超同步状态，上述任一实施例中的发电机可以采用鼠笼发电机。所谓超同步状态，也即发电机的实际转速大于额定转速。
鼠笼发电机还具有其转子出线无需设置碳刷(碳刷需要定期维护)的优点，相较于需要设置碳刷的双馈发电机，鼠笼发电机易于维护保养，可以适用于分布式或海上风电机组，普适性更强，应用更广泛。
下面结合图1a和图1b，介绍风力发电***的控制过程。
图2为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的控制方法的流程图，该方法应用于上述任一实施例的风力发电***，该方法包括以下步骤：
步骤201、确定发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于目标电能参数的叶轮的目标转速。
其中，预期电能的目标电能参数也即用户希望发电机输出的电能的目标电能参数，目标电能参数包括电流的幅值和/或频率。预期电能的目标电能参数可以根据负载所需的电能参数确定，或者预期电能的目标电能参数根据电网的电能参数确定。
在一个实施例中，确定目标转速的步骤包括：先确定发电机的齿轮箱变比以及磁极对数，再根据齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于目标电能参数的目标转速。
步骤202、根据目标转速确定叶轮的桨叶的目标扭角。
在一个实施例中，确定目标扭角的步骤包括：先确定转速相关信息，再根据转速相关信息和目标转速确定目标扭角。其中，转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、桨叶的尺寸信息和风力发电***的用电需求信息。环境信息包含风速、环境湿度等。
可以理解地，叶轮实际运行过程中，桨叶的尺寸信息一般是固定不变的，影响目标扭角的参数信息为环境信息和用电需求信息。
在一个实施例中，在确定目标扭角时，可以基于反馈控制法实现，举例来说，其他转速相关信息不变的情况下，若当前风速增加，叶轮的实际转速(也即风轮的实际转速)高于计算得到的目标转速，则相应减小目标扭角，通过控制桨叶驱动器将桨叶略微收起；若当前风速减小，叶轮的实际转速低于计算得到的目标转速，则相应增加目标扭角，通过控制桨叶驱动器将桨叶略微打开。
在一个实施例中，转速相关信息与目标转速的映射关系通过风机气动模型确定。风机气动模型可以但不限于是采用大量样本数据对神经网络训练得到的，该神经网络的输入参数包括转速相关信息，输出参数为目标转速，模型的具体训练过程，此处不再赘述。
步骤203、驱动桨叶达到目标扭角并以目标扭角旋转，以使发电机输出的电能的电能参数匹配于目标电能参数。
从而，根据发电机输出预期电能的目标电能参数确定叶轮的目标转速，进而根据该目标转速确定叶轮的桨叶的目标扭角，并根据该目标扭角调节桨叶的扭角，以使风力发电***的发电机能够直接输出与预期的目标电能参数相匹配的电能，使得风力发电***中无需设置变流器，一方面可以避免因变流器故障导致风力发电***整机停机，造成大量发电量的损失的情形，提高电力***的电力惯量稳定性；另一方面可以减弱对电网高低电压穿越状态变化的敏感度。
与前述风力发电***的控制方法实施例相对应，本发明还提供了风力发电***的控制装置的实施例。
图3为本发明一示例性实施例示出的一种风力发电***的控制装置的模块示意图，该控制装置包括：
计算模块31，用于确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述电能参数的所述叶轮的目标转速，以及根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
驱动模块32，用于驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
可选地，在确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速时，所述计算模块用于：
确定所述发电机的齿轮箱变比以及磁极对数；
根据所述齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于所述目标电能参数的目标转速。
可选地，在根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角时，所述计算模块用于：
确定转速相关信息，所述转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、所述桨叶的尺寸信息和所述风力发电***的用电需求信息；
根据所述转速相关信息和所述目标转速确定所述目标扭角。
对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
图4是本发明一示例实施例示出的一种电子设备的结构示意图，示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性电子设备40的框图。图4显示的电子设备40仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图4所示，电子设备40可以以通用计算设备的形式表现，例如其可以为服务器设备。电子设备40的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理器41、上述至少一个存储器42、连接不同***组件(包括存储器42和处理器41)的总线43。
总线43包括数据总线、地址总线和控制总线。
存储器42可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)421和/或高速缓存存储器422，还可以进一步包括只读存储器(ROM)423。
存储器42还可以包括具有一组(至少一个)程序模块424的程序工具425(或实用工具)，这样的程序模块424包括但不限于：操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
处理器41通过运行存储在存储器42中的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如上述任一实施例所提供的方法。
电子设备40也可以与一个或多个外部设备44(例如键盘、指向设备等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口45进行。并且，模型生成的电子设备40还可以通过网络适配器46与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器46通过总线43与模型生成的电子设备40的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合模型生成的电子设备40使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理器、外部磁盘驱动阵列、RAID(磁盘阵列)***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施例所提供的方法。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种风力发电***的控制方法，其特征在于，所述风力发电***包括：发电机和叶轮，所述发电机用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
所述控制方法包括：
确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速；
根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
2.根据权利要求1所述的风力发电***的控制方法，其特征在于，确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速，包括：
确定所述发电机的齿轮箱变比以及磁极对数；
根据所述齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于所述目标电能参数的目标转速。
3.根据权利要求1所述的风力发电***的控制方法，其特征在于，根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角，包括：
确定转速相关信息，所述转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、所述桨叶的尺寸信息和所述风力发电***的用电需求信息；
根据所述转速相关信息和所述目标转速确定所述目标扭角。
4.一种风力发电***的控制装置，其特征在于，所述风力发电***包括：发电机和叶轮，所述发电机用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
所述控制装置包括：
计算模块，用于确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述电能参数的所述叶轮的目标转速，以及根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
驱动模块，用于驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
5.一种风力发电***，其特征在于，包括：
叶轮；
发电机，用于将所述叶轮产生的动能转换成电能并输出；
控制器，用于确定所述发电机输出预期电能的目标电能参数，并确定对应于所述目标电能参数的所述叶轮的目标转速，以及根据所述目标转速确定所述叶轮的桨叶的目标扭角；
桨叶驱动器，用于驱动所述桨叶达到所述目标扭角并以所述目标扭角旋转，以使所述发电机输出的电能的电能参数匹配于所述目标电能参数。
6.根据权利要求5所述的风力发电***，其特征在于，在确定所述目标转速时，所述控制器用于：
确定所述发电机的齿轮箱变比以及磁极对数；
根据所述齿轮箱变比以及磁极对数确定对应于所述目标电能参数的目标转速。
7.根据权利要求5所述的风力发电***，其特征在于，在确定所述目标扭角时，所述控制器用于：
确定转速相关信息，所述转速相关信息包括以下信息中的至少一种：环境信息、所述桨叶的尺寸信息和所述风力发电***的用电需求信息；
根据所述转速相关信息和所述目标转速确定所述目标扭角。
8.根据权利要求5所述的风力发电***，其特征在于，所述风力发电***还包括：并网装置；
所述发电机通过所述并网装置接入电网。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的风力发电***，其特征在于，所述风力发电***还包括：
无功补偿装置，并联于所述发电机与电网之间的电路上，所述无功补偿装置用于在所述叶轮的实际转速大于所述叶轮的额定转速的情况下，补偿所述发电机产生的无功功率。
10.根据权利要求9所述的风力发电***，其特征在于，所述发电机为鼠笼发电机。
11.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3中任一项所述的风力发电***的控制方法。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的风力发电***的控制方法的步骤。
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