CN114607555A - 用于风力发电机组的控制方法及装置 - Google Patents

用于风力发电机组的控制方法及装置 Download PDF

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CN114607555A CN202011405771.0A CN202011405771A CN114607555A CN 114607555 A CN114607555 A CN 114607555A CN 202011405771 A CN202011405771 A CN 202011405771A CN 114607555 A CN114607555 A CN 114607555A
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刘磊
李永明
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Abstract

本发明提供用于风力发电机组的控制方法和装置。所述方法包括：监测风力发电机组的相关运行参数以及周围环境的空气密度；响应于相关运行参数指示风力发电机组处于失速风险发生区段并且周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整风力发电机组的额定转速；以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。所述装置包括：运行监测单元，被配置为监测风力发电机组的相关运行参数以及周围环境的空气密度；转速调整单元，被配置为响应于相关运行参数指示风力发电机组处于失速风险发生区段并且周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整风力发电机组的额定转速；调整控制单元，被配置为以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。

Description

用于风力发电机组的控制方法及装置
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机组的控制方法及装置。
背景技术
通常，风力发电机组在机型设计阶段不会针对特定现场的环境信息进行特定设计。即使在并网调试时会根据实际运行情况能够对风力发电机组的最优控制曲线进行细微调整，也无法确保风力发电机组的叶片运行在最优设计工况下。
在风力发电机组的实际运行过程中，由于受到地理条件、昼夜、季节等环境变化因素的影响，风电场的现场空气密度也会随之发生变化，因此，当风电场的现场空气密度过低时，风力发电机组可能会发生叶片失速现象。风力发电机组在失速状态下运行时会改变风力发电机组的叶片的载荷和气动特性，从而引起机组振动和发电量损失，甚至导致叶片断裂等，这会严重影响风力发电机组中的大部件使用寿命。在目前的认知中，叶片失速现象还会影响到对风力发电机组的功率曲线、机组振动、超速故障、噪声超标等指标的考核。因此，预防风力发电机组发生叶片失速现象能够为风力发电机组的控制提供更可靠的信息并且保障风力发电机组的机组安全。
在相关技术中，通常采用直接提升扭矩或叶片桨距角的方式来防止叶片失速，但是这种调整方式在防止叶片失速的同时会引起发电量损失，因而未能有效解决因叶片失速而引起的上述诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于提供用于风力发电机组的控制方法及装置，该控制方法及装置不仅能够预防由于风电场周围环境的空气密度变化(诸如，由于不同季节的变化、昼夜的变化而引起的空气密度变化等)而导致的失速风险，而且还能够有效地避免或减少由于采用直接提升扭矩或叶片桨距角的方式而引起的发电量损失。
根据本发明的一方面，提供一种用于风力发电机组的控制方法，所述控制方法包括：监测所述风力发电机组的相关运行参数以及所述风力发电机组周围环境的空气密度；响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整所述风力发电机组的额定转速；以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述风力发电机组的失速风险发生区段为所述风力发电机组在运行过程中的过渡区段。
优选地，所述风力发电机组的相关运行参数包括以下参数中的至少一个：所述风力发电机组的实际转速；所述风力发电机组的实际功率以及所述风力发电机组的实际扭矩。
优选地，所述风力发电机组的额定转速被调整为以下额定转速中的一者：所述风力发电机组的最大额定转速；所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速；以及所述风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与所述风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果。
优选地，所述以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行，包括：对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估；在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行，还包括：在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止；以所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述控制方法还包括：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组未处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，保持所述风力发电机组的额定转速。
优选地，在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，所述控制方法还包括：响应于所述风力发电机组的叶片进入失速状态，调整所述风力发电机组的叶片的桨距角。
优选地，在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，所述控制方法还包括：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组退出失速风险发生区段或者所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，恢复所述风力发电机组在所述调整之前的额定转速。
根据本发明的另一方面，提供一种用于风力发电机组的控制装置，所述控制装置包括：运行监测单元，被配置为：监测所述风力发电机组的相关运行参数以及所述风力发电机组周围环境的空气密度；转速调整单元，被配置为：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整所述风力发电机组的额定转速；调整控制单元，被配置为：以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述风力发电机组的失速风险发生区段为所述风力发电机组在运行过程中的过渡区段。
优选地，所述风力发电机组的相关运行参数包括以下参数中的至少一个：所述风力发电机组的实际转速；所述风力发电机组的实际功率；以及所述风力发电机组的实际扭矩。
优选地，所述风力发电机组的额定转速被调整为以下额定转速中的一者：所述风力发电机组的最大额定转速；所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速；以及所述风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与所述风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果。
优选地，所述调整控制单元包括：载荷评估单元，被配置为：对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估；第一控制单元，被配置为：在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述调整控制单元还包括：迭代分析单元，被配置为：在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止；第二控制单元，被配置为：以所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
优选地，所述控制装置还包括：第三控制单元，被配置为：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组未处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，保持所述风力发电机组的额定转速。
优选地，所述控制装置还包括：第四控制单元，被配置为：在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，响应于所述风力发电机组的叶片进入失速状态，调整所述风力发电机组的叶片的桨距角。
优选地，所述控制装置还包括：第五控制单元，被配置为：在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组退出失速风险发生区段或者所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，恢复所述风力发电机组在所述调整之前的额定转速。
根据本发明的另一方面，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，实现如前面所述的用于风力发电机组的控制方法。
据本发明的另一方面，提供一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如前面所述的用于风力发电机组的控制方法。
根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的控制方法和装置能够在不增加新投入(诸如，额外的硬件设备)的前提下有效地预防和解决风力发电机组在运行至失速风险发生区段(特别是，过渡区段)时因风力发电机组周围环境的空气密度过低而导致的叶片失速问题，这不仅有效地降低了因叶片失速而导致叶片断裂等故障的发生频率，而且还有效地避免或减少了由于采用直接提升扭矩或叶片桨距角的方式而引起的发电量损失，从而进一步提升了机组发电量。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了根据本发明的示例性实施例的风力发电机组在正常发电工况下的工作曲线的示意图；
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的控制方法的流程图；
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的失速控制的示意性处理；
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的机组载荷安全评估的示意性处理；
图5示出了根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的控制装置的结构框图；以及
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的***架构的示意图。
具体实施方式
本发明的构思在于：在风力发电机组运行至失速风险发生区段的情况下，基于风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度而临时提升风力发电机组的额定转速，使得风力发电机组的运行功率提升，以防止风力发电机组在失速风险发生区段出现叶片失速。这样不仅能够动态地控制和预防失速风险发生区段的叶片失速问题，而且还能够有效地避免或减少由于采用直接提升扭矩或叶片桨距角的方式而引起的发电量损失，从而在保障机组安全性和稳定性的同时，进一步提升了机组发电量。
下面，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的风力发电机组在正常发电工况下的工作曲线的示意图100。
参照图1，图1所示的风力发电机组在正常发电工况下的工作曲线可包括三个部分，分别为风力发电机组在正常发电工况下的桨距角的工作曲线、发电机转速的工作曲线以及发电功率的工作曲线。在正常发电状态下，可基于图1所示的上述工作曲线来控制风力发电机组的运行。
在图1所示的示例中，风力发电机组的运行过程可被划分为四个运行区段(也称为控制区段)，分别为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区。风力发电机组在这四个运行区段中具有不同的运行特征。在Ⅰ区(也称为起机区段)中，可以以最小桨距角、最小设定转速以及扭矩PI控制方式来控制风力发电机组的运行；在Ⅱ区(也称为最优尖速比跟踪区段)中，可以以最小桨距角、最优转速以及根据扭矩与转速关系的变速控制方式来控制风力发电机组的运行；在Ⅲ区(也称为过渡区段)中，可以以最小桨距角、最大设定转速以及扭矩PI控制方式来控制风力发电机组的运行；在Ⅳ区(也称为满发区段)中，可以以变桨控制、最大设定转速以及恒功率控制方式来控制风力发电机组的运行。
在风力发电机组的上述四个运行区段中，满发区段通常不会出现叶片失速的现象，但满发区段以下的其他区段(诸如，过渡区段和最优尖速比跟踪区段)是出现叶片失速问题的高发区段(也称为失速风险发生区段)。这些发生在高发区段中的叶片失速都与风力发电机组周围环境的空气密度过低相关，空气密度过低会影响过渡区段的满发风速点以及最优尖速比跟踪区段的最优增益。因此，当风力发电机组运行至高发区段时，准确地预防风力发电机组的叶片失速能够为风力发电机组的控制提供更可靠的信息并且保障机组安全。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的控制方法的流程图200。
参照图2，方法200可包括如下步骤：
在步骤210，可监测风力发电机组的相关运行参数以及风力发电机组周围环境的空气密度。
在该示例中，风力发电机组的相关运行参数可包括，但不限于，风力发电机组的实际转速(诸如，但不限于，图1所示的风力发电机组的发电机转速)、风力发电机组的实际功率(诸如，但不限于，图1所示的风力发电机组的发电功率)、风力发电机组的实际扭矩(诸如，但不限于，风力发电机组的发电机扭矩)或者其他可用于指示风力发电机组所处的运行区段的相关运行参数。可通过设置在风力发电机组中的相应传感器来获取和监测这些相关运行参数，以确定风力发电机组所处的运行区段。例如，可根据但不限于图1所示的风力发电机组的实际功率与额定功率和/或实际转速与额定转速的关系来确定风力发电机组所处的运行区段。
在该示例中，可基于下式(1)来计算和监测风力发电机组周围环境的空气密度：
Figure BDA0002814089140000071
在式(1)中，ρ为风力发电机组周围环境的空气密度，Phub为风力发电机组的机舱轮毂高度的环境大气压，Thub,k为风力发电机组的机舱轮毂高度的开氏温标绝对温度。
除此之外，还可基于下式(2)来计算和监测风力发电机组周围环境的空气密度：
Figure BDA0002814089140000072
在式(2)中，ρ为风力发电机组周围环境的空气密度，Althub为风力发电机组的机舱轮毂高度海拔，Thub,k为风力发电机组的机舱轮毂高度的开氏温标绝对温度。
式(1)或(2)中的风力发电机组的机舱轮毂高度的开氏温标绝对温度可通过下式(3)计算：
(Thub,k＝Thub,℃+273.15)
(3)
在式(3)中，Thub,k为风力发电机组的机舱轮毂高度的开氏温标绝对温度，Thub,℃为风力发电机组的机舱轮毂高度的环境温度。
可使用上式(1)或(2)的计算结果来监测风力发电机组周围环境的空气密度是否达到失速风险空气密度，以确定风力发电机组是否即将进入失速工况。
在步骤220，可响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组处于失速风险发生区段并且风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整风力发电机组的额定转速。
在一些示例中，通过调整风力发电机组的额定转速来提升风力发电机组的运行功率可在一定程度上避免风力发电机组的叶片进入失速状态，因此，这种调整额定转速的方式更适用于以额定转速运行的失速风险发生区段，而在图1所示的失速风险发生区段中，风力发电机组仅在过渡区段时以额定转速运行，因此，在这些示例中，可在风力发电机组运行至过渡区段时采用这种调整额定转速的方式来避免风力发电机组的叶片进入失速状态。相应地，在这些示例中，可响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组处于过渡区段并且风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度而调整风力发电机组的额定转速。
此外，在这些示例中，可将风力发电机组的额定转速调整为诸如，但不限于，风力发电机组的最大额定转速、风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速、风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果或者其他更高的额定转速，以促使风力发电机组的运行功率提升。另外，考虑到功率提升给机组载荷安全性带来的负面影响，这里，除了风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速之外，可对上述调整后的其他额定转速(诸如，但不限于，风力发电机组的最大额定转速、风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果或者其他更高的额定转速)进行机组载荷安全评估，以保障风力发电机组的机组安全，对此后面将由详细的描述。
在步骤230，可以以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。
如上所述，考虑到高的额定转速可能会导致风力发电机组的机组载荷提升，为避免这种情况的出现，在一个示例中，可对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估，并且在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。作为可行的实施方式，可使用用于机组载荷安全评估的仿真模块对调整后的额定转速进行机组载荷安全的测试，但不限于此。具体地，如果在调整后的额定转速下机组载荷安全允许，则可以以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行；如果在调整后的额定转速下机组载荷安全不允许，则不能以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。
在另一示例中，在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，还可按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止，并且以风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制风力发电机组的运行。通过采用这种迭代寻优的方式，可获得针对额定转速的最优提升量。作为一个可行的实施方式，可使用风力发电机组的最大额定转速作为初始值来进行上述关于机组载荷安全评估的迭代分析。作为另一可行的实施方式，还可使用风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果作为初始值来进行上述关于机组载荷安全评估的迭代分析。由于这种插值结果更接近于迭代寻优的结果，因此，相比于使用风力发电机组的最大额定转速进行迭代分析的实施方式，使用这种插值结果进行迭代分析的实施方式的计算或收敛的速度会更快，并且为此而消耗的计算资源也会更少。
此外，为确保风力发电机组的平稳运行，还可响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组未处于失速风险发生区段并且风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度而保持风力发电机组的额定转速。
另外，在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，还可继续根据风力发电机组的其他相关运行参数的变化(诸如，但限于，叶片攻角增大)以及风力发电机组周围环境的空气密度的变化而采取相应的措施，以防止随着这些变化而引起的叶片失速或因额定转速的提升而导致的机组载荷增大。
在一个示例中，可继续对风力发电机组的叶片状态进行评估，如果依然无法避免风力发电机组的叶片进入失速状态，则可在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，响应于风力发电机组的叶片进入失速状态而调整风力发电机组的叶片的桨距角(或最小桨距角)。这种在额定转速调整的基础上结合桨距角(或最小桨距角)调整的方式能够进一步阻止叶片失速，从而最大限度地保障机组安全运行。
在另一示例中，还可在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组退出失速风险发生区段(例如，但不限于，风力发电机组进入满发区段)或者风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度而恢复风力发电机组在调整之前的额定转速，以防止因额定转速的提升而导致的机组载荷增大。
下面，将参照图3和图4来进一步详细描述上述用于风力发电机组的控制处理过程。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的失速控制的示意性处理300。
参照图3，启动处理300。
在步骤301，处理300可获取风力发电机组的实时数据和初始化参数信息，实时数据可包括风力发电机组的工作状态、限功率状态、高频转速、机组功率、桨距角、空气密度、机舱外环境温度、风速仪风速、风向标等信息；初始化参数可包括风力发电机组的机位点海拔高度、机组轮毂高度、空气密度调节范围和额定转速范围(诸如，但不限于，风力发电机组的默认额定转速、最大额定转速、功率-桨距角提升量矩阵等)。
在步骤302，处理300可对获取到的上述信息进行数据预处理，数据预处理包括：使用如前所述的式(1)基于风力发电机组的机舱轮毂高度的环境大气压和风力发电机组的机舱轮毂高度的机舱外环境温度或者使用如前所述的式(2)基于风力发电机组的机舱轮毂高度海拔和风力发电机组的机舱轮毂高度的机舱外环境温度来计算风力发电机组周围环境的空气密度，并且对风力发电机组的控制数据(诸如，叶轮转速、空气密度、桨距角、机组功率、发电机扭矩、风速仪风速等信息)进行滤波处理，以去掉时序数据中的毛刺，避免因异常值信息流入控制而对失速控制产生影响。
在步骤303，处理300可利用风力发电机组的扭矩与转速、实际功率与额定功率、实际转速与额定转速等关系来确定风力发电机组是否处于过渡区段。
在步骤304，如果风力发电机组处于过渡区段，则处理300可确定风力发电机组周围环境的空气密度是否低于失速风险空气密度持续设定时间。
在步骤305，如果风力发电机组周围环境的空气密度低于失速风险空气密度持续设定时间，则处理300可临时提升风力发电机组的额定转速并对提升后的额定转速进行机组载荷安全评估；如果风力发电机组未处于过渡区段并且风力发电机组周围环境的空气密度高于失速风险空气密度持续设定时间，则处理300可进行至步骤310，以保持风力发电机组的默认额定转速。
在步骤306，在通过机组载荷安全评估的情况下，处理300可以以提升后的额定转速来控制风力发电机组的运行。
在步骤307，处理300可通过评估风力发电机组的叶片的失速状态来确定是否调整风力发电机组的叶片的桨距角(或最小桨距角)。
在步骤308，在无法避免叶片进入失速状态的情况下，处理300可调整风力发电机组的叶片的桨距角，以阻止风力发电机组的叶片失速；在叶片未进入失速状态的情况下，处理300可不进行变桨操作，并且继续以提升后的额定转速来控制风力发电机组的运行。
在步骤309，处理300可在以提升后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，确定风力发电机组是否退出过渡区段以及风力发电机组周围环境的空气密度是否高于失速风险空气密度持续设定时间。
在步骤310，如果风力发电机组退出过渡区段并且风力发电机组周围环境的空气密度高于失速风险空气密度持续设定时间，则处理300可恢复风力发电机组的默认额定转速，以避免高的额定转速导致风力发电机组的机组载荷增大。
在步骤310之后，处理300结束。
应当理解，尽管图3示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的失速控制的示意性处理300，但是本发明并不限于此。
图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的机组载荷安全评估的示意性处理400。
参照图4，启动处理400。
在步骤401，处理400可直接将风力发电机组的额定转速ωRated提升至风力发电机组的最大额定转速ωRated,max。
在步骤402，处理400可对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估。
在步骤403，如果调整后的额定转速通过机组载荷安全评估，则处理400可进行到步骤405；如果调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估，则处理400可进行到步骤404。
在步骤404，处理400可按照预定步长减小风力发电机组的最大额定转速ωRated,max，并返回至步骤402继续对减小的最大额定转速ωRated,max(或者再次调整的额定转速)进行机组载荷安全评估，直到获得风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速ωRated,Safety为止，该风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速ωRated,Safety小于风力发电机组的最大额定转速ωRated,max。
在步骤405，处理400可输出风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速ωRated,Safety。
在步骤405之后，处理400结束。
应当理解，尽管图4示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的机组载荷安全评估的示意性处理400，但是本发明并不限于此。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的控制装置的示意性结构框图500。
参照图5，图5所示的控制装置可包括运行监测单元510、转速调整单元520和调整控制单元530，其中，运行监测单元510可被配置为监测风力发电机组的相关运行参数以及风力发电机组周围环境的空气密度；转速调整单元520可被配置为响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组处于失速风险发生区段并且风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度而调整风力发电机组的额定转速；调整控制单元530可被配置为以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。
在图5所示的控制装置中，风力发电机组的相关运行参数可包括，但不限于，风力发电机组的实际转速(诸如，但不限于，图1所示的发电机转速)、风力发电机组的实际功率(诸如，但不限于，图1所示的发电功率)、风力发电机组的实际扭矩(诸如，但不限于，风力发电机组的发电机扭矩)或者其他可用于指示风力发电机组所处的运行区段的相关运行参数。运行监测单元510可通过设置在风力发电机组中的相应传感器来获取和监测这些相关运行参数，以确定风力发电机组所处的运行区段。此外，运行监测单元510还使用如前所述的式(1)或(2)的计算结果来监测风力发电机组周围环境的空气密度是否达到失速风险空气密度，以确定风力发电机组是否即将进入失速工况。
在图1所示的失速风险发生区段中，风力发电机组仅在过渡区段时以额定转速运行，因此，在一些示例中，可在风力发电机组运行至过渡区段时采用这种调整额定转速的方式来避免风力发电机组的叶片进入失速状态。相应地，转速调整单元520可响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组处于过渡区段并且风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度而调整风力发电机组的额定转速。此外，在这些示例中，转速调整单元520可将风力发电机组的额定转速调整为诸如，但不限于，风力发电机组的最大额定转速、风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速、风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果或者其他更高的额定转速，以促使风力发电机组的运行功率提升。
考虑到高的额定转速可能会导致风力发电机组的机组载荷增大，为避免这种情况的出现，在一个示例中，调整控制单元530可包括载荷评估单元和第一控制单元(图中均未示出)，其中，载荷评估单元可被配置为对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估；第一控制单元可被配置为在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行。在另一示例中，调整控制单元530可进一步包括迭代分析单元和第二控制单元(图中均未示出)，其中，迭代分析单元可被配置为在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止；第二控制单元可被配置为以风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制风力发电机组的运行。
此外，为确保风力发电机组的平稳运行，图5所示的控制装置还可包括第三控制单元(图中未示出)，第三控制单元可被配置为响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组未处于失速风险发生区段并且风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度而保持风力发电机组的额定转速。
另外，在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，图5所示的控制装置还可继续根据风力发电机组的其他相关运行参数的变化(诸如，但限于，叶片攻角增大)以及风力发电机组周围环境的空气密度的变化而采取相应的措施，以防止随着这些变化而引起的叶片失速或因额定转速的提升而导致的机组载荷增大。
在一个示例中，图5所示的控制装置还可包括第四控制单元(图中未示出)，第四控制单元可被配置为在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，响应于风力发电机组的叶片进入失速状态而调整风力发电机组的叶片的桨距角(或最小桨距角)，以防止随着运行参数和周围环境的变化而引起的叶片失速。
在另一示例中，图5所示的控制装置还可包括第五控制单元(图中未示出)，第五控制单元可被配置为在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，响应于风力发电机组的相关运行参数指示风力发电机组退出失速风险发生区段(例如，但不限于，风力发电机组进入满发区段)或者风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度而恢复风力发电机组在调整之前的额定转速，以防止因额定转速的提升而导致的机组载荷增大。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的失速控制的***架构的示意图600。
参照图6，图6所示的***架构可包括根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的控制装置610、风力发电机组620和风力发电机组控制器630(诸如，但不限于，风力发电机组中的主控PLC***或变桨控制***等)。根据本发明的示例性实施例的风力发电机组的控制方法可作为算法运行在图6所示的控制装置610的计算单元中。图6所示的控制装置610可包括如前所述的运行监测单元510、转速调整单元520和调整控制单元530等。
在图6所示的***架构中，风力发电机组620可将风力发电机组的相关运行参数(诸如，但不限于，风力发电机组的实际转速、实际转速、实际扭矩、叶片攻角的大小、桨距角的大小等)作为信号A传送至控制装置610，并且将风力发电机组的机舱轮毂高度、机舱轮毂高度海拔和机舱外的环境温度作为信号B传送至控制装置610。控制装置610可根据接收到的信号A和B来监测风力发电机组所处的运行区段以及风力发电机组周围环境的空气密度，并且在风力发电机组处于失速风险发生区段以及风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度的情况下调整风力发电机组的额定转速并将调整后的额定转速作为信号C传送至风力发电机组控制器630。风力发电机组控制器630可根据接收到的信号C向风力发电机组620输出用于控制风力发电机组的信号D，使得风力发电机机组620以调整后的额定转速运行，以避免风力发电机组的叶片发生失速。如前所述，在以调整后的额定转速来控制风力发电机组的运行之后，控制装置610还可继续根据风力发电机组的其他相关运行参数的变化(诸如，但不限于，叶片攻角增大)以及风力发电机组周围环境的空气密度的变化而采取相应的措施，以防止随着这些变化而引起的叶片失速或因额定转速的提升而导致的机组载荷增大。由于前面已经详细描述了控制装置的具体实施过程，在此不再赘述。
应当理解，尽管图6示出了根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的失速控制的***架构，但是本发明并不限于此。例如，图6所示的控制装置610除了可被集成在单独的控制器中之外，还可被集成在风力发电机组控制器630(诸如，但不限于，风力发电机组中的主控PLC***或变桨控制***)中或风电场中的用于调度风力发电机组的后台控制器或其他可连接至风力发电机组控制器630或风力发电机组620的控制设备中。
根据本发明的示例性实施例的用于风力发电机组的控制方法和装置能够在不增加新投入(诸如，额外的硬件设备)的前提下有效地预防和解决风力发电机组在运行至失速风险发生区段(特别是，过渡区段)时因风力发电机组周围环境的空气密度过低而导致的叶片失速问题，这不仅有效地降低了因叶片失速而导致叶片断裂等故障的发生频率，而且还有效地避免或减少了由于采用直接提升扭矩或叶片桨距角的方式而引起的发电量损失，从而进一步提升了机组发电量。
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根据本发明的用于风力发电机组的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)。
根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的用于风力发电机组的控制方法的计算机程序。
尽管已参照优选实施例表示和描述了本申请，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和变换。

Claims (20)

1.一种用于风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
监测所述风力发电机组的相关运行参数以及所述风力发电机组周围环境的空气密度；
响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整所述风力发电机组的额定转速；
以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的失速风险发生区段为所述风力发电机组在运行过程中的过渡区段。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的相关运行参数包括以下参数中的至少一个：
所述风力发电机组的实际转速；
所述风力发电机组的实际功率；以及
所述风力发电机组的实际扭矩。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述风力发电机组的额定转速被调整为以下额定转速中的一者：
所述风力发电机组的最大额定转速；
所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速；以及
所述风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与所述风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行，包括：
对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估；
在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行，还包括：
在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止；
以所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：
响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组未处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，保持所述风力发电机组的额定转速。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，所述控制方法还包括：
响应于所述风力发电机组的叶片进入失速状态，调整所述风力发电机组的叶片的桨距角。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，所述控制方法还包括：
响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组退出失速风险发生区段或者所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，恢复所述风力发电机组在所述调整之前的额定转速。
10.一种用于风力发电机组的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括：
运行监测单元，被配置为：监测所述风力发电机组的相关运行参数以及所述风力发电机组周围环境的空气密度；
转速调整单元，被配置为：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度达到失速风险空气密度，调整所述风力发电机组的额定转速；
调整控制单元，被配置为：以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述风力发电机组的失速风险发生区段为所述风力发电机组在运行过程中的过渡区段。
12.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述风力发电机组的相关运行参数包括以下参数中的至少一个：
所述风力发电机组的实际转速；
所述风力发电机组的实际功率；以及
所述风力发电机组的实际扭矩。
13.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述风力发电机组的额定转速被调整为以下额定转速中的一者：
所述风力发电机组的最大额定转速；
所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速；以及
所述风力发电机组在空气密度上限值下的额定转速与所述风力发电机组在空气密度下限值下的最大额定转速之间的插值结果。
14.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述调整控制单元包括：
载荷评估单元，被配置为：对调整后的额定转速进行机组载荷安全评估；
第一控制单元，被配置为：在调整后的额定转速通过机组载荷安全评估的情况下，以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
15.根据权利要求14所述的控制装置，其特征在于，所述调整控制单元还包括：
迭代分析单元，被配置为：在调整后的额定转速未通过机组载荷安全评估的情况下，按照预定的步长逐步改变调整后的额定转速并对每次改变的额定转速继续进行机组载荷安全评估，直到获得所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速为止；
第二控制单元，被配置为：以所述风力发电机组在机组安全载荷下允许的最大额定转速来控制所述风力发电机组的运行。
16.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
第三控制单元，被配置为：响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组未处于失速风险发生区段并且所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，保持所述风力发电机组的额定转速。
17.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
第四控制单元，被配置为：在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，响应于所述风力发电机组的叶片进入失速状态，调整所述风力发电机组的叶片的桨距角。
18.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括：
第五控制单元，被配置为：在以调整后的额定转速来控制所述风力发电机组的运行之后，响应于所述风力发电机组的相关运行参数指示所述风力发电机组退出失速风险发生区段或者所述风力发电机组周围环境的空气密度未达到失速风险空气密度，恢复所述风力发电机组在所述调整之前的额定转速。
19.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至9中任一项所述的用于风力发电机组的控制方法。
20.一种计算装置，包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至9中任一项所述的用于风力发电机组的控制方法。
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