一种新型的风力发电机输出功率控制方法及装置

本技术涉及风力发电机输出功率控制领域，特别是涉及一种新型的风力发电机输出功率控制方法及装置。

背景技术：

1、随着我国风电装机容量的上升，对于风力发电机输出功率提出了更高的要求。不仅需要风力发电机提高输出功率，而且需要保持风力发电机功率的稳定输出。由于风力发电的环境可变性很大，因此，需要实现更为智能的控制系统来应对迅速变化的气候条件，并最大化发电效率而又不至于对机器造成损伤。

2、相关技术中，为了优化风力发电机的输出功率，通常采用机器学习技术，通过历史数据分析来自动微调风力发电机的偏航参数，通过偏航控制，风力发电机能够调整自己的方向，确保始终与风的方向保持最佳角度捕获更多风能。

3、在实现本技术的过程中，申请人发现相关技术至少存在以下问题：

4、在风速过快时，仅对风力发电机进行偏航控制无法达到最大的能量产出，从而无法更好地优化风力发电机的输出功率并控制其稳定输出，导致风力发电机提供的电力难以满足用电需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种新型的风力发电机输出功率控制方法及装置，主要目的在于解决目前在风速过快时，仅对风力发电机进行偏航控制无法达到最大的能量产出，从而无法更好地优化风力发电机的输出功率并控制其稳定输出，导致风力发电机提供的电力难以满足用电需求的技术问题。

2、依据本技术第一方面，提供了一种新型的风力发电机输出功率控制方法，该方法包括：

3、获取目标风力发电机的目标风速和切出风速，所述目标风速用于指示所述目标风力发电机的风轮扫轮面接收到的风速；

4、当所述目标风速大于所述切出风速时，获取所述目标风力发电机的桨距角，并在所述桨距角等于预设角度时，调节偏航控制器的偏航控制系数大于预设数值，调节变桨控制器的变桨控制系数等于所述预设数值；

5、采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，确定所述目标风力发电机的桨距角和偏航角；

6、获取所述目标风力发电机的风轮转速的反馈值，计算单位时间内所述风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值，将所述差值与转速临界值进行比对；

7、如果比对确定所述差值小于所述转速临界值，则结束控制过程；

8、如果比对确定所述差值大于等于所述转速临界值，则控制所述偏航控制器的偏航控制系数增大，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，以调整所述偏航角直至单位时间内所述风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值小于所述转速临界值，完成对所述目标风力发电机输出功率的控制。

9、可选地，获取目标风力发电机的目标风速和切出风速之后，所述方法还包括：

10、获取所述目标风力发电机的切入风速；

11、当所述目标风速大于所述切入风速且小于所述切出风速时，获取作用在所述风轮扫轮面上的风力加速度；

12、将所述风力加速度与风力加速度临界值进行比对；

13、若比对确定所述风力加速度小于等于所述风力加速度临界值，则调节所述变桨控制器的变桨控制系数大于所述偏航控制器的偏航控制系数，且调节后的变桨控制系数和调节后的偏航控制系数均大于所述预设数值。

14、可选地，所述将所述风力加速度与风力加速度临界值进行比对之后，所述方法还包括：

15、若比对确定所述风力加速度大于所述风力加速度临界值，则调节所述偏航控制器的偏航控制系数大于所述变桨控制器的变桨控制系数，且调节后的变桨控制系数和调节后的偏航控制系数均大于所述预设数值。

16、可选地，所述调节所述变桨控制器的变桨控制系数大于所述偏航控制器的偏航控制系数，且调节后的变桨控制系数和调节后的偏航控制系数均大于所述预设数值之后，所述方法还包括：

17、采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，确定所述目标风力发电机的桨距角和偏航角；

18、确定输出功率反馈值，计算单位时间内所述输出功率反馈值与所述目标风力发电机的额定功率的差值；

19、将所述差值与功率变化临界值进行比对；

20、如果比对确定所述差值小于所述功率变化临界值，则结束控制过程；

21、如果比对确定所述差值大于等于所述功率变化临界值，则控制变桨控制器的变桨控制系数大于偏航控制器的偏航控制系数，采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，以调整所述桨距角和所述偏航角，直至单位时间内所述输出功率反馈值与所述目标风力发电机的额定功率的差值小于所述功率变化临界值，完成对所述目标风力发电机输出功率的控制。

22、可选地，所述确定输出功率反馈值，包括：

23、获取当前所述目标风力发电机的风轮旋转角速度、风轮转速和风轮半径，根据所述风轮旋转角速度、所述风轮转速和所述风轮半径，计算所述目标风力发电机的叶尖速比，所述叶尖速比为桨叶尖部的线速度与所述目标风速的比值；

24、根据所述叶尖速比和所述桨距角，确定所述目标风力发电机的风能利用系数，并采用下述表达式，根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积、空气密度、所述目标风速和所述偏航角，计算所述输出功率反馈值；

25、

26、其中，cp为所述风能利用系数，cp＝f(λ,β)，其中λ为所述叶尖速比，β为所述桨距角；ρ为所述空气密度；a为所述风轮扫掠面积；v为所述目标风速；α为所述偏航角；r风轮半径。

27、可选地，所述采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，确定所述目标风力发电机的桨距角，包括：

28、为所述目标风力发电机的桨叶建立第一空间直角坐标系，所述第一空间直角坐标系以所述桨叶的横截面中心为坐标原点，以虚线轮毂轴线的平行线为x轴，以变桨轴为z轴；

29、调节后的变桨控制器控制变桨电机驱动所述桨叶沿指定方向旋转，以使所述桨叶对应的第一空间直角坐标系沿所述指定方向同步旋转；

30、确定所述第一空间直角坐标系旋转前的y轴与所述第一空间直角坐标系旋转后的y轴之间的夹角，将所述夹角作为所述桨距角。

31、可选地，所述采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，确定所述目标风力发电机的偏航角，包括：

32、为所述目标风力发电机的偏航运动平面建立第二空间直角坐标系，所述第二空间直角坐标系以塔架的横截面中心为坐标原点，以虚线轮毂轴线的平行线为x轴，以塔架轴线为z轴；

33、调节后的偏航控制器控制偏航电机驱动偏航运动机构沿指定方向旋转，以使所述偏航运动平面对应的第二空间直角坐标系沿所述指定方向同步旋转；

34、确定所述第二空间直角坐标系旋转前的x轴与所述第二空间直角坐标系旋转后的x轴之间的夹角，将所述夹角作为所述偏航角。

35、可选地，所述获取目标风力发电机的目标风速的同时，所述方法还包括：为所述变桨控制器设置初始风轮旋转角速度，为所述偏航控制器设置初始风轮转速。

36、依据本技术第二方面，提供了一种新型的风力发电机输出功率控制装置，该装置包括：

37、获取模块，用于获取目标风力发电机的目标风速和切出风速，所述目标风速用于指示所述目标风力发电机的风轮扫轮面接收到的风速；

38、调节模块，用于当所述目标风速大于所述切出风速时，获取所述目标风力发电机的桨距角，并在所述桨距角等于预设角度时，调节偏航控制器的偏航控制系数大于预设数值，调节变桨控制器的变桨控制系数等于所述预设数值；

39、确定模块，用于采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，确定所述目标风力发电机的桨距角和偏航角；

40、比对模块，用于获取所述目标风力发电机的风轮转速的反馈值，计算单位时间内所述风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值，将所述差值与转速临界值进行比对；

41、调整模块，用于如果比对确定所述差值小于所述转速临界值，则结束控制过程；如果比对确定所述差值大于等于所述转速临界值，则控制所述偏航控制器的偏航控制系数增大，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，以调整所述偏航角直至单位时间内所述风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值小于所述转速临界值，完成对所述目标风力发电机输出功率的控制。

42、可选地，所述调节模块，还用于获取所述目标风力发电机的切入风速；当所述目标风速大于所述切入风速且小于所述切出风速时，获取作用在所述风轮扫轮面上的风力加速度；将所述风力加速度与风力加速度临界值进行比对；若比对确定所述风力加速度小于等于所述风力加速度临界值，则调节所述变桨控制器的变桨控制系数大于所述偏航控制器的偏航控制系数，且调节后的变桨控制系数和调节后的偏航控制系数均大于所述预设数值。

43、可选地，所述调节模块，还用于若比对确定所述风力加速度大于所述风力加速度临界值，则调节所述偏航控制器的偏航控制系数大于所述变桨控制器的变桨控制系数，且调节后的变桨控制系数和调节后的偏航控制系数均大于所述预设数值。

44、可选地，所述确定模块，用于采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，确定所述目标风力发电机的桨距角和偏航角；

45、所述比对模块，还用于确定输出功率反馈值，计算单位时间内所述输出功率反馈值与所述目标风力发电机的额定功率的差值，将所述差值与功率变化临界值进行比对；

46、所述调整模块，还用于如果比对确定所述差值小于所述功率变化临界值，则结束控制过程；如果比对确定所述差值大于等于所述功率变化临界值，则控制变桨控制器的变桨控制系数大于偏航控制器的偏航控制系数，采用调节后的变桨控制器对所述目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对所述目标风力发电机执行偏航运动，以调整所述桨距角和所述偏航角，直至单位时间内所述输出功率反馈值与所述目标风力发电机的额定功率的差值小于所述功率变化临界值，完成对所述目标风力发电机输出功率的控制。

47、可选地，所述比对模块，用于获取当前所述目标风力发电机的风轮旋转角速度、风轮转速和风轮半径，根据所述风轮旋转角速度、所述风轮转速和所述风轮半径，计算所述目标风力发电机的叶尖速比，所述叶尖速比为桨叶尖部的线速度与所述目标风速的比值；

48、根据所述叶尖速比和所述桨距角，确定所述目标风力发电机的风能利用系数，并采用下述表达式，根据所述风能利用系数、风轮扫掠面积、空气密度、所述目标风速和所述偏航角，计算所述输出功率反馈值；

49、

50、其中，cp为所述风能利用系数，cp＝f(λ,β)，其中λ为所述叶尖速比，β为所述桨距角；ρ为所述空气密度；a为所述风轮扫掠面积；v为所述目标风速；α为所述偏航角；r风轮半径。

51、可选地，所述确定模块，用于为所述目标风力发电机的桨叶建立第一空间直角坐标系，所述第一空间直角坐标系以所述桨叶的横截面中心为坐标原点，以虚线轮毂轴线的平行线为x轴，以变桨轴为z轴；调节后的变桨控制器控制变桨电机驱动所述桨叶沿指定方向旋转，以使所述桨叶对应的第一空间直角坐标系沿所述指定方向同步旋转；确定所述第一空间直角坐标系旋转前的y轴与所述第一空间直角坐标系旋转后的y轴之间的夹角，将所述夹角作为所述桨距角。

52、可选地，所述确定模块，用于为所述目标风力发电机的偏航运动平面建立第二空间直角坐标系，所述第二空间直角坐标系以塔架的横截面中心为坐标原点，以虚线轮毂轴线的平行线为x轴，以塔架轴线为z轴；调节后的偏航控制器控制偏航电机驱动偏航运动机构沿指定方向旋转，以使所述偏航运动平面对应的第二空间直角坐标系沿所述指定方向同步旋转；确定所述第二空间直角坐标系旋转前的x轴与所述第二空间直角坐标系旋转后的x轴之间的夹角，将所述夹角作为所述偏航角。

53、可选地，所述装置还包括：

54、设置模块，用于为所述变桨控制器设置初始风轮旋转角速度，为所述偏航控制器设置初始风轮转速。

55、借由上述技术方案，本技术提供的一种新型的风力发电机输出功率控制方法及装置，本技术获取目标风力发电机的目标风速和切出风速。当目标风速大于切出风速时，获取目标风力发电机的桨距角，并在桨距角等于预设角度时，调节偏航控制器的偏航控制系数大于预设数值，调节变桨控制器的变桨控制系数等于预设数值。随后，采用调节后的变桨控制器对目标风力发电机执行变桨运动，采用调节后的偏航控制器对目标风力发电机执行偏航运动，确定目标风力发电机的桨距角和偏航角。进一步地，获取目标风力发电机的风轮转速的反馈值，计算单位时间内风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值，将差值与转速临界值进行比对。如果比对确定差值小于转速临界值，则结束控制过程。如果比对确定差值大于等于转速临界值，则控制偏航控制器的偏航控制系数增大，采用调节后的偏航控制器对目标风力发电机执行偏航运动，以调整偏航角直至单位时间内风轮转速的反馈值与初始风轮转速的差值小于转速临界值，完成对目标风力发电机输出功率的控制。本技术实施例使用气动特性调节器对风力发电机进行控制，以便在风速过快的情况下准确控制变桨控制器与偏航控制器，结合变桨控制和偏航控制策略来调节风力发电机的桨距角和偏航角，以使风力发电机可以在接近其额定功率的条件下运行，并且能够在较大的风速调节范围内维持运作。另外，通过实时监控风速和风向变化，气动特性调节器可以快速地对桨距角和偏航角作出调整，进而实现在风速波动时维持风力发电机输出功率的稳定输出。

56、上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。