具体实施方式

现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。

图1示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制方法的流程图。

在步骤S10，当接收到限功率运行的指令时，确定所述指令要求的功率值上限。

作为示例，可从风电场中控或风电场集群控制器接收限功率运行的指令，例如，风电场可因限电等原因对机组下达限功率运行的指令。

在步骤S20，确定所述要求的功率值上限是否处于与避转速区间对应的避功率区间。

作为示例，所述避功率区间的上边界值为基于避转速区间的上边界值确定的功率值，所述避功率区间的下边界值为基于避转速区间的下边界值确定的功率值，其中，避转速区间和避功率区间为开区间。

避转速/转速穿越控制为一种发电机的转速控制功能/策略，具体指通过对风力发电机组变流器的电磁扭矩和发电机转速进行控制，使风力发电机组在发电过程中快速通过某一转速范围(即，避转速区间)，防止其长时间停留在这个转速范围内，造成机组共振、载荷增加或其他问题。即，本发明所提及的避转速区间可以是出于对共振、降载或其他情况的考虑而设置的，本发明对此不作限制。

参照图2，风力发电机组由叶轮捕获风能，发电机和变流器构成能量转换单元，将风能转换为电能输送至电网。在图2的示例中，发电机包括定子和与叶轮机械连接的转子。变流器与定子绕组电性耦合连接。发电机为永磁发电机，转子中设置磁钢。风力发电机组为直驱型，变流器为全功率变流器，风能转化为的电能全部馈入电网。风力发电机组的控制器采集风速以及发电机当前的转速对变流器下发电磁扭矩控制信号，控制发电机定子绕组中的电流，以控制发电机的转速。由气动扭矩公式T_a＝0.5ρC_qπR³V²可知，气动扭矩T_a与风速V的平方成正比，其中，ρ表示机组所在外界环境的空气密度，C_q表示机组的扭矩系数，R表示叶轮半径。机组可以通过变桨系统实现对各个叶片的桨距角的控制，以此限制叶轮吸收风流的能量，进而调整气动扭矩。而发电机在完成电能转化的同时，可以控制发电机的电磁扭矩T_e。由△T＝T_a-T_e，dw＝△T/J1可知，发电机转速微分与气动扭矩T_a和电磁扭矩T_e的差值有关，其中，J1为转动惯量，w为角速度。综上可知，整个机组可通过变桨机制调节气动扭矩T_a和电磁扭矩T_e来实现机组的转速控制。

图3示出了发电机的转速-电磁扭矩运行曲线，其中，纵坐标指示电磁扭矩，横坐标指示转速。机组正常运行时转速处于Wsync与Wrated之间，而(Wlow，Whigh)为避转速区间，Wlow为避转速区间的下边界值，Whigh为避转速区间的上边界值，即机组不能长时间停留在此转速区间内。Tlow-max和Thigh-min对应于Wlow和Whigh这两个转速下的电磁扭矩控制需求，具体地，当转速随着风速达到A点时，按照避转速控制要求，转速不能再继续上升，此时转速将被控制在Wlow，如果此时风速增加，为了使转速维持在Wlow，电磁扭矩将从TA不断增加直至达到Tlow-max(即达到B点)，当在B点持续停留T1秒后，使转速以V1 rad/s的速度增大，直至转速达到Whigh，即，运行状态到达E点，如果此时风速进一步增加，则转速会继续向上增大；当在E点处风速降低，按照避转速控制要求，转速不能再继续下降，此时转速将被控制在Whigh，如果此时风速降低，则为了使转速维持在Whigh，电磁扭矩将从TE不断降低直至达到Thigh-min(即达到D点)，当在D点持续停留T2秒后，使转速以V2 rad/s的速度减小以向A点跳跃。其中，Wlow和Whigh可根据机组的设计频率(例如，包括塔架在内的结构部件的固有频率)来确定。

作为示例，所述避功率区间的上边界值可为避转速区间的上边界值(即，Whigh)与第一预设电磁扭矩(即，Tlow-max)的乘积，其中，第一预设电磁扭矩为在从低转速向高转速穿越避转速区间之前需停留的电磁扭矩值。

作为示例，所述避功率区间的下边界值可为避转速区间的下边界值(即，Wlow)与第二预设电磁扭矩(即，TA)的乘积，其中，第二预设电磁扭矩为风力发电机组刚达到避转速区间的下边界值时的电磁扭矩值。

返回图1，当在步骤S20确定处于所述避功率区间时，执行步骤S30，将风力发电机组的最大允许功率值设定为所述避功率区间的下边界值。换言之，风力发电机组的功率值不允许超过所述避功率区间的下边界值。此外，还可对发送限功率运行的指令的对象进行反馈，例如，反馈该风力发电机组的最大允许功率值设定为所述避功率区间的下边界值的信息。

当在步骤S20确定不处于所述避功率区间时，执行步骤S40，将风力发电机组的最大允许功率值设定为所述要求的功率值上限。换言之，风力发电机组的功率值不允许超过所述要求的功率值上限。

作为示例，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制方法还可包括：根据发电机的转速处于避转速区间的统计信息，识别风力发电机组是否存在反复通过避转速区间的异常，其中，当确定存在异常时，执行步骤S20。

作为示例，发电机的转速处于避转速区间的统计信息可以是能够用于判断发电机的转速是否经常处于或频繁进入避转速区间的统计信息。作为示例，发电机的转速处于避转速区间的统计信息可包括：发电机的转速处于避转速区间的统计时长和/或进入避转速区间的统计次数。

作为示例，风力发电机组的避转速情况可指发电机的转速进入或处于避转速区间的情况。作为示例，可当发电机的转速处于避转速区间的统计信息体现出转速经常处于或频繁进入避转速区间超过一定程度时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常。

考虑到控制的精准度，可在避转速区间内的两端预留一部分区间，认为转速在预留的区间内也属于正常运行情况，作为示例，发电机的转速处于避转速区间的统计信息可包括：发电机的转速处于避转速区间之中的第一预设区间的统计时长和/或进入第一预设区间的统计次数。这里，第一预设区间可为：(Wlow+We1，Whigh-We2)。

作为示例，发电机的转速可等于或不等于叶轮的转速。

作为示例，根据发电机的转速处于避转速区间的统计时长识别风力发电机组是否存在反复通过避转速区间的异常的步骤可包括：根据风力发电机组的历史运行时段的运行数据，确定所述历史运行时段中的每个时间间隔对应的避转速时长占比，其中，每个时间间隔对应的避转速时长占比为：该时间间隔内转速处于避转速区间之中的第一预设区间的总时长占预设时长的比例；并当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例的时间间隔的总数量超过第一预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常，其中，每个时间间隔的长度为所述预设时长。

作为示例，可以所述预设时长为间隔，将所述历史运行时段的运行数据，划分为M组运行数据，其中，每组运行数据包括：在连续N个采样时间点采集的发电机的N个转速值(即，每个采样时间点采集一次转速值共采集N个转速值)；将每组的N个转速值之中处于第一预设区间的转速值的数量与N之间的比值，作为相应的每个时间间隔对应的避转速时长占比，其中，M为大于1的整数，N为大于1的整数。应该理解，每组对应于一个时间间隔，不同组对应的时间间隔不同。

作为示例，所述预设标准比例可指示在正常避转速跳转情况下，在所述预设时长内，转速处于避转速区间的总时长占所述预设时长的比例，因而，当任一时间间隔对应的避转速时长占比超过这个正常比例时，可说明该时间间隔内的避转速情况存在异常。

作为示例，所述预设标准比例可基于以下项之中的至少一项而确定：风力发电机组从低转速向高转速穿越避转速区间所需的上跳时长(即，(Whigh-Wlow)/V1)、从高转速向低转速穿越避转速区间所需的下跳时长(即，(Whigh-Wlow)/V2)、预设的在所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数、以及所述预设时长的长度。

作为示例，所述预设标准比例可为Ks：T_max*I*J/L，其中，T_max指示所述上跳时长和所述下跳时长之中的最大值、I指示余量系数、J指示预设的在所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数、L指示所述预设时长的长度。

这里，所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数可根据实际运行情况、仿真模拟、人为经验之中的至少一项来确定。例如，当所述预设时长的长度为20min时，所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数可为10。为了在使用预设标准比例进行判断时留有一定的余量，能够接受一定程度的偏差，增加了一个余量系数I，例如，I可取1.1-1.5之间的数值。作为示例，T_max可为10-30s之间的数值，例如，Wlow＝7rpm，Whigh＝11rpm，设定的V1＝V2＝0.2rpm/s(即，避转速控制的要求是以每秒0.2rpm的速度快速通过避转速区间)，则正常穿越/跳跃一次避转速区间的时间就是T1＝T2＝(Whigh-Wlow)/V1＝20s，假设上跳速度V1和下跳速度V2相等，则上跳时间(Whigh-Wlow)/V1和下跳时间(Whigh-Wlow)/V2)相同，则T_max＝20s。例如，当L＝20min，J＝10，I＝1.2，T_max＝20s时，所述预设标准比例为0.2。

图4示出根据本发明示例性实施例的确定历史运行时段中的每个时间间隔对应的避转速时长占比的方法的流程图。

如图4所示，在步骤S101，获取风力发电机组的历史运行时段的运行数据，其中，所述运行数据包括转速值。

在步骤S102，以所述预设时长为间隔，将所述历史运行时段的运行数据，划分为M组运行数据，具体地，每隔预设时长对所述历史运行时段进行划分，划分得到的每个时间间隔的运行数据形成一组运行数据。每组运行数据包括：在连续N个采样时间点(也即，N个运行点)采集的发电机的N个转速值，并且，所述N个转速值按照对应的采样时间点的先后顺序被排列。应该理解，N取决于所述预设时长的长度和运行数据采样周期。

作为示例，所述历史运行时段可为最近一个月，所述预设时长可为10min-30min之间的数值。

在步骤S103，判断i是否小于或等于M，其中，i的初始值为1。

当在步骤S103确定i小于或等于M时，执行步骤S104，判断j是否小于或等于N，其中，j的初始值为1。

当在步骤S104确定j小于或等于N时，执行步骤S105，提取第i组运行数据中的第j个转速值w_ij，并使得j＝j+1。

在步骤S105之后，执行步骤S106，判断提取的第i组运行数据中的第j个转速值w_ij是否大于(Wlow+We1)且小于(Whigh-We2)。

当在步骤S106确定w_ij大于(Wlow+We1)且小于(Whigh-We2)时，执行步骤S107，令Ni＝Ni+1，并返回执行步骤S104，其中，Ni的初始值为0。

当在步骤S106确定w_ij≤(Wlow+We1)、或者w_ij≥(Whigh-We2)时，返回执行步骤S104。

当在步骤S104确定j大于N时，执行步骤S108，令Ki＝Ni/N，使得i＝i+1，并返回执行步骤S103。

当在步骤S103确定i大于M时，执行步骤S109，记录所有Ki，即，记录K1，K2，K3，……，KM。这里，所有Ki即为所述历史运行时段中的每个时间间隔对应的避转速时长占比。

本发明考虑到机组在避转速区间内反复通过的问题，如图5所示，避转速区间为(9，11.5)，图5中示出了机组转速频繁处于避转速区间的情况，而这会导致机组共振异常、载荷超限等问题。本发明分析后得知这种情况一般是由于如果外界有限功率指令，机组会根据所限功率来控制发电机当前的转速，而如果功率限值对应的转速正好在避转速区间内，如图5中，功率限值为1MW，对应的转速为10.5rpm，导致避转速功能失效，这使得机组长期运行于避转速区间内，出现避转速情况异常。

在现有技术中，关于风力发电机组反复通过避转速区间的异常评估还属于空白，主要原因是：上述原因的不确定性，很难在样机测试时发现，尤其是风场限电具有很大的不确定性。而反复通过避转速区间的异常往往会带来以下两种问题：一是长时间处于避转速区间运行，振动增大到相应的保护阈值时，导致停机故障；二是长时间或短时处于避转速区间运行，但振动未达到相应的保护阈值，短期内可能看不到影响(例如，停机故障)，但长期累积下去会带来发电量损失和部件疲劳寿命折损，造成以发电量损失和部件损坏为代价，但即使是这样也很难发现造成上述问题的原因是避转速情况异常。

因此，作为示例，可当发电机的转速在限功率运行状态下频繁处于避转速区间时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常。

作为示例，可当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例且对应于限功率运行状态的时间间隔的总数量超过第二预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常，换言之，确定避转速情况异常且导致避转速情况异常的原因是：机组根据限功率指令确定的转速最大运行范围与避转速区间发生重叠，因此，需执行步骤S20-S30，以尽量避免风力发电机组的避转速情况异常。这里，对应于限功率运行状态的时间间隔指：风力发电机组在该时间间隔时处于限功率运行状态。

作为另一示例，可当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例且对应于预设风速段的时间间隔的总数量超过第三预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常，其中，所述预设风速段为在避转速区间所对应的风速段附近的风速段。作为示例，避转速区间所对应的风速段为在哪一风速段，转速会进入避转速区间。作为示例，在避转速区间所对应的风速段附近的风速段可为：包括避转速区间所对应的风速段的风速段，且该风速段的下边界值比避转速区间所对应的风速段的下边界值小第一预设值，上边界值比避转速区间所对应的风速段的上边界值大第二预设值。对应于预设风速段的时间间隔指：风力发电机组在该时间间隔时环境风速值处于所述预设风速段。

图6示出风力发电机组的不同时间间隔对应的避转速时长占比Ki的分布情况，图中的横坐标指示风速，纵坐标指示Ki值，所述预设标准比例Ks为0.2，每个点指示风力发电机组在一个时间间隔下对应的避转速时长占比，因此，避转速时长占比超过0.2的点为异常点，否则为正常点。可以看出，图6中的点集为明显的柱状结构，以风速6m/s附近为最高点，此时对应的正好是避转速区间对应的风速点，风所提供的能量使转速处于避转速区间的上边界值和下边界值之间，也就是说如果风速偏小，转速会长时间停留在下边界值，如果风速偏大，转速会长时间停留在上边界值。如图6所示，异常点呈柱状分布，且异常点最大的Ki值达到了1，即，在一些时间间隔，机组转速长时间处于避转速区间。因此，根据避转速时长占比的这种分布情况(即，出现大量的对应的风速处于避转速区间所对应的风速段附近(即，4-9m/s)的异常点，且这些异常点呈柱状分布、部分异常点的Ki值较大)，可确定风力发电机组的避转速情况异常是由限功率运行所引起的，具体地，机组的功率与转速相关，往往越高的功率对应的机组转速越高，因而限功率时会查找限功率需求值对应的转速设定值，并以这个值作为转速控制目标，一旦限功率需求值对应的转速设定值在避转速区间内，就会造成避转速情况异常，因此，可通过执行步骤S20-S30来改善这种情况。

根据本发明的示例性实施例，能够快速、准确地评估风力发电机组的避转速情况是否存在异常，并进一步结合根因分析和诊断，针对造成避转速情况异常的原因进行相应处理，以实现跳出异常，回归机组正常运行状态，避免进一步的振动超限和载荷增大。

图7示出根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制装置的框图。

如图7所示，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制装置包括：确定单元10、判断单元20、以及设定单元30。

具体说来，确定单元10用于当接收到限功率运行的指令时，确定所述指令要求的功率值上限。

判断单元20用于确定所述要求的功率值上限是否处于与避转速区间对应的避功率区间。所述避功率区间的上边界值为基于避转速区间的上边界值确定的功率值，所述避功率区间的下边界值为基于避转速区间的下边界值确定的功率值，其中，避转速区间和避功率区间为开区间。

设定单元30用于当处于所述避功率区间时，将风力发电机组的最大允许功率值设定为所述避功率区间的下边界值。

作为示例，当不处于所述避功率区间时，设定单元30可将风力发电机组的最大允许功率值设定为所述要求的功率值上限。

作为示例，所述避功率区间的上边界值可为避转速区间的上边界值与第一预设电磁扭矩的乘积，所述避功率区间的下边界值可为避转速区间的下边界值与第二预设电磁扭矩的乘积，其中，第一预设电磁扭矩为在从低转速向高转速穿越避转速区间之前需停留的电磁扭矩值，其中，第二预设电磁扭矩为风力发电机组达到避转速区间的下边界值时的电磁扭矩值。

作为示例，所述装置还可包括：异常识别单元(未示出)，异常识别单元根据发电机的转速处于避转速区间的统计信息，识别风力发电机组是否存在反复通过避转速区间的异常，其中，当存在异常时，判断单元20确定所述要求的功率值上限是否处于与避转速区间对应的避功率区间。

作为示例，发电机的转速处于避转速区间的统计信息可包括：发电机的转速处于避转速区间的统计时长和/或进入避转速区间的统计次数。

作为示例，异常识别单元可根据风力发电机组的历史运行时段的运行数据，确定所述历史运行时段中的每个时间间隔对应的避转速时长占比；当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例的时间间隔的总数量超过第一预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常，其中，每个时间间隔对应的避转速时长占比为：该时间间隔内转速处于避转速区间之中的第一预设区间的总时长占预设时长的比例，其中，每个时间间隔的长度为所述预设时长。

作为示例，异常识别单元可当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例且对应于限功率运行状态的时间间隔的总数量超过第二预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常；或者，异常识别单元可当所述历史运行时段之中对应的避转速时长占比超过预设标准比例且对应于预设风速段的时间间隔的总数量超过第三预设数量时，确定风力发电机组存在反复通过避转速区间的异常，其中，所述预设风速段为在避转速区间所对应的风速段附近的风速段。

作为示例，异常识别单元可以所述预设时长为间隔，将所述历史运行时段的运行数据，划分为M组运行数据，其中，每组运行数据包括：在连续N个采样时间点采集的发电机的N个转速值；并将每组的N个转速值之中处于第一预设区间的转速值的数量与N之间的比值，作为相应的每个时间间隔对应的避转速时长占比，其中，M为大于1的整数，N为大于1的整数。

作为示例，所述预设标准比例可基于以下项之中的至少一项而确定：风力发电机组从低转速向高转速穿越避转速区间所需的上跳时长、从高转速向低转速穿越避转速区间所需的下跳时长、预设的在所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数、以及所述预设时长的长度。

作为示例，所述预设标准比例可为：T_max*I*J/L，其中，T_max指示所述上跳时长和所述下跳时长之中的最大值、I指示余量系数、J指示预设的在所述预设时长内正常可穿越避转速区间的次数、L指示所述预设时长的长度。

应该理解，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制装置所执行的具体处理已经参照图1-6进行了详细描述，这里将不再赘述相关细节。

应该理解，根据本发明示例性实施例的风力发电机组的避转速控制装置中的各个单元可被实现硬件组件和/或软件组件。本领域技术人员根据限定的各个装置所执行的处理，可以例如使用现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)来实现各个装置。

此外，本发明的示例性实施例还提供一种风力发电机组，如图2所示，该风力发电机组包括发电机、变流器、数据采集模块(图中未示出)和控制器，其中，所述发电机包括定子和与叶轮机械连接的转子；所述变流器与定子绕组电性耦合连接；数据采集模块被配置为采集发电机的转速；控制器被配置为设置变流器的电磁扭矩参数，以控制所述定子绕组中的电流，从而控制发电机的转速，所述控制器被配置为执行如上述示例性实施例所述的风力发电机组的避转速控制方法。作为示例，数据采集模块可包括转速传感器。此外，数据采集模块还可被配置为采集风力发电机组的电磁扭矩、环境风速等信息。

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，当所述计算机程序被处理器执行时实现如上述示例性实施例所述的风力发电机组的避转速控制方法。该计算机可读存储介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读存储介质的示例包括：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)。

虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。