專利名稱：一種定槳距變速風力發(fā)電機組的全風速功率控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機技術(shù)領域的控制方法，實現(xiàn)定槳距變速風力發(fā)電機組在不同風速段所需的控制目標，即在額定轉(zhuǎn)速對應的風速以下實現(xiàn)最大功率輸出，在額定轉(zhuǎn)速對應的風速以上和額定風速以下實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速運行，而在額定風速以上則實現(xiàn)恒功率運行。

背景技術(shù)：
風能作為一種潔凈的可再生能源，近些年來得到了廣泛的開發(fā)和利用，尤其是風力發(fā)電技術(shù)，更是成為當前國內(nèi)外關(guān)注的熱點。由于風能資源具有隨機性和波動性，無論風向還是風速都在不斷的變化，所以風力機產(chǎn)生的能量也隨風速的變化而變化，這就要求對風力發(fā)電機組進行合理的控制，在保證機組安全可靠運行的前提下，盡可能多的吸收風能。
通常，風力發(fā)電機組的控制可以分為三個工況(階段)1)最大功率跟蹤工況在該階段內(nèi)根據(jù)風速的變化情況調(diào)整風力機的轉(zhuǎn)速，使風力機運行于最大風能利用系數(shù)附近，提高機組的風能利用效率；2)恒轉(zhuǎn)速工況該階段處于MPPT和恒功率兩個工況之間，即機組的轉(zhuǎn)速達到了上限值，而功率尚未到達額定值，此時機組將以恒定轉(zhuǎn)速運行，但功率仍隨風速的增加而增大；3)恒功率工況即當機組吸收的功率達到功率上限，為保證機組的安全和可靠運行，需要通過一定手段限制機組的功率進一步增長。
早期的風力發(fā)電機組以定槳距恒速機組為主，雖然結(jié)構(gòu)簡單可靠，但只有在一兩個固定風速下才能實現(xiàn)最佳風能利用，風能利用效率低，機組的年發(fā)電量小，導致風電的成本較高，目前已經(jīng)逐漸被變速機組取代。附圖1給出了定槳距失速型機組的典型輸出功率曲線，在額定風速以上，機組的輸出功率反而有所下降。
對于變速機組，根據(jù)風力機槳葉的槳距角是否可調(diào)，通常可以分為定槳距機組和變槳距機組兩大類型。定槳距機組的槳葉與輪轂之間屬于剛性聯(lián)接，槳距角固定不變，機組在額定風速以上的功率調(diào)節(jié)主要依賴于葉片自身的翼型設計和失速性能。文獻《風力發(fā)電機組的控制技術(shù)》對定槳距機組葉片的失速調(diào)節(jié)原理進行了詳細的闡述。定槳距機組具有機構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點，但也存在一些固有的缺陷即風力發(fā)電機組的性能受到槳葉失速性能的限制。另外，在失速區(qū)運行時風力機承受的機械載荷較大，限制了其在兆瓦級以上的大容量機組的應用。但定槳距機組在兆瓦級以下的機組仍有很大競爭優(yōu)勢。
變槳距機組是指槳葉與輪轂通過變槳軸承活性相連，其基本控制原理是指在額定風速以下，調(diào)節(jié)槳葉到一個合適的固定位置，使得機組的輸出功率最大，而在額定風速以上，通過實時的改變槳葉的槳距角來減小風能利用系數(shù)Cp，從而將機組的輸出功率穩(wěn)定在額定值附近。槳距角可以正向調(diào)節(jié)，也可以反向調(diào)節(jié)。隨著風速增加槳距角變小的稱為順槳調(diào)節(jié)，反之則稱為逆槳調(diào)節(jié)，通常稱為主動失速調(diào)節(jié)。與定槳距機組相比，變槳距機組多了一個可控變量，機組的功率調(diào)節(jié)更加靈活，方便。但是相對應的，變槳距控制和執(zhí)行機構(gòu)的引入，無疑增加了機組的復雜度，也提高了機組的制造和維護成本，利弊共存。JohanRibrant等在文獻《Survey of Failures in Wind Power Systems with Focus on SwedishWind Power Plants during 1997-2005》中客觀的分析了當前風電市場上風電機組各個部件的可靠性，就目前來看，變槳機構(gòu)及其電控系統(tǒng)的可靠性有待進一步提高。另外，國內(nèi)對變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)的研究尚處于起步階段，核心技術(shù)仍被其他先進國家所壟斷。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在為定槳距變速風力發(fā)電機組在全風速范圍內(nèi)提供一種功率控制方法，保證機組可以高效、安全的運行。
本發(fā)明所述的定槳距變速風力發(fā)電機組的全風速功率控制方法，控制的原理框圖如附圖3、附圖4、附圖5中所示，(這里指出，這三個圖中所示的控制方法是相同的，不同點在于連接的方法不同，屬于相同控制思想。故后面分析時默認以附圖3為例來分析。)其特征在于 1)控制方法由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)①、最大功率跟蹤環(huán)節(jié)②和最大功率限制環(huán)節(jié)③三個部分構(gòu)成； 2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(如附圖3①所示)將參考轉(zhuǎn)速(最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的輸出值)ω*與機組的實際轉(zhuǎn)速反饋ω之間的誤差Δω作為PID1調(diào)節(jié)器的輸入，輸出值作為網(wǎng)側(cè)變換器的q軸電流給定iq*，控制發(fā)電機的有功功率，即發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。參考轉(zhuǎn)速的最大值為最大功率跟蹤環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器的最大飽和輸出值。
3)最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)(如附圖3②所示)根據(jù)當前的轉(zhuǎn)速，計算出當前轉(zhuǎn)速對應的最優(yōu)輸出功率，作為機組最優(yōu)輸出功率的給定值Popt*，該值與實際輸出電功率(不考慮效率是為輸出功率)反饋值Pe的誤差作為PID2調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的參考給定。在額定風速以下，參與最優(yōu)功率計算的轉(zhuǎn)速就是機組的運行轉(zhuǎn)速；而在額定風速以上，其值為機組的運行轉(zhuǎn)速加上最大功率限制環(huán)節(jié)的輸出值ωcom。
4)功率限制環(huán)節(jié)(如附圖3③所示)功率限制的思想是將風機運行的氣動功率反饋信號Pm與最大功率限制給定Prated的差ΔPm作為PID3調(diào)節(jié)器的輸入，旨在降低轉(zhuǎn)速，限定風機運行的氣動功率。
本發(fā)明能夠?qū)Χ鄼C組施加有效的控制，令其在全風速范圍內(nèi)根據(jù)設定的工況要求運行，不僅改善了機組在中低風速段的風能利用系數(shù)，同時解決了機組在高風速段的限轉(zhuǎn)速和限功率運行。而且，本發(fā)明提出的方法實現(xiàn)了不同運行工況之間的自然過渡，大大降低了工況切換時產(chǎn)生的瞬態(tài)過載和機械載荷，有助于提高機組的服役壽命。
與變槳距機組相比，結(jié)合本發(fā)明提出的控制方法的定槳距變速機組，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、穩(wěn)定可靠等特點。本發(fā)明對促進我國風電產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展具有積極的意義。



附圖1是定槳距失速型機組的典型輸出功率曲線。
附圖2是本發(fā)明的定槳距變速風力發(fā)電機組的系統(tǒng)框圖。
附圖3是本發(fā)明提出的將最大功率限制環(huán)節(jié)的輸出補償至轉(zhuǎn)速反饋的控制框圖。
附圖4是本發(fā)明提出的將最大功率限制環(huán)節(jié)的輸出補償至輸出電功率反饋的控制框圖。
附圖5是本發(fā)明提出的將最大功率限制環(huán)節(jié)的輸出補償至最優(yōu)輸出電功率給定連接方式的控制框圖。
附圖6是氣動功率觀測器。
附圖7本發(fā)明實施例中風機的Cp-λ特性曲線。
附圖8是在本發(fā)明全風速功率控制方法控制下機組的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速-風速曲線。
附圖9MPPT等效控制框圖。
附圖10恒轉(zhuǎn)速運行等效控制框圖。
附圖11MPPT以及限功率控制示意圖。
附圖12風速變化時機組各關(guān)鍵參數(shù)的變化情況。
附圖1-附圖12中的符號定義如表1所示 表1附圖符號說明
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)實施方案及詳細工作原理進行說明 附圖2所示的是本發(fā)明定槳距機組的整體結(jié)構(gòu)框圖。本發(fā)明的控制方法部分由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)、最優(yōu)功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和功率限制環(huán)節(jié)三個部分組成，如附圖3、附圖4、附圖5中所示。旨在分別實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)速限制、最大功率跟蹤控制和最大功率限制功能。
本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)是指將最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)的輸出作為轉(zhuǎn)速給定，其與實際轉(zhuǎn)速的誤差作為PID1調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器的輸出作為電機側(cè)變換器的q軸電流給定。電機側(cè)的PWM整流器通常采用定子磁場定向控制，d軸電流對應無功功率，而q軸電流則對應有功功率。通常，將d軸電流控制為零，則發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為Te＝1.5NpΨ0iq。由此可見，控制q軸電流就等效為控制了發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。隨著風速增加，最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)輸出值也會逐漸增加。當風速增加到一定值后，PID2調(diào)節(jié)器的輸出達到飽和，此后即使風速進一步提高，機組的轉(zhuǎn)速無法再增加，該轉(zhuǎn)速就是機組的額定轉(zhuǎn)速。
本發(fā)明所述的最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)是指在風速變化時，調(diào)節(jié)風力機的轉(zhuǎn)速，使機組運行于最大風能利用系數(shù)。定槳距風力機的氣動功率可以表示為Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)，式中ρ為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速，Cp(λ)為風能利用系數(shù)，其中λ＝ωR/v，為ω風輪的角速度。當λ等于最佳葉尖速比λopt的時候，風能利用系數(shù)最大，此時對應的轉(zhuǎn)速為最優(yōu)轉(zhuǎn)速ωopt。由此，可以得到在最優(yōu)轉(zhuǎn)速下風機的輸出功率Pmopt＝0.5ρπR5ωopt3Cp(λopt)/λopt3。故只要根據(jù)轉(zhuǎn)速給出該轉(zhuǎn)速下對應的最優(yōu)輸出功率，并作為功率控制環(huán)節(jié)的參考功率。該最優(yōu)功率給定與功率反饋的誤差經(jīng)PID2調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速給定。
本發(fā)明所述的功率限制環(huán)節(jié)是指在額定風速以上，通過在轉(zhuǎn)速反饋信號上施加一個補償量，該補償量由實際氣動功率反饋與功率限制給定之差經(jīng)PID3調(diào)節(jié)器產(chǎn)生。在額定風速一下，氣動功率小于功率限定值，調(diào)節(jié)器PID3負飽和，輸出為零，對MPPT和限速環(huán)節(jié)不造成影響。而風速高于額定風速后，調(diào)節(jié)器PID3退出飽和狀態(tài)，向轉(zhuǎn)速反饋引入一個補償量。使得一定轉(zhuǎn)速下實際的輸出功率要高于該轉(zhuǎn)速對應的最優(yōu)功率。換句話，在額定風速以上，隨著風速的變化，轉(zhuǎn)速補償量ωcom會變化，從而使得機組的轉(zhuǎn)速也做出對應的變化，將機組的輸出功率維持在額定值附近。需要說明的是，在風速突變的時候，機組在動態(tài)過程中實際的輸出功率會輕微的超出額定功率。
另外特別指出，本實施例中用到了風機的氣動功率，而氣動功率不能測量得到，本發(fā)明中采用了氣動功率觀測器的方法。因其不是本發(fā)明的闡述重點，這里只作簡要的介紹以方便理解(其正確性已通過驗證)。
附圖6所示為氣動功率觀測器實施框圖，現(xiàn)說明其原理。
機組的運動方程 式中，Tm為氣動轉(zhuǎn)矩，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，J為機組的轉(zhuǎn)動慣量，B為系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，ω為機組的轉(zhuǎn)速。其中電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是較為容易測量的變量，而J和B又是系統(tǒng)的固有系數(shù)，可以通過測量計算得到，自然Tm也就可以計算出來。
由式(1)可以構(gòu)造出氣動功率觀測器，如附圖6所示。圖中，Pe為機組最終輸出的電功率，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩可有電功率和轉(zhuǎn)速計算得到，即Te＝Pe/ω。如果PI調(diào)節(jié)器的速度足夠，可以近似的認為ω等于ωobs。那么，由圖可以知道PI調(diào)節(jié)器的輸出為Jsω+Bω+Te，即氣動轉(zhuǎn)矩Tm，obs，從而可得氣動功率Pm，obs＝Tm，obs*ω。
工作原理及工作過程 下面就結(jié)合前面敘述的本發(fā)明的具體實施方案探討其是如何實現(xiàn)風機最大功率跟蹤工況、恒轉(zhuǎn)速工況以及恒功率工況以及各工況之間的切換。
工況1最大功率跟蹤
此工況內(nèi)，氣動功率Pm遠小于最大功率限制給定Prated，調(diào)節(jié)器PID3反向飽和，恒等于零。調(diào)節(jié)器PID2和調(diào)節(jié)器PID1正常工作，系統(tǒng)等效為雙環(huán)結(jié)構(gòu)。外環(huán)是功率環(huán)，即根據(jù)當前的轉(zhuǎn)速查詢或計算出該轉(zhuǎn)速對應的最佳功率Popt*，使輸出電功率Pe等于該功率，外環(huán)調(diào)節(jié)器PID2的輸出作為轉(zhuǎn)速內(nèi)環(huán)的參考給定。通常，對于多環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)響應速度要遠高于外環(huán)的調(diào)節(jié)速度，故在分析外環(huán)的時候可以近似的將內(nèi)環(huán)等效為一個比例環(huán)節(jié)，由此系統(tǒng)可以簡化為如附圖9所示。
實際上，簡化后的控制框圖就是基于轉(zhuǎn)速反饋最大功率跟蹤算法，假設當前風速v1下風機運行在最大功率點a點下，此時風機的轉(zhuǎn)速為ωa，功率等于Pa。如果某一時刻風速突然增加到v0，而轉(zhuǎn)速由于慣性仍然維持在ωa，故控制方法計算的最佳功率仍是Pa。但是此時風機吸收的功率已經(jīng)增加至Pa’，要大于給定的負載功率Pa，轉(zhuǎn)速開始上升，直到轉(zhuǎn)速等于ωa’，此時風機吸收的功率等于負載功率，均為Pa”，該功率即是風速v1下的最大功率點。相反，當風速減小時，按照相同的分析方法可得相同的結(jié)果，風機會穩(wěn)定運行于一個較小的轉(zhuǎn)速。
工況2恒轉(zhuǎn)速
隨著風速的增加，機組的轉(zhuǎn)速和功率也相應的增加，其中轉(zhuǎn)速比功率先行到達額定值，此時調(diào)節(jié)器PID2正向飽和，該飽和值即作為機組額定轉(zhuǎn)速的參考值。而調(diào)節(jié)器PID3仍然維持反向飽和。只有調(diào)節(jié)器PID1正常工作，機組等效為單轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)，等效控制框圖如附圖10。
工況3恒功率
隨著風速進一步上升，機組的功率靠近額定功率。需要降低轉(zhuǎn)速使機組進入失速區(qū)，以達到限制氣動功率的目的，因此PID2和PID3均退出飽和。功率限制調(diào)節(jié)器，即調(diào)節(jié)器PID3輸出值作為轉(zhuǎn)速補償加入轉(zhuǎn)速反饋信號中，旨在提高輸出功率，達到限制轉(zhuǎn)速的目的，具體分析如下 假設風機在b點時達到額定功率，此時對應額定風速為v2，機組轉(zhuǎn)速為ωb。此時如果風速在增加，PID3退出飽和參與工作，輸出一個轉(zhuǎn)速補償信號ωcom加到轉(zhuǎn)速反饋信號中。從而使得通過最有功率曲線查出的功率大于風機實際運行的功率為Pobs(ωb+ωcom)，該功率作為PID2的給定，調(diào)節(jié)的結(jié)果使得電功率大于限定的氣動功率使得轉(zhuǎn)速下降，直到氣動功率穩(wěn)定于限定值Prated。該過程如附圖11中示意。
為說明本發(fā)明的正確性和可行性，以一個實際的永磁直驅(qū)定槳距機組為例進行了仿真驗證，表2中給出了本實施例中的相關(guān)參數(shù)。
表2本發(fā)明實施例中相關(guān)參數(shù) 附圖12風速變化時機組各關(guān)鍵參數(shù)的變化情況給出風速從小到大不斷突變時機組氣動功率Pm、輸出電功率Pe、風能利用系數(shù)Cp和轉(zhuǎn)速ω的變化情況。在t0＝5s時，風速從8m/s突變到11m/s，由于轉(zhuǎn)速和功率均沒有達到額定值，從突變前后的風能利用系數(shù)Cp值可以看出(Cp達到實際風輪的設計最大值0.277)，機組工作在最大功率功率跟蹤狀態(tài)工況1。在t1＝10s時，風速從11m/s突變?yōu)?6m/s，從轉(zhuǎn)速曲線可以看出，機組的轉(zhuǎn)速很好的限制在額定轉(zhuǎn)速50rad/s，風能系統(tǒng)系數(shù)Cp開始變小，風輪開始失速運行。機組工作在恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)工況2。在t2＝15s時，風速突變25m/s，超過額定風速。受功率外環(huán)的限制，機組的氣動功率僅出現(xiàn)了微小的過載，而輸出電功率則一直在額定功率1500W以下，轉(zhuǎn)速ω和Cp都有下降，葉片進入深度失速區(qū)，此時機組恒功率運行工況3。結(jié)果顯示本發(fā)明提出的控制方法實現(xiàn)了不同風速段風力發(fā)電機組所需的運行目標。
權(quán)利要求
1.一種定槳距變速風力發(fā)電機組的全風速功率控制方法，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)①、最大功率跟蹤環(huán)節(jié)②和最大功率限制環(huán)節(jié)③三個部分構(gòu)成
1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)①將參考轉(zhuǎn)速(最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的輸出值)ω*與機組的實際轉(zhuǎn)速反饋ω之間的誤差Δω作為PID1調(diào)節(jié)器的輸入，輸出值作為網(wǎng)側(cè)變換器的q軸電流給定iq*，控制發(fā)電機的有功功率，即發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。參考轉(zhuǎn)速的最大值為最大功率跟蹤環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器的最大飽和輸出值。
2)最大功率跟蹤控制環(huán)②根據(jù)當前的轉(zhuǎn)速，計算出當前轉(zhuǎn)速對應的最優(yōu)輸出功率，作為機組最優(yōu)輸出電功率的給定值Popt*，該值與實際輸出電功率反饋值Pe的誤差作為PID2調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)的參考給定。
3)功率限制環(huán)③將風機運行的氣動功率反饋信號Pm與最大功率限制給定Prated的差ΔPm加至PID3調(diào)節(jié)器。其輸出作為補償信號加到最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)②，有三種不同的連接方式第一種，PID3的輸出作為轉(zhuǎn)速補償與最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)②的轉(zhuǎn)速反饋信號相加；第二種，PID3的輸出作為功率補償與最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)②的輸出電功率的反饋信號相減；第三種，PID3的輸出作為功率補償與最大功率跟蹤控制環(huán)節(jié)②的最優(yōu)輸出電功率給定值Popt*信號相加。
全文摘要
一種定槳距變速風力發(fā)電機組的全風速功率控制方法，屬風力發(fā)電技術(shù)領域的控制方法，可以實現(xiàn)定槳距變速風力發(fā)電機組在不同風速段高效、安全運行的控制目標。該控制方法由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)①、最大功率跟蹤環(huán)節(jié)②和最大功率限制環(huán)節(jié)③三個部分構(gòu)成。其中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PID1組成；最大功率跟蹤控制環(huán)由轉(zhuǎn)速反饋最佳功率控制算法和調(diào)節(jié)器PID2組成；最大功率限制環(huán)節(jié)由氣動功率觀測器和調(diào)節(jié)器PID3組成。運用本發(fā)明控制方法可以方便的實現(xiàn)機組額定轉(zhuǎn)速對應的風速以下的最大功率跟蹤、額定轉(zhuǎn)速對應的風速以上和額定風速以下的恒轉(zhuǎn)速運行、額定風速以上的恒功率運行以及這三個工況之間的軟切換。在我國定槳距變速風力發(fā)電機組中有一定的應用前景。
文檔編號F03D7/04GK101769232SQ20101001798
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月19日
發(fā)明者陳杰, 陳家偉, 陳冉, 陳軼涵, 龔春英, 陳志輝, 嚴仰光 申請人:南京航空航天大學