專利名稱：基于功率反饋的風力發(fā)電機組全風速范圍運行控制策略的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是針對風力發(fā)電技術領域所提出的一種風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，方便的 實現(xiàn)了定槳距變速風力發(fā)電機組在額定轉速對應的風速以下的最大功率跟蹤控制、額定轉 速對應的風速和額定風速之間的恒轉速過渡運行控制以及額定風速以上的恒功率運行控 制。
背景技術：
近些年來，新能源的開發(fā)和利用被普遍認為是第四次工業(yè)革命，可再生能源發(fā)電 技術迅速發(fā)展。其中風力發(fā)電技術因技術成熟等因素，更是成為當前國內外關注的熱點和 研究的重點。由于風能資源具有隨機性，無論風向還是風速都在不斷的變化，所以風機產生 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，變速風力發(fā)電機組的控制可以分為兩種運行模式1)最大功率跟蹤運行模 式。在該運行情況下需要控制系統(tǒng)根據風速而變化機組運行的轉速，使得機組始終運行于 最大風能利用系數(shù)處，最大限度的捕獲風能，提高風機的效率；2)恒功率運行模式。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，需要控制系統(tǒng)控制機組始終運 行于額定功率處。附圖1示出了定槳距變速機組的最佳功率曲線，由兩段構成即額定風速 以下的最大功率跟蹤運行段和額定風速以上的恒功率運行段。要實現(xiàn)以上兩個模式，變槳距機組因槳葉與輪轂通過變槳軸承活性相連，在額定 風速以下，可調節(jié)槳葉到一個合適漿距角固定，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。而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，要實現(xiàn)額定 風速以上的恒功率運行比較復雜?？墒?，定槳距機組具有結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，目前 在兆瓦級以下的風力發(fā)電機組市場具有很大競爭優(yōu)勢。所以有必要研制出一套可適應定槳 距風力發(fā)電機組的、簡單的、適應于全風速范圍運行的控制策略。針對定槳距風力發(fā)電機組的功率控制策略目前國內外也做了很多的研究。文獻中 所提及的控制方法大都為采用兩套不同的控制策略即最大功率跟蹤運行控制策略和恒功 率運行控制策略。根據檢測到的機組功率是否到達額定功率來完成兩套不同的控制策略之 間的切換，從而將機組控制在不同的運行模式。這些方法雖然能夠控制風機的功率，但是在 切換過程中會出現(xiàn)過大的功率超調，給機組造成很大的機械應力，降低了機組的使用壽命。本發(fā)明中提及了一種新的定槳距機組的功率控制策略。該控制策略在最大功率跟 蹤運行模式和恒功率運行模式之間引入恒轉速運行模式，將機組運行轉速限制在額定轉速 以內，提高了機組安全運行性能。此外，僅采用兩個調節(jié)環(huán)節(jié)就同時實現(xiàn)了最大功率跟蹤、 恒轉速、恒功率三種運行模式以及三種模式之間的軟切換。本發(fā)明所述的控制方法簡單且 具有高可靠性。

發(fā)明內容
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提供一種簡單可靠的功 率控制方法，以保證機組高效、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所示，其特征在于1)、控制方法由轉速控制環(huán)調節(jié)器1、最大功率跟蹤控制策略及功率限制環(huán)調節(jié)器 2組成。2)、轉速控制環(huán)調節(jié)器1 將參考轉速(最大功率跟蹤策略的輸出值)ω。ρ 與機組 的實際轉速反饋ω之間的誤差Δ ω作為調節(jié)器1的輸入，輸出值作為網側變換器的q軸 電流給定i:，控制發(fā)電機的有功功率，也即發(fā)電機的電磁轉矩。參考轉速的最大值為最大 功率跟蹤策略的最大輸出值，并將該值設定為機組的額定轉速ων。3)、最大功率跟蹤控制策略首次采用功率反饋最佳轉速最大跟蹤控制策略，由機 組運行的氣動功率&直接計算出機組當前運行功率所對應的最佳轉速指令ω。pt，方便的實 現(xiàn)了最大功率跟蹤控制。4)、功率限制環(huán)調節(jié)器2 功率限制的思想是將風機運行的氣動功率反饋信號已 與機組額定功率Pn的差Δ P疊加至調節(jié)器2，旨在提供一個轉速補償信號ω。。ω。機組正常 工作時，該補償信號為0 ；而當機組功率大于額定功率時，該補償信號與ω_相減，使得轉 速給定信號減小，從而降低機組轉速達到限定風機運行的氣動功率的目的。本發(fā)明能夠對定槳距機組施加有效的控制，令其在全風速范圍內根據設定的模式 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 恒功率運行。而且，本發(fā)明提出的方法實現(xiàn)了不同運行模式之間的自然過渡，大大降低了模 式切換時產生的瞬態(tài)過載和機械載荷，有助于提高機組的服役壽命。


附圖1是定槳距變速型風力發(fā)電機組的最佳輸出功率曲線。附圖2是風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖。附圖3是定槳距變速風力發(fā)電機組的控制框圖。附圖4是氣動功率觀測器。附圖5本發(fā)明實施例中定槳距變速機組的穩(wěn)態(tài)轉速-風速曲線。附圖6最大功率跟蹤運行等效控制框圖。附圖7恒轉速運行等效控制框圖。附圖8恒功率運行等效控制框圖。附圖9本發(fā)明實施例中定槳距風力機Cp-λ曲線。附圖10最大功率跟蹤運行示意圖。附圖11本發(fā)明實施例中實驗機組功率-轉速實驗曲線附圖12本發(fā)明實施例中實驗機組功率-風速實驗曲線附圖1-附圖12中的符號定義如表1所示表1附圖符號說明
權利要求
一種簡單可靠的定槳距變速風力發(fā)電機組在全風速范圍內運行的功率控制策略，其特征在于1)、控制方法由轉速控制環(huán)調節(jié)器1、最大功率跟蹤控制策略及功率限制環(huán)調節(jié)器2組成；2)、轉速控制環(huán)調節(jié)器1將參考轉速(最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的輸出值)ωopt與機組的實際轉速反饋ω之間的誤差Δω作為調節(jié)器1的輸入，輸出值作為網側變換器的q軸電流給定iq*，控制發(fā)電機的有功功率，即發(fā)電機的電磁轉矩。參考轉速的最大值為最大功率跟蹤環(huán)節(jié)的最大飽和輸出值ΩN，即機組的額定轉速。3)、最大功率跟蹤控制策略首次采用功率反饋最佳轉速控制策略，由機組運行的氣動功率Pr直接計算出機組當前運行功率所對應的最佳轉速指令ωopt，可方便的實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。4)、功率限制環(huán)調節(jié)器2風機運行的氣動功率反饋信號Pr與機組額定功率PN的差ΔP疊加至調節(jié)器2，為轉速環(huán)調節(jié)器1基準輸入提供一個轉速補償信號ωcom。機組正常工作時，該補償信號為0；而當機組功率大于額定功率時，該補償信號與ωopt相減，降低了轉速指令，從而降低機組轉速，實現(xiàn)風機氣動功率的限制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于功率反饋的風力發(fā)電機組全風速范圍運行控制策略，可實現(xiàn)機組在不同風速段高效、安全運行的控制目標。相對于傳統(tǒng)兩套不同控制方式進行硬切換的控制方式，實現(xiàn)了不同運行模式之間的軟切換運行，大大降低了模式切換時產生的瞬態(tài)機械載荷，提高了機組的服役壽命。該控制方式僅采用兩個調節(jié)器轉速環(huán)調節(jié)器和限功率環(huán)調節(jié)器就實現(xiàn)了機組的最大功率跟蹤運行、恒功率運行以及兩種運行模式之間的恒轉速運行自然過渡過程。采用本發(fā)明提出的控制方法的定槳距變速機組具有結構簡單、成本低廉、運行穩(wěn)定可靠等特點，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F03D7/00GK101975140SQ20101027474
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年9月8日
發(fā)明者嚴仰光, 陳冉, 陳家偉, 陳志輝, 陳杰, 龔春英 申請人:南京航空航天大學