一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)及變槳方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳方法，步驟如下：1)激光測風(fēng)雷達檢測實際風(fēng)速Vw；2)分別得到風(fēng)速偏差值ΔV和功率偏差值ΔP；3)判斷風(fēng)速偏差值ΔV的大小，若ΔV<0則變槳執(zhí)行機構(gòu)以變槳速率V＝Vmax變槳到最大迎風(fēng)角，若ΔV≥0則執(zhí)行下一步驟；4)對功率偏差值ΔP做微分處理，判斷dΔP/dt值的大小，若dΔP/dt＝0，變槳執(zhí)行機構(gòu)保持當(dāng)前速度變槳；若dΔP/dt>0，變槳執(zhí)行機構(gòu)加速變槳；若dΔP/dt<0，變槳執(zhí)行機構(gòu)減速變槳。本發(fā)明的變槳方法在不同風(fēng)況下，變槳執(zhí)行機構(gòu)都能夠快速做出響應(yīng)，減少了由于功率偏差小幅波動而造成的變槳電機頻繁正反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生，也降低變槳執(zhí)行機構(gòu)的疲勞程度，延長了變槳執(zhí)行機構(gòu)的使用壽命。本發(fā)明還提供一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)。
【專利說明】一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)及變槳方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機組控制領(lǐng)域，特別涉及一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速 率變槳系統(tǒng)及變槳方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全國多個城市霧霾的日益嚴(yán)重，環(huán)境污染也越來越受到人們的關(guān)注，我國現(xiàn) 在發(fā)電仍然以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電大量使用煤炭不僅給環(huán)境帶來嚴(yán)重負擔(dān)，而且煤炭 是不可再生能源，不利于可持續(xù)發(fā)展的需求。
[0003] 風(fēng)能作為一種清潔能源越來越受到人們的重視，隨著技術(shù)的創(chuàng)新，風(fēng)力發(fā)電的成 本也在不斷降低，風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機組的核心，如何提高風(fēng)能利用率，保證 風(fēng)力發(fā)電機組安全可靠運行，延長風(fēng)電機組使用壽命是研究人員關(guān)注的重點。
[0004] 目前，為了保證外界風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時風(fēng)電機組恒功率運行，風(fēng)電機組的控 制系統(tǒng)采用變槳距控制，由于實際風(fēng)況的復(fù)雜性，容易造成發(fā)電機輸出功率的波動，因此要 求變槳距控制系統(tǒng)具有快速響應(yīng)能力，風(fēng)機主控制器一旦發(fā)出改變槳距角命令，變槳控制 器必須控制三臺伺服驅(qū)動器，使變槳電機以最快速度到達指定位置?，F(xiàn)階段，有研究人員 對變速率變槳控制進行了初步研究，在文獻"基于功率變化和模糊控制的風(fēng)力發(fā)電機組變 速變槳距控制"中采用功率實時反饋，將功率偏差和功率偏差的變化率作為模糊控制算法 的輸入，輸出為變槳速度指令，但是當(dāng)出現(xiàn)功率偏差較大而功率偏差率較低時，輸出變槳速 度過低，變槳控制系統(tǒng)無法做出快速響應(yīng)。文獻"兆瓦級風(fēng)電機組電動變槳距控制系統(tǒng)的研 究與實現(xiàn)"對功率偏差信號的大小進行了限制，降低了風(fēng)電機組輸出功率的波動，功率發(fā)生 變化時變槳機構(gòu)能夠快速響應(yīng)，但是在額定風(fēng)速以下，風(fēng)機輸出功率小于額定功率時，采用 變速率變槳控制增加了算法的復(fù)雜性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的直驅(qū)型永磁風(fēng)力 發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)，并提供一種利用直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)進行 變槳的方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是：一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系 統(tǒng)，包括激光測風(fēng)雷達、第一雙輸入減法器、第二雙輸入減法器、微分器、主控制器、變槳執(zhí) 行機構(gòu)、風(fēng)輪及直驅(qū)永磁發(fā)電機，所述主控制器包括槳距角控制模塊和變速率控制模塊，激 光測風(fēng)雷達的輸出端與第一雙輸入減法器的第一輸入端相連，第一雙輸入減法器的第二輸 入端輸入額定風(fēng)速，第一雙輸入減法器的輸出端與槳距角控制模塊的輸入端相連，槳距角 控制模塊的輸出端與變槳執(zhí)行機構(gòu)的輸入端相連，變槳執(zhí)行機構(gòu)通過風(fēng)輪與直驅(qū)永磁發(fā)電 機相連，直驅(qū)永磁發(fā)電機的輸出端與第二雙輸入減法器的第一輸入端相連，第二雙輸入減 法器的第二輸入端輸入風(fēng)電機組的額定功率，第二雙輸入減法器的輸出端分別與槳距角控 制模塊的輸入端、微分器的輸入端、變速率控制模塊的輸入端相連，微分器的輸出端與變速 率控制模塊的輸入端相連，變速率控制模塊的輸出端與變槳執(zhí)行機構(gòu)的輸入端相連。
[0007] -種利用上述直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)進行變槳的方法，包括以 下步驟：
[0008] 1)激光測風(fēng)雷達檢測實際風(fēng)速Vw;
[0009] 2)將激光測風(fēng)雷達檢測到的實際風(fēng)速Vw與額定風(fēng)速Vwn進行差值運算得到風(fēng)速偏 差值Λ V，風(fēng)速偏差值Λ V輸入至槳距角控制模塊中；檢測計算出風(fēng)電機組輸出功率匕，將 輸出功率匕與額定功率Pw進行差值運算得到功率偏差值Λ Ρ，功率偏差值Λ P輸入至槳距 角控制模塊中；
[0010] 3)槳距角控制模塊判斷風(fēng)速偏差值Λ V的大小，若Λ KO則槳距角控制模塊輸出 槳距角位置信號至變槳執(zhí)行機構(gòu)，變槳執(zhí)行機構(gòu)以變槳速率V = Vmax變槳到最大迎風(fēng)角，若 AV彡〇則執(zhí)行下一步驟；
[0011] 4)對功率偏差值Λ P做微分處理并將處理后d Λ p/dt的值和功率偏差值Λ P -起 送入變速率控制模塊中，槳距角控制模塊和變速率控制模塊協(xié)同工作，槳距角控制模塊輸 出槳距角位置信號Θ至變槳執(zhí)行機構(gòu)，變速率控制模塊輸出變槳速率V至變槳執(zhí)行機構(gòu)， 變速率控制模塊判斷d △ P/dt值的大小，若d △ P/dt = 0,變槳執(zhí)行機構(gòu)保持當(dāng)前速度變槳 至槳距角控制模塊指定的槳距角；若d Λ P/dt>0,變槳執(zhí)行機構(gòu)加速變槳至槳距角控制模 塊指定的槳距角；若d Λ P/dt〈0,變槳執(zhí)行機構(gòu)減速變槳至槳距角控制模塊指定的槳距角。
[0012] 上述變槳方法中，所述步驟2)中，風(fēng)速偏差值等于實際風(fēng)速減去額定風(fēng)速，S卩AV -Vw _ VlN。
[0013] 上述變槳方法中，所述步驟2)中，功率偏差值Λ P等于輸出功率減去額定功率，即 AP = Pe-Pw。
[0014] 上述變槳方法中，所述步驟2)中，風(fēng)電機組輸出功率計算公式為Pe = ，其中 ωε為電角頻率，ωε = npc〇g，ηρ為發(fā)電機極對數(shù)，（Og為發(fā)電機轉(zhuǎn)速；Te = I. SripitlX，為 發(fā)電機q軸的電流，λ為永磁體的磁鏈。
[0015] 上述變槳方法中，所述步驟2)中，風(fēng)電機組額定功率計算公式為Pw = Twc〇g，其中 Tw為風(fēng)力機的機械輸入轉(zhuǎn)矩，為直驅(qū)型永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速；

【權(quán)利要求】
1. 一種直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)，其特征在于：包括激光測風(fēng)雷達、 第一雙輸入減法器、第二雙輸入減法器、微分器、主控制器、變槳執(zhí)行機構(gòu)、風(fēng)輪及直驅(qū)永磁 發(fā)電機，所述主控制器包括槳距角控制模塊和變速率控制模塊，激光測風(fēng)雷達的輸出端與 第一雙輸入減法器的第一輸入端相連，第一雙輸入減法器的第二輸入端輸入額定風(fēng)速，第 一雙輸入減法器的輸出端與槳距角控制模塊的輸入端相連，槳距角控制模塊的輸出端與變 槳執(zhí)行機構(gòu)的輸入端相連，變槳執(zhí)行機構(gòu)通過風(fēng)輪與直驅(qū)永磁發(fā)電機相連，直驅(qū)永磁發(fā)電 機的輸出端與第二雙輸入減法器的第一輸入端相連，第二雙輸入減法器的第二輸入端輸入 風(fēng)電機組的額定功率，第二雙輸入減法器的輸出端分別與槳距角控制模塊的輸入端、微分 器的輸入端、變速率控制模塊的輸入端相連，微分器的輸出端與變速率控制模塊的輸入端 相連，變速率控制模塊的輸出端與變槳執(zhí)行機構(gòu)的輸入端相連。
2. -種利用如權(quán)利要求1所述的直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電機組變速率變槳系統(tǒng)進行變槳 的方法，包括以下步驟： 1) 激光測風(fēng)雷達檢測實際風(fēng)速Vw ; 2) 將激光測風(fēng)雷達檢測到的實際風(fēng)速Vw與額定風(fēng)速Vwn進行差值運算得到風(fēng)速偏差值 A V，風(fēng)速偏差值A(chǔ)V輸入至槳距角控制模塊中；檢測計算出風(fēng)電機組輸出功率匕，將輸出 功率匕與額定功率Pw進行差值運算得到功率偏差值A(chǔ) P，功率偏差值A(chǔ) P輸入至槳距角控 制豐吳塊中； 3) 槳距角控制模塊判斷風(fēng)速偏差值A(chǔ)V的大小，若AKO則槳距角控制模塊輸出槳 距角位置信號至變槳執(zhí)行機構(gòu)，變槳執(zhí)行機構(gòu)以變槳速率V = Vmax變槳到最大迎風(fēng)角，若 AV彡0則執(zhí)行下一步驟； 4) 對功率偏差值A(chǔ) P做微分處理并將處理后d A P/dt的值和功率偏差值A(chǔ) P -起送入 變速率控制模塊中，槳距角控制模塊和變速率控制模塊協(xié)同工作，槳距角控制模塊輸出槳 距角位置信號9至變槳執(zhí)行機構(gòu)，變速率控制模塊輸出變槳速率V至變槳執(zhí)行機構(gòu)，變速 率控制模塊判斷d AP/dt值的大小，若d AP/dt = 0,變槳執(zhí)行機構(gòu)保持當(dāng)前速度變槳至槳 距角控制模塊指定的槳距角；若d A P/dt>0,變槳執(zhí)行機構(gòu)加速變槳至槳距角控制模塊指 定的槳距角；若d A P/dt〈0,變槳執(zhí)行機構(gòu)減速變槳至槳距角控制模塊指定的槳距角。
3. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟2)中，風(fēng)速偏差值等于實際 風(fēng)速減去額定風(fēng)速，即AV = Vw - V_。
4. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟2)中，功率偏差值A(chǔ)P等于 輸出功率減去額定功率，S卩AP = Pe - Pw。
5. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟2)中，風(fēng)電機組輸出功率計 算公式為Pe = Te〇e，其中Oe為電角頻率，Oe = np〇g，np為發(fā)電機極對數(shù)，〇g為直驅(qū)型永 磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速；Tej = I. 5npiqX , iq為發(fā)電機q軸的電流，X為永磁體的磁鏈。
6. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟2)中，風(fēng)電機組額定功率 計算公式為Pw = Tw?g，其中Tw為風(fēng)力機的機械輸入轉(zhuǎn)矩，為直驅(qū)型永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速； 7； 從其中：P為空氣密度；R為風(fēng)力機轉(zhuǎn)子半徑；9為槳距角；葉尖 速比Y = ?gR/Vw，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，其表達式為Cp(0，Y) = 〇.22[116/3-〇.4 0-5] exp (-12. 5/ P )，式中
7. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟3)中，槳距角的計算公式 為：
式中，Vwn為額定風(fēng)速，Kpl為比例系數(shù)，
為積分項，Kp，Ki分別為槳距角控制模塊中PI 控制器的比例和積分系數(shù)。
8. 如權(quán)利要求2所述的變槳方法，其特征在于：所述步驟4)中，變槳速率V的確定方 法如下：將功率偏差值A(chǔ)P分為小、中、大三部分，將功率偏差值變化率dAP/dt分為負大、 負中、負小、零、正小、正中、正大七個部分，將功率偏差值A(chǔ) P和功率偏差值變化率d A P/ dt區(qū)間范圍都用標(biāo)么值表示，功率偏差值變化率AP以發(fā)電機的額定功率為基準(zhǔn)值，功 率偏差值變化率dAP/dt以lMW/s為基準(zhǔn)值，其中，功率偏差值A(chǔ)P小的區(qū)間范圍為[0， 〇. 1]，中的區(qū)間范圍為[〇. 1，〇. 2]，大的區(qū)間范圍為[0.2,0. 3]，功率偏差變化率dAP/dt 的負大區(qū)間范圍為[-〇? 1，- 0.05]，負中的區(qū)間范圍[-0.05, - 0.005]，負小的區(qū)間范圍 為[- 0.005, - 0.0005]，零的區(qū)間范圍為[0.0005,0. 0005]，正小的區(qū)間范圍為[0.0005， 0.005]，正中的區(qū)間范圍為[0.005,0. 05]，正大的區(qū)間范圍為[0.05,0. 1]。當(dāng)功率偏差變 化值A(chǔ) P為小時，若功率偏差值變化率d A P/dt為負大、負中、負小、零中的一種，則變槳速 率為V = Vmin，若功率偏差值變化率dAP/dt為正小、正中、正大中的一種，則變槳速率為V =Vmid ;當(dāng)功率偏差變化值△ P為中時，若功率偏差值變化率d △ P/dt為負大、負中中的一 種，則變槳速率為V = Vmin，若功率偏差值變化率d △ P/dt為負小、零中的一種，則變槳速率 為V = Vmid，若功率偏差值變化率dAP/dt為正小、正中、正大中的一種，則變槳速率為V = Vmax ;當(dāng)功率偏差變化值A(chǔ)P為大時，不論功率偏差變化率dAP/dt為多大，變槳速率均為V =V max °
【文檔編號】F03D7/00GK104329224SQ201410640389
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月13日
【發(fā)明者】周臘吾, 張磊, 陳浩, 石建 申請人:湖南世優(yōu)電氣股份有限公司