一种风力发电机组的控制方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及风力发电机组控制技术领域，特别涉及一种风力发电机组的控制方法 及装置。
【背景技术】
[0002] 目前变速变桨风力发电机组的控制方案是低风速时采用最大功率点跟踪控制以 获取最大风能，高风速时采用变桨控制限制风能吸收以保持功率恒定。具体实施较多采用 图1所示方法。图中AB-BC-CD三段为发电机额定功率以下转速转矩关系曲线，A点对应发 电机达到最小并网转速，DE段为达到发电机额定功率后转速转矩关系曲线，D点对应额定 功率，对应的发电机转速为额定转速。其中：AB段及CD段采用PID控制方式调整发电机转 矩使发电机转速保持恒定，BC段采用跟踪最佳Cp控制方式调整发电机转矩；DE段采用恒转 矩控制方式保持发电机转矩在额定值，同时通过线性插值计算PI控制参数（图2所示）的 方式调节桨距角使发电机转速恒定在额定转速，从而获得恒定功率输出。
[0003] 该种方式可使风力发电机组在额定功率以下区域最大限度处于最佳Cp控制区获 取最大风能，但也存在以下不足：I) CD段与DE段的控制转换在额定功率点D，缺少相应过渡 区，由于自然界风况均以湍流状态存在，当风速在额定风速上下波动会使转矩和变桨控制 频繁切换，由于变桨控制响应速度落后于转矩控制，两种控制不同步造成转速在上下发生 较大波动，从而造成对机组的冲击；2)发电机输出功率为转速与转矩的乘积，由于湍流风 的影响，在DE段变桨控制不能完全维持转速在额定值，在该段采用恒转矩控制将造成输出 功率随发电机转速变化而变化，降低发电功率品质；3)DE段采用线性插值计算变桨PI控制 器参数值的方式不能有效反映风机叶片非线性的气动特性，从而降低了变桨动作随风速变 化的跟随性，造成DE段转速波动较大，甚至出现超速超载等不利状况发生。
[0004] 中国专利公开号CN102635499A公开了"一种风力发电机组的控制装置及方法"， 如图3所示，该种控制通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，避免两种控制不同 步造成转速在上下发生较大波动的问题，实现控制状态的柔性切换，且在整个正常工作转 速范围内变桨控制均处于激活状态，在II、III之间过渡区，当风速变化较平稳且发电机转 速小于过渡转速区域使变桨角度始终保持在最佳角度；当风速发生急剧变化时变桨控制可 提前参与控制，与转矩控制协调转速，减小该区域内转速的波动。该方法同样存在以下缺 点：由于在风速变化剧烈时II、III过渡区变桨控制器提前参与控制虽然一定程度上降低 了转速波动、减小了冲击，但变桨的提前动作降低了风能吸收损失了发电量，同时在Π、ΙΙΙ 过渡区变桨提前动作将造成变桨电机频繁启停，从而增加变桨系统负荷，影响变桨系统安 全性。
[0005] 因此，如何提供一种风力发电机组的控制方法，既实现额定功率附近的转矩控制 与变桨控制柔性过渡控制，又减少风速变化剧烈时变桨提前动作带来的发电量损失及增加 的变桨系统负荷，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的第一个发明目的在于提供一种风力发电机组的控制方法，既 实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，又减少风速变化剧烈时变桨提前 动作带来的发电量损失及增加的变桨系统负荷。
[0007] 在上述风力发电机组的控制方法的基础上，本发明还提供了一种风力发电机组的 控制装置。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] 一种风力发电机组的控制方法，在发电机的测量转速大于额定转速，且测量功率 超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小 于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到 变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转 速范围内变桨控制均处于激活状态。
[0010] 优选地，转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：
[0011] y = y*+Kp_torque (x-x*) + (dT/2) Ki^torque (x+x*), x = ω - ω n
[0012] 其中：y为输出转矩，χ为输入转速偏差，Kp_tm^为转矩控制器比例增益，K 为 转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，〇^为发电机的参考转速， 符号（*)表不上一个时间点各参数对应值。
[0013] 优选地，取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测 量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转 速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III ;
[0014] 在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ωη= ηι，同时设置最大风能 利用系数Cp跟踪转矩作为限制值Tlim，设置Tmin= 0. 0为最小值，当转矩控制器输出y大于 Tlim时，转矩限制在y = T lim，当转矩控制器输出y小于Tmin时，转矩限制在y = τ min;
[0015] 在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速，且测量功率小于额定功率 时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ωn= (ω-!〇，以增强转矩控制力度，其中，X 为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速，且测量转速大于中间转速ηΙ/π 时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ωη= η，(η「ω);同时设置最大风能利用系数 Cp跟踪转矩作为最小限制值Tlim，设置额定功率限制转矩为最大值，即T siiax= P 乂 ω，其中， Τ_χ为最大给定发电机电磁转矩，P ^3发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩 控制器输出y小于Tlim时，转矩限制在y = T lim，当转矩控制器输出y大于TgmaJt，转矩限制 在 y = T ·
[0016] 其中：Tlim= KtjptC^Ktjpt= n m3i P R5V/(2 A3G3)为最大功率点跟踪控制转矩限 制，Ktjpt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，n m为传动链机械效率，P为空气密度， R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传 动比。
[0017] 优选地，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为η2;在区间 III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速其中，η2的取值范围为 1.01?1.03倍的额定转速叫
[0018] 变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y = /+Kp_pitehG(<i)) (x-xVWT/^Kb&hGQ) (X+X#)，x = ω-ωη这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏 差，K"itc;h为变桨控制器比例增益，K i_pitc;h为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线 性控制参数增益，Φ为变桨角度，ω η发电机的参考转速，符号（*)表示上一个时间点各参 数对应值。
[0019] 优选地，所述中间转速的取值为所述最小并网转速和所述额定转速的平均值。
[0020] 一种风力发电机组的控制装置，包括：
[0021] 变桨控制器，用于在发电机的整个正常工作转速范围内采用PI控制参数非线性 方式调整变桨角度；
[0022] 转矩控制器，用于控制发电机的转矩；所述转矩控制器包括：
[0023] 转矩变参数PI控制模块，用于采用变参数PI控制方式调整转矩；
[0024] 转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；
[0025] 转矩控制转换模块，用于控制转矩的控制方式在所述变参数PI控制方式和所述 恒功率控制方式之间转换。
[0026] 优选地，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，并根据不同的运 行区间选择不同的转矩控制的参考转速和变桨控制的参考转速。
[0027] 优选地，所述区域判断模块，用于取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定 转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网