专利名称：定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种保证定桨距变速风力发电机组在额定风速以上时稳定工作且输出功率恒定的机组控制方法。
背景技术：
风能是一种可再生能源，近几年风能的开发与利用得到了广泛的关注，如何最大程度地利用风能成为风力发电技术的一个研究热点。由于风具有随机性，无论风向还是风速都在不断变化，所以风机产生的能量也是时刻变化的，这就要求对风力发电机组进行控制，使其在额定风速以下时进行最大风能跟踪，在额定风速以上时保证机组输出功率恒定，另外在提高风能利用效率的同时保证机组的安全和可靠性。
目前风机功率调节技术分为定桨距失速控制和变桨距控制。采用定桨距失速功率调节的机组在运行时风机桨叶迎风角度不能随风速变化，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。在《风力发电机组的控制技术第2版》(叶杭冶，机械工业出版社，2007年2月，第35页)一书中详细分析了定桨距风轮叶片的失速调节原理。该方式具有结构简单、故障率低的优点，其缺点是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率反而有所下降，定桨距失速型机组输出功率特性曲线如附图1所示。
变桨距控制的基本原理是在高风速区，通过增加桨叶节距角β以减小风能利用系数CP，从而将机组功率稳定在额定值附近。变桨距机组与定桨距失速型机组相比具有在额定风速以上输出功率平稳的特点，附图2所示为变桨距机组输出功率特性曲线。变桨距控制的缺点是需要增加复杂的变桨距执行机构和变桨距控制系统，这无疑增加了机组的制造和维护成本，同时降低了系统的可靠性。专利《基于最大能量捕获的大型风力机控制方法》(中国，2007年10月17日，200710041115.5)提出了一种基于风速检测的风力机控制方法，其在额定风速以上时采用变桨距调节技术，但该专利并未具体给出控制器是如何调节桨叶节距变化以达到输出功率恒定的。目前国内对变桨距功率调节技术的研究尚处于起步阶段，核心技术仍被其他先进国家所掌握。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明所述的定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法，其特征在于当实际风速v大于额定风速使风力机工作点进入失速区时，所述控制方法包括如下环节 1)将定桨距风力机的参考转速ω*与机组实际转速反馈ωf作差得到转速误差信号Δω； 2)将1)所述的转速误差信号Δω经过变速控制器Gω(s)得到发电机电磁转矩参考信号T′e； 3)将定桨距风力机的实际气动转矩Tm作为扰动信号与转速反馈信号ωf经过扰动观测器得到定桨距风力机气动转矩观测值
4)将2)所述的发电机电磁转矩参考信号T′e与3)所述的定桨距风力机气动转矩观测值
相加得到发电机转矩给定值Te*； 5)将4)所述的发电机转矩给定值Te*经过转矩内环ΦT(s)得到实际的发电机电磁转矩Te，重复步骤1至步骤5控制发电机电磁转矩使发电机组在额定风速以上输出功率恒定且能稳定运行于失速区。
本发明能够对定桨距机组施加有效控制，在全程令其转速随风速变化，从而提高了风能利用效率，改善了定桨距机组在额定风速以上输出功率特性差的缺点，同时解决了当机组工作点位于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机。与变桨距风力发电机组相比，该系统取消了变桨距机构与变桨距控制器，具有结构简单、成本低廉、稳定可靠的特点。本发明对促进我国多元化风电产业的发展具有积极意义。
附图1是定桨距失速型机组输出功率特性曲线； 附图2是变桨距机组输出功率特性曲线； 附图3是风力机CT(λ)、CP(λ)特性曲线； 附图4是扰动观测器(DOB)基本思想框图； 附图5是基于扰动观测器的定桨距变速风力发电机组控制系统框图； 附图6是发电机转速参考-风速特性曲线； 附图7是定桨距变速风力发电机组系统组成框图； 附图8是定子侧PWM变换器； 附图9是发电机电流(转矩)内环。
具体实施例方式 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明 如图1是定桨距失速型机组输出功率特性曲线。
如图2是变桨距机组输出功率特性曲线。
本发明是通过以下技术方案实现的设计一个控制系统对定桨距风力发电机组进行全程转速控制，在额定风速以上时通过调节转速实现机组输出功率恒定的目的；另外利用转矩观测的方式得到风力机气动转矩观测值，将此值以前馈校正的方式引入机组控制系统中，从而保证机组工作在额定风速以上时的稳定性，本发明中转矩观测利用扰动观测器实现。
本发明所述的转速控制是指风力机的气动功率可由Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)计算所得，式中Pm为风力机输出功率，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，Cp(λ)为风能利用系数。由该式可见若要保证风机输出功率恒定，应使得Cp(λ)与风速的三次方成反比变化。对定桨距风力机而言，Cp(λ)仅与叶尖速比λ有关，而λ＝ωR/v，ω为机组转速，可见在一定风速下可以通过调节机组转速来调节风能利用系数的大小，因此在额定风速以上时对机组进行转速控制可以保证机组输出功率恒定。对机组转速的调节是通过调节发电机电磁转矩来实现的。
本发明所述的将转矩观测值以前馈校正的方式引入机组控制系统是指在额定风速以上随着风速的增加，相应调节机组转速以降低Cp值时，工作点会落入到CT(λ)曲线(风力机转矩系数曲线)顶点A的左半平面，如附图3所示的B点。称CT(λ)曲线的左半平面的区域为力矩不稳定区，因为在此区域，外界扰动会使机组飞车或停机，这是由控制对象风力发电机组本身的特性引起的，且任何一台机组如工作在此区域都会存在此问题，因此必须对机组施加有效控制以抑制其不稳定性。本发明所采用的方法是利用扰动观测器得到风力机气动转矩观测值，将此观测值以前馈校正的方式引入到机组转速控制系统中，从而能够有效抑制外界扰动对机组的影响，即使工作点位于力矩不稳定区系统也能稳定工作。
本发明所述的扰动观测器(DOB)如附图4所示。其中，u为外部输入，d为干扰项，d’为干扰估计项，r为测量噪声，y为系统输出，ξ为包含干扰预估的等效输入，P(s)为实际系统模型，Pn-1(s)为重构的系统模型的逆，理想条件下，Pn(s)与P(s)相等，Q(s)称为Q滤波器(Q-filter)。如果Q(s)的相对阶次大于或等于Pn(s)的相对阶次，则Q(s)Pn-1(s)正则，在物理上可实现。DOB的基本思想是把实际输出与标称模型的差异作为一个等效的干扰应用于标称模型，DOB估计出这个等效干扰，将其作为一个补偿信号以消除干扰对系统性能的影响。
本发明所述的控制系统采用转速外环，转矩内环控制结构，控制系统结构框图如附图5所示。转速外环的输入是根据风速得到的转速参考信号ω*，其计算获得的依据是保证最大程度地利用风能，即在低风速区风力机能够输出与该风速对应的最大功率，在额定风速以上保证机组输出功率恒定。根据风力机输出功率与风速和转速之间的关系Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)可以得到转速参考ω*同风速之间的关系，如附图6所示。进行最大风能跟踪时，转速随风速的增加线性上升；当达到机组额定转速以后，保持此额定转速；随着风速的进一步增加，机组输出功率达到额定功率，此时应使机组转速与风速呈如图所示的非线性关系才能保证输出功率恒定。转速外环的输出是发电机电磁转矩参考信号，此信号作为调节发电机转矩的依据。控制系统中转矩控制器采用在工程上得到广泛应用的PI调节器，使系统兼具动态调节快、稳态精度高的特点。转矩内环控制发电机输出端电压，动态改变其定子端输出电流，从而使发电机电磁转矩跟随其参考值变化，实现机组的变速运行。由附图5可见在转矩内环引入如前所述的扰动观测器，此时P(s)等于1/(Js+B)，式中J为转动惯量，B为静摩擦系数。Pn-1(s)等于Js+B，Q(s)选择低通滤波器，滤波器时间常数为采样周期的10～15倍。将扰动观测器得到的风力机气动转矩观测值
与转速控制器计算所得的转矩给定Te’相加得到新的转矩给定值Te*，据此调节发电机电磁转矩。
附图7所示为定桨距变速风力发电机组系统组成框图。转速控制系统采用DSP控制器，风力机将空气动能转换为机械能，发电机在风力机的带动下旋转，将轴上的机械能转变为电能，转速控制系统通过控制发电机定子侧的PWM变换器达到调节发电机电磁转矩，进而控制机组转速的目的。并网逆变器对发电机输出电能进行调理，达到满足逆变并网的条件。转速控制器所需的风速、转速、电流信号分别由风速仪、转速传感器、电流传感器得到，所有控制均由DSP控制器完成。
实施例中所采用的定桨距风轮叶片Cp(λ)参数如表1所示，由该数据可知该桨叶最大风能利用系数Cpmax等于0.365；桨叶半径R为4米；最佳叶尖速比λopt为6.75；风轮的切入风速为4.5m/s，切出风速为25m/s，额定风速为12m/s；空气密度ρ等于1.25kg/m3；风力机额定输出功率为10kW。
表1 实施例中所采用的发电机为永磁同步发电机，发电机额定功率10kW，极对数p等于8，定子电感L为5mH，定子绕组电阻R等于0.1Ω，转子励磁磁链ψf等于0.57Wb，转动惯量J为1kg×m2。发电机与风力机之间无齿轮箱，为直驱式风力发电机组，去掉齿轮箱有助于降低机组成本，延长机组使用寿命。发电机定子侧PWM变换器如附图8所示，每个桥臂各串联两支MOSFET开关管，发电机定子三相A、B、C分别与桥臂中点a、b、c相连。
实施例中的转速控制器完成对机组转速的调节，其输入是风速、转速以及定子三相电流信号，风速和转速分别由风速仪和光电编码器得到，并以电信号的形式输入到DSP控制器中，电流则由霍尔电流传感器检测得到，经过必要的整形滤波后送给控制器；控制器的输出是用于驱动PWM整流器三相桥臂的六路PWM脉冲信号。DSP控制器首先根据当前风速计算出对应的转速参考ω*，计算的依据如前所述，然后将其与实际检测到的转速相比较得到转速误差信号，转速调节器利用此误差信号得到发电机电磁转矩参考作为调节电磁转矩的依据。因为利用DOB得到了风机气动转矩观测值，并将此值进行了前馈校正，使得控制对象在额定风速以上时也变得稳定，故转速控制器的设计得以简化，按典型I型系统设计风力机变速控制器Gω(s)，令Gω(s)＝Kipω(τωs+1)/s，其中积分系数Kipω＝B/6Ts，时间常数τω＝J/B，Ts为开关周期，s为频域拉普拉斯算子，下同。永磁同步发电机的转矩控制采用成熟的矢量控制方式，利用坐标变换，将定子三相电流ia、ib、ic按照转子磁链定向，得到两相旋转dq坐标系下的id、iq分量，此时Te＝1.5pψfiq，式中Te为发电机电磁转矩，p为极对数，ψf为励磁磁链，可见对转矩的调节变成了对iq的调节，从而实现了对电磁转矩的解耦控制。附图9所示为发电机电流(转矩)内环控制系统框图。电流参考iq*由Te*/1.5pψf计算得到，考虑电流环需要较快的电流跟随能力，按典型I型系统设计其电流调节器Gc(s)，令Gc(s)＝Kip(τs+1)/s，其中积分系数Kip＝R/3TsKPWM，τ＝L/R，Ts为电流内环采样周期，KPWM为桥路PWM等效增益，L和R分别为发电机定子电感和电阻，1/(Tss+1)为电流采样延迟环节，1/(0.5Tss+1)为PWM控制小惯性环节。在附图10中，电流参考iq*与电流采样iqf相比较得到电流误差信号Δiq，此信号经过电流调节器Gc(s)进而得到q轴电压分量参考信号Vq*，通过PWM控制得到实际的q轴电压分量Vq，Vq减去发电机空载电动势pψfω，再除以发电机绕组回路阻抗Ls+R便得到q轴实际电流iq，由此形成一个闭环控制系统，实现对发电机电流(转矩)的调节。经化简可得到发电机电流内环等效传递函数，也就是附图5中的
将Vq*变换到两相静止坐标系，利用SVPWM进行调制，就得到了桥臂开关管的驱动信号。
权利要求
1、一种定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法，其特征在于当实际风速v大于额定风速使风力机工作点进入失速区时，所述控制方法包括如下环节
1)将定桨距风力机的参考转速ω*与机组实际转速反馈ωf作差得到转速误差信号Δω；
2)将1)所述的转速误差信号Δω经过变速控制器Gω(s)得到发电机电磁转矩参考信号T′e；
3)将定桨距风力机的实际气动转矩Tm作为扰动信号与转速反馈信号ωf经过扰动观测器得到定桨距风力机气动转矩观测值
4)将2)所述的发电机电磁转矩参考信号T′e与3)所述的定桨距风力机气动转矩观测值
相加得到发电机转矩给定值Te*；
5)将4)所述的发电机转矩给定值Te*经过转矩内环ФT(s)得到实际的发电机电磁转矩Te，重复步骤1至步骤5控制发电机电磁转矩使发电机组在额定风速以上输出功率恒定且能稳定运行于失速区。
全文摘要
本发明公布了一种定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法，属于风力发电失速控制技术。本发明控制系统对定桨距风力发电机组进行全程转速控制，在额定风速以上时通过调节转速实现机组输出功率恒定的目的；另外利用转矩观测的方式得到风机气动转矩观测值，将此值以前馈校正的方式引入机组控制系统中，从而保证机组工作在额定风速以上时的稳定性。本发明提高了风能利用效率，改善了定桨距机组在额定风速以上输出功率特性差的缺点，同时解决了当机组工作点位于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机。
文档编号F03D7/04GK101581272SQ20091003355
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者胡祖荣, 王俊琦, 马运东, 岩 邢 申请人:南京航空航天大学