专利名称：基于功率反馈的风力发电机组全风速范围运行控制策略的制作方法
技术领域：
本发明是针对风力发电技术领域所提出的一种风力发电系统的控制方法，方便的 实现了定桨距变速风力发电机组在额定转速对应的风速以下的最大功率跟踪控制、额定转 速对应的风速和额定风速之间的恒转速过渡运行控制以及额定风速以上的恒功率运行控 制。
背景技术：
近些年来，新能源的开发和利用被普遍认为是第四次工业革命，可再生能源发电 技术迅速发展。其中风力发电技术因技术成熟等因素，更是成为当前国内外关注的热点和 研究的重点。由于风能资源具有随机性，无论风向还是风速都在不断的变化，所以风机产生 的能量也随风速的变化而变化，这就要求对风力发电机组进行控制，在保证机组安全可靠 运行的前提下，尽可能多的吸收风能。通常，变速风力发电机组的控制可以分为两种运行模式1)最大功率跟踪运行模 式。在该运行情况下需要控制系统根据风速而变化机组运行的转速，使得机组始终运行于 最大风能利用系数处，最大限度的捕获风能，提高风机的效率；2)恒功率运行模式。当机组 吸收的功率达到功率上限，为保证机组的安全和可靠运行，需要控制系统控制机组始终运 行于额定功率处。附图1示出了定桨距变速机组的最佳功率曲线，由两段构成即额定风速 以下的最大功率跟踪运行段和额定风速以上的恒功率运行段。要实现以上两个模式，变桨距机组因桨叶与轮毂通过变桨轴承活性相连，在额定 风速以下，可调节桨叶到一个合适浆距角固定，使得机组的输出功率最大。而在额定风速以 上，通过实时的改变桨叶的桨距角来减小风能利用系数Cp，从而将机组的输出功率稳定在 额定值附近。而定桨距机组的桨叶与轮毂之间属于刚性联接，桨距角固定不变，要实现额定 风速以上的恒功率运行比较复杂。可是，定桨距机组具有结构简单、可靠性高等优点，目前 在兆瓦级以下的风力发电机组市场具有很大竞争优势。所以有必要研制出一套可适应定桨 距风力发电机组的、简单的、适应于全风速范围运行的控制策略。针对定桨距风力发电机组的功率控制策略目前国内外也做了很多的研究。文献中 所提及的控制方法大都为采用两套不同的控制策略即最大功率跟踪运行控制策略和恒功 率运行控制策略。根据检测到的机组功率是否到达额定功率来完成两套不同的控制策略之 间的切换，从而将机组控制在不同的运行模式。这些方法虽然能够控制风机的功率，但是在 切换过程中会出现过大的功率超调，给机组造成很大的机械应力，降低了机组的使用寿命。本发明中提及了一种新的定桨距机组的功率控制策略。该控制策略在最大功率跟 踪运行模式和恒功率运行模式之间引入恒转速运行模式，将机组运行转速限制在额定转速 以内，提高了机组安全运行性能。此外，仅采用两个调节环节就同时实现了最大功率跟踪、 恒转速、恒功率三种运行模式以及三种模式之间的软切换。本发明所述的控制方法简单且 具有高可靠性。
发明内容
本发明旨在为定桨距变速风力发电机组在全风速范围内提供一种简单可靠的功 率控制方法，以保证机组高效、安全的运行。本发明所述的定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法，控制的原理框图 如附图3所示，其特征在于1)、控制方法由转速控制环调节器1、最大功率跟踪控制策略及功率限制环调节器 2组成。2)、转速控制环调节器1 将参考转速(最大功率跟踪策略的输出值)ω。ρ 与机组 的实际转速反馈ω之间的误差Δ ω作为调节器1的输入，输出值作为网侧变换器的q轴 电流给定i:，控制发电机的有功功率，也即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大 功率跟踪策略的最大输出值，并将该值设定为机组的额定转速ων。3)、最大功率跟踪控制策略首次采用功率反馈最佳转速最大跟踪控制策略，由机 组运行的气动功率&直接计算出机组当前运行功率所对应的最佳转速指令ω。pt，方便的实 现了最大功率跟踪控制。4)、功率限制环调节器2 功率限制的思想是将风机运行的气动功率反馈信号已 与机组额定功率Pn的差Δ P叠加至调节器2，旨在提供一个转速补偿信号ω。。ω。机组正常 工作时，该补偿信号为0 ；而当机组功率大于额定功率时，该补偿信号与ω_相减，使得转 速给定信号减小，从而降低机组转速达到限定风机运行的气动功率的目的。本发明能够对定桨距机组施加有效的控制，令其在全风速范围内根据设定的模式 要求运行，不仅改善了机组在中低风速段的风能利用系数，同时解决了机组在高风速段的 恒功率运行。而且，本发明提出的方法实现了不同运行模式之间的自然过渡，大大降低了模 式切换时产生的瞬态过载和机械载荷，有助于提高机组的服役寿命。
附图1是定桨距变速型风力发电机组的最佳输出功率曲线。附图2是风力发电系统结构图。附图3是定桨距变速风力发电机组的控制框图。附图4是气动功率观测器。附图5本发明实施例中定桨距变速机组的稳态转速-风速曲线。附图6最大功率跟踪运行等效控制框图。附图7恒转速运行等效控制框图。附图8恒功率运行等效控制框图。附图9本发明实施例中定桨距风力机Cp-λ曲线。附图10最大功率跟踪运行示意图。附图11本发明实施例中实验机组功率-转速实验曲线附图12本发明实施例中实验机组功率-风速实验曲线附图1-附图12中的符号定义如表1所示表1附图符号说明
权利要求
一种简单可靠的定桨距变速风力发电机组在全风速范围内运行的功率控制策略，其特征在于1)、控制方法由转速控制环调节器1、最大功率跟踪控制策略及功率限制环调节器2组成；2)、转速控制环调节器1将参考转速(最大功率跟踪环节的输出值)ωopt与机组的实际转速反馈ω之间的误差Δω作为调节器1的输入，输出值作为网侧变换器的q轴电流给定iq*，控制发电机的有功功率，即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大功率跟踪环节的最大饱和输出值ΩN，即机组的额定转速。3)、最大功率跟踪控制策略首次采用功率反馈最佳转速控制策略，由机组运行的气动功率Pr直接计算出机组当前运行功率所对应的最佳转速指令ωopt，可方便的实现最大功率跟踪控制。4)、功率限制环调节器2风机运行的气动功率反馈信号Pr与机组额定功率PN的差ΔP叠加至调节器2，为转速环调节器1基准输入提供一个转速补偿信号ωcom。机组正常工作时，该补偿信号为0；而当机组功率大于额定功率时，该补偿信号与ωopt相减，降低了转速指令，从而降低机组转速，实现风机气动功率的限制。
全文摘要
本发明涉及一种基于功率反馈的风力发电机组全风速范围运行控制策略，可实现机组在不同风速段高效、安全运行的控制目标。相对于传统两套不同控制方式进行硬切换的控制方式，实现了不同运行模式之间的软切换运行，大大降低了模式切换时产生的瞬态机械载荷，提高了机组的服役寿命。该控制方式仅采用两个调节器转速环调节器和限功率环调节器就实现了机组的最大功率跟踪运行、恒功率运行以及两种运行模式之间的恒转速运行自然过渡过程。采用本发明提出的控制方法的定桨距变速机组具有结构简单、成本低廉、运行稳定可靠等特点，在我国定桨距变速风力发电机组中有一定的应用前景。
文档编号F03D7/00GK101975140SQ20101027474
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者严仰光, 陈冉, 陈家伟, 陈志辉, 陈杰, 龚春英 申请人:南京航空航天大学