专利名称：一种风力发电机组转速转矩控制装置及方法
技术领域：
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转速转矩控制装置及方法。
背景技术：
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I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H1, DE段为达到发电机额定功率后转速转矩关系曲线，D点对应额定功率已，对应的发电机转速为额定转速K。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。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。中国专利公开号CNl01660489A公开了“一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略”，该种控制方式保证在同一时刻制转矩和变桨控制只有一个工作，当风速变化较平缓时，能一定程度上缓解上述基本控制方案中两种控制器频繁切换的缺点。但兆瓦级风机风轮具有较大的惯性，当风机在额定功率点以下工作时风速急剧变化，引起风轮加速上升，由于机组运行到额定点以上时变桨控制才投入工作，加上变桨响应滞后的影响，该种控制方式易造成转速及功率出现较大波动，同样会造成对机组的冲击。因此，如何提供一种风力发电机组转速转矩控制方法，来实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，保证机组运行及其功率输出的稳定性，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。
发明内容
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转速转矩控制方法，实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，保证机组运行及其功率输出的稳定性。、
在上述风力发电机组转速转矩控制方法的基础上，本发明还提供了一种风力发电机组转速转矩控制装置。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案一种风力发电机组转速转矩控制方法，在发动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。优选的,取发电机的中间转速ηΙ/π介于最小并网转速II1和额定转速nr之间，设发 电机的测量转速ω介于最小并网转速Ii1和中间转速ηΙ/π之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速ηΙ/π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 ;在区间I内，转矩控制器设置发电机参考转速为ωη = H1,同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim，当转矩控制器输出y大于Tlim时，转矩限制在y = Tlim ;在区间II内，转矩控制器设置发电机参考转速为ωη = 同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim,当转矩控制器输出y小于Tlim时，转矩限制在y = Tlim ；转矩PI 控制器表达式y = y*+Kp_torque(x-x*) + (dT/2)Ki^torque(x+x*), x = ω-ωη其中y为输出转矩，X为输入转速偏差，Kp_tOT_为转矩控制器比例增益，Kptmiue为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机测量转速，ωη为发电机参考转速，符号O)表示上一个时间点各参数对应值。优选的，在区间I内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = η2，过渡转速1!2的取值范围为I. 01 I. 02倍额定转速η,;在区间II内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = η2 ;在区间III内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = ;变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为y = γ*+Κ Λ6(Φ)(x-x*)+ ((11/2)^^6( Φ) (x+x*), X = ω-ωη这其中y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，Vpitch为变桨控制器比例增益，Ki^pitch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，ωη&电机参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。优选的，中间转速ηΙ/π取值大小具体为最小并网转速Ii1和额定转速的平均值。一种风力发电机组转速转矩控制装置，包括转矩PI控制模块，用于采用PI控制方式调整转矩；转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；变桨非线性PI控制模块，用于采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度。优选的，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，根据不同的运行区间选择不同的转矩控制参考转速和变桨控制参考转速。从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一种风力发电机组转速转矩控制方法，设置区域II内变桨控制目标转速大于转矩控制目标转速，使得机组随风速增大，发电机转速大于额定转速，而还未达到额定功率时，转矩依旧采用PI控制，控制变桨角度根据转速变化依旧可保持为最佳角度，通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，可以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，过渡区域由原来的点变化为改进后的曲线，更容易实现控制状态的柔性切换。同时，由于没有变桨控制的开关限制，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。同时，机组在达到额定功率后采用恒功率控制方式控制转矩，使得转矩给定值随发电机转速上升而下降，随发电机转速下降而上升，从而保证功率输出的稳定性。另外，根据叶片非线性气动特性调整变桨PI控制参数，可增强变桨控制与叶片气动特性的适应性，提高变桨动作随风速变化的跟随性，提高机组运行的稳定性，减小由变桨 控制弓I起的转速波动，减小机组的动态载荷。本发明还提供了一种应用了上述控制方法的风力发电机组转速转矩控制装置。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为目前常用风力发电机组控制转速-转矩关系图；图2为目前常用变桨PI控制参数与桨距角间关系图；图3为本发明实施例提供的改进后风力发电机组控制转速-转矩关系图；图4为本发明实施例提供的非线性变桨PI控制参数与桨距角间关系图；图5本发明控制方案实施示意框图；图6为实施例I中平均风速为11. 7m/s湍流风的风速示意图；图7为实施例I中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的风轮转速对比图；图8为实施例I中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的变桨角度对比图；图9为实施例I中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的发电机输出功率对比图；图10为实施例2中平均风速为14m/s湍流风的风速示意图；图11为实施例2中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的风轮转速对比图；图12为实施例2中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的变桨角度对比图；图13为实施例2中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的发电机输出功率对比图。
具体实施例方式本发明公开了一种风力发电机组转速转矩控制方法，实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，保证机组运行及其功率输出的稳定性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图3，本发明实施例提供的风力发电机组转速转矩控制方法，设置发电机过渡转速大于额定转速，在发动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。本发明实施例提供的种风力发电机组转速转矩控制方法，如图3所示，在DE区间设置过渡转速点D'，当风力发电机组从控制状态CD向DE过渡时，变桨角度从D'点开始控制变化，而转矩依旧按照CD曲线采用PI控制，通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，可以避免两种控制不同步造成发电机转速ω在额定转速上下发生较大波动的问题，过渡区域由原来的点D变化为改进后的曲线DD'，更容易实现控制状态的柔性切换。同时，由于没有变桨控制的开关限制，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ω小于过渡转速时，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ω的波动。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，在现有技术中，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。为了解决这一问题，本实施例中，在测量转速大于或者等于过渡转速的情况下，转矩控制采用恒功率控制方式，即Tg = py ω，其中Tg为给定发电机电磁转矩，Pr为发电机额定功率，ω为发电机转速。本发明实施例提供的种风力发电机组转速转矩控制方法，在测量转速大于或者等于过渡转速的情况下，变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式调整变桨角度。这样一来，根据叶片非线性气动特性调整变桨PI控制参数，可增强变桨控制与叶片气动特性的适应性，提高变桨动作随风速变化的跟随性，提高机组运行的稳定性，减小由变桨控制引起的转速波动，减小机组的动态载荷。请参阅图3，取发电机的中间转速ηΙ/π介于最小并网转速Ii1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Ii1和中间转速ηΙ/π之间时的情况下区间I，测量转速ω介于中间转速ηΙ/π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 ;在区间I内，转矩控制器设置发电机参考转速为ωη = η1；同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim，当转矩控制器输出y大于Tlim时，转矩限制在y = Tlim ；在区间II内，转矩控制器设置发电机参考转速为ωη = ~，同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim，当转矩控制器输出y小于Tlim时，转矩限制在y = Tlim ；其中最大功率点跟踪控制转矩限制Tlim = KtjptGJ25Ktjpt= nmJi P R5Cp/(2 λ 3G3),Kopt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，nm为传动链机械效率，P为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大功率利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。 转矩PI控制器表达式 y = y*+Kp_torque(x-x*) + (dT/2)Ki^torque(x+x*)，x = ω-ωη其中y为输出转矩，X为输入转速偏差，Kp_tOTque为转矩控制器比例增益，Kptmiue为转矩控制器积分增益，dT为时间步 长，ω为发电机测量转速，ωη为发电机参考转速，符号O)表示上一个时间点各参数对应值。进一步的，在区间I内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = η2，具体的，过渡转速η2的取值范围为1.01 I. 02倍额定转速η,;在区间II内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = η2 ;在区间III内，变桨控制器设置发电机参考转速为ωη = ;变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为y = Υ*+Κ Λ6(Φ)(x-x*)+ ((11/2)^^6( Φ) (x+x*), X = ω-ωη这其中y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，Vpiteh为变桨控制器比例增益，Ki^pitch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，ωη&电机参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。具体的，中间转速ηΙ/π取值大小具体为最小并网转速Ii1和额定转速的平均值。控制参数增益G与变桨角度0之间关系表示为G(0) = 1/(1 + 0/0k)，其中0k
是由叶片非线性气动特性确定的系数，通过该种方式调整的变桨PI控制器参数与叶片气动特性相一致，如图4所示。各区间控制逻辑转换方案描述如下从区间I转换到区间II :发电机转速ω > ηΙ/π ；从区间II转换到区间I :发电机转速ω < ηΙ/π ；从区间II转换到区间III :发电机转速ω > \，同时P彡Pr, P为发电机输出功率；从区间III转换到区间II :变桨角度Φ < Φ 2ρ同时发电机转速ω < nr, Φ 2ρ取值为最佳变桨角度加O. 5 deg，该值根据不同叶片的气动特性可作适当修正。本发明的控制方案实施示意框图如5所示。测量的发电机转速通过陷波滤波后与测量的发电机功率及测量的叶片变桨角度共同判断出当前机组运行的区域，根据不同的运行区域选择不同的转矩控制和变桨控制参考转速，再分别计算各自对应的偏差，转矩控制对应的转速偏差输入到转矩控制器输出转矩值，再通过转矩变化率和转矩极值限制输出满足机组要求的发电机转矩需求值到发电机进行控制，变桨控制器对应的转速偏差与非线性调整后的变桨控制器参数共同输入到变桨控制器，输出变桨角度，再通过变桨角度和速度限制输出满足机组要求的变桨角度。本发明实施例还提供了一种风力发电机组转速转矩控制装置，包括转矩PI控制模块，用于采用PI控制方式调整转矩；转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；变桨非线性PI控制模块，用于采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度。为了进一步优化上述的技术方案，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，根据不同的运行区间选择不同的转矩控制参考转速和变桨控制参考转速。对本发明进行仿真运行，分别采用额定风速附近湍流和额定以上风速湍流进行仿真比较，风力发电机组主要模型参数见表I。表I
权利要求
1.一种风力发电机组转速转矩控制方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求I所述的风力发电机组转速转矩控制方法，其特征在于，取发电机的中间转速nI/n介于最小并网转速Ii1和额定转速之间,设发电机的测量转速Co介于最小并网转速H1和中间转速nI/n2间时的情况下为区间I，测量转速《介于中间转速nI/n和额定转速I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 ； 在区间I内，转矩控制器设置发电机参考转速为= H1,同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim，当转矩控制器输出y大于Tlim时，转矩限制在y = Tlim;在区间II内，转矩控制器设置发电机参考转速为= nr,同时设置最大Cp跟踪转矩作为限制值Tlim,当转矩控制器输出y小于Tlim时，转矩限制在y = Tlim ；转矩 PI 控制器表达式y = y*+Kp_torque(x-x*) + (dT/2)Ki^torque(x+x*), x = w-wn 其中y为输出转矩，x为输入转速偏差，Kp_tOT_为转矩控制器比例增益，为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，Co为发电机测量转速，为发电机参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组转速转矩控制方法，其特征在于，在区间I内，变桨控制器设置发电机参考转速为= n2，过渡转速n2的取值范围为I. 01 I. 02倍额定转速I ;在区间II内，变桨控制器设置发电机参考转速为《n = n2 ;在区间III内，变桨控制器设置发电机参考转速为= ~ ; 变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为y = y*+Kp_pitchG((j5)(x-x*)+ ((11/2)^^6(^) (x+x*), x =这其中y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，Vpitch为变桨控制器比例增益，Ki^pitch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，为变桨角度，发电机参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组转速转矩控制方法，其特征在于，中间转速nl7n取值大小具体为最小并网转速Il1和额定转速的平均值。
5.一种风力发电机组转速转矩控制装置，其特征在于，包括 转矩PI控制模块，用于采用PI控制方式调整转矩； 转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩； 变桨非线性PI控制模块，用于采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组转速转矩控制装置，其特征在于，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，根据不同的运行区间选择不同的转矩控制参考转速和变桨控制参考转速。
全文摘要
本发明公开了一种风力发电机组转速转矩控制方法，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。本发明提供的种风力发电机组转速转矩控制方法，通过改变两个控制器在过渡区的控制目标点，避免两种控制不同步造成转速发生较大波动的问题，过渡区由原来的点改进为曲线，更容易实现控制状态的柔性切换，保证机组运行及其功率输出的稳定性。
文档编号F03D7/00GK102635499SQ201210114448
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者刘亚林, 刘杰, 杨微, 闫中杰, 陶友传 申请人:中船重工(重庆)海装风电设备有限公司