一种风电机组满发工况恒功率控制方法、装置及风电机组的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种风电机组满发工况恒功率控制方法、装置及风电机组。该方法包括变桨操作与变电磁扭矩操作步骤。变桨操作步骤包括：根据当前发电机转速计算发电机电磁扭矩差；根据当前叶片桨距角确定PI校正所用增益，PI校正发电机电磁扭矩差，得到桨距角补偿值；桨距角补偿值与桨距角给定值相加，基于相加得到的桨距角需求值转化的变桨速率执行变桨操作。变电磁扭矩操作步骤包括：基于额定发电机功率除以当前发电机转速计算出的发电机电磁扭矩需求值执行变电磁扭矩操作。在满发工况下，本发明方法及装置基于桨距角补偿，调整叶片桨距角，使发电机转速更平稳，且在变桨操作基础上执行变电磁扭矩操作，降低了发电机功率波动，实现了恒功率控制。
【专利说明】一种风电机组满发工况恒功率控制方法、装置及风电机组【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在满发工况条件下基于桨距角补偿实现的风电机组恒功率控制方法及装置，以及基于该装置实现的风电机组，属于风电机组发电机转速与功率控制领域。
【背景技术】
[0002]目前，基于直驱永磁技术或双馈励磁技术的风电机组大多采用变桨变速的控制方法。具体来说，当实际风速在额定风速以下时，叶轮转速随风速成比例调节，以维持最佳尖速比不变，从而获得更多的风能。通常，采用控制发电机电磁扭矩来控制发电机转速，使叶片桨距角保持在最优桨距角。发电机电磁扭矩输出需求值与发电机转速的平方成正比，其比值为最佳增益值，发电机电磁扭矩的控制由变流器来实现。当实际风速在额定风速以上时，大多数的风电机组采用发电机恒功率的控制方法，通过改变叶轮的叶片桨距角和发电机电磁扭矩，来保持发电机恒定功率。调节发电机转速时，变桨距控制不是保持发电机电磁扭矩输出需求值恒定，而是以检测的发电机转速为依据，反比例调节发电机电磁扭矩输出需求值，以保持发电机输出功率恒定。而变桨距控制采用测量发电机转速与转速设定点的差值，引入PID校正方式，计算对应的叶片桨距角需求，由变桨执行机构来实现。
[0003]但是，在实际运行中，风速是具有随机性和不确定性的，叶轮转速会随风速作相应变化，而叶轮转速的变化最终会影响风电机组的发电性能和结构部件载荷的承受情况，尤其是大湍流工况下，风速的瞬时变化会造成叶轮转速的快速变化。根据实验现场采集的数据可知，在满发工况条件下，特别是在大风工况条件下:当风速突然增大时，叶轮转速上升，由于发电机电磁扭矩乘以发电机转速等于发电机功率，因此发电机电磁扭矩因恒功率而降低。由于变流器惯性较小，因而发电机电磁扭矩反应迅速，由于变桨执行机构转动惯量较大，因而叶轮变桨反应较慢，所以造成发电机(传动轴)扭矩差上升较快，叶轮加速度增大，也就是说，发电机转速是容易上升的。那么，若发电机转速已处于临界过速状态，则此时就容易发生发电机过速故障，尤其是浮动式风电机组经常发生过速故障。当风速突然降低时，叶轮转速下降，发电机电磁扭矩因恒功率而增大，基于上述变流器惯性较小而变桨执行机构转动惯量较大的原理，发电机(传动轴`)扭矩差为负，叶轮产生负加速度，从而导致发电机转速跌落，极易致使风电机组从满发状态突跳到变速控制阶段，造成发电机功率大幅损失。
[0004]针对上述满发工况条件下恒功率输出导致的发电机转速与发电机电磁扭矩成反比例，发电机电磁扭矩的变化对发电机转速产生负阻尼影响的现状，目前在进行PI校正控制参数整定时，通常假定发电机电磁扭矩为恒定值，不考虑由于恒功率引起的发电机电磁扭矩的变化，即忽略了发电机转速产生的负阻尼效应，但是，从实际实施中可以发现，这种做法会使风电机组在大湍流工况或其它极端工况下发生发电机转速不稳定、过速等问题。
[0005]由此可见，设计出一种在满发工况条件下可将风电机组的发电机转速控制得平稳、波动小，且使发电机功率保持平稳的技术方案是目前急需解决的问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种风电机组满发工况恒功率控制方法及装置，以及基于该装置实现的风电机组，该方法及装置通过桨距角补偿方式来防止发电机转速过快上升或跌落，降低风电机组发生过速的概率，基于变桨操作与变电磁扭矩操作的执行，使风电机组处于恒功率运行中，同时保证不会导致风电机组结构部件的载荷增加。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0008]本发明提出了一种风电机组满发工况恒功率控制方法，该方法包括变桨操作步骤、变电磁扭矩操作步骤，其中:
[0009]该变桨操作步骤包括:
[0010]步骤1:根据当前发电机转速，计算出发电机电磁扭矩差；
[0011]步骤2:根据获取的当前叶片桨距角确定PI校正所用的增益，并基于该增益对该发电机电磁扭矩差进行PI校正，以得到桨距角补偿值；
[0012]步骤3:将该桨距角补偿值与桨距角给定值相加得到桨距角需求值，并将该桨距角需求值转化为变桨速率，以基于该变桨速率来执行变桨操作；
[0013]该变电磁扭矩操作步骤包括:将额定发电机功率除以该当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩需求值，以基于该发电机电磁扭矩需求值来执行变电磁扭矩操作。
[0014]优选地，在所述变桨操作步骤和所述变电磁扭矩操作步骤之前，还包括步骤:判断当前工况是否为满发工况。
[0015]优选地，所述判断当前工况是否为满发工况包括如下步骤:
[0016]获取当前叶片桨距角并计算当前发电机功率；
[0017]判断是否该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，若该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，则当前工况为满发工况，否则，当前工况不为满发工况。
[0018]为使得到的发电机电磁扭矩差更为可靠，在所述步骤I中，通过所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差计算得出所述发电机电磁扭矩差。较佳地，根据所述发电机转速差，通过如下转速-电磁扭矩转换公式计算得出所述发电机电磁扭矩差:
pP ，
[0019]AT1 =--—y Aa>2 ；
[0020]在该转速-电磁扭矩转换公式中，AT为发电机电磁扭矩差，A Co为发电机转速差，Po为额定发电机功率，为额定发电机转速。
[0021]优选地，所述增益包括比例增益Kp、积分增益Ki，其中:基于获取的所述当前叶片桨距角在增益调度表中确定出该比例增益Kp，通过该比例增益Kp除以时间常数Ti计算得出该积分增益Ki，其中，该时间常数Ti为一个设定固定值。
[0022]在所述步骤3中，对由所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差进行PI校正，以得到所述桨距角给定值。在实际设计中，较佳地，低通滤波处理所述当前发电机转速；低通滤波处理所述桨距角给定值、所述桨距角需求值。
[0023]本发明还提出了一种风电机组满发工况恒功率控制装置，它包括变桨操作模块、变电磁扭矩操作模块，其中:[0024]该变桨操作模块包括:
[0025]电磁扭距差计算模块，用于根据当前发电机转速，计算出发电机电磁扭矩差；
[0026]变桨补偿控制模块，用于根据获取的当前叶片桨距角确定PI校正所用的增益，并基于该增益对该发电机电磁扭矩差进行PI校正，以得到桨距角补偿值；
[0027]变桨控制模块，用于将该桨距角补偿值与桨距角给定值相加得到桨距角需求值，并将该桨距角需求值转化为变桨速率，以基于该变桨速率来执行变桨操作；
[0028]该变电磁扭矩操作模块包括:
[0029]电磁扭矩控制模块，用于将额定发电机功率除以该当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩需求值，以基于该发电机电磁扭矩需求值来执行变电磁扭矩操作。
[0030]优选地，所述风电机组满发工况恒功率控制装置还包括满发工况判断模块，用于判断当前工况是否为满发工况。
[0031 ] 优选地，所述满发工况判断模块包括:
[0032]判断预备模块，用于获取当前叶片桨距角并计算当前发电机功率；
[0033]判断决定模块，用于判断是否该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，若该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，则当前工况为满发工况，否则，当前工况不为满发工况。
[0034]较佳地，所述电磁扭距差计算模块通过所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差计算得出所述发电机电磁扭矩差。
`[0035]所述电磁扭距差计算模块根据所述发电机转速差，通过如下转速-电磁扭矩转换公式计算得出所述发电机电磁扭矩差:
【权利要求】
1.一种风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于，其包括变桨操作步骤、变电磁扭矩操作步骤，其中: 该变桨操作步骤包括: 步骤1:根据当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩差； 步骤2:根据当前叶片桨距角确定PI校正所用的增益，并基于该增益对该发电机电磁扭矩差进行PI校正，以得到桨距角补偿值； 步骤3:将该桨距角补偿值与桨距角给定值相加得到桨距角需求值，并将该桨距角需求值转化为变桨速率，以基于该变桨速率来执行变桨操作； 该变电磁扭矩操作步骤包括: 将额定发电机功率除以该当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩需求值，以基于该发电机电磁扭矩需求值来执行变电磁扭矩操作。
2.如权利要求1所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 在所述变桨操作步骤和所述变电磁扭矩操作步骤之前，还包括步骤:判断当前工况是否为满发工况。
3.如权利要求2所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 所述判断当前工况是否为满发工况包括如下步骤: 获取当前叶片桨距角并计算当前发电机功率； 判断是否该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，若该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，则当前工况为满发工况，否则，当前工况不为满发工况。
4.如权利要求1所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 在所述步骤I中，通过所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差计算得出所述发电机电磁扭矩差。
5.如权利要求4所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 根据所述发电机转速差，通过如下转速-电磁扭矩转换公式计算得出所述发电机电磁扭矩差:
6.如权利要求1所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 所述增益包括比例增益Kp和积分增益Ki，其中:基于所述当前叶片桨距角在增益调度表中确定出该比例增益Kp，通过该比例增益Kp除以时间常数Ti计算得出该积分增益Ki，其中，该时间常数Ti为一个设定固定值。
7.如权利要求6所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 当所述当前叶片桨距角小于第一设定角度时，所述比例增益Kp设置为第一增益值Kpl ;当所述当前叶片桨距角大于第二设定角度时，所述比例增益Kp设置为第二增益值Kp2;当所述当前叶片 桨距角处于该第一设定角度与该第二设定角度之间时，所述比例增益Kp设置为随着所述当前叶片桨距角增大而从该第一增益值Kpl到该第二增益值Kp2沿设定曲线逐渐减小；其中，该第一设定角度小于该第二设定角度，该第一增益值Kpl大于该第二增益值Kp2。
8.如权利要求1所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 在所述步骤3中，对由所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差进行PI校正，以得到所述桨距角给定值。
9.如权利要求1或8所述的风电机组满发工况恒功率控制方法，其特征在于: 低通滤波处理所述当前发电机转速； 低通滤波处理所述桨距角给定值、所述桨距角需求值。
10.一种风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于，其包括变桨操作模块、变电磁扭矩操作模块，其中: 该变桨操作模块包括: 电磁扭距差计算模块，用于根据当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩差； 变桨补偿控制模块，用于根据当前叶片桨距角确定PI校正所用的增益，并基于该增益对该发电机电磁扭矩差进行PI校正，以得到桨距角补偿值； 变桨控制模块，用于将 该桨距角补偿值与桨距角给定值相加得到桨距角需求值，并将该桨距角需求值转化为变桨速率，以基于该变桨速率来执行变桨操作； 该变电磁扭矩操作模块包括: 电磁扭矩控制模块，用于将额定发电机功率除以该当前发电机转速计算出发电机电磁扭矩需求值，以基于该发电机电磁扭矩需求值来执行变电磁扭矩操作。
11.如权利要求10所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述风电机组满发工况恒功率控制装置还包括满发工况判断模块，用于判断当前工况是否为满发工况。
12.如权利要求11所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述满发工况判断模块包括: 判断预备模块，用于获取当前叶片桨距角并计算当前发电机功率； 判断决定模块，用于判断是否该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，若该当前叶片桨距角大于最优桨距角且当前发电机功率大于额定发电机功率与系数之积，则当前工况为满发工况，否则，当前工况不为满发工况。
13.如权利要求10所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述电磁扭距差计算模块通过所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差计算得出所述发电机电磁扭矩差。
14.如权利要求13所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述电磁扭距差计算模块根据所述发电机转速差，通过如下转速-电磁扭矩转换公式计算得出所述发电机电磁扭矩差:
15.如权利要求10所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于:所述增益包括比例增益Kp和积分增益Ki，其中: 所述变桨补偿控制模块包括: 比例增益计算模块，用于基于所述当前叶片桨距角在增益调度表中确定出该比例增益Kp ； 积分增益计算模块，用于通过该比例增益Kp除以时间常数Ti计算得出该积分增益Ki，其中，该时间常数Ti为一个设定固定值。
16.如权利要求15所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述比例增益计算模块，具体用于当所述当前叶片桨距角小于第一设定角度时，将所述比例增益Kp设置为第一增益值Kpl ;当所述当前叶片桨距角大于第二设定角度时，将所述比例增益Kp设置为第二增益值Kp2 ;当所述当前叶片桨距角处于该第一设定角度与该第二设定角度之间时，将所述比例增益Kp设置为随着所述当前叶片桨距角增大而从该第一增益值Kpl到该第二增益值Kp2沿设定曲线逐渐减小；其中，该第一设定角度小于该第二设定角度，该第一增益值Kpl大于该第二增益值Kp2。
17.如权利要求10所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述风电机组满发工况恒功率控制装置还包括: 桨距角给定控制 模块，用于对由所述当前发电机转速减去额定发电机转速得到的发电机转速差进行PI校正，以得到所述桨距角给定值。
18.如权利要求10或17所述的风电机组满发工况恒功率控制装置，其特征在于: 所述风电机组满发工况恒功率控制装置还包括: 第一低通滤波模块，用于低通滤波处理所述当前发电机转速； 第二低通滤波模块，用于低通滤波处理所述桨距角给定值、所述桨距角需求值。
19.一种风电机组，该风电机组包括主控制器，其特征在于:该主控制器包括如权利要求10至18中任一项所述的风电机组满发工况恒功率控制装置。
【文档编号】F03D7/00GK103615356SQ201310683134
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】黄国燕, 朱敏, 李强, 李健, 靖峰 申请人:北京金风科创风电设备有限公司