一种双馈风力发电机组的控制系统及方法与流程

本发明属于风力发电，涉及一种双馈风力发电机组的控制系统及方法。

背景技术：

1、当前，风能丰裕地区的电网架构比较薄弱，风能资源较集中且远离负荷中心，区域电网间的风电功率不存在联络交换，风电并网标准尚不健全，风电功率预测精度和技术较成熟的国家相比存在差距，以上因素皆阻碍了风电利用效率。目前风电穿透水平依然较低，而风电的利用率却大受限制，若要继续大力发展风电，必须从国家政策和并网技术两个层面解决上网难、利用率低的问题。

2、和常规发电方式不同，风电功率输出由自然风速决定，具有间歇性、波动性和不可控的特点，这导致其输出的电能质量较低。随着电力系统中风电穿透水平的不断增大，系统运行的安全性和稳定性必然会降低，若通过配置额外的常规发电机组或储能设备来弥补风力发电的不足，便会降低风能开发的经济性。因此，唯有在应用技术上解决风电并网带来的负面影响，才能为大规模、可持续地进行风能开发提供保证。

3、风电机组的功率输出依赖于随机波动的风速，因此和常规发电机组不同，风电功率输出是不可控的。随着风电装机容量的增加，维持电力系统稳定便更具挑战性，特别在常规发电机组装机容量较少的弱电网中，波动的风电功率可能面临限电危机。此时，如果既要保证风电功率最大化，即最大化的捕捉风能又要保证电力系统稳定，则需在电力系统中安装额外的常规发电机组或储能系统以抑制风电功率的波动。配置额外的可调度发电机组和大容量的储能系统会增加发电成本，能源利用的经济性会变差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种双馈风力发电机组的控制系统及方法，该系统及方法能够最大化的捕捉风能，同时保证电力系统稳定，并且成本较低。

2、为达到上述目的，本发明公开了一种双馈风力发电机组的控制系统，包括：

3、转子转速控制器，用于通过控制叶片的旋转速度，使叶尖速比在当前风速下达到最优，最大化风机叶轮捕捉的风能；

4、桨距角控制器，用于通过控制叶轮桨距角，使得风轮的机械功在额定范围内。

5、所述双馈风力发电机组包括风轮、齿轮变速箱、异步感应发电机及双向变频器；

6、风轮通过齿轮变速箱与发电机的绕线转子相连接，发电机的定子绕组与电网相连接，发电机的转子绕组通过双向变频器与电网相连接，双向变频器通过将电网的频率与发电机机械转子的频率进行解耦，实现双馈风力发电机组的变速发电控制。

7、所述双向变频器包括两个通过直流总线连接的背靠背绝缘栅双极型晶体管。

8、本发明所述的双馈风力发电机组的控制方法包括：

9、当当前实际风速小于等于双馈风力发电机组的额定风速时，则投入转子转速控制器，通过转子转速控制器调节叶片的旋转速度，使叶尖速比在当前风速下达到最优，最大化风机叶轮捕捉的风能；

10、当当前实际风速大于双馈风力发电机组的额定风速时，则投入桨距角控制器，通过桨距角控制器控制叶轮桨距角，使得风轮的机械功在额定范围内。

11、所述叶尖速比λ为：

12、

13、其中，ωr为风轮旋转角速度；r为风轮扫风半径；vw为风速。

14、风能转化系数cp为：

15、

16、其中，αi,j为拟合得到的系数。

17、所述双馈风力发电机组的转子及传动系统基于柔性轴连接的双质量块模型表示为：

18、

19、tm＝dm(ωr-ωg)+km∫(ωr-ωg)dt    (4)

20、

21、其中，twt为风轮转子机械转矩，tm为柔性轴机械转矩传递，hr为风轮转子转动惯量，ωr为风轮转子旋转角速度，dm为机械联轴的阻尼系数，km为机械联轴的刚度系数，ωg为异步感应发电机转子旋转角速度，tg为异步感应发电机电磁转矩，hg为异步感应发电机转子转动惯量。

22、所述通过转子转速控制器调节叶片的旋转速度，使叶尖速比在当前风速下达到最优的具体过程为：

23、根据双馈风力发电机组的电功率输出值计算转子转速参考值；

24、以双馈风力发电机组的实际转子转速值与计算得到的转子转速参考值之间的误差作为转矩控制回路输入信号，将所述转矩控制回路输入信号输入到转矩控制器中，得到转矩控制信号，再将转矩控制信号和转速的乘积经低通滤波器进行低通滤波处理，得到风电机组功率控制指令pord，根据所述风电机组功率控制指令pord控制双馈风力发电机组。

25、本发明具有以下有益效果：

26、本发明所述的双馈风力发电机组的控制系统及方法在具体操作时，当当前实际风速小于等于双馈风力发电机组的额定风速时，则通过转子转速控制器调节叶片的旋转速度，以最大化风机叶轮捕捉的风能，当当前实际风速大于双馈风力发电机组的额定风速时，则控制叶轮桨距角，使得风轮的机械功在额定范围内，避免双馈风力发电机组中发电机及变流器超负荷运行，防止转子转速过高导致机械故障，保证系统的稳定性，同时避免配置额外的可调度发电机组和大容量的储能系统而导致发电成本增加。

技术特征：

1.一种双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述双馈风力发电机组包括风轮、齿轮变速箱、异步感应发电机及双向变频器；

3.根据权利要求2所述的双馈风力发电机组的控制系统，其特征在于，所述双向变频器包括两个通过直流总线连接的背靠背绝缘栅双极型晶体管。

4.一种双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述叶尖速比λ为：

6.根据权利要求5所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，风能转化系数cp为：

7.根据权利要求4所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述双馈风力发电机组的转子及传动系统基于柔性轴连接的双质量块模型表示为：

8.根据权利要求4所述的双馈风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述通过转子转速控制器调节叶片的旋转速度，使叶尖速比在当前风速下达到最优的具体过程为：

技术总结
本发明公开了一种双馈风力发电机组的控制系统及方法，包括：转子转速控制器，用于通过控制叶片的旋转速度，使叶尖速比在当前风速下达到最优，最大化风机叶轮捕捉的风能；桨距角控制器，用于通过控制叶轮桨距角，使得风轮的机械功在额定范围内，该系统及方法能够最大化的捕捉风能，同时保证电力系统稳定，并且成本较低。

技术研发人员：郑少雄,薛志恒,张朋飞,何欣欣,杨可,陈会勇,孙伟嘉,吴涛,孟勇,赵杰,王伟锋,赵永坚
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14