专利名称：一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法
技术领域：
本发明涉及一种风力发电机转矩的控制技术，特别是涉及一种应用于兆瓦级异步双馈风力发电机的能够快速穿越共振带的转矩控制方法。
背景技术：
兆瓦级异步双馈风力发电机的转速控制目前采用的控制方法是通过变桨控制和转矩控制实现的。其中转矩控制主要应用在额定风速以下。由于上风向型的水平轴变速风机的转速在额定风速以下是沿着最佳叶尖速比曲线不断变化，叶轮旋转时与风机的塔筒之间由于空气动力影响产生作用力，如果某一转速下风轮的作用力频率与塔筒的固有频率一致，就会产生共振，导致风机受损甚至倾倒。为了避免叶轮与塔筒间的作用力导致的塔筒共振，需要通过转矩控制算法避开共振频率的转速。目前普遍采用的转矩控制算法是在转速闭环控制中加入陷波滤波器，也有采用在共振频率对应的叶轮转速给定中，避开共振点处的叶轮转速给定值，这些控制方法要么对风机的载荷有较大影响，要么不能快速的通过共振带，最终都不能完美解决塔筒共振的问题。本发明提出一种可行的控制方法，能够快速穿越共振带，避免风机转速在共振点频繁切换，同时对风机载荷又不会带来较大影响的发电机转矩控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种能够快速穿越共振带的转矩控制方法，本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤:步骤I)根据风机的发电机共振转速值Sz和共振区的带宽W对应的发电机转速S，计算出发电机共振转速下限转矩点c对应的共振转速带的下限转速值S2和发电机共振转速上限转矩点f对应的上限转速值S3 ；步骤2)查询转速/转矩表T得到发电机共振转速下限转矩点c转矩值Mc和发电机共振转速上限转矩点f处的转矩值Mf ;计算发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速下限转矩提升点d对应的发电机功率Pf ；步骤3)将发电机共振转速下限转矩点c的转矩提升至发电机共振转速下限转矩提升点d，并设置发电机共振转速下限转矩提升点d的发电机功率等于发电机共振转速上限转矩点f的发电机功率；将发电机共振转速上限转矩点f的转矩降低至发电机共振转速上限转矩降低点e，并设置发电机共振转速上限转矩降低点e的发电机功率等于发电机共振转速下限转矩点c发电机功率；然后计算发电机共振转速下限转矩提升点d发电机转矩Md和发电机共振转速上限转矩降低点e发电机转矩Me ；步骤4)对实时检测的发电机实际转速值Sc采用一阶低通滤波算法计算出滤波后的发电机转速值S_flt ;根据根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩。所述步骤I)中发电机共振转速值Sz是能够引起叶轮与塔筒共振的发电机转速值。所述发电机共振转速下限转矩点c对应的共振带的下限转速值S2的计算公式为
52= Sz-S/2 ；所述发电机共振转速上限转矩点f对应的共振带的上限转速值S3的计算公式为
53= Sz+S/2 ；其中:Sz为塔筒共振点对应的发电机转速；S为共振带的带宽对应的发电机转速。所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩点c的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，c点的纵坐标为发电机的转矩值Mc，Mc等于发电机转速S2对应的最佳叶尖速比转矩值；所述步骤2)、3)中发电机共振转速上限转矩点f的横坐标是发电机共振转速带上限值S3，f点的纵坐标为发电机的转矩值Mf，Mf等于发电机转速S3对应的最佳叶尖速比转矩值；所述发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速上限转矩点f对应的发电机功率Pf的计算公式为:Pc = Mc*S2/9550 ；Pf = Mf*S3/9550o所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩提升点d的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，d点的纵坐标为发电机的转矩值Md，Md的值是按照d点的功率等于f点功率关系式计算得到的；所述步骤3)中发电机共振转速上限转矩降低点e的横坐标是发电机共振转速带的上限值S3，e点的纵坐标为发电机的转矩值Me，Me是按照e点的功率等于c点的功率关系计算得出的；Md和Me的计算公式为:Md = 9550*Pf/S2 ；Me = 9550*Pc/S3 ；所述实时检测的发电机实际转速值Sc是通过通过安装于发电机尾部的编码器检测所得到的。所述采用一阶低通滤波算法计算滤波后的发电机转速值S_flt的计算公式为:S_f It = S_flt_old* (m-1)/m+Sc/m其中:S_flt为滤波后的转速值；S_flt_old为滤波后的转速的上一个扫描周期的值；m为滤波因子。所述转速/转矩表T是根据叶片最佳叶尖速比曲线建立的。所述步骤4)中根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩包括:(l)S_flt < S2 或 S_flt > S3 时，发电机转矩 M = T(S_flt)；(2) S_flt = S2 时，发电机转矩 M = Md ;(3) S2 < S_flt < S3 且 Vn > Vf 时，发电机转矩 M = Me ;(4) S2 < S_flt < S3 且 Vn < Vc 时，发电机转矩 M = Md ;(5) S2 < S_flt < S3 且 Vc < Vn < Vf 时，发电机转矩 M = M_old ；(6) S_flt = S3 时，发电机转矩 M = Me ;
其中，Vf为发电机共振转速上限转矩点f对应风速，Vc为发电机共振转速下限转矩点c对应风速，M_old为上一扫描周期的发电机转矩。本发明具有以下有益效果及优点:1.本发明能够避免风轮转速运行在塔筒共振频率点附近，从而提高了风机的安全性，并有效减小了风机的载荷，提闻了风机的使用寿命。2、本发明方法能够避免风机在共振点附近频繁切换导致的电网波动，能够有效提高电能质量。3、本发明方法程序流程简单，易于编程实现，对控制器硬件要求低。市场上各类型风机控制器均满足本发明算法的要求。
图1为本发明的转矩控制原理图；图2为本发明的软件流程图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。如图1所示，bg段是根据叶轮的最佳叶尖速比绘制的转速/转矩曲线，在本发明中以转速/转矩二维表T形式表不，如表I。表I转速/转矩表
权利要求
1.一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤I)根据风机的发电机共振转速值Sz和共振区的带宽W对应的发电机转速S，计算出发电机共振转速下限转矩点C对应的共振转速带的下限转速值S2和发电机共振转速上限转矩点f对应的上限转速值S3 ； 步骤2)查询转速/转矩表T得到发电机共振转速下限转矩点c转矩值Mc和发电机共振转速上限转矩点f处的转矩值Mf ;计算发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速下限转矩提升点d对应的发电机功率Pf ； 步骤3)将发电机共振转速下限转矩点c的转矩提升至发电机共振转速下限转矩提升点山并设置发电机共振转速下限转矩提升点d的发电机功率等于发电机共振转速上限转矩点f的发电机功率；将发电机共振转速上限转矩点f的转矩降低至发电机共振转速上限转矩降低点e，并设置发电机共振转速上限转矩降低点e的发电机功率等于发电机共振转速下限转矩点c发电机功率；然后计算发电机共振转速下限转矩提升点d发电机转矩Md和发电机共振转速上限转矩降低点e发电机转矩Me ； 步骤4)对实时检测的发电机实际转速值Sc采用一阶低通滤波算法计算出滤波后的发电机转速值S_flt ;根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩。
2.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述步骤I)中发电机共振转速值Sz是引起叶轮与塔筒共振的发电机转速值。
3.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述发电机共振转速下限转矩点c对应的共振带的下限转速值S2的计算公式为S2 =Sz-S/2 ； 所述发电机共振转速上限转矩点f对应的共振带的上限转速值S3的计算公式为S3 =Sz+S/2 ； 其中=Sz为塔筒共振点对应的发电机转速；S为共振带的带宽对应的发电机转速。
4.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩点c的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，c点的纵坐标为发电机的转矩值Mc，Mc等于发电机转速S2对应的最佳叶尖速比转矩值； 所述步骤2)、3)中发电机共振转速上限转矩点f的横坐标是发电机共振转速带上限值S3，f点的纵坐标为发电机的转矩值Mf，Mf等于发电机转速S3对应的最佳叶尖速比转矩值； 所述发电机共振转速下限转矩点c对应的发电机功率Pc和发电机共振转速上限转矩点f对应的发电机功率Pf的计算公式为:Pc = Mc*S2/9550 ；Pf = Mf*S3/9550o
5.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于:所述步骤2)、3)中发电机共振转速下限转矩提升点d的横坐标是发电机共振转速带的下限值S2，d点的纵坐标为发电机的转矩值Md，Md的值是按照d点的功率等于f点功率关系式计算得到的； 所述步骤3)中发电机共振转速上限转矩降低点e的横坐标是发电机共振转速带的上限值S3，e点的纵坐标为发电机的转矩值Me，Me是按照e点的功率等于c点的功率关系计算得出的； Md和Me的计算公式为:Md = 9550*Pf/S2 ；Me = 9550*Pc/S3。
6.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述实时检测的发电机实际转速值Sc是通过安装于发电机尾部的编码器检测所得到的。
7.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述采用一阶低通滤波算法计算滤波后的发电机转速值s_flt的计算公式为:S_fIt = S_flt_old*(m-1)/m+Sc/m ； 其中:S_flt为滤波后的转速值；S_flt_old为滤波后的转速的上一个扫描周期的值;m为滤波因子。
8.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述转速/转矩表T是根据叶片最佳叶尖速比曲线建立的。
9.根据权利要求1所述的一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，其特征在于: 所述步骤4)中根据S_flt和当前风速值Vn的不同，设置不同的发电机转矩包括: (1)S_flt< S2 *S_flt > S3 时，发电机转矩 M = T(S_flt)； (2)S_flt= S2时，发电机转矩M = Md ； (3)S2 < S_flt < S3 且 Vn > Vf 时，发电机转矩 M = Me ; (4)S2 < S_flt < S3 且 Vn < Vc 时，发电机转矩 M = Md ;(5)S2 < S_flt < S3 且 Vc < Vn < Vf 时，发电机转矩 M = M_old ；(6)S_flt= S3时，发电机转矩M = Me ； 其中，Vf为发电机共振转速上限转矩点f对应风速，Vc为发电机共振转速下限转矩点c对应风速，M_old为上一扫描周期的发电机转矩。
全文摘要
本发明涉及一种快速穿越共振带的风力发电机转矩控制方法，具体方法为根据塔筒的共振频率对应的发电机转速值及共振带的带宽设置共振区，根据当前的发电机转速和风速的值设置不同的发电机转矩，使发电机的转速值能够在低速区与高速区之间快速穿越。控制方法包括发电机转速的一阶滤波算法，低速区的转矩提升值计算、高速区的转矩提升值计算、风机6种不同运行状态的判断与切换程序。本发明具有降低风机的载荷，有效提高风机的安全性与使用寿命的特点；避免风机在共振点附近频繁切换导致的电网波动，能够有效提高电能质量。
文档编号H02P9/00GK103187912SQ201110449090
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者杜劲松, 吴景辉, 苏浩, 郭锐 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所