一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法与流程

本发明涉及低速直驱风电机组控制技术领域，尤其涉及一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法。

背景技术：

目前，风电机组关键技术指标为发电性能和可靠性，而发电性能作为风电机组运营商最为关心的指标，直接影响风电机组的市场前景。低速直驱风电机组(Direct-drive windturbine，DDWT)是一种由风轮直接驱动发电机运行的风电机组，其发电机通过全功率变流器直接与电网连接。对于低速直驱风电机组而言，因为是由风轮直接驱动发电机，省去了齿轮箱和高速联轴器、其运行时的传动损耗主要为电气传动系统损耗，为此，降低电气传动系统的损耗、提高其运行效率对整个风电机组的发电效率具有积极的作用。

现有技术中，对低速直驱风电机组电气传动系统通常是基于最优转速对发电机效率进行控制，即发电机转速根据风速大小跟踪最优转速点运行，在发电机额定转速以下，采用恒磁通控制方式来实现对发电机电磁转矩的控制，在额定转速以上，采用弱磁控制方式来对发电机电磁转矩进行控制。对于上述现有的控制方式，在风电机组处于小风阶段时，由于风轮输入至发电机的机械功率较小，电气传动系统的损耗占总功率的比例较大，同时，在小风阶段，风电机组实际转速与最优转速的偏差对发电机输入的机械功率影响不大，为此，在现有的控制方式下，只以风电机组最优转速跟踪(发电机输入机械功率最优)为控制目标，而忽略电气传动系统的电气效率最优控制，导致风电机组在小风阶段整体效率并不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、所需成本低、能够在全功率运行范围内实现高效率发电，且控制效率高的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，步骤包括：

1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，所述总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型。

2)执行控制时，输入初始输入功率控制目标风电机组运行；

3)调节所述发电机定子电压、发电机运行转速，使得按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照所述总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1)中总损耗模型建立的具体步骤为：

1.1)基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流发电机电压频率，建立发电机损耗子模型，以及根据由所述发电机定子电压、发电机运行转速转换得到的发电机定子电流和变流器载波频率，建立变流器损耗子模型；

1.2)根据发电机损耗子模型、变流器损耗子模型按下式建立得到所述总损耗模型；

P_Tloss＝f_g(U,I,f,ω)+f_c(I,f_c)

其中，P_Tloss为风电机组电气传动系统的总损耗，f_g(U,I,f,ω)为发电机损耗子模型，f_c(I,f_c)为变流器损耗子模型，U为发电机定子电压，I为发电机定子电流，f为发电机电压频率，ω为发电机运行转速,f_c为变流器载波频率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1.1)中发电机损耗子模型具体基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率，由铁耗、铜耗、机械损耗以及杂散损耗共同建立得到。

作为本发明的进一步改进，所述铁耗计算表达式为：

P_Feloss＝B²·σ_H·f+B²·σ_E·d²·f²

其中，P_Feloss为铁耗，B为发电机铁芯磁密，σ_H为发电机铁芯磁滞损耗系数，f为发电机电压频率，σ_E为发电机铁芯涡流损耗系数，d为冲片厚度。

所述铜耗P_culoss计算表达式为：

P_culoss＝I²·R_s

其中，I为发电机定子电流，R_s为发电机定子电阻。

所述机械损耗计算表达式为：

P_mloss＝K_b·ω_m+K_w·ω²_m

其中，P_mloss为机械损耗，ω_m为发电机运行转速，K_b为轴承摩擦损耗系数，K_w为风摩损耗系数。

所述杂散损耗计算表达式为：

$P_{sloss}=0.005\·\frac{p^2}{p_n}$

其中，p为发电机实际功率，p_n为发电机额定功率。

作为本发明的进一步改进，所述变流器损耗子模型具体建立步骤为：基于发电机定子电流和变流器载波频率，由IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、反向并联二极管通态损耗以及反向并联二极管反向恢复损耗共同建立得到。

作为本发明的进一步改进，所述IGBT通态损耗计算表达式为：

$P_{ICloss}=\frac{1}{2}\·D\·T\·(\frac{2\·\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\·I\·a+I^2\·b)$

其中，D·T为IGBT的周期导通时间，a、b为IGBT通态电压系数。

所述IGBT开关损耗计算表达式为：

$P_{ISloss}=\frac{1}{2}\·f_c\·(E_{on}+E_{off})$

其中，f_c为变流器载波频率，E_on为IGBT开通能量损耗，E_off为关断能量损耗。

所述反向并联二极管通态损耗计算表达式为：

$P_{DCloss}=\frac{1}{2}\·(1-D\·T)\·(\frac{2\·\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\·I\·c+I^2\·d)$

其中，c、d为反向并联二极管通态电压系数。

所述反向并联二极管反向恢复损耗计算表达式为：

$P_{DSloss}=\frac{1}{2}\·f_c\·E_r$

其中，E_r为反向并联二极管恢复开关能量损耗。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2)中输入的初始输入功率，具体根据风电机组最优风能跟踪控制方式确定得到。

作为本发明的进一步改进，步骤3)的具体步骤为：

3.1)由所述初始输入功率得到所述发电机定子电压、发电机运行转速的初始值，并按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗作为目标发电机损耗，以及按照所述总损耗模型计算得到的总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.2)；

3.2)增加调整所述发电机定子电压的值，并按照所述发电机损耗子模型计算发电机损耗，得到调整后发电机损耗；判断所述调整后发电机损耗是否小于目标发电机损耗，如果是，由调整后发电机损耗作为目标发电机损耗，返回执行步骤3.2)；否则转入执行步骤3.3)；

3.3)按照所述总损耗模型计算当前总损耗，并判断当前总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由当前总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；

3.4)增加调整所述发电机运行转速的值，并按照所述总损耗模型计算总损耗，得到调整后总损耗；判断调整后总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由调整后总损耗作为目标损耗值，返回执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；

3.5)由当前发电机定子电压、发电机运行转速作为最优控制参数输出，并控制目标风电机组运行。

作为本发明的进一步改进，步骤3.2)中具体按照定步长增加所述发电机定子电压的值，所述步骤3.4)中具体按照定步长增加所述发电机运行转速的值；或所述步骤3.2)中具体由预先设定步长表通过查表增加所述发电机定子电压的值，所述步骤3.4)中具体按照预先设定步长表通过查表增加所述发电机运行转速的值。

作为本发明的进一步改进，步骤3.2)中具体根据相邻两次调整得到的调整后发电机损耗之间的差值确定增加所述发电机定子电压的值，所述步骤3.4)中具体根据相邻两次调整得到的调整后总损耗之间的差值确定增加所述发电机运行转速的值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，通过建立包括发电机及变流器损耗的风电机组电气传动系统的总损耗模型，以总损耗最小为控制目标实现风电机组的控制，充分考虑了低速直驱风电发动机组在各个功率阶段电气传动系统的损耗，有效减小了小风阶段电气传动系统损耗对发电效率的影响，能够在全功率运行范围内实现高效率发电，解决了传统控制方式中因不考虑电气传动系统损耗造成风电机组整体效率不高的问题；

2)本发明低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，通过控制电气传动链总损耗最小，可以有效降低风电机组的损耗，从而进一步降低发电机、变流器的冷却系统成本；

3)本发明低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，进一步基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率作为关联变量建立风电机组发电机损耗子模型，以及基于发电机定子电流、变流器载波频率作为关联变量建立变流器损耗子模型，能够准确表征发电机损耗、变流器损耗，从而依据发电机损耗、变流器损耗实现风电机组效率的精确控制；

4)本发明低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，进一步通过在风电机组最优转速跟踪控制基础上以总损耗最小实现最优控制，满足最优转速，同时考虑电气传动系统损耗，因而能够既兼顾最优转速跟踪控制方式，又能在全功率运行范围内实现电气传动系统总损耗值最小。

附图说明

图1是本实施例低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法的实现流程示意图。

图2是本实施例所建立的铁耗模型与关联变量的关系示意图。

图3是本实施例所建立的铜耗模型与关联变量的关系示意图。

图4是本实施例所建立的机械损耗模型与关联变量的关系示意图。

图5是本实施例所建立的杂散模型与关联变量的关系示意图。

图6是本实施例所建立的IGBT通态损耗与关联变量的关系示意图。

图7是本实施例所建立的IGBT开关损耗与关联变量的关系示意图。

图8是本实施例所建立的反向并联二极管通态损耗与关联变量的关系示意图。

图9是本实施例所建立的反向并联二极管反向恢复损耗与关联变量的示意图。

图10是本发明具体实施例中实现电气传动系统效率最优控制的实现流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，步骤包括：

1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型；

2)执行控制时，输入初始功率控制目标风电机组运行；

3)调节发电机定子电压、发电机运行转速，使得按照发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。

由于风电机组在小功率阶段，发电机的损耗主要以铁耗为主，而在大功率阶段，发电机的损耗主要以铜耗为主，而变流器的损耗主要以开关损耗为主，即风电机组在小功率、大功率阶段，发电机的损耗、变流器的损耗程度不同，因而对于发电效率的影响不同。本实施例通过建立包括发电机及变流器损耗的风电机组电气传动系统的总损耗模型，以总损耗最小为控制目标实现风电机组的控制，充分考虑了低速直驱风电发动机组在各个功率阶段电气传动系统的损耗，有效减小了小风阶段电气传动系统损耗对发电效率的影响，能够在全功率运行范围内实现高效率发电，解决了传统控制方式中因不考虑电气传动系统损耗造成风电机组整体效率不高的问题。

本实施例中，步骤1)中电气传动系统总损耗模型具体为：

1.1)基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率，建立发电机损耗子模型，以及根据由所述发电机定子电压、发电机运行转速转换得到的发电机定子电流和变流器载波频率，建立变流器损耗子模型；

1.2)根据发电机损耗子模型、变流器损耗子模型按下式建立得到总损耗模型；

P_Tloss＝f_g(U,I,f,ω)+f_c(I,f_c) (1)

其中，P_Tloss为风电机组电气传动系统的总损耗，f_g(U,I,f,ω)为发电机损耗子模型，f_c(I,f_c)为变流器损耗子模型，U为发电机定子电压，I为发电机定子电流，f为发电机电压频率，ω为发电机运行转速，f_c为变流器载波频率。

本实施例基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率作为关联变量建立上述风电机组发电机损耗子模型，以及基于发电机定子电流、变流器载波频率作为关联变量建立上述变流器损耗子模型，能够准确表征发电机损耗、变流器损耗，从而依据发电机损耗、变流器损耗实现风电机组效率的精确控制。

本实施例中，风电机组发电机损耗子模型具体基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率，由铁耗、铜耗、机械损耗以及杂散损耗共同建立得到。

本实施例中，铁耗P_Feloss近似为：

P_Feloss＝B²·σ_H·f+B²·σ_E·d²·f² (2)

其中，B为发电机铁芯磁密，σ_H为发电机铁芯磁滞损耗系数，f为发电机电压频率，σ_E为发电机铁芯涡流损耗系数，d为冲片厚度。

如图2所示，本实施例中按式(2)建立的铁耗模型与发电机电压频率有关，即以发电机电压频率f作为关联变量，由发电机电压U以及发电机电压频率f确定得到发电机损耗中的铁耗。

本实施例中，铜耗P_culoss近似为：

P_culoss＝I²·R_s (3)

其中，I为发电机定子电流，R_s为发电机定子电阻。

如图3所示，本实施例中按式(3)建立的铜耗模型与发电机定子电流有关，即以发电机定子电流I作为关联变量，通过输入功率P、发电机电压U即可确定发电机损耗中的铜耗。

本实施例中，机械损耗P_mloss近似为：

P_mloss＝K_b·ω+K_w·ω² (4)

其中，ω为发电机运行转速，K_b为轴承摩擦损耗系数，K_w为风摩损耗系数。

如图4所示，本实施例中按式(4)建立的机械损耗模型与发电机运行转速有关，即以发电机运行转速ω作为关联变量确定发电机损耗中的机械损耗。

本实施例中，杂散损耗P_sloss近似为：

$P_{sloss}=0.005\·\frac{p^2}{p_n}---\left(5\right)$

其中，p为发电机实际功率，p_n为发电机额定功率。

如图5所示，本实施例中按式(5)建立的杂散损耗模型与发电机实际功率有关，即由发电机实际功率p确定得到发电机损耗中的杂散损耗。

本实施例由损耗的主要部分，即机械损耗、铜耗、铁耗及杂散损耗共同建立发电机损耗子模型，同时由发电机运行功率、发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率作为关联变量，能够准确表征风电机组中发电机的损耗。

本实施例中，风电机组变流器损耗基于发电机定子电流和变流器载波频率，由IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、反向并联二极管通态损耗以及反向并联二极管反向恢复损耗共同建立得到。

本实施例中，IGBT通态损耗近似为:

$P_{ICloss}=\frac{1}{2}\·D\·T\·(\frac{2\·\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\·I\·a+I^2\·b)---\left(6\right)$

其中，D·T为IGBT的周期导通时间，a、b为IGBT通态电压系数。

如图6所示，本实施例中按式(6)建立的IGBT通态损耗模型与发电机定子电流有关，即由发电机定子电流作为关联变量，通过输入功率P、发电机电压U即可确定得到变流器损耗中IGBT通态损耗。

本实施例中，IGBT开关损耗近似为:

$P_{ISloss}=\frac{1}{2}\·f_c\·(E_{on}+E_{off})---\left(7\right)$

其中，f_c为变流器载波频率，E_on为IGBT开通能量损耗，E_off为关断能量损耗。

如图7所示，本实施例中按式(7)建立的IGBT开关损耗模型与变流器载波频率有关，即由变流器载波频率作为关联变量，通过发电机运行转速转换得到变流器载波频率，确定得到变流器损耗中IGBT开关损耗。

本实施例中，反向并联二极管通态损耗近似为:

$P_{DCloss}=\frac{1}{2}\·(1-D\·T)\·(\frac{2\·\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\·I\·c+I^2\·d)---\left(8\right)$

其中，c、d为反向并联二极管通态电压系数。

本实施例中风电机组的变流器采用IGBT器件，当然也可以为IGCT、IEGT等半导体器件。

如图8所示，本实施例中按式(8)建立的反向并联二极管通态损耗模型与发电机定子电流有关，即以发电机定子电流作为关联变量，通过输入功率P、发电机电压即可确定变流器损耗中反向并联二极管通态损耗。

本实施例中，反向并联二极管反向恢复损耗近似为:

$P_{DSloss}=\frac{1}{2}\·f_c\·E_r---\left(9\right)$

其中，E_r为反向并联二极管恢复开关能量损耗。

如图9所示，本实施例中按式(9)建立的反向并联二极管反向恢复损耗模型与变流器载波频率有关，即由变流器载波频率作为关联变量，确定得到变流器模型中反向并联二极管反向恢复损耗。

本实施例由变流器损耗的主要部分，即开关损耗和通态损耗，共同建立变流器损耗的子模型，同时由发电机定子电流、变流器载波频率作为关联变量，能够准确表征风电机组中变流器损耗。

本实施例中，步骤2)中输入的初始输入功率，具体根据风电机组最优风能跟踪控制方式确定得到。通过在风电机组最优转速跟踪控制基础上以总损耗最小实现最优控制，满足最优转速，同时考虑电气传动系统损耗，因而能够既兼顾最优转速跟踪控制方式，又能在全功率运行范围内实现电气传动系统总损耗值最小。

本实施例中，步骤3)的具体步骤为：

3.1)由初始输入功率得到发电机定子电压、发电机运行转速的初始值，并按照发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗作为目标发电机损耗，以及按照所述总损耗模型计算得到的总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.2)；

3.2)增加调整发电机定子电压的值，并按照发电机损耗子模型计算发电机损耗，得到调整后发电机损耗；判断调整后发电机损耗是否小于目标发电机损耗，如果是，由调整后发电机损耗作为目标发电机损耗，返回执行步骤3.2)；否则转入执行步骤3.3)；

3.3)按照总损耗模型计算当前总损耗，并判断当前总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由当前总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；

3.4)增加调整发电机运行转速的值，并按照总损耗模型计算总损耗，得到调整后总损耗；判断调整后总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由调整后总损耗作为目标损耗值，返回执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；

3.5)由当前发电机定子电压、发电机运行转速作为最优控制参数输出，并控制目标风电机组运行。

如图10所示，本实施例具体首先通过根据风电机组最优风能跟踪控制方式，确定相应风速下的风电机组稳态运行的初始参数，包括功率初始值P₀、发电机运行转速初始值ω₀、发电机运行频率初始值f₀、发电机定子电压初始值U₀、发电机定子电流初始值I₀，由初始参数按照式(2)～(5)计算得到发电机损耗初始值P_gloss0，通过迭代的方式不断修正发电机定子电压值，即U_m(k+1)＝U_mk+△U_mk(m＝0,1,2….i,k＝0,1,2….j)，按式(2)～(5)计算当前迭代的发电机损耗值p_glossmk，若当前迭代的发电机损耗值p_glossmk小于上一次迭代所得到的发电机损耗值p_gloss(m-1)k时，即p_glossmk<p_gloss(m-1)k，则查找得到功率初始值P₀以及不同定子电压下的发电机损耗最小值；然后修正迭代发电机运行转速，即ω_(m+1)＝ω_m+△ω_m，则对应的修正包括发电机定子电压频率f_m、变流器的载波频率f_cm，按式(5)～(9)计算当前迭代的变流器损耗p_clossmk、以及按式(2)～(5)计算发电机运行转速ω调整后的发电机电机损耗值p_glossmk，得到电气传动链的总损耗p_Tlossmk，若当前迭代的总损耗p_Tlossmk小于上一次迭代所得到的总损耗p_Tloss(m-1)k，即p_Tlossmk<p_Tloss(m-1)k，则查找到得到功率初始值P₀所对应的总损耗最小的最优控制参数ω_(m,k)、U_(m,k)、以及f_(m,k)输出，通过迭代调节关联变量的值，以控制按照总损耗最小实现风电机组最优效率控制。

本实施例中，步骤3)迭代过程中增加迭代量具体可采用以下几种方式：

①定步长方式

该类方式中，步骤3.2)中按照定步长增加发电机定子电压的值，步骤3.4)中具体可按照定步长增加发电机运行转速的值，即迭代过程中按定步长增加迭代量△U_mk、△ω_m。

②变步长方式

该类方式中，步骤3.2)中根据相邻两次调整得到的调整后发电机损耗之间的差值确定增加发电机定子电压的值，步骤3.4)中也可以根据相邻两次调整得到的调整后总损耗之间的差值确定增加发电机运行转速的值，即迭代过程中按变步长自动寻优增加迭代量△U_mk、△ω_m，以由相邻两次迭代得到的差值自动调整迭代步长，提高迭代效率。

③查表方式

该类方式中，步骤3.2)中由预先设定步长表通过查表增加发电机定子电压的值，步骤3.4)中具体按照预先设定步长表通过查表增加发电机运行转速的值，即迭代过程中按查找方式增加迭代量△U_mk、△ω_m。

本发明风电机组电气传动系统效率最优控制方法，可以适用于永磁同步发电机的风电机组中用于效率控制，当然也可以适用于电励磁同步发电机的风电机组中。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。