CN101660489B - 一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略 - Google Patents

一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略 Download PDF

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Abstract

一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略,当风力发电机所处风速在额定风速上下浮动时,转矩控制策略和变桨距控制策略同时保持运行状态,实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切换。本发明充分利用了PID算法的积分饱和特性,使得转矩PID控制器和变桨距PID控制器之间的切换平滑且灵敏,避免了以往开关方式切换过程中的变桨距控制器和转矩控制器之间的相互干扰,同时保证了在同一时间只有一个控制器工作,避免风速在额定点上下浮动时,风力发电机功率的剧烈波动,进而降低了载荷冲击,提高了电能质量,增大了风力发电机组的可靠性,提升风力发电机组的运行性能。

Description

ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略

技术领域

[0001] 本发明涉及风カ发电机的控制策略,用于兆瓦级变桨距风カ发电机组控制系统中,实现转矩控制策略和变桨距控制策略之间的平滑过渡,为ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略。

背景技术

[0002] 最近几年风カ发电行业在国内得到的迅速发展,机械部件如齿轮箱、发电机、轮毂等基本上实现的了国内生产,然而整机设计技术以及控制系统基本靠国外引进,国内还只是实现了机组的装配工作。国外风电企业给国内的控制技术设置了很大的壁垒,为了打破国外垄断局面,也有一些研发机构和企业开始研发自主的风カ发电机组控制系统,然而在变桨距控制和转矩控制的切换控制策略大都采用开关切換方式。

[0003] 变速变桨距风力发电机组的控制目标是低风速时获取最大能量,高风速时保持功率恒定,低风速和高风速指相对额定风速而言风速的高低,主要通过三个阶段实现:在额定风速以下时,调节风カ发电机电磁转矩来跟随风速变化,以获得最佳叶尖速比,因此也可看作最大功率点跟踪控制(Max. Power Pointer Tracking,MPPT);在高于额定风速时,主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风カ机获取能量,使风カ机组保持在额定值附近发电,并使系统载荷最小化;在额定点实现转矩控制策略和变桨距控制策略之间的过渡。但由于风的不确定性,当风速达到额定点时其不可能始终维持在额定风速点,对于变速变桨距风力发电机组来说,风速在额定点的浮动变化会使得机组在额定以上的控制策略和额定以下的控制策略之间不停切換,如果单纯的采用生硬的开关切換方式,将会导致变桨距执行机构、传动系统以及变流器发电机的载荷冲击,并且会出现功率频繁跌落,从而对电网造成不利影响,降低机械设备寿命。

发明内容

[0004] 本发明要解决的问题是:现有变速变桨距风カ发电机组的转矩控制与变桨距控制的切換方式会导致变桨距执行机构、传动系统以及变流器发电机的载荷冲击,并且会出现功率频繁跌落,对电网造成不利影响,降低机械设备寿命。

[0005] 本发明的技术方案为:ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,当风カ发电机所处风速在额定风速上下浮动时,转矩控制策略和变桨距控制策略同时保持运行状态,转矩控制策略由转矩PID控制器实现,变桨距控制策略由变桨距PID控制器实现,风轮转速和设定转速输入转矩PID控制器,输出转矩指令;变桨距PID控制器的输入偏差包括风轮转速偏差和转矩偏差,转矩偏差由測量转矩和转矩指令得到,加以变换系数k后与风轮转速偏差生成联合偏差,所述联合偏差与测量的桨距角共同输入变桨距PID控制器,输出变桨距指令,所述变换系数k用于量纲转换和偏差调整。

[0006] 在风轮转速尚未到达转速额定点时,转矩偏差始终为负值,转矩PID控制器处于调节输出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值,输出饱和在最佳桨距角的位置;等到风轮转速不断接近转速额定点,转矩指令随之达到最大值,转矩偏差为零,将转矩限制在最大值,如果风速再度増加,超过额定风速吋,风轮转速上升,风轮转速偏差变为正值,则此时联合偏差为正值,转矩PID控制器饱和在上限输出值,变桨距PID控制器处于调节输出状态;当风速由额定风速以上下降到额定风速以下时,联合偏差随之转为负值,此时转矩PID控制器处于调节输出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值;实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切換;风瞬间暂停时转矩仍保持在额定值,此时风轮动能保持功率在额定功率,防止在额定风速附近功率的频繁波动。

[0007] 进ー步的,联合偏差经过偏差増益器输入变桨距PID控制器,测量的桨距角通过桨距角増益器输入变桨距PID控制器,偏差増益器根据联合偏差调整变桨距PID控制器的増益系数;桨距角增益器根据当前测量的桨距角度调整变桨距PID控制器的増益系数。

[0008] 根据已知风カ发电机系统的有效模型,风速低于额定风速时利用间接转速控制策略,根据风速和风轮转速情况计算出发电机电磁转矩指令,间接控制风轮转速寻■找最大功率点,控制发电机电磁转矩,从而控制风轮转速,跟踪最佳功率系数;风速高于额定风速时 根据实际输出功率偏差,通过变桨距系统控制桨距角,降低功率系数,限制能量获取。

[0009] 本发明中设定风速是指设定的风轮转速,根据エ况,随着风速的变换,风轮转速指令在最低并网转速和额定转速之间变化。所谓间接转速控制策略就是在无风速检测环节的情况下,通过控制其他与转速相关的參数来间接控制风カ发电机转速,从而实现最大风能的追踪,在刘其辉的论文《变速恒频风力发电系统运行与控制研究》中有介绍。本发明采用的是不以转速作为直接被控制量,而以转矩作为被控制量从而间接控制转速。

[0010] 本发明将变桨距控制策略和转矩控制策略同时运行起来,使得在整个工作过程中变桨距控制策略和转矩控制策略都保持运行状态。低于额定风速吋,间接转速控制策略根据风速和风轮转速情况计算出发电机电磁转矩指令,间接控制风轮转速寻找最大功率点,变桨距控制策略的输入偏差中引入转矩偏差,加以变换系数k,组成双输入PID控制器,如此即可以实现通过变桨完成功率调节,还可以实现在低于额定功率时使得变桨PID控制器饱和在下限输出值,維持最佳桨距角,这样就可以避免在额定点附近变桨距控制和转矩控制之间可能造成的相互干扰,这就是所谓的联合控制策略。

[0011] 本发明充分利用了 PID算法的积分饱和特性,使得转矩PID控制器和变桨距PID控制器之间的切換平滑且灵敏,避免了以往开关方式切换过程中的变桨距控制器和转矩控制器之间的相互干扰,同时保证了在同一时间只有一个控制器工作,避免风速在额定点上下浮动时,风カ发电机功率的剧烈波动,进而降低了载荷冲击,提高了电能质量,増大了风カ发电机组的可靠性,提升风力发电机组的运行性能。

附图说明

[0012] 图I为本发明兆瓦级风カ发电机组联合控制策略示意框图。

[0013] 图2为本发明中风カ发电机的转速转矩示意图。

[0014] 图3为本发明实施方式的功率曲线区域划分示意图。

[0015] 图4为本发明具体实施例的风速曲线。

[0016] 图5为本发明具体实施例的桨距角曲线。

[0017] 图6为本发明具体实施例的功率曲线。具体实施方式

[0018] 本发明兆瓦级风カ发电机组联合控制策略示意框图如图I所示,包括转矩PID控制器I、变桨距PID控制器2、偏差増益器3、桨距角増益器4、陷波滤波器5、转速偏差生成器

6、转矩偏差生成器7、功 率指令生成器8。

[0019] 图 I 中:

[0020] CO :测量的风カ发电机组风轮转速;

[0021] CO滤波:经陷波滤波器处理之后的风轮转速;

[0022] CO :风カ发电机组风轮转速设定值;

[0023] T测M :测量的发电机转矩;

[0024] T指令:发电机转矩指令;

[0025] ^ „ :测量的风カ发电机组桨距角角度;

[0026] ^ :风カ发电机组桨距角角度设定值;

[0027] P指令:风カ发电机组功率指令值;

[0028] e偏差:联合偏差;

[0029] 转换系数k :用于量纲转换和偏差调整;

[0030] 转矩PID控制器I :实现发电机转矩控制策略,计算发电机转矩指令;

[0031] 变桨距PID控制器2 :实现风力发电机组变桨距控制策略,计算变桨距指令;

[0032] 偏差増益器3 :根据联合偏差的不同调整变桨距PID控制器的増益系数;

[0033] 桨距角増益器4 :根据当前测量的桨距角度调整变桨距PID控制器的増益系数;

[0034] 陷波滤波器5:用于滤除测量的风カ发电机组风轮转速中不期望得到的干扰信号。

[0035] 测得的风轮转速《 ^^经陷波滤波器5得到滤除干扰信号的风轮转速《 Jgs,风轮转速《 和设定转速《 ^^输入转矩PID控制器I,输出转矩指令T胃+ ;变桨距PID控制器2的输入偏差包括风轮转速偏差和转矩偏差,转矩偏差由测量转矩T3w和转矩指令Tg々经转矩偏差生成器7得到,加以变换系数k后与风轮转速偏差生成联合偏差e ,风轮转速偏差由滤除干扰信号的风轮转速《 和风轮转速设定值《 经转速偏差生成器6得到,所述联合偏差e{M;与测量的桨距角P 共同输入变桨距PID控制器2,联合偏差经过偏差増益器3输入变桨距PID控制器2,测量的桨距角3 通过桨距角増益器4输入变桨距PID控制器2,变桨距PID控制器2输出变桨距指令P指令。

[0036] 本发明采用的控制策略使得变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的切换过程比较平滑且灵敏,转矩控制策略与变桨距控制策略同时保持运行状态,对于当前风カ发电机的状态进行监控,由联合偏差来实现转矩PID控制器和变桨距PID控制器之间的自动切换,在风轮转速尚未到达转速额定点时,转矩偏差始终为负值,转矩PID控制器处于调节输出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值,输出饱和在最佳桨距角的位置;等到风轮转速不断接近转速额定点,转矩指令随之达到最大值,转矩偏差为零,将转矩限制在最大值,如果风速再度増加,超过额定风速吋,风轮转速上升,风轮转速偏差变为正值,则此时联合偏差为正值,转矩PID控制器饱和在上限输出值,变桨距PID控制器处于调节输出状态;当风速由额定风速以上下降到额定风速以下时,联合偏差随之转为负值,此时转矩PID控制器处于调节输出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值;实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切換;风瞬间暂停时转矩仍保持在额定值,此时风轮动能保持功率在额定功率,防止在额定风速附近功率的频繁波动。

[0037] 在风速迅速变化的时候,联合偏差能快速对此做出反应,确保两个控制器之间快速、可靠平滑切換,并保证了在同一时间只有一个控制器工作;而传统的开关切換方式,尽管实现逻辑比较简单,但是会出现两个控制器同时处于调整输出的状況,即同时对转矩和变桨距进行调整,由于转矩控制和变桨距控制都影响风轮转速,如此就会对风轮转速产生不利的影响,加大了机械载荷。

[0038] 本发明将风カ发电机组沿着功率曲线发电运行的情况进行了详细的工作区域划分,以便于控制策略的实现。

[0039] 如图3功率曲线图所示,将此功率曲线分成四个工作区域,即恒速运行工作区A、最佳风能利用系数Cp追踪工作区、恒速运行工作区B和额定点以上运行工作区。

[0040] 恒速工作区A :风机自启动到转速达到最小并网转速,则进入恒速运行工作区A, 控制器控制风机并网,井随着风速的增加控制机组的输出功率増大,直到达到最佳Cp追踪工作区,对应图2中的B点;最佳Cp追踪工作区:控制器控制风机运行于最佳Cp曲线之上,动态调整风カ发电机组的输出功率实现最大风能捕获;恒速运行工作区B :此时风カ发电机组的风轮转速已经达到额定转速,但是输出功率尚未达到额定值,随着风能的増加调节机组输出功率増大,直到输出功率到达额定值,如此可以有效地防止在机组达到额定之前由于大阵风的影响而出现机组超速的现象;额定风速以上运行区,控制器控制风机卸掉多余的机械能,維持机组工作在额定点附近。

[0041] 在图2中,风カ发电机的恒速运行工作区A对应于Al-B段;最佳风能利用系数Cp追踪工作区对应于B-Cl段、恒速运行工作区B对应于Cl-E段、额定点以上运行工作区对应于E点。发电机转速等于风轮转速与风カ发电机组齿轮箱增速比的乘积。

[0042] 在额定风速以下运行区,转矩PID控制器控制风机最大化的捕获风能提高发电量。在额定风速以上运行区,变桨距PID控制器控制风机卸掉多余的机械能,維持机组工作在额定点附近。转矩PID控制器和变桨距PID控制器之间的切換取决于联合偏差的正负,涉及的參数包括风轮转速设定值、风轮转速测量值、转矩指令和转矩测量值,具体根据实际风カ发电机组的エ况进行选择。本发明中上述參数选择风カ发电机处于如图2中的E点时的參数,E点为发电机处于额定转速和额定功率的点。

[0043] 本发明在额定风速以下时采用间接转速控制策略,设置转矩指令获得最佳叶尖速比,也就是最大功率点跟踪控制(Max. Power Pointer Tracking, MPPT)。使用最佳叶尖速比控制算法获得转矩指令,发电机在最小同步转速与额定转速之间,转速-转矩曲线是ニ次方曲线:

[0044] Td = KoptO1g

[0045] Kopt = Ji p R5Cp (入)/2 入3N3

[0046] 其中,Td:转矩指令;cog:测量的发电机转速;P :空气密度;R :风轮半径;入:期望的叶尖速比;Cpひ):A下的功率系数;N :齿轮箱变比;!(_ :最佳模型増益系数。

[0047] 最佳叶尖速比控制算法只是低于额定风速过程中在最大风能追踪区采用的ー种控制算法,只用于图3中的B-Cl工作区。[0048] 由于风轮的惯性,不可能每时每刻都会維持Cp在最大,因为风轮转速不能随风速的迅速变化而快速改变。然而假设风轮的转动惯量不是非常大,并且选取的Cp(X)曲线顶部比较宽平的话,采用以上控制策略会得到很好的控制效果。

[0049] 对本发明进行仿真运行,仿真采用的风况为:平均风速12m/s,湍流强度12% ;风力发电机组仿真模型參数见表I。

[0050]表 I

[0051]

Figure CN101660489BD00071

[0052] 仿真结果如附图4-6,横坐标为时间,图4的纵坐标为风速,图5的纵坐标为桨角距,图6纵坐标为功率,风速在额定附近变化的时候,联合控制策略起作用,可以看出发电机转速波动比较小,功率波动平缓。整个仿真过程就是额定风速作为基本风速,即全部仿真过程就是风速在额定风速附近变化,图4-6显示的是联合控制策略起作用的区域,可看出当风速在额定风速上下浮动时,功率波动在±6%之间,避免了风カ发电机功率在风速额定点附近时功率的剧烈波动,提高了输出功率平稳性,与开关方式切換方式相比大大降低了载荷冲击 。

Claims (5)

1. ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,其特征是当风カ发电机所处风速在额定风速上下浮动时,转矩控制策略和变桨距控制策略同时保持运行状态,转矩控制策略由转矩PID控制器实现,变桨距控制策略由变桨距PID控制器实现,风轮转速和设定转速输入转矩PID控制器,输出转矩指令;变桨距PID控制器的输入偏差包括风轮转速偏差和转矩偏差,转矩偏差由測量转矩和转矩指令得到,加以变换系数k后与风轮转速偏差生成联合偏差,所述联合偏差与测量的桨距角共同输入变桨距PID控制器,输出变桨距指令,所述变换系数k用于量纲转换和偏差调整。
2.根据权利要求I所述的ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,其特征是在风轮转速尚未到达转速额定点时,转矩偏差始终为负值,转矩PID控制器处于调节输出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值,输出饱和在最佳桨距角的位置;等到风轮转速不断接近转速额定点,转矩指令随之达到最大值,转矩偏差为零,将转矩限制在最大值,如果风速再度增加,超过额定风速时,风轮转速上升,风轮转速偏差变为正值,则此时联合偏差为正值,转矩PID控制器饱和在上限输出值,变桨距PID控制器处于调节输出状态;当风速由额定风速以上下降到额定风速以下时,联合偏差随之转为负值,此时转矩PID控制器处于调节输 出状态,变桨距PID控制器饱和在下限输出值;实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切換;风瞬间暂停时转矩仍保持在额定值,此时风轮动能保持输出功率在额定功率,防止在额定风速附近功率的频繁波动。
3.根据权利要求I或2所述的ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,其特征是联合偏差经过偏差増益器输入变桨距PID控制器,测量的桨距角通过桨距角増益器输入变桨距PID控制器,偏差増益器根据联合偏差调整变桨距PID控制器的増益系数;桨距角增益器根据当前测量的桨距角度调整变桨距PID控制器的増益系数。
4.根据权利要求I或2所述的ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,其特征是根据已知风カ发电机系统的有效模型,风速低于额定风速时利用间接转速控制策略,根据风速和风轮转速情况计算出发电机电磁转矩指令,间接控制风轮转速寻找最大功率点,控制发电机电磁转矩,从而控制风轮转速,跟踪最佳功率系数;风速高于额定风速时根据实际输出功率偏差,通过变桨距系统控制桨距角,降低功率系数,限制能量获取。
5.根据权利要求3所述的ー种兆瓦级风カ发电机组联合控制策略,其特征是根据已知风カ发电机系统的有效模型,风速低于额定风速时利用间接转速控制策略,根据风速和风轮转速情况计算出发电机电磁转矩指令,间接控制风轮转速寻找最大功率点,控制发电机电磁转矩,从而控制风轮转速,跟踪最佳功率系数,风速高于额定风速时根据实际输出功率偏差,通过变桨距系统控制桨距角,降低功率系数,限制能量获取。
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