CN101806282A - 基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，包括以下功能单元：数据采集单元：完成对运行风机的实时状态监测，为其它各控制单元提供风机运行的实时数据；偏航控制单元：通过不同风速条件下的叶轮正对风和偏侧对风运行，实现对风机一次输入能量的调整；功率控制单元：通过设定并网逆变器的逆变功率，调整永磁发电机的电磁转矩，改变风机的转速，实现风机输出功率的控制；保护控制单元：根据实时测量数据，监控风机的运行状态，并在判断出风机出现紧急情况时，立刻实施高优先等级的保护、甚至停机操作。本发明的风力发电系统的控制系统，可以实现低额定风速风力发电系统的安全、可靠、高效的运行。

Description

基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统的控制系统，尤其是涉及一种低额定风速风力发电控制系统。

背景技术

风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽，用之不竭的，在其转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境，具有就地取材不需要运输等特点，因此受到世界各国政府的广泛重视，几乎所有的发达国家均将风能的开发利用列入本国21世纪最重要的任务。除在财政上予以大力支持外，还制定了相应的法律和法规扶持风能的开发利用。中国具有丰富的风能资源，可开发利用的地区占全国总面积的76％，在风电场的开发利用、并网型风力发电机组的商业化开发及离网型风力发电机组应用推广方面有长足的发展。特别是在解决常规电网外无电地区农牧渔民用电方面走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一。

当前国内外对于风能的开发仍把目光主要集中在高风速的风能资源丰富的地区。通过建立大型的风力发电场、研制MW级风电机组、并网运行发电，实现高效低成本的风电能转换。但是，上述地区仅占我国总面积的8％，且主要分布在经济较不发达的内陆地区。而我国其它低风速地区同样蕴含着巨大的风能资源，却并不适合继续采用建立风电场的大规模的风电开发模式，且适用于高风速区的成熟先进的风电技术也很难平行推广至低风速地区。而低额定风速风力发电系统的控制系统的设计难点在于：

1)低风速地区的风能功率密度低，需要以更高的效率捕获转换不太丰富的风能。这就对风电机组各组成部分的性能、它们之间的配合以及整机系统的优化控制提出了更为严格的要求。

2)低额定风速风力发电系统更加关注在大部分低风速时段内风机能够高效率工作，因此采用大尺寸叶片配合小容量电气设备的整体设计思想(相对于高额定风速风力发电系统而言)。这使得在时而出现的高风速条件下，风机容易出现“大马拉小车”的危险状况，即电能变换容量不能匹配机械功率输入。

3)考虑到单位容量的造价成本，低额定风速风力发电系统一般不采用失速型叶片或变桨距叶片。这使得风机在大于额定风速条件下很难迅速减少叶轮风能的输入，容易导致风机超速、超功率运行，甚至风车事故。

4)由于采用大尺寸叶片的设计思想，低额定风速风力发电系统的机舱较重，只能采用电动偏航方式，而很难采用尾舵偏航方式。此外，由于不采用先进的变桨距技术，还需要偏航控制通过叶轮偏侧对风抑制叶轮风能的输入。这对偏航控制又提出了较高的要求。

综上所述，低额定风速风力发电控制系统设计的关键问题在于，在不借助变桨距机构或失速叶片的前提条件下，既要保证风机在低于额定风速区间内能够高效率的转化风能，又要确保在高于额定风速时能够安全可靠的不间断运行，不超速，不过载，不出现飞车事故。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低额定风速风力发电系统的控制系统，可以实现低额定风速风力发电系统安全、可靠、高效的运行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，可以实现，当实际风速高于切入风速且低于额定风速时，风机运行在最大风能追踪状态下；当实际风速高于额定风速且低于切出风速时，风机发电功率保持在额定值以下波动；当实际风速高于切出风速或风机故障时，风机可靠停机，不出现飞车事故。它包括以下功能单元：

1)数据采集单元：完成对运行风机的实时状态监测，为其它各控制单元提供风机运行的实时数据；

2)偏航控制单元：通过不同风速条件下的叶轮正对风和偏侧对风运行，实现对风机一次输入能量的调整；

3)功率控制单元：通过设定并网逆变器的逆变功率，调整永磁发电机的电磁转矩，改变风机的转速，实现风机输出功率的控制；

4)保护控制单元：根据实时测量数据，监控风机的运行状态，并在判断出风机出现紧急情况时，立刻实施高优先等级的保护、甚至停机操作。

前述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述数据采集单元包括将待测量转换为标准的模拟量信号的传感器、将模拟量和开关量转换为数字信号的PLC，PLC通过光纤以太网与工业控制计算机相连，工业控制计算机与数据库服务器相通讯。

前述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述偏航控制单元包括滤波器，所述滤波器输出的风速信号与机舱角度信号的差值输入给最大风能追踪PID控制器，最大风能追踪PID控制器将偏航角度信号输出至输出调度管理模块，输出调度管理模块的电机正反转信号接入偏航电机，限额定功率PID控制器的偏航角度信号也接入输出调度管理模块。

前述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述偏航控制单元还包括前馈控制模块，当输出功率接近于额定功率时，前馈控制模块根据当前的功率水平以及风速和输出功率的增大速度，在风速波动导致风机超速、超功率之前，提前实施风机偏侧。

前述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述保护控制单元包括

卸荷控制单元：当风速较大导致风机直流电压运行参数超过临界值时，卸荷控制会投入卸荷电阻，通过迅速增大风机的电气负载稳定风机的直流侧电压和叶轮转速；

紧急停机动作链：当风速高于切出风速或遇到紧急故障时，风机必须立刻进入停机保护状态。此时，保护控制单元会屏蔽其它控制单元，并立即启动紧急停机动作链。紧急停机动作链首先启动满功率卸荷，并同时将风机偏侧90度对风；待叶轮转速小于某个设定值时启动机械刹车；待机械刹车刹住风机时退出卸荷。

本发明所达到的有益效果：本发明的低额定风速风力发电系统的控制系统，可以实现低额定风速风力发电系统安全、可靠、高效的运行，不超速，不过载，不出现飞车事故。

附图说明

图1低额定风速风力发电系统的设计风速-功率曲线；

图2低额定风速风力发电控制系统的结构框图；

图3低风速风机的偏航控制原理框图；

图4应用于最大风能追踪状态的偏航PID控制原理框图；

图5叶轮偏侧对风示意图；

图6应用于限额定功率状态的偏航PID控制原理框图；

图7应用于限额定功率状态的前馈控制原理框图；

图8ODM处理的2类回转情况；

图9功率控制的原理框图；

图10λ-C_p示意曲线；

图11最佳转速-功率曲线示意图；

图12大斜率功率曲线抑制功率的示意图；

图13预设电压-功率曲线的示意图；

图14卸荷控制的原理框图；

图15紧急停机动作链动作顺序框图；

图16低额定风速风力发电系统数据采集单元的构成示意图；

图17偏航控制单元的一次接线原理图；

图18永磁发电机负载实验原理图；

图19不同转速条件下的直流电压-机械功率曲线簇；

图20由转速-功率点映射为直流电压-功率点。

图2110KW风机功率性能测试的散点图；

图2210KW风机的实测功率性能曲线；

图2310KW风机的实测风能利用系数曲线；

具体实施方式

数据采集单元的设计

数据采集单元主要由多种电量/非电量传感器、可编程逻辑控制器(PLC)等硬件设备构成。在一个工作周期内，传感器将待测量转换为标准的模拟量信号，PLC将模拟量和开关量转换为数字信号，并作为各控制单元的输入数据。为了减小电磁干扰对测量精度的影响，模拟量尽量采用4-20mA电流信号方式。

偏航控制单元的设计

偏航控制单元的控制原理是通过叶轮正对风和偏侧对风运行，调整风机的输入风能，达到风能的最大化或限制输入。因此，在不同的运行状态下，偏航控制具有完全不同的控制策略。此外，偏航控制还应具有防缠绕功能，在单方向旋转到达限位时能够回转解缆。偏航控制实施的整体框图如图3所示。

为了实现最大风能追踪运行状态和限额定功率运行状态下的不同偏航策略，分别设计了相应的PID控制器。输出调度管理(ODM)模块综合协调两个控制器的输出信号，并最终向偏航电机发出正转/反转指令。此外，考虑到偏航控制较长的执行时间，很难跟踪风速的快速波动，还采用了前馈控制预先进行叶轮偏侧。下面详细介绍偏航控制中几个重要的环节。

1)风向信号的滤波

由于风向测量伴有虚假信号，采用IFL滤波器剔除噪声点。IFL滤波器每隔一个周期取一次，连续取n个数据点。同时对n个点进行死区判断，大于死区值时，舍去该点，余下的点进行滑动平均。当大于死区的点数超过某一限值时，则这些点不能舍去。需要把这些点加入到算式中进行滑动平均。

2)应用于最大风能追踪状态的PID控制器

在最大功率运行状态下，风机需要最大效率的捕获风能。应用于该运行状态的PID控制的原理框图如图4所示。此时的偏航控制跟踪风向的变化，始终保证叶轮正对风运行。以滤波处理后的计算风向作为参考风向可以有效降低测量风速波动导致的偏航电机的频繁跟踪动作。

3)应用于限额定功率状态的PID控制器

在高于额定风速时，偏航控制需实现叶轮偏侧对风运行。通过限制叶轮的输入风能，保证风机的输出电功率不超过额定功率。叶轮偏侧对风的示意说明如图5所示，如果实际风速为v_r，偏侧角度为θ，那么吹到叶轮的等效风速为v_e＝v_rcosθ。随着偏侧角度增大至90度，等效风速降低至零。

应用于限额定功率状态的PID控制的原理框图如图6所示。参考功率一般选择风机的额定功率，其与实际电功率的负向偏差将引起偏航电机的偏侧旋转。

4)应用于限额定功率状态的前馈控制

当输出功率接近于额定功率时，由于风机偏侧的执行时间较长，风速的快速增大很容易导致风机的超速、超功率运行。为此，前馈控制根据当前的功率水平以及风速和输出功率的增大速度，在风速波动导致风机超功率之前，提前实施风机偏侧。前馈控制的原理框图如图7所示。

5)输出调度管理(ODM)模块

ODM模块的主要功能是综合协调应用于2个运行状态的控制信号和前馈控制信号，最终向偏航电机发出旋转指令。并同时实现风机偏航达到限位后的回转控制。

为避免电缆缠绕，ODM限定机舱只能在360度范围内偏航旋转。为此，在机舱角度0/360度处安装了实现限位功能的行程开关，分别对应于逆时针旋转到位和顺时针旋转到位。在任一旋转方向到达或即将到达限位时，ODM将实施回转控制。2类回转情况如图8所示。

功率控制单元的设计

功率控制单元通过调整并网逆变器的逆变功率，改变叶轮的转速和风能利用系数，实现对风机输出功率的控制。

图9给出了功率控制的原理框图，首先根据测量的直流电压V_DC和预设电压-功率曲线，计算得到当前直流电压对应的参考逆变功率P_e.R。再通过PID控制器将逆变器的逆变功率P_e调节至期望值P_e.R。需要注意的是，风机通过预设电压-功率曲线实现功率控制，而不是常见的转速-功率曲线。对于带载的永磁发电机，转速和直流电压具有近似线性的关系，利用直流电压替代转速完全可行。

功率控制的重点在于预设功率曲线，为了在不同的运行状态下实现完全不同的控制策略，电压-功率曲线的合理设置极为关键。该曲线的设置分为如下3个步骤。

1)最大风能追踪状态下的转速-功率曲线

在最大风能追踪状态下，功率控制需实现最大功率点跟踪(MPPT)控制，实现最大效率的捕获风能。此时，需要叶轮的转速能够追踪风速波动，保证叶轮尽可能运行于最佳叶尖速比λ_opt及其附近。根据贝茨理论，叶轮转化的机械功率为

$P=\frac{1}{8}\mathrm{\π\ρ}{D}^2{v}^3{C}_p\left(\mathrm{\λ}\right)$

其中，ρ为空气密度，D为叶轮直径，v为风速，C_p为风能利用系数，λ为叶尖速比。C_p与λ的函数关系示意图如图10所示。

由图10可见，λ-C_p曲线呈现抛物线形式。其中，C_p最大值对应的λ为最佳λ，记为λ_opt。根据λ-C_p曲线，可以得到一簇对应于不同风速的叶轮转速-机械功率关系曲线，如图11所示。进一步地，把每一条曲线上对应于λ_opt的最大功率点连成曲线，即可得到最佳转速-功率曲线P_opt(ω)，

P_opt(ω)＝k₁ω³， $k_1=0.5\mathrm{\ρA}{C}_p^{\max }{(R/{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}})}^3$

其中，A为叶轮扫风面积，R为叶轮半径，

最佳风能利用系数。

2)限额定功率状态下的转速-功率曲线设置

限额定功率状态下，功率控制需要抑制叶轮转速随风速的提高，通过降低叶轮的叶尖速比λ和风能利用系数C_p，使风机的输出功率维持在额定功率以下波动，不会因大风而超功率运行。为了能够抑制叶轮转速随风速的提高，限额定功率状态下的发电机电磁转矩随风速、转速的变化应较最大风能追踪状态时剧烈，对应的转速-功率曲线的斜率应足够大。

如图12所示，如果在高于额定风速区间内继续应用最佳转速-功率曲线，则风机在9m/s风速下将要承受22.0KW的机械功率输入，远超过10KW额定功率；如果应用图中实线所示的较陡的转速-功率曲线，则在同样的大风速下，风机的输入机械功率被抑制在极限功率13KW附近。

3)电压-功率曲线的实验获取

直流电压便于测量，且量测的灵敏度和精确度都高于转速信号。所以，实际应用中宜采用直流电压代替转速来实时确定风机的逆变功率。为此，需要通过永磁发电机负载实验，获得发电机转速与直流电压的函数关系，并把转速-功率曲线映射为电压-功率曲线P(V_DC)。

通过上述3个步骤，可以获得预设电压-功率曲线，其示意图如图13所示。该条功率曲线分为两段，第一段对应于最大风速追踪状态，功率与直流电压近似满足3次函数关系；第二段对应于限额定功率状态，为斜率很大的直线段。

保护控制单元的设计

保护控制单元根据实时测量数据，监控风机的运行状态。并在判断出风机出现紧急情况时，立即动作，保证风机重新恢复安全运行或可靠停机。保护控制单元由如下2个部分构成：

1)卸荷控制

当风速较大导致风机直流电压运行参数接近临界值时，卸荷控制会投入卸荷电阻，通过迅速增大风机的电气负载稳定风机的直流侧电压和叶轮转速。卸荷控制以直流电压作为控制目标，采用IGBT实现高速且连续的卸荷功率调节，可以在毫秒级内实现零功率到最大卸荷功率的调整。其控制原理框图如图14所示。

卸荷电压一般设置在预设电压-功率曲线的直流电压最大值附近。这样，在功率控制无法实现限功率运行、风机即将超速时，投入卸荷控制。需要注意的是，最大卸荷功率与逆变器额定功率一般为等容量配置，即在卸荷控制动作时，可能使风力发电机瞬时出现2倍以上的负荷过载。

2)紧急停机动作链

当风速高于切出风速或遇到紧急故障时，风机必须立刻进入停机保护状态。此时，保护控制单元会屏蔽其它控制单元，并立即启动紧急停机动作链，如图15所示。紧急停机动作链首先启动满功率卸荷，并同时将风机偏侧90度对风；待叶轮转速小于某个设定值时启动机械刹车；待机械刹车刹住风机时退出卸荷。

考虑到风机进入停机保护状态时大部分处于超速、超电压和超功率的高速运行状态，此时直接动作机械刹车不仅很难可靠停机，还会对刹车系统和风机轴系造成很大的机械冲击。因此，紧急停机动作链设计的关键在于综合协调风机的多个控制单元，同时减小风能输入和增大电能输出，让风机逐渐减速后再刹车停机。

数据采集单元的实施

数据采集单元主要由多种电量/非电量传感器、可编程逻辑控制器(PLC)、光纤以太网、工业控制计算机和数据库服务器等硬件设备构成。其构成示意图如图16所示。数据采集单元的一个采集周期如下：

1)传感器将待测量转换为标准的模拟量信号；

2)PLC将模拟量和开关量转换为数字信号，并作为各控制单元的输入数据；

3)基于光纤以太网和OPC通信技术，工控机从PLC采集风机运行数据，采样周期为1秒；

4)工控机将每秒采集的风机数据存入MySQL历史数据库。

数据采集单元的所有测点统计如表1所示。其中，开关量信号10个，模拟量信号18个。为了减小电磁干扰对测量精度的影响，模拟量尽可能采用4-20mA电流信号方式。

表1数据采集单元的测点统计表

偏航控制单元的实施

图17给出了偏航控制单元的一次接线原理图。由图可见，偏航控制单元采用三相异步电动机作为偏航系统的驱动机构，通过改变相序控制异步电机的正/反转来实现叶轮的顺时针/逆时针旋转。需要注意的是，开关CTL_CW和CTL_CCW的通断状态由PLC的开关量输出控制。

此外，风向信号的滤波、应用于最大风能追踪状态的PID控制、应用于限额定功率状态的PID控制、应用于限额定功率状态的前馈控制和ODM模块由PLC编程实现。

功率控制单元的实施

在已投运的低额定风速风力发电系统中，功率控制单元的硬件实现由采购的风机并网逆变器完成。由合肥阳光电源有限公司生产的WG**K3系列风机逆变器提供起始逆变电压、最大逆变电压设置，以及该电压区间内的10个均分电压点的功率设置。通过这10个电压-功率点的设置，可使逆变器的电压-功率运行特性分段逼近预设电压-功率曲线。

功率控制单元实施的主要工作是合理设置电压-功率曲线。关于最大风能追踪状态和限额定功率状态下的转速-功率曲线设定已在前面详细描述，在此不再赘述。下面将介绍如何通过永磁发电机负载实验确定转速和直流电压的函数关系，从而最终确定电压-功率曲线。

永磁发电机负载实验的原理构成如图18所示。实验系统中，变频器和三相感应电动机组成转速可调的原动机部分。同时，需要对机械部分的转速、转矩、输入机械功率和电气直流部分的电压、电流、输出电功率进行实时测量和计算。实验步骤如下：

步骤1：确定起始逆变电压对应的起始转速。调节原动机转速直到发电机的空载直流电压达到起始逆变电压为止，记录下起始转速；

步骤2：在起始转速到125％额定转速和零功率到125％额定功率的二维区间内，以10％额定转速和10％额定功率为递增步长。在每个转速和逆变功率条件下，测量直流电压V_DC、直流电流I_DC、发电机输入扭矩T_m和发电机转速ω，计算发电机输出电功率P_e、发电机输入机械功率P_m，并填入表2；

表2不同转速和功率条件下的永磁发电机实验数据

步骤3：根据表2数据，利用最小二乘法线性，线性拟合出不同转速ω_i条件下直流电压-机械功率的线性关系，

$P_m^{{\mathrm{\ω}}_i}\left(V_{\mathrm{DC}}\right)=a{V}_{\mathrm{DC}}+b,$ ω＝ω_i，

如图19所示。其中，a和b为拟合参数；

步骤4：根据曲线簇，将理论计算得到的转速-功率曲线中的若干离散点(ω_i，P_m(ω_i))映射为(V_DC ⁱ，P_m(ω_i))，如图20中Δ所示；

步骤5：利用最小二乘法，对若干离散点(V_DC ⁱ，P_m(ω_i))进行三次函数曲线拟合，即

$P_m\left(V_{\mathrm{DC}}\right)=a{V}_{\mathrm{DC}}^3+b{V}_{\mathrm{DC}}^2+c{V}_{\mathrm{DC}}^{}+d$

P_m(V_DC)即为预设电压-功率曲线。

通过永磁发电机负载实验，我们可以获得在确定转速和确定机械功率条件下，永磁发电机的机端直流电压。从而找到发电机转速与直流电压的函数关系V_DC＝f(P_m，ω)，并获得拟合的电压-功率曲线P(V_DC)。

保护控制单元的实施

1)停机保护状态的判定条件

当风机监测到如下任一条件满足时，会立刻进入停机保护状态，

●功率超过整定值；

●交流电压超过整定值；

●直流电压超过整定值；

●风速超过切出风速；

●转速超过整定值；

●定子绕组温度超过整定值；

●频率超过整定值；

●传动系统失灵，即转速超过定值，交流电压接近于零。

此时，保护控制单元会屏蔽其它控制单元，并立即启动紧急停机动作链。

低额定风速风力发电控制系统的测试

将基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统应用到实际低额定风速风机中，并根据标准GB/T 18451.2-2003/IEC61400-12：1998《风力发电机组第12部分：功率特性试验》对已投入并网运行的10KW风力发电机组进行功率特性分析。分析结果如下：

根据散点图21可计算出每个风速区间Bin对应的风速v_B、功率P_B和风能利用系数CP_B。在此基础上，图22画出了10KW风机的实测功率性能曲线(实线)，并同时给出了10KW风机的设计功率曲线(虚线)。此外，图23画出了10KW风机的实测风能利用系数曲线。

综合图22和图23可以看出，在风速低于额定风速(7.5m/s)的B段，10KW风机的实测功率曲线与设计功率曲线较好吻合，风能利用系数在0.37～0.41之间波动，这表明最大风能追踪状态下的风机运行特性符合设计预期；在风速高于额定风速的C段，风机输出功率保持在8.5KW～9.5KW，在额定功率10KW以下波动。

Claims (5)

1.一种基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：包括以下功能单元：

1)数据采集单元：完成对运行风机的实时状态监测，为其它各控制单元提供风机运行的实时数据；

2)偏航控制单元：通过不同风速条件下的叶轮正对风和偏侧对风运行，实现对风机一次输入能量的调整；

3)功率控制单元：通过设定并网逆变器的逆变功率，调整永磁发电机的电磁转矩，改变风机的转速，实现风机输出功率的控制；

4)保护控制单元：根据实时测量数据，监控风机的运行状态，并在判断出风机出现紧急情况时，立刻实施高优先等级的保护、甚至停机操作。

2.根据权利要求1所述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述数据采集单元包括将待测量转换为标准的模拟量信号的传感器、将模拟量和开关量转换为数字信号的PLC，PLC通过光纤以太网与工业控制计算机相连，工业控制计算机与数据库服务器相通讯。

3.根据权利要求1所述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述偏航控制单元包括滤波器，所述滤波器输出的风速信号与机舱角度信号的差值输入给最大风能追踪PID控制器，最大风能追踪PID控制器将偏航角度信号输出至输出调度管理模块，输出调度管理模块的电机正反转信号接入偏航电机，限额定功率PID控制器的偏航角度信号也接入输出调度管理模块。

4.根据权利要求3所述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述偏航控制单元还包括前馈控制模块，当输出功率接近于额定功率时，前馈控制模块根据当前的功率水平以及风速和输出功率的增大速度，在风速波动导致风机超速、超功率之前，提前实施风机偏侧。

5.根据权利要求4所述的基于最佳风能利用的低额定风速风力发电控制系统，其特征在于：所述保护控制单元包括

卸荷控制单元：当风速较大导致风机直流电压运行参数超过临界值时，卸荷控制会投入卸荷电阻，通过迅速增大风机的电气负载稳定风机的直流侧电压和叶轮转速；

紧急停机动作链：当风速高于切出风速或遇到紧急故障时，风机立刻进入停机保护状态，紧急停机动作链首先启动满功率卸荷，并同时将风机偏侧90度对风；待叶轮转速小于某个设定值时启动机械刹车；待机械刹车刹住风机时退出卸荷。

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