CN101975140A - 基于功率反馈的风力发电机组全风速范围运行控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率反馈的风力发电机组全风速范围运行控制策略，可实现机组在不同风速段高效、安全运行的控制目标。相对于传统两套不同控制方式进行硬切换的控制方式，实现了不同运行模式之间的软切换运行，大大降低了模式切换时产生的瞬态机械载荷，提高了机组的服役寿命。该控制方式仅采用两个调节器：转速环调节器和限功率环调节器就实现了机组的最大功率跟踪运行、恒功率运行以及两种运行模式之间的恒转速运行自然过渡过程。采用本发明提出的控制方法的定桨距变速机组具有结构简单、成本低廉、运行稳定可靠等特点，在我国定桨距变速风力发电机组中有一定的应用前景。

Description

基于功率反馈的风力发电机组全风速范围运行控制策略

技术领域

本发明是针对风力发电技术领域所提出的一种风力发电系统的控制方法，方便的实现了定桨距变速风力发电机组在额定转速对应的风速以下的最大功率跟踪控制、额定转速对应的风速和额定风速之间的恒转速过渡运行控制以及额定风速以上的恒功率运行控制。

技术背景

近些年来，新能源的开发和利用被普遍认为是第四次工业革命，可再生能源发电技术迅速发展。其中风力发电技术因技术成熟等因素，更是成为当前国内外关注的热点和研究的重点。由于风能资源具有随机性，无论风向还是风速都在不断的变化，所以风机产生的能量也随风速的变化而变化，这就要求对风力发电机组进行控制，在保证机组安全可靠运行的前提下，尽可能多的吸收风能。

通常，变速风力发电机组的控制可以分为两种运行模式：1)最大功率跟踪运行模式。在该运行情况下需要控制系统根据风速而变化机组运行的转速，使得机组始终运行于最大风能利用系数处，最大限度的捕获风能，提高风机的效率；2)恒功率运行模式。当机组吸收的功率达到功率上限，为保证机组的安全和可靠运行，需要控制系统控制机组始终运行于额定功率处。附图1示出了定桨距变速机组的最佳功率曲线，由两段构成：即额定风速以下的最大功率跟踪运行段和额定风速以上的恒功率运行段。

要实现以上两个模式，变桨距机组因桨叶与轮毂通过变桨轴承活性相连，在额定风速以下，可调节桨叶到一个合适浆距角固定，使得机组的输出功率最大。而在额定风速以上，通过实时的改变桨叶的桨距角来减小风能利用系数C_p，从而将机组的输出功率稳定在额定值附近。而定桨距机组的桨叶与轮毂之间属于刚性联接，桨距角固定不变，要实现额定风速以上的恒功率运行比较复杂。可是，定桨距机组具有结构简单、可靠性高等优点，目前在兆瓦级以下的风力发电机组市场具有很大竞争优势。所以有必要研制出一套可适应定桨距风力发电机组的、简单的、适应于全风速范围运行的控制策略。

针对定桨距风力发电机组的功率控制策略目前国内外也做了很多的研究。文献中所提及的控制方法大都为采用两套不同的控制策略：即最大功率跟踪运行控制策略和恒功率运行控制策略。根据检测到的机组功率是否到达额定功率来完成两套不同的控制策略之间的切换，从而将机组控制在不同的运行模式。这些方法虽然能够控制风机的功率，但是在切换过程中会出现过大的功率超调，给机组造成很大的机械应力，降低了机组的使用寿命。

本发明中提及了一种新的定桨距机组的功率控制策略。该控制策略在最大功率跟踪运行模式和恒功率运行模式之间引入恒转速运行模式，将机组运行转速限制在额定转速以内，提高了机组安全运行性能。此外，仅采用两个调节环节就同时实现了最大功率跟踪、恒转速、恒功率三种运行模式以及三种模式之间的软切换。本发明所述的控制方法简单且具有高可靠性。

发明内容：

本发明旨在为定桨距变速风力发电机组在全风速范围内提供一种简单可靠的功率控制方法，以保证机组高效、安全的运行。

本发明所述的定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法，控制的原理框图如附图3所示，其特征在于：

1)、控制方法由转速控制环调节器1、最大功率跟踪控制策略及功率限制环调节器2组成。

2)、转速控制环调节器1：将参考转速(最大功率跟踪策略的输出值)ω_opt与机组的实际转速反馈ω之间的误差Δω作为调节器1的输入，输出值作为网侧变换器的q轴电流给定i_q ^*，控制发电机的有功功率，也即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大功率跟踪策略的最大输出值，并将该值设定为机组的额定转速Ω_N。

3)、最大功率跟踪控制策略：首次采用功率反馈最佳转速最大跟踪控制策略，由机组运行的气动功率P_r直接计算出机组当前运行功率所对应的最佳转速指令ω_opt，方便的实现了最大功率跟踪控制。

4)、功率限制环调节器2：功率限制的思想是将风机运行的气动功率反馈信号P_r与机组额定功率P_N的差△P叠加至调节器2，旨在提供一个转速补偿信号ω_com。机组正常工作时，该补偿信号为0；而当机组功率大于额定功率时，该补偿信号与ω_opt相减，使得转速给定信号减小，从而降低机组转速达到限定风机运行的气动功率的目的。

本发明能够对定桨距机组施加有效的控制，令其在全风速范围内根据设定的模式要求运行，不仅改善了机组在中低风速段的风能利用系数，同时解决了机组在高风速段的恒功率运行。而且，本发明提出的方法实现了不同运行模式之间的自然过渡，大大降低了模式切换时产生的瞬态过载和机械载荷，有助于提高机组的服役寿命。

附图说明

附图1是定桨距变速型风力发电机组的最佳输出功率曲线。

附图2是风力发电系统结构图。

附图3是定桨距变速风力发电机组的控制框图。

附图4是气动功率观测器。

附图5本发明实施例中定桨距变速机组的稳态转速-风速曲线。

附图6最大功率跟踪运行等效控制框图。

附图7恒转速运行等效控制框图。

附图8恒功率运行等效控制框图。

附图9本发明实施例中定桨距风力机Cp-λ曲线。

附图10最大功率跟踪运行示意图。

附图11本发明实施例中实验机组功率-转速实验曲线

附图12本发明实施例中实验机组功率-风速实验曲线

附图1-附图12中的符号定义如表1所示

表1附图符号说明

名称	说明	名称	说明
				PMSG	永磁同步发电机	ΔP	气动功率误差信号
SVM	空间矢量调制	PN	风力机额定功率
				PID	比例积分微分调节器	Pe	输出电功率反馈
iq *	电动机q轴电流参考信号	ia	并网相电流
				Δω	转速误差信号	va	并网相电压
ω	转速反馈信号	vg	直流母线电压给定
				ωopt	最佳转速给定信号	vf	直流母线电压反馈
vN	额定风速	ωcom	转速补偿信号
				vΩN	额定转速对应风速	ΩN	额定转速
ωobs	转速观测值	Tm，obs	气动转矩观测值
				Pm，obs	气动功率观测值	Pr	风机运行气动功率
eω	转速实际值与观测值差值	Te	电磁转矩

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术实施方案进行说明：

附图2所示的是本发明控制对象定桨距机组的整体结构框图。本发明的控制方法部分由转速环调节器1、最优功率控制策略和功率限制环调节器2三部分组成，如附图3所示。旨在分别实现最大功率跟踪控制、最高转速限制和最大功率限制的功能。

本发明所述的转速环调节器1是指：将最大功率跟踪控制策略的输出作为转速给定，其与实际转速的误差作为调节器1的输入，调节器1的输出作为电机侧变换器的q轴电流给定。电机侧的PWM整流器通常采用定子磁场定向控制，d轴电流对应无功功率，而q轴电流则对应有功功率。通常，将d轴电流控制为零，则发电机的电磁转矩可以表示为T_e＝1.5N_pΨ₀i_q。由此可见，控制q轴电流就等效为控制了发电机的电磁转矩，从而实现转速的控制。随着风速增加，最大功率跟踪控制策略的稳态输出值也会逐渐增加。当风速增加到一定值后，其输出达到额定转速，输出给定始终限制在额定转速。此后即使风速进一步提高，机组始终被限制在额定转速运行。

本发明所述的最大功率跟踪策略是指：在风速变化时，调节风力机的转速，使机组运行于最大风能利用系数。某一风速下，定桨距风力机的气动功率可以表示为P_r＝0.5ρπR²v³C_p(λ)，式中ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，C_p(λ)为风能利用系数，其中λ＝ωR/v，ω为风轮的角速度。当λ等于最佳叶尖速比λ_opt的时候，风能利用系数最大，此时对应的转速为最优转速ω_opt。由此，由风机的运行气动功率P_r可计算出在此功率下要求风机运行的最佳转速ω_opt＝[2P_rλ_opt ³/ρπR⁵C_p(λ_opt)]^1/3，也即ω_opt＝f(P_r)(可能不是该风速下要求的实际最佳运行转速)，并将其作为转速环调节器1的参考输入。如果当前的最优转速点不是该风速下的实际最佳转速，则转速给定值始终大于转速反馈值，达到稳定点即为该风速下所真正需要的最佳转速。

本发明所述的功率限制环调节器2是指：在额定风速以上，通过在转速环调节器1的输入给定信号上叠加一个负的补偿量，达到减小机组转速，从而减小风能利用系数，限制机组运行功率的目的。在额定风速以下，气动功率小于功率限定值，调节器2负饱和，输出为零，对MPPT和限速运行不造成影响。而风速高于额定风速后，调节器2退出饱和状态，向转速给定中引入一个负向补偿量，使得转速给定下降以减小机组的运行转速，将机组的输出功率维持在额定值附近。需要说明的是，在风速突变的时候，机组在动态过程中实际的输出功率会轻微的超出额定功率。

另外特别指出，本实施例中用到了风机的气动功率P_r，而气动功率不能测量得到，本发明中采用了气动功率观测器的方法。因其不是本发明的阐述重点，这里只作简要的介绍以方便理解(其正确性已通过验证)。

附图4所示为气动功率观测器实施框图，现说明其原理。

机组的运动方程

$T_m=J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{B\ω}+T_e---\left(1\right)$

式中，T_m为气动转矩，T_e为电磁转矩，J为机组的转动惯量，B为系统的阻尼系数，ω为机组的转速。其中电磁转矩和转速是较为容易测量的变量，而J和B又是系统的固有系数，可以通过测量计算得到，自然T_m也就可以计算出来。

由式(1)可以构造出气动功率观测器，如附图4所示。

图中，P_e为机组最终输出的电功率，发电机的电磁转矩可有电功率和转速计算得到，即T_e＝P_e/ω。如果PI调节器的速度足够，可以近似的认为ω等于ω_obs。那么，由图可以知道PI调节器的输出为Jsω+Bω+T_e，即气动转矩T_m，obs，从而可得气动功率P_m，obs＝T_m，obs*ω。

工作原理及实验验证

下面就来结合前面所述的本发明的具体实施方案，探讨其是如何实现风机最大功率跟踪运行模式、恒转速运行模式、恒功率运行模式以及各模式之间的切换。本发明控制的机组的转速和风速的曲线如附图5中所示。

(1)模式1：最大功率跟踪运行

该模式对应的风速为v_ΩN以下，由于机组的实际功率远小于额定值，故调节器2始终处于反向饱和，其输出ω_com恒等于零，故附图3可以简化为附图6。具体的工作原理可结合附图10说明如下：

假设某时刻机组运行于v₀风速下的o点且此时机组运行在最佳功率曲线上，机组的转速为ω。此时如果风速突变到v₁，由于机组的转速不能突变，而机组的气动功率突变到P_r，机组工作点突变到a点。根据P_r可以由功率-最佳转速曲线查出该功率下机组的最佳转速为b点所示的ω_opt。从图中可知该转速不是该风速下对应最优转速，但转速环调节器反馈量小于给定量值，机组加速运行。由于机组转速增加，机组的气动功率也相应增加，由此所查出的机组的最佳转速也增加。当机组转速增加到c点时，转速给定与转速反馈相等，机组进入稳态运行。而此点正好是该风速下对应的最佳功率点，可知机组实现了最大功率跟踪运行控制。

(2)模式2：恒转速运行

在风速达到v_ΩN之前，机组以最大功率跟踪控制运行，机组的转速随着风速的增加而增加。当风速等于v_ΩN时，由功率-最佳转速曲线计算出来的最优转速达到限幅值(设为机组额定转速)。此后，即使输出功率随着风速的增加还继续增加，但是最优转速给定始终被限制在Ω_N。在该模式内，机组的功率仍小于其额定值P_N，调节器2继续维持反向饱和，系统的控制框图可以简化为图7。

(3)模式3：恒功率运行

当风俗超过额定风速v_N，此时功率-最佳转速曲线计算出来的转速给定仍然处于饱和状态，输出维持在Ω_N，但调节器2开始退出饱和。此时转速内环的参考给定等于Ω_N减去调节器2的输出值补偿值ω_com。风力机的转速开始下降，逐渐进入深度失速区，机组的风能利用率减小，从而维持机组的气动功率近似为额定功率不变。该模式对应的等效控制框图如图8所示。

由上述分析可知，三种模式之间的过渡就是调节器2或者最优转速给定的自然饱和或限幅，切换过程更加平滑，可有效减小机组的瞬态载荷。

为说明本发明的正确性和可行性，以一个实际的永磁直驱定桨距机组为例进行了实验验证，表1中给出了本实施例中的相关参数，图9为该风机的风能利用系数曲线(C_p-λ)曲线。

表1本发明实施例中相关参数

直径	1.90m	电机极对数	4
				叶片数	3	电机额定转速	500r/min
额定风速	14m/s	电机额定功率	3kW
				额定功率	1.2kW	电机额定线电压	250VAC
风向	上风向	电机绕组电感	3.6mH
				发电机绕组电阻	0.175Ω	风轮转动惯量	0.394
发电机转动惯量	0.026	摩擦系数	0.042

附图11给出了风速从6m/s到24m/s变化过程中机组的功率-转速实验曲线。

图12所示为其所对应的功率-风速实验曲线。从图中可以看出，机组实现了三种运行模式。在6-12m/s阶段，风机实现了最大功率跟踪运行，其实验测得的数据跟理论的最大功率运行曲线重合。而当机组转速达到额定转速500r/min时，机组开始进入限转速运行模式。随着风速增加，机组功率增大但转速保持不变，为Ω_N。而当风速超过额定风速14m/s后，随着风速进一步增加，转速补偿信号加入，机组运行的转速开始下降，功率被限定在了机组的额定功率1200W处。从图11和图12可直观的看出本发明所述方法的有效性和可行性。

Claims (1)

1.一种简单可靠的定桨距变速风力发电机组在全风速范围内运行的功率控制策略，其特征在于：

1)、控制方法由转速控制环调节器1、最大功率跟踪控制策略及功率限制环调节器2组成；

2)、转速控制环调节器1：将参考转速(最大功率跟踪环节的输出值)ω_opt与机组的实际转速反馈ω之间的误差Δω作为调节器1的输入，输出值作为网侧变换器的q轴电流给定i_q ^*，控制发电机的有功功率，即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大功率跟踪环节的最大饱和输出值Ω_N，即机组的额定转速。

3)、最大功率跟踪控制策略：首次采用功率反馈最佳转速控制策略，由机组运行的气动功率P_r直接计算出机组当前运行功率所对应的最佳转速指令ω_opt，可方便的实现最大功率跟踪控制。

4)、功率限制环调节器2：风机运行的气动功率反馈信号P_r与机组额定功率P_N的差ΔP叠加至调节器2，为转速环调节器1基准输入提供一个转速补偿信号ω_com。机组正常工作时，该补偿信号为0；而当机组功率大于额定功率时，该补偿信号与ω_opt相减，降低了转速指令，从而降低机组转速，实现风机气动功率的限制。

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