CN102102631A - 一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，包括机组起动并网控制策略、额定转速点以下最大风能跟踪控制策略、额定转速点变功率和恒功率控制策略、电网故障时控制策略。通过变频器控制调速电机的转速对可变速齿箱的差动调速机构进行调速，在启动并网阶段，实现了机组的柔性并网；在额定转速点以下区域，实现了机组的最大风能捕获控制；在额定转速点运行区域，实现了机组的变功率控制和恒功率控制；在电网故障时，实现了机组的低电压穿越控制及同步发电机通过强励作用支撑电网电压恢复。机组通过上述各种控制方法，满足了变速型风力发电机组的运行要求，实现了机组并网安全稳定高效运行，有效解决了机组的低电压穿越问题。

Description

一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的设备及运行控制，特别是关于一种带有可变速比齿箱调速前端的风力发电机组的运行控制方法。

背景技术

随着并网风电机组装机容量和并网风电场规模的不断扩大，风电在电网中所占的比重越来越高。为了实现大规模风电场可靠并网以充分利用风能并能保持电力系统的稳定性，世界各国电力系统对风电场接入电网时的要求越来越严格，世界各国纷纷制定了大型并网风力发电机组的低电压穿越等技术标准，要求当风电场并网点的电网电压跌落时，机组仍能保持并网运行，并能向电网提供一定的无功功率支持电网电压恢复，直到电网电压恢复正常，避免大规模风电机组脱网造成大规模停电或电力系统崩溃。目前主流双馈型和直驱型变频恒速风电机组通过采取一些附加保护措施或者优化控制策略具备了一定的低电压穿越能力，但在实际应用中低电压穿越能力还是不足，并没有从根本上解决问题。

目前，国内外已经开始研制带有前端调速装置的新一代电网友好型风电机组，该类型风电机组的传动链末端使用转速固定的传统同步发电机直接并网，前端通过调速装置实现对风力机进行调速和同步发电机恒转速运行，充分利用同步发电机比较成熟的励磁控制策略，调节同步发电机在一定的功率因数范围内安全运行，并且在电网故障时通过施加强励增加励磁电流来支撑电网电压，增强风电机组应对电网故障的能力。这一类友好型风电机组有望从根本上解决风力发电机组的低电压穿越能力问题，有效提高电力系统运行的稳定性，以达到传统火电和水电发机组的并网效果。

根据带有前端调速装置的风电机组的结构和运行原理，调速装置可以是液力耦合器、电磁耦合器、可变速比齿箱及其它调速装置中的一种。其中，可变速比齿箱是在传统风电机组固定速比的增速齿轮箱输出端增加一级行星差动调速机构构成的机械调速机构，通过调速电机对差动调速机构进行连续调速控制，可实现可变速比齿轮箱的连续无级调速和机组安全稳定运行控制。

发明内容

因此，为解决风力发电机组应对电网故障时的低电压穿越能力问题，本发明目的是提供一种带有可变速比齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，满足变速型风力发电机组的运行要求，实现风电机组可靠运行，提高并网运行稳定性。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案包括机组起动并网控制、额定转速点以下最大风能跟踪控制、额定转速点变功率控制和恒功率控制，以及电网故障时控制几方面，其中：

1、起动并网阶段：机组控制柜上电给PLC初始化后，可认为机组处于待机状态，在待机状态下，可变速比齿箱的调速电机被制动器制动处于制动状态，调速电机控制用的变频器应发给主控“变频器正常”信号。当判断检测到的风速低于切入风速时，风力机顺桨，桨距角被置于一定角度(一般为90°)，风力机不转动，同样调速电机被制动器制动处于制动状态；当风速达到切入风速时，通过变桨控制使风力机桨叶向着桨距角0度方向减小，使风力机获得足够的风能以驱动风轮加速转动，直到风力机转速值达到最小并网转速值n时，通过变桨控制调节桨距角大小使风力机维持该转速值n不变，此时，启动变频器并松开调速电机的制动器，调速电机运行在对差动调速机构调速控制工作状态，在此过程中，调速电机调速是以同步发电机同步转速值为目标值，通过变频器控制调速电机调速使可变速比齿箱输出轴转速达到同步转速值并维持恒定，等待并网。同步发电机的励磁装置根据并网装置检测到的电网电压值，自动调节同步发电机的端电压幅值与电网电压幅值之差在限定范围内；并将并网装置实时检测到的电网电压频率信号换算得到转速值与风力机实际转速值的差值作为变频器转速闭环速度给定值，再通过变频器转速闭环控制对调速电机转速进行调节，直到达到并网条件(发电机端电压与电网电压幅值差、频率差及相位差在误差要求限定范围内视为达到并网条件)；最后由并网装置完成风电机组的并网，并把并网成功信号发给主控，主控再把并网成功信号发给变频器。

并网后机组根据实际条件进行额定转速点以下的最大风能跟踪控制、额定转速点变功率控制和恒功率控制以及电网故障时的控制状态。

在调速电机对差动调速机构开始调速直到可变速比齿箱输出轴转速达到同步发电机同步转速的过程中，需要检测同步发电机的实际转速值，同步发电机同步转速值与发电机实际转速值的差值计算得到所对应调速电机的转速值作为变频器转速闭环控制的给定转速目标值。同步发电机的实际转速值可以通过在同步发电机轴末端安装速度传感器进行测量，或者直接通过并网装置检测到的同步发电机端电压频率信号进行换算得到，所述变频器的转速闭环控制可以通过变频器的转速闭环控制算法完成，也可以直接通过主控完成。所述变频器转速闭环控制算法可以是矢量控制或直接转矩控制中的一种。

2、额定转速点以下最大风能跟踪控制：当风力机转速没有达到额定转速时，机组进行最大风能跟踪控制工作状态。根据风力机最大风能捕获原理，风力机在变化的风速下要想跟踪风速以捕获最大风能，则必须在风速变化的同时及时调整风力机的转速，保持最佳叶尖速比运行，以获得最大风能利用系数。机组并网后可变速比齿箱输出轴的转速被电网频率锁定以发电机同步转速旋转，通过检测到机组转矩信号值所对应最佳功率曲线上的调速电机转速值为变频器转速闭环给定转速目标值对调速电机进行调速控制，使风力机转速运行在最佳转速点上，实现最大风能捕获。

上述机组转矩可以是风力机输出转矩、同步发电机输出转矩或调速电机输出转矩的一种，这三个转矩之间在速度确定情况下具有一定的对应关系。优选的应该是采用调速电机输出转矩，这个转矩值可以由变频器的电机转矩计算值给出，或者通过测量调速电机的输入电功率P_c及转速n_c进行计算得出，即Tc＝9.55(P_c-Δp)/n_c。

3、额定转速点变功率控制和恒功率控制：当风力机的转速达到额定转速点时，随着风速的增加，风力机转速不再上升，调速电机处于停电状态且输出轴被制动器制动卡死不转，此时可变速比齿箱就相当于一个固定速比的传统齿箱，风力机的转速被可变速比比齿箱的输出轴同步转速锁住不变，保持额定转速运行。即风力机额定转速经可变速齿箱的固定速比增速后正好就是电机的同步转速。风力机从额定转速以下进入额定转速点时，风速还没有达到额定风速值。若风力机维持额定转速值运行且当风速小于额定风速时，机组进行额定转速点的变功率控制，随着风速的变化，风力机转速不变，但是输出转矩在变化，而风力机输出机械功率等于转速与转矩的乘积，所以风力机输出机械功率随着风速变化在变化，使机组的输出并网功率随着风速变化也在变化；若风力机维持额定转速值运行且当风速在额定风速与切出风速时，机组进行额定转速点的恒功率控制，同样风力机保持额定转速值不变，通过变桨控制使风力机的输出功率保持额定值，使机组运行在恒功率区域，使机组输出并网功率保持额定功率。

在所述机组额定转速点和额定转速点以下区域临界点之间进行工作状态切换，需要设定滞环控制措施，避免变频器状态频繁切换、调速电机频繁起动及调速电机制动器频繁动作，以影响变频器和调速电机及制动器的性能。

4、电网故障时控制：当电网故障导致电网电压跌落至一定值并超出限定值时，同步发电机的励磁系统通过施加强励来实现同步发电机强励磁支撑电网电压，同时通过变频器断电和松开调速电机的制动器让调速电机处于自由旋转状态，可以让部分机械功率转换为旋转动能，同时通过变桨控制进行顺桨，减小可变速比齿箱输出轴的机械功率，即同步发电机转子轴的机械功率，保证机组穿越低电压区域，直到电网电压跌落恢复后，变频器启动并进入跌落前的工作状态；当电网发生短路故障并超出机组低电压穿越区域时，机组需要紧急停机，并通过采取变频器断电、松开调速电机的制动器等保护措施保护机组传动链，直到故障清除后和达到并网发电条件时，机组才重新开始启动并进入并网发电工作状态运行。所述紧急停机包括发电机短路故障、跳闸以及其它原因造成的安全链故障，且变频器接收到发电机解列信号后开始执行正常停机程序。

本发明所述控制方法的有益效果是：1)、通过变频器控制调速电机转速对可变速比齿箱的差动调速机构进行调速，实现了可变速比齿箱的无级调速；2)、在起动阶段，实现了带有可变速比齿箱调速的同步风力发电机组的启动并网控制；3)、在额定转速点以下阶段，实现了带有可变速比齿箱调速的同步风力发电机组的最大风能跟踪控制；4)、在额定转速点处，实现了带有可变速比齿箱调速的同步风力发电机组的变功率运行控制和恒功率运行控制；5)、在电网故障时，实现了带有可变速比齿箱调速的同步风力发电机组的低电压穿越控制和保护控制，同步发电机通过强励功能支撑电网电压，能有效解决目前风力发电机组应对电网故障能力不足的现象，增强风电机组应对电网故障的能力；6)、实现了带有可变速比齿箱调速的风力发电机组并网安全稳定运行，提高了系统运行的动态稳定性。

附图说明：

图1是带有可变速比齿箱调速的风力发电机组的示意图；

图2是带有可变速比齿箱调速的风力发电机组的运行控制流程图；

图1中，1-可变速比齿箱，2-主轴，3-可变速比齿箱输出轴，4-调速电机输出轴，5-调速电机转子，6-调速电机定子，7-三相交流引线，8-变频器，9-调速电机输出轴制动器，10-同步发电机，11-三相交流电源，12-变压器，13-电网，14-可变速比齿箱输出轴制动器，15-联轴器，16-差动调速机构，17-风力机，18-并网装置。

具体实施方式：

附图1是带有可变速比齿箱调速的风力发电机组的结构示意图，从图中可知，这类发电机组的结构是：风力机17通过主轴2与可变速齿箱1输入轴相连接，可变速齿箱输出轴3经联轴器15与同步发电机10转子轴相连接，同步发电机10定子经并网装置18和升压变压器12与三相交流电网13相连接，调速电机输出轴4与可变速齿箱1的差动调速机构16输入轴相连接，变频器8通过三相交流引线7与调速电机定子6相连接，三相交流电源11是变流器8的输入供电电源。调速电机输出轴制动器9用于调速电机输出轴4制动，可变速比齿箱输出轴制动器14是对齿箱输出轴3制动。；

下面结合附图1的结构和附图2的控制流程图，通过实施例对本发明的风力发电机组运行控制方法进行详细的描述，它包括机组起动并网控制、额定转速点以下最大风能跟踪控制、额定转速点以上变功率控制和恒功率控制，以及电网故障时控制几方面，各阶段主要通过以下控制策略实现：

1、起动并网控制

首先给机组控制柜上电且PLC初始化，机组处于待机状态，此时可变速比齿箱的调速电机被制动器制动处于制动状态，控制调速电机用的变频器发给主控“变频器正常准备好”信号。当检测到10min内平均风速低于切入风速时，风力机顺桨，桨距角被置于一定角度(一般为90°)，风力机不转动，同样调速电机被制动器制动处于制动状态，机组处于待机状态；当检测到10min内平均风速达到切入风速时，通过变桨控制使风力机桨叶向着桨距角0度方向减小，使风力机获得足够的风能以驱动风轮加速转动，桨距角变化在限定值内逐减，直到风力机转速值达到最小并网转速值n时，通过变桨控制使风力机维持在转速值n不变，此时启动变频器并松开调速电机的制动器，调速电机对齿箱差动调速机构进行控制，在此过程中，调速电机调速是以同步发电机同步转速值为目标值的，通过变频器控制调速电机调速，使可变速比齿箱输出轴转速达到同步转速值并维持恒定，等待并网。

同步发电机的励磁装置根据同期并网装置检测到的电网电压信号值，自动调节同步发电机的端电压，使端电压幅值与电网电压幅值差值在误差限定范围内，并将并网装置检测到的电网电压频率信号，换算得到转速值与风力机实际转速值的差值作为变频器转速闭环速度给定值，再通过变频器转速闭环控制对调速电机转速进行调节，直到达到并网条件(发电机端电压与电网电压幅值差、频率差及相位差在误差要求限定范围内)，最后由同期并网装置完成风电机组的并网，并把并网成功信号发给主控，主控再把并网成功信号发给变频器，然后机组根据实际条件进行额定转速点以下的最大风能跟踪控制、额定转速点变功率控制和恒功率控制以及电网故障时控制的工作状态。

2、电网故障时控制

机组并网后，首先判断电网电压是否发生故障，若电网发生故障导致电网电压跌落至一定值并超出限定值时，同步发电机的励磁系统通过施加强励来实现同步发电机强励磁支撑电网电压，同时通过变频器断电和松开调速电机的制动器让调速电机处于自由旋转状态，可以让部分机械功率转换为旋转动能，同时通过变桨控制进行顺桨，减小风力机风功率的捕获，进而减小可变速比齿箱输出轴机械功率，即同步发电机转子轴的机械功率，保证机组穿越低电压区域，直到电网电压跌落恢复后，变频器启动并进入跌落前的工作状态；当电网发生故障并超出机组低电压穿越区域时，机组需要紧急停机，可以通过采取变频器断电、松开调速电机的制动器等保护措施保护机组安全，直到故障清除后和达到并网发电条件时，机组才开始启动，并进入并网发电工作状态运行。所述紧急停机包括发电机短路故障、跳闸以及其它原因造成的安全链故障，且变频器接收到发电机解列信号后开始执行正常停机程序。

3、额定转速点以下最大风能跟踪控制

机组并网后若没有发生电网故障，会判断当前风力机转速是否达到额定转速，如果风力机转速在额定转速以下，机组则进入额定转速点以下区域的最大风能跟踪控制：机组并网后可变速比齿箱输出轴的转速被电网频率锁定与发电机同步转速旋转，通过调节调速电机的转速，就可以调节风力机的转速。以检测机组转矩信号所对应最佳功率曲线上所对应的调速电机转速值为变频器转速闭环给定转速目标值对调速电机进行调速控制，进而调节风力机转速使风力机运行在最佳转速点上，实现最大风能捕获。

4、额定转速点变功率控制和恒功率控制

当风力机达到额定转速时，则机组进入额定转速点的变功率控制和恒功率控制区域。当风力机的转速达到额定转速点时，随着风速的增加，风力机转速不再上升，调速电机处于停电状态且输出轴被制动器制动不转，此时可变速比齿箱就相当于一个固定速比的传统齿箱，风力机的转速被可变速比齿箱的输出轴牵住不变，保持额定转速运行，风力机额定转速经可变速齿箱的固定速比增速后正好就是电机的同步转速。风力机从额定转速以下进入额定转速点时，风速还没有达到额定风速值。当风力机维持额定转速值运行时，首先，判断当前10min内平均风速是否达到额定风速值，如果没有达到额定风速，则机组进入额定转速点的变功率控制区域，随着风速的变化，风力机保持额定转速不变，但是输出转矩在变化，而风力机输出机械功率等于转速与转矩的乘积，所以风力机输出机械功率随着风速变化在变化，实现变功率控制，使机组的输出并网功率随着风速变化也在变化；如果10min平均风速大于额定风速且小于切出风速，则风电机组进入风力机额定转速点的恒功率控制，同样风力机保持额定转速不变，通过变桨控制进行桨距角调节使风力机的输出机械功率保持额定功率值恒定，控制机组运行在恒功率区域，机组输出并网功率保持额定功率恒定。

上述调速电机是通过变频器控制的，通过对调速电机的转速控制，可对可变速比齿箱的差动调速机构进行调速控制，以改变可变速比齿箱输出轴的转速，在一定范围内实现可变速比齿箱的无级调速。

上述调速电机开始调速直到可变速比齿箱输出轴转速达到同步发电机同步转速的过程中，需要检测同步发电机的实际转速值，同步发电机同步转速值与同步发电机同步转速实际值差值所计算得到所对应调速电机的转速值作为变频器转速闭环控制的给定转速目标值。上述同步发电机的实际转速值可以通过在同步发电机轴末端安装速度传感器进行测量或者直接通过并网装置检测到的同步发电机端电压频率信号进行换算得到，所述转速闭环是通过变频器的转速闭环控制算法完成，也可以直接通过主控完成。上述机组转矩测量值可以是风力机输出转矩、同步发电机输出转矩或调速电机输出转矩的一种，这三个转矩之间在速度确定情况下具有一定对应关系，优选的应该是采用调速电机输出转矩值，转矩值一般不容量直接测量得出，可以由变频器的电机转矩计算值直接给出或者通过测量调速电机的输入电功率P_c及转速n_c进行计算得出，即Tc＝9.55(P_c-Δp)/n_c。

上述机组额定转速点和额定转速点以下区域临界点之间进行工作状态切换时，需要设定一定的滞环控制，避免变频器状态频繁切换、调速电机频繁起动及调速电机制动器频繁动作，以影响变频器和调速电机及制动器的性能。

上述变频器转速闭环控制算法可以是矢量控制或直接转矩控制中的一种。

根据变速型风电机组的运行控制特点，以上所述带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，通过调速电机对可变速比齿箱连续无级调速控制和同步发电机自身的励磁控制，能够实现机组的安全高效运行控制，满足变速型风力发电机组的运行要求，提高了风电机组低电压穿越能力和并网运行的动态稳定性。机组在启动阶段实现了机组的起动及并网控制；在额定转速点以下区域，实现了机组的最大风能捕获控制；在额定转速点运行区域，实现了机组的变功率控制和恒功率控制；在电网故障时，实现了机组的低电压穿越控制，且同步发电机通过强励磁发无功功率支撑电网电压恢复，能有效解决目前风力发电机组应对电网故障能力不足的现象，增强风电机组应对电网故障的能力。

在上述实施例中，仅是本发明的较佳的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，凡是基于本发明技术方案对以上实施例所作的任何简单变化、改进及修饰，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，包括：机组起动并网控制、额定转速点以下最大风能跟踪控制、额定转速点变功率控制和恒功率控制、电网故障时控制，

1)所述起动并网控制为：当风速低于切入风速时，风力机顺桨，桨距角被置于一定角度，风力机不转动，齿箱调速电机处于制动状态；当风速达到切入风速时，启动变频器并松开制动器，调速电机对齿箱差动调速机构进行调速，同步发电机的励磁装置调节机端电压幅值，使机端电压幅值与电网电压幅值之差在限定范围内，并将电网电压频率信号，换算得到转速值与风力机实际转速值的差值作为变频器转速闭环速度给定值，再通过变频器转速闭环控制调节调速电机转速，使齿箱输出轴转速与同步发电机同步，同时，通过变桨控制使风力机桨距角减小，直到风力机转速达到并网转速值时，维持不变；最后由并网装置完成风电机组的并网；

2)所述额定转速点以下最大风能跟踪控制为：机组并网后，当风力机转速没有达到额定转速时，机组进入最大风能跟踪控制状态，机组并网后可变速比齿箱输出轴的转速被电网频率锁定与发电机同步旋转，通过检测到机组转矩值所对应的最佳功率曲线上所对应调速电机转速值对调速电机进行调速控制，使风力机转速运行在最佳转速点上，实现最大风能捕获；

3)所述额定转速点变功率控制和恒功率控制为：当风力机的转速达到额定转速点时，随着风速的增加，风力机的转速被可变速比齿箱的输出轴同步转速锁住不变，保持额定转速运行，当风力机从额定转速以下进入额定转速点运行时，风速还没有达到额定转速值，当风力机达到额定转速并维持额定转速值运行时，首先判断10min内平均风速是否达到额定风速值，如果没有达到额定风速，则机组进入额定转速点的变功率控制区域，即风力机转速保持不变，转矩随着风速变化在变化，功率等于角速度与转矩的乘积，所以功率在变化；如果10min内平均风速大于额定风速且小于切出风速，则机组进入风力机额定转速点的恒功率控制区域，同样风力机保持额定转速不变，通过变桨控制进行桨距角调节使风力机的输出机械功率保持额定功率；

4)所述电网故障时控制为：机组并网后，首先判断电网电压是否发生故障，若电网发生故障导致电网电压跌落并超出限定值时，同步发电机的励磁装置施加强励来支撑电网电压，同时通过变频器断电和松开调速电机的制动器让调速电机处于自由旋转状态，通过变桨控制进行顺桨，减小风力机风功率的捕获，直到电网电压跌落恢复后，变频器启动并进入跌落前的工作状态；当电网发生故障并超出机组低电压穿越区域时，机组紧急停机，直到故障清除和达到并网条件时，机组才开始启动，并进入并网工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：在调速电机对差动调速机构开始调速直到可变速比齿箱输出轴转速达到同步发电机同步转速的过程中，需要检测同步发电机的实际转速值，同步发电机同步转速值与同步发电机同步转速值的差值所计算得到所对应调速电机的转速值作为变频器转速闭环控制的给定转速目标值。

3.根据权利要求2所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：所述同步发电机的实际转速值通过在同步发电机轴末端安装速度传感器进行测量，或者直接通过并网装置检测到的同步发电机端电压频率信号进行换算得到。

4.根据权利要求1所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：所述变频器的转速闭环控制通过变频器的转速闭环控制算法完成，或直接通过主控完成。

5.根据权利要求4所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：所述变频器转速闭环控制算法是矢量控制或直接转矩控制中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：额定转速点以下最大风能跟踪控制中，所述机组转矩测量值是风力机输出转矩、同步发电机输出转矩、调速电机输出转矩中的一种。

7.根据权利要求6所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：所述机组转矩测量值采用调速电机输出转矩值，这个转矩值由变频器的电机转矩计算值给出，或者通过测量调速电机的输入电功率P_c及转速n_c进行计算得出，即Tc＝9.55(P_c-Δp)/n_c。。

8.根据权利要求1所述的一种带有齿箱调速前端的风力发电机组运行控制方法，其特征在于：在所述机组额定转速点和额定转速点以下临界点之间进行工作状态切换时，设定滞环控制措施。

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