CN102108937A - 定桨距变速永磁同步风力发电机组无风速转速传感器全风速控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于中小型定桨距变速永磁同步风力发电机组无传感器全风速控制策略，属风力发电控制技术中的主控制系统。发明中提出的控制策略主要分为：①低风速区最大功率跟踪控制；②高风速区(额定风速以上)的恒功率控制；③最大功率跟踪控制与恒功率控制之间的恒转速软过渡控制。发明中所述的控制方法的实现是基于直流母线电压和电流信号的反馈：根据检测到的直流母线电流的变化情况给出需要的直流母线电压参考值，从而达到控制机组转速进而控制机组输出功率的目的。因此控制策略中不需要检测风速和转速信号，从而可省去昂贵的风速和转速传感器，大大的降低了控制成本，在兆瓦级以下的中小型风力发电机组中具有很好的应用前景。

Description

定桨距变速永磁同步风力发电机组无风速转速传感器全风速控制策略

技术领域

本发明涉及一种针对采用永磁同步发电机的定桨距变速风力发电机组的全风速范围内的主控制系统，实现了机组在低风速区(额定风速以下)的最大功率跟踪控制、高风速区(额定风速以上)的恒功率控制以及两种运行模式之间的恒转速软过渡过程。 

技术背景

风能作为发展最为迅速的可再生能源，已经成为应对能源危机和环境污染的重要手段，是当前国内外研究的重点和热点。虽然风力发电机组(以下简称风电机组)正逐渐朝着大功率、变桨距变速的方向发展，兆瓦级以上的风电机组几乎都采用了这结构。但是中小型风电机组由于技术成熟、成本低廉、可采用定桨距直驱结构，可靠性高以及安装方便，可就近用电用户安装等特殊优点，已经成为偏远地区和欠发达地区用电用户的主要用电来源。且目前随着石油、天然气等传统能源日益枯竭，传统能源价格飞涨，中小型风电机组的应用越来越广泛。根据美国风能协会2010年的调查数据显示，在美国，功率等级在100kW以下的小型风电机组安装容量达到了100MW，相比2009年增加了15％。而全球的小型风电机组的装机容量也有10％的增长。所以，中小型风力发电机组仍然具有长期的研究价值和发展前景。 

大型风力发电机组常采用变桨距结构，当风速超过额定风速时，控制系统通过改变桨距角来减小风能利用系数，从而减小机组捕获的功率，达到机组额定风速以上的恒功率运行的目的。相比之下，小中型风力发电机组因功率等级较低(通常在100kW以下)，通常采用定桨距永磁直驱结构以提高发电效率和节约控制成本。因桨距角固定不变，使得机组在额定风速以上的恒功率运行控 制变得非常困难，国内外还鲜有报道相关的控制策略。故此，开发一套控制可靠、成本低廉、适用于中小型定桨距永磁直驱风力发电机组的控制系统具有迫切性。 

发明内容：

本发明内容说明如下： 

附图1所示是本发明采用的定桨距永磁同步变速风力发电机组结构与控制系统框图。图中由于储能终端采用了大容量的储能设备，输出电压V₀基本恒定。输出功率的变化通过改变输出电流来实现(如果储能终端替换为逆变器并网的形式，本发明所述的控制策略仍然适用)。附图2为本发明中采用的风力发电机组气动特性曲线。 

风速变化时，附图1中所示机组在最大功率跟踪运行、恒转速运行和恒功率运行时直流母线电压和电流关系分析如下： 

1、在额定风速以下时，为了提高机组发电效率，需要根据风速调整机组的转速，使机组按照最佳叶尖速比运行。风力机捕获的气动功率P_r可按下式计算： 

$P_r=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2\·C_p\left(\mathrm{\λ}\right)\·v^3---\left(1\right)$

式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，对定桨距风力机，风能利用系数C_p(λ)只为叶尖速比λ的函数。当机组运行于最大功率跟踪(MPPT)模式时，有： 

$P_{\mathrm{ropt}}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_{p\max }\·v^3---\left(2\right)$

考虑到叶尖速比与风速和机组转速满足关系： 

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωR}}{v}---\left(3\right)$

将(3)式代入(2)式，并考虑最大功率跟踪运行，可得： 

$P_{\mathrm{ropt}}=\frac{\mathrm{\ρ\π}{R}^5{C}_{p\max }}{2{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\·{\mathrm{\ω}}^3=k_{\mathrm{opt}}\·{\mathrm{\ω}}^3---\left(4\right)$

对于永磁同步发电机，发电机的空载电动势e_ω(折合到直流，即电动势经过整流)与电机的转速呈线性关系，从而可得： 

e_ω＝k_v·ω         (5) 

考虑永磁同步发电机的外特性，其输出电压经整流带载后电压V_dc与空载电势e_ω关系可表示为： 

V_dc＝e_ω-I_dc·R_m    (6) 

上式中R_m为发电机的线线绕组电阻，通常为一个较小的值，故可近似认为直流母线电压值V_dc与电动势e_ω相等，即： 

V_dc≈e_ω＝k_v·ω    (7) 

如果不考虑永磁同步发电机的效率，可知 

P_opt＝V_dc·I_dc      (8) 

由式(4)到式(8)可得母线电压V_dc与母线电流I_dc之间的关系： 

$V_{\mathrm{dc}}=\frac{P_{\mathrm{opt}}}{I_{\mathrm{dc}}}=\sqrt{\frac{k_v^3}{k_{\mathrm{opt}}}}\·\sqrt{I_{\mathrm{dc}}}=K_{\mathrm{idc}}\·\sqrt{I_{\mathrm{dc}}}---\left(9\right)$

2、当风速继续增加，机组输出功率继续增大，机组的转速增加。当达到发电机的额定转速后，为了防止电机的运行转速过高而使电机损坏，将电机的最高转速限制在额定转速ω_max处运行，即恒转速运行。此时由于转速恒定，母线电压V_dc也保持为最大值V_dcmax，即 

V_dc＝V_dcmax         (10) 

3、机组运行于恒转速阶段时，机组的功率仍然小于额定功率P_rmax，随着风速继续上升，机组的功率将继续增大。当风速达到额定风速时，机组的功率达到额定值。考虑机组的安全，需要对机组的功率进行限制，使机组在额定风速以上时始终保持额定功率的恒功率状态运行。定桨距机组由于桨距角固定不可调，因此，机组的恒功率运行实现非常困难。文中方法提出当风速超过额定风速后，增加发电机的输出功率，迫使机组转速减小进入失速区运行。从而使得机组的风能利用系数C_p下降，使机组工作于恒功率状态。 

机组恒功率运行时有： 

$V_{\mathrm{dc}}=\frac{P_{\max }}{I_{\mathrm{dc}}}---\left(11\right)$

根据式(9)-(11)可知机组在三段运行区间中直流母线电压和电流的关系如附图3所示。由此，本发明提出：当风速变化时，控制系统通过检测直流母 线电流I_dc的大小，按照附图3所示的曲线计算出此时所需要的直流母线电压，并将该值作为直流母线电压参考值。通过控制直直变换器保证直流母线电压跟踪需要的母线电压参考，就可以方便的实现机组的最大功率跟踪、恒转速以及恒功率失速运行。 

本发明旨在为中小型风力发电机组提供一种可靠性高、控制本低廉的全风速控制策略。其特征在于： 

1)控制结构简单，只需对直流母线电压V_dc按照要求(附图3所示)进行控制就能实现机组的不同区段运行，控制可靠性高。 

2)控制策略的实现是基于直流母线电压V_dc和电流I_dc的反馈，不需要检测风速和转速信号，省去了风速和转速传感器，大大降低了控制成本。 

3)控制策略实现了机组最大功率跟踪运行、恒功率运行以及恒转速过渡运行三模式之间的软切换，且在高风速区运行时机组的功率脉动小，机组承受的动态载荷小，延长了机组的服役年限。 

本发明能够对采用永磁同步发电机的定桨距变速风力发电机组施加有效的控制，令其在全风速范围内根据设定的工况要求运行。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限转速和限功率运行，且控制结构简单成本低。本发明对促进我国风电产业的多元化发展具有积极的意义。 

附图说明

附图1是本发明实施例中采用的风力发电机组系统与控制结构图。 

附图2是本发明实施例中风力发电机组风能利用系数与叶尖速比曲线。 

附图3是本发明实施例中风力发电机组各运行模式下直流母线电压和电流关系曲线。 

附图4是本发明实施例中运行模式切换控制策略框图。 

附图5是本发明实施例中风力发电机组闭环控制简化框图。 

附图6风速缓慢变化时直流母线电压、母线电流、风能利用系数以及输出功率的仿真曲线。 

附图7是在自然风速下风力发电机组直流母线电压、母线电流、风能利用系数以及输出功率的仿真曲线。 

附图1——附图7中的符号定义如表1所示 

表1附图符号说明 

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术实施方案进行说明： 

附图1为本发明控制策略实现的具体结构框图，其中的f(I_dc)框图具体的实施方式如附图4中所示。 

本发明所述的最大功率跟踪控制是指：风力发电机组在低风速区运行时，随着风速的变化，直流母线电流随之变化，可根据式(9)(附图4中MPPT框图)计算小实现最大功率跟踪时所需的直流母线电压参考值V_dc*，该值与直流母线电压反馈值V_dc的差值一起经过调节器调节后，通过PWM电路和驱动电路产生占空比d控制直直变换器使直流母线电压V_dc跟踪参考V_dc*，实现了机组的 最大功率跟踪运行。 

本发明所述的恒功率控制是指：风力发电机组运行于额定风速以上时，随着风速的变化，机组直流母线电流随之变化。此时可根据公式(11)(附图4中Stall框图)计算出所需要的直流母线电压参考值V_dc*。与MPPT运行时相同地，通过控制直直变换器以使机组直流母线电压跟踪该电压参考值，实现了额定风速以上的恒功率运行。 

本发明所述的恒转速控制是指：如附图3中所示，最大功率跟踪运行和恒功率运行曲线的交点C已经超过机组运行的额定直流母线电压。考虑机组的安全运行，对机组运行的直流母线电压进行了限制，限制方法如附图4中所示。在MPPT运行和恒功率运行间插入了最大母线电压限制环节V_dcmax，一旦直流母线电压超过该值，该环节自然饱和，输出直流母线电压参考值V_dc*恒等于V_dcmax，从而实现了对直流母线电压(也即转速)的限定。 

为验证本发明控制策略的正确性和可行性，采用附图1中所示风力发电机组对本发明控制策略进行了仿真验证。附图5中所示为机组闭环控制框图，C(s)为附图1中所示调节器框图，这里采用了PI调节器形式，其比例系数K_p＝0.23，积分时间常数K_i＝0.11。为了保证机组在高风速区的运行稳定性，在电流反馈支路中增加一个惯性环节C_τ(s)，其时间常数T_c设为直流母线电流I_dc的函数：在额定直流母线电流I_dcN以下，C_τ(s)不起作用，将T_c设置为0；而在I_dcN以上将T_c设置为稍大于转动惯量J，以保证机组在额定风速以上运行的稳定性。机组的具体参数见表2中所示。 

表2本发明实施例中相关参数 

附图6给出了风速从切入风速(6m/s)缓慢上升到切除风速(25m/s)过程中直流母线电压V_dc、直流母线电流I_dc以及机组输出功率波形。从图中可已看出，当风速小于12m/s时，机组按MPPT运行，风能利用系数C_p维持最大值C_pmax，直流母线电压V_dc、电流I_dc上升，机组输出功率增大。当机组达到额定电压V_dcmax(即额定转速)时，随着风速增加，直流母线电压保持不变，机组恒转速运行。此时机组的输出功率仍然小于额定功率，随着风速的增加输出功率继续增大。当达到额定风速后，机组的输出功率限定在额定功率P_max，实现了恒功率运行。 

附图7中为自然风速下机组的运行状态。从图中可以看出从35s到75s时间段，机组运行在额定风速以下，机组实现了最大功率跟踪运行，C_p值始终保持最大们。而在75s时，风速超过额定风速，输出功率出现瞬时过冲以使机组进入失速区运行。从图中可以看出，从75s到100s时间段内，风速始终超过额定风速，而机组的输出功率始终保持在额定功率附近，实现了恒功率运行。 

附图6和附图7结果验证了本发明所提出的控制策略具有正确性和可行性。 

Claims (1)

1.一种适用于中小型定桨距变速永磁同步风力发电机组无传感器全风速控制策略。由永磁同步发电机输出电压与转速呈线性关系这一点出发，计算出采用永磁同步发电机的定桨距变速风力发电机组各运行阶段直流母线电压V_dc和电流I_dc的关系。从而控制时只需根据直流母线电流的变化情况计算出实现最大功率跟踪，恒转速以及恒功率运行各自所需的直流母线电压参考值V_dc*，并与直流母线电压反馈值V_dc的差值一起经过调节器调节后，通过PWM电路和驱动电路产生占空比d控制直直变换器使直流母线电压V_dc跟踪参考V_dc*，实现了机组的最大功率跟踪、恒转速和恒功率运行。

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