CN102305180B - 一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法和系统，包括风轮、常规三级传动齿轮箱、齿轮箱差动式输出级、伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器、常规同步发电机和电网，风轮与常规三级传动齿轮箱连接，常规三级传动齿轮箱分别与齿轮箱差动式输出级和伺服电机输出传动齿轮副连接，伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器和电网依次连接，齿轮箱差动式输出级与常规同步发电机连接，常规同步发电机与电网连接。采用了本发明的技术方案，使发电机组在尽可能宽的运行风速范围内按最佳叶尖速比来运行，使发电机组能捕获更多的风能。

Description

一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法和系统

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法和系统。

背景技术

目前，风电机组在传动链中采用了一种可变速比的齿轮箱，即其速比可按要求进行控制，从而可实现风轮在按要求作变转速运行的条件下，使齿轮箱所拖动的发电机作恒速运行。这种能力是通过在常规的齿轮箱的输出端增加了一级差动行星级，并由伺服电机驱动该级的太阳轮来达到改变速比来实现的。这样，风电机组就可以采用常规的同步发电机，实现风机的变速恒频运行。随着风电机组在电网中的比重越来越大，电网对并入电网的风电机组的发电性能的要求越来越高。这些性能包括低电压穿越能力、机组对电网无功功率支持的能力以及电压波形畸变等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法和系统，使发电机组在尽可能宽的运行风速范围内按最佳叶尖速比来运行，使发电机组能捕获更多的风能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法，当风速大于切入风速且小于临界风速时，其中临界风速小于额定风速，包括以下步骤：

A1、按照风力发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

A2、根据公式n_发电机＝i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为常规同步发电机转速；

A3、按照不同风速下齿轮箱速比i计算出不同风速时的伺服电机的转速；

A4、通过计算得到不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

A5、按照测得的伺服电机转矩，从所述转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

A6、以对应的转速作为伺服电机转速控制的给定值进行PI控制；

当风速等于临界风速时，采用制动器将伺服电机制动，风力发电机组仍以最佳叶尖速比λ_最佳运行；

当风速大于临界风速且小于额定风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态；

当风速大于额定风速且小于切出风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态，进行变桨控制，以保证风力发电机组在额定功率下运行。

还包括以下步骤：

在伺服电机转速控制系统中增加伺服电机转矩微分控制器，当风速突然变化形成传动链转矩波动较大时，通过控制伺服电机转速改变齿轮箱速比i，提高风轮转速n_风轮，将瞬间增大的部分风能转化为风轮的动能，达到减小传动链转矩峰值的目的。

当风速大于临界风速且小于额定风速时，还包括以下步骤：

B1、按照风力发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

B2、根据公式n_发电机＝i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为常规同步发电机转速；

B3、按照齿轮箱不同风速下速比i计算出不同风速下的伺服电机的转速；

B4、通过计算得到不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

B5、按照测得的伺服电机转矩，从所述转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

B6、以对应的转速作为伺服电机转速控制的给定值进行PI控制，伺服电机反向以发电方式运行。

步骤B6中，伺服电机通过变频器向电网送电。

一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统，包括风轮、常规三级传动齿轮箱、齿轮箱差动式输出级、伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器、常规同步发电机和电网，风轮与常规三级传动齿轮箱连接；常规三级传动齿轮箱分别与齿轮箱差动式输出级和伺服电机输出传动齿轮副连接；伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器和电网依次连接；齿轮箱差动式输出级与常规同步发电机连接；常规同步发电机与电网相连。

还包括转矩测量机构和转矩微分控制器，转矩测量机构用于由伺服电机的电参数计算得到转矩，转矩微分控制器设置在变频器内，用于控制伺服电机转速。

还包括发电机功率测量单元和发电机功率微分器。

还包括变桨控制器，用于改变叶片桨距角，限制发电机组在额定功率下运行。

采用了本发明的技术方案，通过在3个不同的区域内分别采取不同的控制策略，使发电机组在尽可能宽的运行风速范围内按最佳叶尖速比来运行，使发电机组能捕获更多的风能。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本发明具体实施方式中差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统的结构示意图。如图1所示，该差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统，包括风轮1、常规三级传动齿轮箱2、齿轮箱差动式输出级3、伺服电机输出传动齿轮副4、伺服电机5、变频器6、变压器7、常规同步发电机8和电网9。

其中风轮与常规三级传动齿轮箱连接，常规三级传动齿轮箱分别与齿轮箱差动式输出级和伺服电机输出传动齿轮副连接，伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器和电网依次连接，齿轮箱差动式输出级与常规同步发电机连接，常规同步发电机与电网连接。

还包括转矩测量机构和转矩微分控制器，转矩测量机构可由伺服电机的电参数计算得到转矩，转矩微分控制器可设置在变频器内来控制伺服电机转速。

也可以用发电机功率测量单元和发电机功率微分器，来取代转矩测量机构和转矩微分控制器，但这时要用伺服电机转速-发电机功率曲线取代伺服电机的转速-转矩曲线。

还可以包括变桨控制器，用于改变叶片桨距角，限制发电机组在额定功率下运行。

如图1所示，差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统的技术原理是伺服电机受变频器的控制，以便达到按要求改变齿轮箱速比的目的。控制的基本目的是使机组在尽可能宽的运行风速范围内(额定风速以上另当别论)按最佳叶尖速比来运行，使机组能捕获更多的风能。为此，先参照常见的双馈机组将整个运行风速范围分为3个区域：I区、II区和III区，在3个不同的区域内可分别采取不同的控制策略。3个区域的风速V的范围从小到大分别如下：

I区：V_切入＜V＜V_临界

II区：V_临界＜V＜V_额定

III区：V_额定＜V＜V_切出

上述V_额定为机组达到额定功率时的风速，V_临界为小于V_额定的某个风速。

正常运行时，风轮转速和发动机转速满足如下公式：

n_发电机＝i*n_风轮                                    (1)

其中：n_发电机为常规同步发电机转速，i为齿轮箱的速比，n_风轮为风轮转速。

由于机组采用了常规同步发电机，故n_发电机始终为常数，所以风轮转速的控制实际上已转化为齿轮箱速比i的控制，具体地说，已转化为齿轮箱差动级伺服电机的转速的控制。本发明技术方案提出的控制方式有以下三种：基本控制方式、改进后的基本控制方式、理想的控制方式。

一、基本控制方式

当风速大于切入风速且小于临界风速时，包括以下步骤：

A1、按照风力发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

A2、根据公式n_发电机＝i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为常规同步发电机转速；

A3、按照齿轮箱速比i计算出伺服电机的转速；

A4、实现不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

A5、按照测得的伺服电机转矩，从转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

A6、以对应的转速作为转速控制的给定值进行PI控制；

当风速等于临界风速时，采用制动器将伺服电机制动，风力发电机组以最佳叶尖速比λ_最佳运行；

当风速大于临界风速且小于额定风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态；

当风速大于额定风速且小于切出风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态，进行变桨控制，以保证风力发电机组在额定功率下运行。

也即按照风速分成I区、II区和III区分别采取不同的控制方式。

首先按照不同的控制方式，根据不同的叶尖速比λ要求算出不同风速下的风轮转速。计算公式如下：

n_风轮＝30λV/πR  ，其中，R为风轮半径。

1、I区控制方式

在该区域内可按最佳叶尖速比λ_最佳算出各种不同风速下的风轮转速，然后根据公式(1)算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，并由此速比可计算出伺服电机的转速，以此作为控制的目标。这样即可保证机组风轮在I区按最高Cp值运行。具体做法为：在保证最佳叶尖速比λ_最佳的条件下，按差动齿轮箱传动结构参数计算出不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线，在实际控制过程中按随时测得的伺服电机转矩从已有的转速-转矩曲线查得伺服电机应有的转速，以此转速作为转速控制的给定值进行PI控制即达到了控制目的。暂且将该控制方式称为查曲线方式。

2、临界点的控制

临界点即为风速为V_临界的那点。在该点运行时可用制动器将伺服电机制动，不作调节，这时机组仍将以最佳叶尖速比最佳运行。

3、II区控制方式

在II区伺服电机仍处于被制动状态。故齿轮箱将保持恒定的速比，机组风轮将处于恒速运行状态。这时随着风速的增大，机组将逐渐偏离最佳叶尖速比λ_最佳运行。当风速增大致额定风速时，实际λ与最佳λ_最佳的差值将达最大。即Cp值将有所降低。但实际上，由于V_{临 界}与V_额定相差并不很大，故Cp值的减小量并不大。这一点与常规的双馈机组的常用控制方式是一样的。

4、III区的控制方式

在III区伺服电机仍处于被制动状态。故齿轮箱将保持恒定的速比，机组风轮将处于恒速运行状态。这时变桨控制器将投入运行，保证机组在额定功率下运行。

二、改进后的基本控制方式

与基本控制方式相比，改进后的基本控制方式增加了当风速变化形成转矩波动达到预设值时，转矩微分控制器改变齿轮箱速比i，提高风轮转速n_风轮，将瞬间的增大的部分风能转化为风轮的动能的内容。

因为基本控制方式有一个缺点，即这种控制方式造成在传动链中的动载荷较大。这是由于在运行过程中，当风的突然变化形成大的转矩波动时，控制器不能做出快速反应以削减传动链中的动载荷的峰值。为此对需对上述基本控制方式进行改进，具体方法为：在保证原有的控制系统的控制功能外，对伺服电机的转速另增加一个以传动链转矩微分为输入信号的控制器，其输入方向为：当转矩突然增大时使差动齿轮箱的速比减小。由公式(1)可知，当速比减小时，风轮转速将增大。所以当引入转矩微分控制器以后，当风的突然变化形成大的转矩波动时，在基本控制器来不及进行查曲线控制时，转矩微分控制器已作出动作，改变了齿轮箱速比，造成风轮转速增加。实际上起到了将瞬间的风能转化为风轮的动能，这样就起到了削减传动链中动载荷的峰值的作用。为了实现上述削减传动链中动载荷的峰值的作用，改进后的基本控制方式在3个区域的控制方式为：

I区：在原有基本控制方式的基础上，对伺服电机另加一个转矩转矩微分控制器，转矩微分控制器输出方向如前所述，转矩微分控制器的输出可表示为：

D(t)＝-K_d*dT_伺服/dt，其中：T_伺服为伺服电机的转矩，K_d为微分增益。

由于传动链中各处的转矩是有固定的比例关系的，所以上式可用任何处的转矩微分，公式中的负号表示增大时，伺服电机的转速应减小。

临界点与II区：伺服电机保持以某一较低转速运行，以便接受转矩微分控制器的输出，达到削减传动链中动载荷的峰值的目的，风轮就静态而言仍以恒速运行。

III区：转速控制同II区，此外增加变桨控制。

三、理想的控制方式

与改进后的基本控制方式相比，理想的控制方式增加了以下内容：

当风速大于临界风速且小于额定风速时和当风速大于额定风速且小于切出风速时，还包括以下步骤：

B1、按照发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

B2、根据公式n_发电机＝i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为发电机转速；

B3、按照齿轮箱速比i计算出伺服电机的转速；

B4、实现不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

B5、按照测得的伺服电机转矩，从所述转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

B6、以对应的转速作为转速控制的给定值进行PI控制，伺服电机反向以发电方式运行，通过变频器向电网送电。

这是因为改进后的基本控制方式还有一个缺点，也就是在II区范围内，由于伺服电机以恒速运行，也就是说风轮以恒速运行，但风速仍在变化，所以机组不能始终保持以最佳叶尖速比λ_最佳运行。理想的控制方式是：在II区范围内，按最佳叶尖速比λ最佳算出II区范围内各种不同风速下的风轮转速，然后根据式(1)算出所对应的齿轮箱速比i，并由此速比可计算出差动级伺服电机所对应的转速，以此作为转速控制的给定值。这时只要计算得合适，可以使算出的伺服电机的转速改变方向，即伺服电机将反向并以发电机方式进行运行，伺服电机将通过变频器向电网送电。伺服电机的转速与发电功率将随风速的增大而增大，直至到额定风速时为最大。理想的控制方式在各区域的控制策略分别为：

I区：与改进后的基本控制方式相同。

临界点：伺服电机以接近零(不能等于零)的转速运行，以便接受转矩微分控制器的输出，达到消减传动链中动载荷的峰值的目的。

II区：在保证最佳叶尖速比λ最佳的条件下，按差动齿轮箱传动结构参数计算出不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线。在实际控制过程中按随时测得的伺服电机转矩从已有的转速-转矩曲线查得伺服电机应有的转速，以此转速作为转速控制的给定值进行PI控制；实际上伺服电机反向以发电方式运行。伺服电机同时接受转矩转矩微分控制器的控制，达到削减传动链中动载荷的峰值的目的。

III区：伺服电机反向按照某转速以发电机方式运行，转速随风速的增大而增大。同时，变桨控制器投入运行，以保证机组以额定负荷运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法，其特征在于，

当风速大于切入风速且小于临界风速时，其中临界风速小于额定风速，包括以下步骤：

A1、按照风力发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

A2、根据公式n_发电机=i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为常规同步发电机转速；

A3、按照不同风速下齿轮箱速比i计算出不同风速时的伺服电机的转速；

A4、通过计算得到不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

A5、按照测得的伺服电机转矩，从所述转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

A6、以对应的转速作为伺服电机转速控制的给定值进行PI控制；

当风速等于临界风速时，采用制动器将伺服电机制动，风力发电机组仍以最佳叶尖速比λ_最佳运行；

当风速大于临界风速且小于额定风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态；

当风速大于额定风速且小于切出风速时，采用制动器将伺服电机制动，齿轮箱保持恒定的齿轮箱速比i，风力发电机组风轮转速n_风轮处于恒速运行状态，进行变桨控制，以保证风力发电机组在额定功率下运行。

2.根据权利要求1所述的一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在伺服电机转速控制系统中增加伺服电机转矩微分控制器，当风速突然变化形成传动链转矩波动较大时，通过控制伺服电机转速改变齿轮箱速比i，提高风轮转速n_风轮，将瞬间增大的部分风能转化为风轮的动能，达到减小传动链转矩峰值的目的。

3.根据权利要求1或者2所述的一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法，其特征在于，

当风速大于临界风速且小于额定风速时，还包括以下步骤：

B1、按照风力发电机组最佳叶尖速比λ_最佳计算出不同风速下的风轮转速n_风轮；

B2、根据公式n_发电机=i*n_风轮计算出不同风轮转速所对应的齿轮箱速比i，其中n_发电机为常规同步发电机转速；

B3、按照齿轮箱不同风速下速比i计算出不同风速下的伺服电机的转速；

B4、通过计算得到不同风速下的伺服电机的转速-转矩曲线；

B5、按照测得的伺服电机转矩，从所述转速-转矩曲线查得伺服电机对应的转速；

B6、以对应的转速作为伺服电机转速控制的给定值进行PI控制，伺服电机反向以发电方式运行。

4.根据权利要求3所述的一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制方法，其特征在于，步骤B6中，伺服电机通过变频器向电网送电。

5.一种实现权利要求1所述方法的差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统，其特征在于，包括风轮、常规三级传动齿轮箱、齿轮箱差动式输出级、伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器、常规同步发电机、电网、转矩测量机构和转矩微分控制器，风轮与常规三级传动齿轮箱连接；常规三级传动齿轮箱分别与齿轮箱差动式输出级和伺服电机输出传动齿轮副连接；伺服电机输出传动齿轮副、伺服电机、变频器、变压器和电网依次连接；齿轮箱差动式输出级与常规同步发电机连接；常规同步发电机与电网相连，转矩测量机构用于由伺服电机的电参数计算得到转矩，转矩微分控制器设置在变频器内，用于控制伺服电机转速。

6.根据权利要求5所述的一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统，其特征在于，还包括发电机功率测量单元和发电机功率微分器。

7.根据权利要求5所述的一种差动齿箱调速型同步风力发电机组的控制系统，其特征在于，还包括变桨控制器，用于改变叶片桨距角，限制发电机组在额定功率下运行。

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