CN102361427A - 一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，包括以下步骤：当风速变化时，风轮转矩发生变化，调速电机轴的机械转矩也发生相应变化；改变调速电机的转矩电流，从而改变调速电机的电磁转矩，使其与调速电机的机械转矩相平衡；当调速电机的转矩电流变化到一定程度时，计算其相应的电磁转矩，并确定与该电磁转矩对应的最佳转速值；将此最佳转速值作为新的给定值对调速电机进行速度调节；当风轮达到额定转速时，调速电机停止工作。本发明只需将变速恒频控制的调速依据由发电机转速改为调速电机转矩，满足了电网友好型风力发电机组的变速恒频运行要求，实现了风电机组的可靠运行，提高了并网运行稳定性，从而适于推广应用。

Description

一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组控制方法，特别是涉及一种带有可变速比齿轮箱调速前端的风力发电机组并网后的变速恒频控制方法。
背景技术
随着并网风电场规模及风电机组容量在电网中所占比例的不断增大，为了实现大规模风电场可靠并网并保持电力系统稳定，电网对风电机组的并网要求将会越来越严苛。这些要求包括低电压穿越、电压波形畸变、机组无功功率的支撑能力等。目前国内风电市场最主要的并网机型就是双馈式及直驱式风力发电机组，而这两种风电机组虽然采取了一些附加保护措施，但在满足上述要求上特别是实际应用方面仍存在难以克服的困难，目前尚无完整有效的解决方案，这严重影响了风力发电作为重要可再生能源的进一步开发利用。
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，该类型风电机组前端带有调速装置对风机进行调速，传动链末端采用传统的同步发电机直接并网，此举能充分利用同步发电机比较成熟的励磁控制策略，并且在在电网故障时通过施加强力磁增加励磁电流来支撑电网电压，增加风电机组应对电网故障的能力。
该类电网友好型风电机组中，调速装置可以是液力耦合、电磁耦合或者可变速比齿轮箱中的一种。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。
在没有调速前端的风电机组，如双馈式风电机组中，在达到额定功率之前，风速变化时，风轮转速亦发生变化，因此发电机转速也相应变化，此时通过实时检测发电机转速，并根据实测的转速调节发电机转矩，即可使发电机运行在最佳功率曲线上；而对于友好型风电机组例如带有可变速比齿箱调速前端的风电机组，风轮转速、调速电机转速和同步发电机转速具有一一对应的关系，在风电机组并网后，同步发电机一直以同步转速运行，当风速变化时，在调速电机动作之前，风轮转速并不发生任何变化，这使得调速电机没有调速依据，即转速无法作为整个风电机组变速恒频调节的触发条件。
由此可见，如何能实现带有可变速比齿轮箱调速前端的风力发电机组变速恒频调节，满足变速型风力发电机组的运行要求，实现风电机组的可靠运行，提高并网运行稳定性的新的风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，实属当前本领域的重要研究课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，使其可将转矩作为带有可变速比齿轮箱调速前端的风力发电机组变速恒频调节的触发条件，满足变速型风力发电机组的运行要求，实现风电机组的可靠运行，提高并网运行稳定性。
为解决上述技术问题，本发明一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，包括以下步骤：A.当风速变化时，风轮转矩发生变化，调速电机轴的机械转矩也发生相应变化；B.在调速电机接到新的调速指令前，改变调速电机转矩电流进而改变调速电机电磁转矩，以应对变化的调速电机机械转矩；C.当调速电机的转矩电流变化到一定程度时，计算其相应的电磁转矩，并确定与该电磁转矩对应的最佳转速值；D.将步骤C确定的最佳转速值作为新的给定值对调速电机进行速度调节；E.当风轮达到额定转速时，调速电机停止工作。
作为本发明的一种改进，步骤C中所述的确定与该转矩对应的最佳转速值，是通过查取调速电机最佳功率运行转速-转矩曲线确定。
所述的步骤B中改变调速电机的转矩电流、步骤C中计算相应的转矩、以及步骤D中调速电机的速度调节，均由变频器完成。
步骤E中所述的调速电机停止工作，是通过制动器钳制调速电机的输出轴实现。
采用这样的设计后，本发明无需对带有差动齿箱调速前端的风电机组进行硬件上的任何改动，而只需将变速恒频控制的调速依据由发电机转速改为调速电机转矩即可，并且满足了变速型风力发电机组的运行要求，实现了风电机组的可靠运行，提高了并网运行稳定性，从而适于推广应用。
具体实施方式
本发明风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，是将转矩作为调节依据对风电机组进行变速恒频控制。
风电机组并网后，风轮、调速电机以及同步发电机的转速及转矩都是具有一一对应关系的，并且可变速比齿箱输出轴及同步发电机都被电网频率锁定而以同步转速旋转，因此风轮及调速电机的转速也是恒定的。
当风速发生变化时，风轮转速并不发生变化，仅有风轮转矩发生变化，因此调速电机轴的机械转矩也发生相应变化，由此造成调速电机转速发生变化或有变化的趋势。
为了维持调速电机的转速，可改变调速电机的转矩电流，进而改变调速电机的电磁转矩，以平衡已变化的调速电机机械转矩。
当调速电机的转矩电流变化到一定程度时，计算其相应的电磁转矩，并确定与该电磁转矩对应的最佳转速值。
将上述获取的最佳转速值作为新的给定值，对调速电机进行速度调节，以应对变化的风速，使风力发电机运行在最佳转速点上，实现最大风能捕获。
当风轮达到额定转速时，调速电机停止工作。
以下以风速变大的情况举例说明本发明的具体实施过程。
假设并网后调速电机的电磁转矩为Te，其负载机械转矩为Tm，且有Te＝Tm，转速为n；同步发电机的转速、转矩分别为n1、T1；风轮上的转速及转矩分别n2、T2。
当风速变大时，由于此时同步发电机转速被电网频率牵制，一直为n1＝1500rpm，因此风轮转速并不会发生变化仍为n2，而风轮输出转矩变为T2′＞T2，相应的调速电机机械转矩变为Tm′＞Tm。
而此刻调速电机的调速目标仍为n，因此变频器会增大调速电机的转矩电流i，相应的增大其电磁转矩为Te′＞Te，以平衡增大的机械转矩Tm′，达到转速控制的目的。
当调速电机转矩电流变化到一定范围，如Δi＞δ时，即可通过变频器根据此时的转矩电流i ′＝i+Δi计算出此时的调速电机转矩Te″，并根据Te″查取事先得到的调速电机最佳功率运行转速-转矩曲线，得到新的转速值n′。
将n′作为新的给定值通过变频器转速闭环控制对调速电机进行速度调节。
如果风速持续增大，则按上述方法一直对调速电机的转速进行调节，以此不断改变可变速比齿箱的变速比，使同步发电机一直运行在同步转速的情况下完成整个风电机组的变速恒频控制，直到风轮转速达到额定转速时，调速电机输出轴被制动器钳制不转，此时可变速比齿箱就相当于一个固定速比的传统齿箱。
至此，该风电机组切入风速以上、额定转速以下的最大风能追踪控制过程结束。在风速变小的情况下，该调节过程类似。
其中，调速电机最优转速-转矩曲线是通过对整个风电机组的最佳功率曲线折算而来，可以通过对调速电机实测获取，也可以测取发电机或风力机相关数据，然后根据调速电机、风力机和同步发电机三者之间的关系计算获取。调速电机转矩电流的变化范围的δ可通过事先估算结合多次试验试凑获取。
本发明提供了一种带有齿箱调速前端的风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，其以调速电机转矩作为变速恒频调速的依据，利用调速电机转矩电流，通过变频器计算得到调速电机转矩，查取事先根据最优功率曲线得到的调速电机转矩-转速曲线，获取新的转速值，并以此作为变频器转速控制的给定值对调速电机进行调速控制，使得风电机组在同步发电机一直以同步转速旋转的情况下完成变速恒频控制，实现了并网后的最大风能捕获，并且提高了风力发电机组的并网运行稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，其特征在于包括以下步骤：
A.当风速变化时，风轮转矩发生变化，调速电机轴的机械转矩也发生相应变化；
B.在调速电机接到新的调速指令前，改变调速电机转矩电流，进而改变调速电机电磁转矩，以应对变化的调速电机机械转矩；
C.当调速电机的转矩电流变化到一定程度时，计算其相应的电磁转矩，并确定与该电磁转矩对应的最佳转速值；
D.将步骤C确定的最佳转速值作为新的给定值对调速电机进行速度调节；
E.当风轮达到额定转速时，调速电机停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，其特征在于步骤C中所述的确定与该转矩对应的最佳转速值，是通过查取调速电机最佳功率运行转速-转矩曲线确定。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，其特征在于所述的步骤B中改变调速电机的转矩电流、步骤C中计算相应的转矩、以及步骤D中调速电机的速度调节，均由变频器完成。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机组并网后的变速恒频控制方法，其特征在于步骤E中所述的调速电机停止工作，是通过制动器钳制调速电机的输出轴实现。
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