CN102444541B - 一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法，该控制装置包括风力发电机组、变桨距机构、参数检测模块、主控制器、过压保护模块和变频控制器。本发明通过提出补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制方法，减小转矩调节对整机的影响。一方面，该发明中加入前馈环节，大大消除了由转矩控制引起的滞后和随机风速对系统控制品质的影响，优化了机组的功率输出，提高了风机控制子系统的响应速度，另一方面，加入阻尼器以减少载荷冲击对机组传动链的影响。通过本发明，可以减小转矩控制引起的风电机组响应滞后和对传动链载荷的冲击。

Description

一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法。

背景技术

目前，变速变桨风力发电机组已经成为风力发电领域中主要机型，其原因归结为：1、在低风速时可以通过调节发电机转矩使风轮按照最佳叶尖速比运行获得最佳风能利用系数C_pmax；2、在高风速时可以通过变桨控制限制气动转矩，使机组恒功率输出。

在风电系统呈现时滞性和受干扰因素多、干扰频率高的情况下，系统响应速度的快速性和稳定性是至关重要的。风力发电机组最主要的不可控因素是随机变化的风速和转矩调节的滞后性，要消除两者的影响，利用传统的PID控制往往不能达到理想的效果。因此，补偿风力发电机组转矩调节滞后是实现风电机组功率稳定输出的方式。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法。

本发明的技术方案：一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置，包括风力发电机组、变桨距机构、参数检测模块、主控制器、过压保护模块和变频控制器。

变桨距机构包括变桨电机、电动推杆和变距轴；变桨电机通过电动推杆和变距轴连接桨叶根部偏心盘，变桨距机构根据主控制器的指令驱动风轮桨叶，达到变桨的目的；

过压保护模块包括DSP、电压互感器、电流互感器、RS232接口、RJ45接口、调理单元、主控器、存储器、网络接口芯片、网络接口驱动芯片和端口隔离器件，电压互感器和电流互感器的输入端接至三相电网，电压互感器和电流互感器输出端接至调理单元输入端，调理单元输出端接至DSP的A/D转换端口，DSP外接网络接口芯片和RS232接口，网络接口芯片连接网络接口驱动芯片输入端，网络接口芯片外接有存储器，网络接口驱动芯片输出端连接端口隔离器件，主控器经RJ45接口接至隔离器件；过压保护模块保护发电机转子侧电流电压过大，防止危险发生；

风轮通过主轴与齿轮箱连接，齿轮箱通过联轴器与发电机相连，参数检测模块的输入端分别通过温度传感器、测量桨距角的绝对值编码器和测量发电机转速的增量式编码器与齿轮箱、变桨电机和发电机连接，风轮通过码盘和接近开关与参数检测模块输入端相连，以测量风轮转速，参数检测模块的输出端通过I/O模块和交换机与主控制器的输入端相连，主控制器的输出端通过交换机分别与变桨距机构的输入端和变频控制器的输入端相连，变频控制器的输出端分别连接转子侧变流器和电网侧变流器的输入端，转子侧交流器的输出端连接发电机的转子，电网侧输出端与变压器相连，输入三相电网。电网侧变流器与转子侧变流器的直流母线侧相连，保证两者的直流侧电压相等。

采用上述控制装置的补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：设置主控制器的初始参数，包括低速轴最高转速、高速轴最高转速、齿轮箱最高和最低温度、发电机运行最低和最高温度；

步骤2：测量当前至少3分钟的平均风速v，判断平均风速v与切入风速v_in的大小，机组设计的时候根据叶片特性规定切入风速，一般为3m/s-3.5m/s；若v＜v_in，则不启动；若v＞v_in，则开启风力发电机，此时测量发电机转速，若发电机转速大于发电机并网所需的最小转速，则风电机组并网运行，执行步骤3；反之，不并网，继续空转运行；

步骤3：测量发电机转速，若发电机转速在一分钟内持续大于额定转速，则进行变桨动作，否则，进行步骤4；

步骤4：根据风力发电机特性，主控制器给出指令使风力发电机组运行在最佳叶尖速比下，以获得最大输出功率，计算公式如下：

P_max＝K_optω³

$K_{\mathrm{opt}}=\frac{0.5\mathrm{\π\ρ}{R}^5{C}_{p\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3{G}^3}$

P_max为获得的最大输出功率，ω为发电机转速，K_opt为最优模式增益，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，G为齿轮箱变比，C_pmax为在最佳叶尖速比下的风能利用系数，最佳叶尖速比和最佳风能利用系数是通过风力发电机组设计前期叶片的特性计算的，这两个参数由组成叶片的翼型决定。

步骤5：计算发电机转矩给定，调整发电机转矩，改变风轮转速；

由于风的无规则波动，引起风轮转速的变化，此变化通过齿轮箱传递到发电机，机组主控制器通过风力发电机转速计算发电机转矩给定，由发电机控制执行机构调整发电机转矩，改变风轮转速，转矩给定方程为：

$T_g^{*}=0.5C_{p\max }\mathrm{\ρ\π}{R}^5{\mathrm{\ω}}_r^2/\left({\mathrm{n\λ}}_{\mathrm{opt}}^3\right)$

为发电机给定转矩，ω_r为风轮转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，n为齿轮箱变比。

步骤6：设置动态前馈控制的补偿条件，实现干扰全补偿；

为了补偿控制器的滞后影响，在反馈控制中加入动态前馈控制的方式来提高系统的快速响应能力，同样也可以在很大程度上消除随机风速对整个系统控制品质的影响。干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈控制原理是给系统附加一个前馈通道，使所测量的系统扰动通过前馈控制改变控制量。利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。

G_ff(s)为动态前馈控制的传递函数，补偿条件如下：

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)}{G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)}$

其中，G_PD(s)为扰动通道传递函数，G_PC(s)为控制通道传递函数。

由于风电系统的非线性和时变性，很难精确测定风电机组的传递函数G_PD(s)和G_PC(s)，因此将控制通道传递函数及扰动通道传递函数简化处理成含有二阶环节并附加纯滞后的形式如下：

$G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PD}}}{(T_{\mathrm{PD}1}s+1)(T_{\mathrm{PD}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PD}}s}$

$G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PC}}}{(T_{\mathrm{PC}1}s+1)(T_{\mathrm{PC}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PC}}s}$

其中K_PD，K_PC为静态反馈系数，T_PD1、T_PD2、T_PC1、T_PC2为滞后环节的时间常数，τ_PD，τ_PC为时间常数，s为复频率。

经处理后，动态前馈控制的最终形式如下：

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)={-K}_d\frac{(T_{1d}s+1)(T_{1d}^{\′}s+1)}{(T_{2d}s+1)(T_{2d}^{\′}s+1)}$

其中K_d为静态反馈系数，T_1d、T′_1d为超前环节的时间常数，T_2d，T′_2d为滞后环节的时间常数，由于上式含有超前滞后环节，因此对时间超前和滞后具有补偿作用。

步骤7：当发电机的励磁转矩增加或减小时，加入阻尼器以减少载荷冲击对机组传动链的影响。

阻尼器产生的附加转矩为：

K_ζ为增益，ζ为阻尼比，ω为传动链振动模态附近的频率，τ为补偿相位的时间常数。

当风速变化时，除了要一定程度上消除控制器带来的滞后动作还要考虑转矩调节器动作时对传动链的影响，当发电机的励磁转矩增加或减小时，载荷冲击会对机组本身特别是传动链造成一定程度的影响，因此增加一个阻尼器是必要的。

步骤8、经补偿后的风电机组输出稳定的功率至电网。

有益效果：本发明通过提出一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制方法减小转矩调节对整机的影响，通过在反馈控制中加入动态前馈控制，大大消除了由风电机组转矩调节引起的滞后和随机风速对系统控制品质的影响，优化了机组的功率输出。改进现有的基于发电机转速的风力发电机组转矩调节方法，加入前馈控制环节，补偿转矩滞后影响，提高了风力发电机组控制子系统的响应速度。本发明控制方法简单，利用加入前馈控制的方式来提高系统的响应速度，并且考虑加入阻尼器减小转矩控制对传动链的影响，本发明一定程度上减小了转矩调节对风电机组的滞后作用。

附图说明

图1是本发明实施例风力发电机组转矩补偿原理图；

图2是本发明实施例控制装置结构示意图；

图3是本发明实施例前馈控制原理图；

图4是本发明实施例过压保护模块原理图；

图5是本发明实施例参数检测模块电路图；

图6是本发明实施例控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置，如图2所示，包括风力发电机组、变桨距机构、参数检测模块、主控制器、过压保护模块和变频控制器。风力发电机组选用SUT-200双馈感应发电机，参数检测模块选用型号为WE100B，原理如图5所示，主控制器选用WE1000-D控制器，交换机选用WE180交换机，I/O模块选用WE100B模块，变频控制器选用VACONNXI 03855变频器。风力发电机组转矩补偿原理如图1所示。

变桨距机构包括变桨电机、电动推杆和变距轴；变桨电机通过电动推杆和变距轴连接桨叶根部偏心盘，变桨距机构根据主控制器的指令驱动风轮桨叶，达到变桨目的；变桨电机选用M2QA100L4A；

过压保护模块原理如图4所示，过压保护模块包括320F28335型DSP、电压互感器JDZ10-10、电流互感器LMZJ1-0.5、RS232接口、RJ45接口、调理单元、主控器WE-1000、存储器24LC16、网络接口芯片ESCET1100、网络接口驱动芯片KSZ8721BL和端口隔离器件；调理单元是把所测的来自于精密电力互感器CT、PT的电流和电压强信号交流采样、数字滤波与校准，转换成DSP能够接受的小信号，实时计算三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、正向反向有功电能等参数；端口隔离器件采用网络变压器H1102，电网和电机之间经常加个变压器起隔离干扰的作用，RS232可以当作调试接口，RJ45是和主控通信的接口。电压互感器和电流互感器的输入端接至三相电网，电压互感器和电流互感器输出端接至调理单元输入端，调理单元输出端接至DSP的A/D转换端口，DSP外接网络接口芯片和RS232调试接口，网络接口芯片连接网络接口驱动芯片输入端，网络接口芯片外接有存储器，网络接口驱动芯片输出端连接端口隔离器件，主控器经RJ45通信接口接至端口隔离器件。该模块采用DSP处理器为核心，既可以将实时数据通过通信端口传递给主控器，又可以在过压、过流时通过继电器输出独立报警，保护发电机转子侧电流电压过大，防止危险发生。

风轮通过主轴与齿轮箱连接，齿轮箱通过联轴器与发电机相连，参数检测模块的输入端分别通过温度传感器、测量桨距角的绝对值编码器和测量发电机转速的增量式编码器与齿轮箱、变桨电机和发电机连接，风轮通过码盘和接近开关与参数检测模块输入端相连，以测量风轮转速，参数检测模块的输出端通过I/O模块和交换机与主控制器的输入端相连，主控制器的输出端通过交换机分别与变桨距机构的输入端和变频控制器的输入端相连，变频控制器的输出端分别连接转子侧变流器和电网侧变流器的输入端，转子侧交流器的输出端连接发电机的转子，电网侧输出端与变压器相连，输入三相电网。电网侧变流器与转子侧变流器的直流母线侧相连，保证两者的直流侧电压相等。

执行本发明的补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制方法，流程如图6所示，具体步骤如下：

步骤1：设置主控制器的初始参数，包括低速轴最高转速56rpm、高速轴最高转速1188rpm、齿轮箱最低温度-20℃和最高温度70℃、发电机运行最低温度-20℃和最高温度70℃，设定风电机组的工作风速范围为3～25m/s；

步骤2：测量得当前10分钟的平均风速v，切入风速取3m/s，若v＜v_in，则不启动；若v＞v_in，则开启风力发电机，此时测量发电机转速，若发电机转矩大于发电机并网所需的最小转速，则风电机组并网运行，执行步骤3；反之，不并网，继续空转运行；

步骤3：测量发电机转速，若发电机转速在一分钟内持续大于额定转速990rpm，则进行变桨动作；否则，进行步骤4；

步骤4：根据风力发电机特性，主控制器给出指令使风力发电机组运行在最佳叶尖速比8下，以获得最大输出功率200KW，计算公式如下：

P_max＝K_optω³

$K_{\mathrm{opt}}=\frac{0.5\mathrm{\π\ρ}{R}^5{C}_{p\max }}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}^3{G}^3}$

P_max为获得的最大输出功率，ω为发电机转速，K_opt为最优模式增益，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，G为齿轮箱变比，C_pmax为在最佳叶尖速比下的风能利用系数，最佳叶尖速比和最佳风能利用系数是通过风力发电机组设计前期叶片的特性计算的，这两个参数由组成叶片的翼型决定。

步骤5：计算发电机转矩给定，调整发电机转矩，改变风轮转速；

由于风的无规则波动，引起风轮转速的变化，此变化通过齿轮箱传递到发电机，机组主控制器通过风力发电机转速计算发电机转矩给定，由发电机控制执行机构调整发电机转矩，改变风轮转速，转矩给定方程为：

$T_g^{*}=0.5C_{p\max }\mathrm{\ρ\π}{R}^5{\mathrm{\ω}}_r^2/\left({\mathrm{n\λ}}_{\mathrm{opt}}^3\right)$

为发电机给定转矩，ω_r为风轮转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，n为齿轮箱变比。

步骤6：设置动态前馈控制的补偿条件，实现干扰全补偿；

为了补偿控制的滞后影响，在反馈控制中加入动态前馈控制的方式来提高系统的快速响应能力，同样也可以在很大程度上消除随机风速对整个系统控制品质的影响。干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈控制原理是给系统附加一个前馈通道，使所测量的系统扰动通过前馈控制改变控制量。利用扰动所附加的控制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。

G_ff(s)为动态前馈控制的传递函数，补偿条件如下：

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)}{G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)}$

其中，G_PD(s)为扰动通道传递函数，G_PC(s)为控制通道传递函数。

由于风电系统的非线性和时变性，很难精确测定风电机组的传递函数G_PD(s)和G_PC(s)，因此将控制通道传递函数及扰动通道传递函数简化处理成含有二阶环节并附加纯滞后的形式如下：

$G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PD}}}{(T_{\mathrm{PD}1}s+1)(T_{\mathrm{PD}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PD}}s}$

$G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PC}}}{(T_{\mathrm{PC}1}s+1)(T_{\mathrm{PC}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{PC}}s}$

其中K_PD，K_PC为静态反馈系数，T_PD1、T_PD2、T_PC1、T_PC2为滞后环节的时间常数，τ_PD，τ_PC为时间常数，s为复频率。

经处理后，动态前馈控制的最终形式如下：

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)={-K}_d\frac{(T_{1d}s+1)(T_{1d}^{\′}s+1)}{(T_{2d}s+1)(T_{2d}^{\′}s+1)}$

其中K_d为静态反馈系数，T_1d、T′_1d为超前环节的时间常数，T_2d，T′_2d为滞后环节的时间常数，由于上式含有超前滞后环节，因此对时间超前和滞后具有补偿作用。前馈控制原理如图3所示。

步骤7：当发电机的励磁转矩增加或减小时，加入阻尼器以减少载荷冲击对机组传动链的影响。

阻尼器产生的附加转矩为：

K_ζ为增益，ζ为阻尼比，ω为传动链振动模态附近的频率，τ为补偿相位的时间常数。

步骤8、经补偿后的风电机组输出稳定的功率至电网。

Claims (1)

1.一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制方法，所采用的控制装置包括风力发电机组、变桨距机构、参数检测模块、主控制器、过压保护模块和变频控制器；

所述变桨距机构包括变桨电机，电动推杆和变距轴，变桨电机通过电动推杆和变距轴连接桨叶根部偏心盘；

所述过压保护模块包括DSP、电压互感器、电流互感器、RS232接口、RJ45接口、调理单元、主控器、存储器、网络接口芯片、网络接口驱动芯片和端口隔离器件；

风轮通过主轴与齿轮箱连接，齿轮箱通过联轴器与发电机相连，参数检测模块的输入端分别通过温度传感器、测量桨距角的绝对值编码器和测量发电机转速的增量式编码器与齿轮箱、变桨电机和发电机连接，风轮通过码盘和接近开关与参数检测模块输入端相连，以测量风轮转速，参数检测模块的输出端通过I/O模块和交换机与主控制器的输入端相连，主控制器的输出端通过交换机分别与变桨距机构的输入端和变频控制器的输入端相连，变频控制器的输出端分别连接转子侧变流器和电网侧变流器的输入端，转子侧交流器的输出端连接发电机的转子，电网侧输出端与变压器相连，输入三相电网；

其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1：设置主控制器的初始参数，包括低速轴最高转速、高速轴最高转速、齿轮箱最高和最低温度、发电机运行最低和最高温度；

步骤2：测量当前至少3分钟的平均风速v，判断平均风速v与切入风速v_in的大小；若v<v_in，则不启动；若v>v_in，则开启风力发电机，此时测量发电机转速，若发电机转速大于发电机并网所需的最小转速，则风电机组并网运行，执行步骤3；反之，不并网，继续空转运行；

步骤3：测量发电机转速，若发电机转速在一分钟内持续大于额定转速，则进行变桨动作，否则，进行步骤4；

步骤4：根据风力发电机特性，主控制器给出指令使风力发电机组运行在最佳叶尖速比下，以获得最大输出功率，计算公式如下：

P_max=K_optω³

$K_{\mathrm{opt}}=\frac{0.5\mathrm{\&pi;\&rho;}{R}^5{C}_{p\max }}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{opt}}^3{G}^3}$

P_max为获得的最大输出功率，ω为发电机转速，K_opt为最优模式增益，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，G为齿轮箱变比，C_pmax为在最佳叶尖速比下的风能利用系数，最佳叶尖速比和最佳风能利用系数是通过风力发电机组设计前期叶片的特性计算的，这两个参数由组成叶片的翼型决定；

步骤5：计算发电机转矩给定，调整发电机转矩，改变风轮转速；

由于风的无规则波动，引起风轮转速的变化，此变化通过齿轮箱传递到发电机，机组主控制器通过风力发电机转速计算发电机转矩给定，由发电机控制执行机构调整发电机转矩，改变风轮转速，转矩给定方程为：

$T_g^{*}=0.5C_{p\max }\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^5{\mathrm{\&omega;}}_r^2/\left(n{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{opt}}^3\right)$

为发电机给定转矩，ω_r为风轮转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，n为齿轮箱变比；

步骤6：设置动态前馈控制的补偿条件，实现干扰全补偿；

G_ff(s)为动态前馈控制的传递函数，补偿条件如下：

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=-\frac{G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)}{G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)}$

其中，G_PD(s)为扰动通道传递函数，G_PC(s)为控制通道传递函数；

由于风电系统的非线性和时变性，将控制通道传递函数及扰动通道传递函数简化处理成含有二阶环节并附加纯滞后的形式如下：

$G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PD}}}{(T_{\mathrm{PD}1}s+1)(T_{\mathrm{PD}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{PD}}s}$

$G_{\mathrm{PC}}\left(s\right)=\frac{K_{\mathrm{PC}}}{(T_{\mathrm{PC}1}s+1)(T_{\mathrm{PC}2}s+1)}{e}^{-{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{PC}}s}$

其中K_PD，K_PC为静态反馈系数，T_PD1、T_PD2、T_PC1、T_PC2为滞后环节的时间常数，τ_PD,τ_PC为时间常数，s为复频率；

经处理后，动态前馈控制的最终形式如下；

$G_{\mathrm{ff}}\left(s\right)=-K_d\frac{(T_{1d}s+1)(T_{1d}^{\&prime;}s+1)}{(T_{2d}s+1)(T_{2d}^{\&prime;}s+1)}$

其中K_d为静态反馈系数，T_1d、

为超前环节的时间常数，T_2d，

为滞后环节的时间常数，由于上式含有超前滞后环节，因此对时间超前和滞后具有补偿作用；

步骤7：当发电机的励磁转矩增加或减小时，加入阻尼器以减少载荷冲击对机组传动链的影响；

阻尼器产生的附加转矩为：

K_ζ为增益，ζ为阻尼比，ω为传动链振动模态附近的频率，τ为补偿相位的时间常数；

步骤8、经补偿后的风电机组输出稳定的功率至电网。

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