CN102518555B

CN102518555B - 一种兆瓦级风力机组及其控制方法、控制系统

Info

Publication number: CN102518555B
Application number: CN2012100093717A
Authority: CN
Inventors: 王广良; 王安伟; 武秀永
Original assignee: Sany Electric Co Ltd
Current assignee: Sany Renewable Energy Co Ltd; Sany Heavy Energy Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102518555A

Abstract

本发明公开一种兆瓦级风力机组的控制方法、控制系统及兆瓦级风力机组，该控制方法中首先检测风力发电机当前状态的功率，只有控制器判断该风力发电机当前状态的功率大于预设极限功率值，并且风力发电机在高于预设极限功率值状态下连续工作时间段大于预设时间时，风力发电机的控制方法才会由转矩控制方法变换至变桨距控制方法，除此外一直采用响应比较快的转矩控制方法进行控制；该控制方法不仅满足一般工况下风力发电机的控制需求，而且有效解决了在风速处于额定风速上下波动且波动较小工况下，两种控制方法频繁转换的现象，减小变桨系统的疲劳强度，提高风力机组各部件的使用寿命，并且对于极端升降阵风工况，可以解决风轮超速和极限载荷较大的问题。

Description

一种兆瓦级风力机组及其控制方法、控制系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域，特别涉及一种兆瓦级风力机组的控制方法。此外，本发明还涉及包括上述控制方法的控制系统及兆瓦级风力机组。

背景技术

近年来随着风电装机容量的增加，机组性能和发电质量备受关注，这对大型风电机组的设计和控制提出了更高的要求。

现有技术中风机的控制方法主要采取转矩控制和变桨距控制相结合的控制方法，在风速比较小工况状态，风力发电机的功率小于额定转速阶段，发电机主要采用转矩控制，转矩控制可以调节风力发电机的转速跟随风速变化，实现追踪最大叶尖速比的目的，实现发电机发电功率的最大化；当风速继续增大，超过风力发电机的额定风速时，风力发电机的转速和功率已经达到额定值不能再增大，转矩控制转化为变桨距控制，变桨距控制主要通过改变桨叶节距来限制风轮获取能量，使风力机组处于额定值附近发电。

一般地，转矩控制和变桨距控制两中控制方式在额定功率点进行转换，转矩控制与桨距角控制相比，转矩控制的反应速度很快，从下达转矩的指令到变流器执行的时间基本可以忽略不计；而变桨系统不同，从下达变桨的指令到变桨系统动作，再到变桨到指定的角度，所需的时间为秒级

请参考图1，图1为一种极端升降阵风的风速与时间关系曲线图；图中只是示出某一时间内的风速的变化，该阵风的变化其他时间段风速的变化与此类似故省略。

如图1所示，该极端升降阵风的升降速度都非常快，风力机组的功率骤然突升超过额定功率的时间比较短，若采用现有的控制方法，由于变桨系统具有延迟特性，存在变桨速度跟不上风速变化的问题，进而引发风轮超速故障，导致风机的停机和大的极限载荷的出现，大的极限载荷就意味着风机重量和成本的提高。

另外地，对于风速处于额定风速上下进行不断变化的工况，采用现有的控制方法，由于风速不断的变化，风力发电机将会在转矩控制和变桨距控制两种控制方法之间频繁切换，降低风力机组各部件的使用寿命。

因此，如何提供一种应用于处于额定风速上下波动且波动较小风力以及极端升降阵风两工况的兆瓦级风力机组的控制方法，该控制方法有利于提高风力机组的使用安全，避免风机的超速停机和大的极限载荷的出现，且可以提高风力机组各部件的使用寿命，降低风机的使用成本，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于，提供一种兆瓦级风力机组的控制方法，该控制方法既适用于一般风况下风力发电机组的控制，又适用于处于额定风速上下波动且波动较小风力以及极端升降阵风两工况的风力发电机组的控制，可以有利于提高风力机组的使用安全，避免风机的超速停机和大的极限载荷的出现，提高风力机组各部件的使用寿命，降低风机的使用成本。本发明的第二个目的在于提供一种兆瓦级风力机组的控制系统及兆瓦级风力机组。

为了实现上述第一个目的，本发明提供了一种兆瓦级风力机组的控制方法，该控制方法按照以下步骤进行：

步骤S101)：获取风力发电机当前状态的功率；

步骤S102)：判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率值，其中，该预设极限功率大于风力发电机的额定功率，如果判断结果为否，执行步骤S103)；否则，执行步骤S104)；

步骤S103)：执行转矩控制方法，然后返回步骤S101)；

步骤S104)：判断发电机处于极限功率以上工作的连续时间段是否大于极限时间段的大小，如果判断结果为是，则执行步骤S105)，否则返回步骤S103)；

步骤S105)：执行变桨距控制方法，然后返回步骤S101)。

优选地，所述转矩控制方法包括第一转矩控制方法和第二转矩控制方法，所述第一转矩控制方法为使风力发电机运行于最佳功率系数附近的转矩控制方法，所述第二转矩控制方法为控制风力发电机额定转速不变的转矩控制方法，当步骤S102)中判断结果为否，执行步骤S103)前增加：

步骤S1021：判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，如果判断结果为是，执行步骤S1031)；否则，执行步骤S1032)；

同时，步骤S103)包括以下步骤：

步骤S1031)：执行第一转矩控制方法，然后返回步骤S101)；

步骤S1032)：执行第二转矩控制方法，然后返回步骤S101)。

优选地，步骤S101)之前增加以下步骤：

步骤S100)：启动风力发电机执行初始转矩控制方法进行并网发电。

优选地，所述风力发电机当前状态的功率是通过传感器检测风机发电机的转速获得的。

为了实现上述第二个目的，本发明提供一种兆瓦级风力机组的控制系统，包括检测装置、控制器，

检测装置用于检测风力发电机当前状态的功率；

控制器包括第一判断单元，第二判断单元，转矩PID控制器以及变桨距PID控制器；

所述第一判断单元用于判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率；

所述第二判断单元计算发电机处于极限功率以上工作的连续时间段，并判断该连续时间段是否大于极限时间段；

所述转矩PID控制器用于存储转矩控制方法；所述变桨距PID控制器用于存储变桨距控制方法；根据上述两判断单元的判断结果，选择执行转矩PID控制器和变桨距PID控制器两者之一。

优选地，所述控制器还包括第三判断单元，用于判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，所述转矩PID控制器包括第一转矩PID控制器和第二转矩PID控制器；所述第一转矩PID控制器，用于存储风力发电机运行于最佳功率系数附近的转矩控制方法；所述第二转矩PID控制器，用于存储控制风力发电机额定转速不变的转矩控制方法；根据所述第三判断单元的判断结果执行第一转矩PID控制器或第二转矩PID控制器两者之一。

除上述两者外，本发明还提供了一种兆瓦级风力机组，包括风轮、连接所述风轮的风力发电机以及用于控制所述风力发电机工作的控制系统，所述控制系统为上述任一项所述的兆瓦级风力机组的控制系统。

本发明所提供的兆瓦级风力机组的控制方法中只有当风力发电机当前状态的功率大于预设极限功率值，并且风力发电机在高于预设极限功率值状态下连续工作时间段大于预设时间时，风力发电机的控制方法才会由转矩控制方法变换至变桨距控制方法，在不高于预设极限功率值的工况下，风力发电机一直采用响应比较快的转矩控制方法，也就是说，在极端升降阵风工况导致风力发电机功率短时高于风力发电机的额定功率工况下，风力发电机可以一直采用转矩控制方法；在风速处于额定风速上下波动且波动较小工况导致风力发电机功率在额定功率附近波动工况下，风力发电机也可以一直采用转矩控制方法。

因此，本发明的控制方法不仅适用于一般风况下风力发电机的控制，而且有效解决了现有技术在额定风速上下波动且波动较小风力工况下风机的两种控制方法频繁转换的现象，降低了变桨系统的疲劳强度，进而提高风力机组各部件的使用寿命，并且可以有效抑制在极端升降阵风工况下，由于风轮超速而导致的停机现象，并且风机极限载荷也相应得到控制，提高了风力机组的使用寿命，有利于降低风机的载荷和成本，对风机的设计和制造起着重要作用。

同样，包括上述兆瓦级风力机组的控制系统和兆瓦级风力机组也具有相应的技术效果，实现上述相对应的目的。

附图说明

图1为一种极端升降阵风的风速与时间关系曲线图；

图2为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第一种具体实施例的流程图；

图3为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制系统的第一实施例的结构框图；

图4为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第二种具体实施例的流程图；

图5为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制系统的第二实施例的结构框图；

图6为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第三种具体实施例的流程图；

图7为本发明所提供的一种具体实施例中风力发电机工作时转速-转矩的曲线示意图。

具体实施方式

下面结合兆瓦级风力机组的控制方法系统、控制系统以及附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

请参考图2和图3，图2为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第一种具体实施例的流程图；图3为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制系统的第一实施例的结构框图。

风力机组主要包括用于获取风能的风轮，外界风速推动风轮转动，风轮将转动动能通过风轮输出轴、主轴、增速装置等部件传递给风力发电机的输入轴，从而带动风力发电机内部的转子转动，实现发电的目的。

本发明提供了一种用于兆瓦级风力机组的控制方法，该控制方法主要不仅适用于一般风况下风力发电机的控制，而且适用于风速处于额定风速上下波动且波动较小以及极端升降阵风两工况下风力发电机的控制，需要说明的是，所谓极端升降阵风是指升降速度都非常快，导致风力机组的功率骤然突升超过额定功率的时间比较短的风。实现该控制方法的控制系统一般包括检测装置、控制器，检测装置用于检测风力发电机当前状态的功率，检测装置可以设置于风力发电机主轴上，检测风力发电机的转动速度等参数，也可以设置于其他位置例如增速装置、风轮上等。

控制器一般为比例-积分-微分控制器，英文全称为：Proportional-Integral-DifferentialorDerivative(英文简称PID)，控制器包括第一判断单元，第二判断单元，转矩PID控制器以及变桨距PID控制器；第一判断单元用于判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率，其中预设极限功率大于风力发电机的额定功率；第二判断单元用于计算发电机处于极限功率以上工作的连续时间段，并判断该连续时间段是否大于预设极限时间段；转矩PID控制器用于存储转矩控制方法，主要通过控制风力发电机的转矩，使发电机处于稳定发电状态；所述变桨距PID控制器用于存储变桨距控制方法，主要控制风轮的桨距角，抑制风轮对风能的吸收，使发电机稳定于额定功率的发电状态；根据上述两判断单元的判断结果，选择执行转矩PID控制器和变桨距PID控制器两者之一。

本控制系统中预设极限功率和预设极限时间段两参数的大小主要根据实际风力机组内部零部件设计裕量而定。

上述控制系统的控制方法可以按如下步骤进行：

步骤S101)：获取风力发电机当前状态的功率；

步骤S103)：执行转矩控制方法，然后返回步骤S101)；

步骤S104)：判断发电机处于极限功率以上工作的连续时间段是否大于极限时间段，如果所述连续时间段大于所述极限时间段，执行步骤S105)，否则返回步骤S103)；

步骤S105)：执行变桨距控制方法，然后返回步骤S101)。

因此，本发明的控制方法不仅适用于一般风况下风力发电机的控制，而且有效解决了现有技术在额定风速上下波动且波动较小风力工况下风机的两种控制方法频繁转换的现象，降低变浆系统的疲劳强度，可以提高风力机组各部件的使用寿命，并且可以有效抑制在极端升降阵风工况下，由于风轮超速而导致的停机现象，并且风机极限载荷也相应得到控制，提高了风力机组的使用寿命，有利于降低风机的载荷和成本，对风机的设计和制造起着重要作用。

请参考图4和图5，图4为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第二种具体实施例的流程图；图5为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制系统的第二实施例的结构框图。

一般地，为了使风力发电机的输出电能稳定以及充分利用风能，在一种优选的实施方式中，控制器还可以包括第三判断单元，用于判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，转矩PID控制器可以包括第一转矩PID控制器和第二转矩PID控制器；所述第一转矩PID控制器，用于存储控制风力发电机运行于最佳功率系数附近的转矩控制方法；所述第二转矩PID控制器，用于存储控制风力发电机额定转速不变的转矩控制方法根据第三判断单元的判断结果执行第一转矩PID控制器或第二转矩PID控制器两者之一，具体控制方法按照以下步骤进行：

S201)：获取风力发电机当前状态的功率；

S202)：判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率值，其中，该预设极限功率大于风力发电机的额定功率，如果判断结果为否，执行步骤S2021)；否则，执行步骤S204)；

S2021)：判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，如果判断结果为是，执行步骤S2031)；否则，执行步骤S2032)；

S2031)：执行第一转矩控制方法，然后返回步骤S201)；

S2032)：执行第二转矩控制方法，然后返回步骤S201)；

S204)：判断发电机处于极限功率以上工作的连续时间段是否大于预设极限时间段小，如果判断结果为是，执行步骤S205)，否则返回步骤S2021)。

S205)：执行变桨距控制方法，然后返回步骤S201)。

本优选实施方式中将根据风速的大小进一步的将转矩控制方法分为初始控制方法、第一转矩控制方法和第二转矩控制方法，通过以上不同的转矩控制方法实现不同风速下风力发电机的转矩控制，使其在该风速下达到风力发电机的最佳发电功率。

请参考图6和图7，图6为本发明所提供的兆瓦级风力发电机控制方法的第三种具体实施例的流程图；图7为本发明所提供的风力发电机工作时转速-转矩的曲线示意图。

结合图7发电机的转速-转矩曲线，横坐标代表风力发电机转速，纵坐标代表发电机转矩，根据风力发电机处于不同功率情况下将风力机组的发电运行情况分成了不同的工作区域使用不同控制方法进行控制，以便获取最佳发电效率。

如图7所示，当发电机刚启动风轮转速比较低时，通过初始转矩策略控制风力发电机的转矩T，使发电机转速ω稳定于并网转速，控制原理如下：首先设定转速为风机并网转速ω_cut-in(AB段对应的横坐标处数值)，通过传感器测得当前状态发电机转速为ω_now，该控制器的输入为转速误差Δω＝ω_cut-in-ω_now，通过调节风力发电机的转矩T，使转速误差趋近于0，转速更接近设定值ω_cut-in。该控制器理想的控制效果如图7中所示的转速转矩曲线中的AB段，它是一条垂直线段。

随着风轮转速的增加，风轮转速超过并网速度，风力发电机输出转矩增加，发电机的转矩由第一转矩控制方法进行控制，如图7中BC段所示，风力发电机处于追踪最佳功率系数工作区域，风力发电机运行于最佳功率系数附近。

当风轮转速继续增加，风力发电机的输出转速达到额定转速，但是此时输出功率未达到极限功率值，设定转速为风机额定转速ω_rate，通过传感器测得当前发电机转速为ω_now，该控制器的输入为转速误差Δω＝ω_rate-ω_now，通过调节T，使转速误差趋近于0，转速更接近设定值ω_rate。该控制器理想的控制效果如图7中所示的转速转矩曲线中的CF段，它是一条垂直线段，C点表示风力发电机刚达到额定转速时发电机的转矩值状态位置，F点表示风力发电机处于极限功率状态位置，其中T1为此处的转矩值。

其中图中D点表示发电机达到额定功率状态位置，其对应的横坐标为发电机的额定转速值，纵坐标T0为该点处的转矩值。

从图7中可以直观观察到风力发电机处于转矩控制方法调节范围明显变宽。

上述各实施例中，在执行检测风力发电机功率步骤前还可以增加步骤S300)：启动风力发电机执行初始转矩控制方法进行并网发电，进一步提高风力机组在风力较小工况条件下的工作效率，使其尽可能获取比较多的风能，图4中给出了一种具体实施方式的控制步骤，具体如下：

步骤S300)：启动风力发电机执行初始转矩控制方法进行并网发电；

步骤S301)：获取风力发电机当前状态的功率；

步骤S302)：判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率值，其中，该预设极限功率大于风力发电机的额定功率，如果判断结果为否，执行步骤S3021)；否则，执行步骤S304)；

步骤S3021)：判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，如果判断结果为是，执行步骤S3031)；否则，执行步骤S3032)；

步骤S3031)：执行第一转矩控制方法，然后返回步骤S301)；

步骤S3032)：执行第二转矩控制方法，然后返回步骤S301)；

步骤S304)：判断发电机处于极限功率以上工作的连续时间段是否大于预设极限时间段，如果判断结果为是，执行步骤S305)，否则返回步骤S3021)。

步骤S305)：执行变桨距控制方法，然后返回步骤S301)。

上述各实施例中的风力发电机当前状态的功率可以是通过传感器检测风机发电机的转速获得的。

基于上述兆瓦级风力机组的控制系统和控制方法，本发明还提供了一种兆瓦级风力机组，包括风轮、连接所述风轮的风力发电机以及用于控制所述风力发电机工作的控制系统，由于兆瓦级风力机组的控制系统具有的技术效果，上述兆瓦级风力机组控制系统也具有相应的技术效果，提供的起重机也具有相对应的技术效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种兆瓦级风力机组的控制方法，其特征在于，该控制方法按照以下步骤进行：

S101、获取风力发电机当前状态的功率；

S102、判断上述风力发电机当前状态的功率是否大于预设极限功率值，其中，该预设极限功率大于风力发电机的额定功率，如果判断结果为否，执行步骤S103；否则，执行步骤S104；

S103、执行转矩控制方法，然后返回步骤S101；

S104、判断发电机处于极限功率以上工作的连续时间段是否大于预设极限时间段，如果判断结果为是，则执行步骤S105，否则返回步骤S103；

S105、执行变桨距控制方法，然后返回步骤S101；

所述转矩控制方法包括第一转矩控制方法和第二转矩控制方法；所述第一转矩控制方法为使风力发电机运行于最佳功率系数附近的转矩控制方法，所述第二转矩控制方法为控制风力发电机额定转速不变的转矩控制方法；当步骤S102和步骤S104中判断结果为否后，执行步骤S103前增加：

S1021、判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，如果判断结果为是，执行步骤S1031；否则，执行步骤S1032；

同时，步骤S103包括以下步骤：

S1031、执行第一转矩控制方法，然后返回步骤S101；

S1032、执行第二转矩控制方法，然后返回步骤S101。

2.根据权利要求1所述的兆瓦级风力机组的控制方法，其特征在于，所述风力发电机当前状态的功率是通过传感器检测风力发电机的转速获得的。

3.一种兆瓦级风力机组的控制系统，包括检测装置、控制器，其特征在于，

检测装置用于检测风力发电机当前状态的功率；

所述第二判断单元计算发电机处于极限功率以上工作的连续时间段，并判断该连续时间段是否大于极限时间段的；

所述转矩PID控制器用于存储转矩控制方法；所述变桨距PID控制器用于存储变桨距控制方法；根据上述两判断单元的判断结果，选择执行转矩PID控制器和变桨距PID控制器两者之一；

所述控制器还包括第三判断单元，用于判断所述风力发电机当前状态的转速是否大于并网转速且小于额定转速，所述转矩PID控制器包括第一转矩PID控制器和第二转矩PID控制器；

所述第一转矩PID控制器，用于存储控制风力发电机运行于最佳功率系数附近的转矩控制方法；

所述第二转矩PID控制器，用于存储控制风力发电机额定转速不变的转矩控制方法；

根据所述第三判断单元的判断结果执行第一转矩PID控制器或第二转矩PID控制器两者之一。

4.一种兆瓦级风力机组，包括风轮、连接所述风轮的风力发电机以及用于控制所述风力发电机工作的控制系统，其特征在于，所述控制系统为权利要求3所述的兆瓦级风力机组的控制系统。