CN102777320A - 风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统 - Google Patents

风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统，该方法在扭矩控制器起主导作用的区域计算变桨控制偏置值，调整变桨控制器的发电机转速参考设定值并输出相应的桨距角给定值；在变桨控制器起主导作用的区域计算扭矩控制偏置值，调整扭矩控制器的发电机转速参考设定值并输出相应的电磁扭矩给定值。该控制器包括：变桨偏置区域计算模块、变桨控制器、扭矩偏置区域计算模块和扭矩控制器。该系统包括上述解耦控制器、变桨系统、变流器、桨角位置传感器和转速传感器。本发明实现了风力发电机组扭矩控制器和变桨控制器的解耦，提高了两个控制器在各自作用域内的性能，避免相互干扰控制效果，使变速变桨风电机组的优势得以充分发挥。

Description

风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统。
背景技术
近年来，随着风力发电相关控制技术的不断进步，变速变桨技术已十分成熟，变速变桨风力发电机组以其高效的风能利用率和较大的单机容量等诸多优势成为目前主要的装机类型。
变速变桨风电机组在低风速（额定风速以下）时，主控系统将叶片的桨距角调整到最优（或最小），通过控制发电机电磁扭矩来调整叶轮转速，使风机工作在最优叶尖速比状态下，以实现最大风能捕获，即所谓的变速技术；当叶轮转速到达额定转速之后，不能随着风速的增加而增加，这就需要通过增加发电机电磁扭矩来使叶轮转速保持在额定附近，风电机组进入恒转速区域。当风速增大到额定风速时，扭矩到达额定，发电机同时到达额定功率，此时，如果风速继续增大则主控系统会增大桨距角以减少捕获的风能，即所谓的变桨技术，保证发电机组不过载，进入恒功率运行阶段。这种从恒转速到恒功率的转换即为扭矩控制器作用域向变桨控制器作用域的切换。
在风电机组实际运行过程中，由于湍流和阵风的存在，风速时刻在波动，扭矩控制器和变桨控制器都处于工作状态，确保风电机组运行在正确的工作点。此外，在额定风速附近，风电机组不断的在扭矩控制器和变桨控制器之间频繁切换，而且切换的时刻是扭矩达到额定，对转速波动的阻尼较小，桨距角仍在最优附近，捕获风能的能力较强，风速的波动会造成转速和功率较大的波动，影响电网负载的稳定。因此，如何保证两个同时运行的控制器只在该起作用的区域获得控制权，不相互干扰且切换顺畅，即实现两者的解耦就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电机组扭矩与变桨解耦控制的方法及装置，使实际运行过程中风电机组的扭矩控制器和变桨控制器只在合适的区域获得控制权，切换平滑顺畅，避免互干扰，共同控制风电机组按照设计的工作点运行，安全高效的将风能转换为电能。
为解决以上技术问题，本发明提供了一种风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法：
在扭矩控制器起主导作用的区域，首先，计算变桨控制偏置值，计算公式为PBias＝FPit*PitchSpdFactor*SpeedSetpo int，
其中，PBias为变桨控制偏置值，PitchSpdFactor为变桨转速偏置因子，SpeedSetpo int为发电机额定转速，FPit＝(Tmax-Tfac)/Tmax，Tmax为扭矩最大值，Tfac为扭矩实际值，
之后，将变桨控制器的发电机转速参考设定值调整为SpeedSetpo int+PBias并计算输出相应的桨距角给定值；
在变桨控制器起主导作用的区域，首先计算扭矩控制偏置值，计算公式为TBias＝FTorq*TorqSpdFactor*SpeedSetpo int,
其中，PBias为变桨控制偏置值，PitchSpdFactor为变桨转速偏置因子，SpeedSetpoint为发电机额定转速，FPit＝(Tmax-Tfac)/Tmax，Tmax为扭矩最大值，Tfac为扭矩实际值，
之后，将扭矩控制器的发电机转速参考设定值调整为SpeedSetpo int-TBias并计算输出相应的电磁扭矩给定值。
此外，本发明还提供一种风电机组扭矩与变桨解耦控制器，包括：变桨偏置区域计算模块，用于计算变桨控制偏置值；变桨控制器，用于根据变桨偏置区域计算模块求得的计算变桨控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的桨距角给定值；扭矩偏置区域计算模块，用于计算扭矩控制偏置值；扭矩控制器，用于根据扭矩偏置区域计算模块求得的扭矩控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的电磁扭矩给定值。
最后，本发明还提供了一种风电机组扭矩与变桨解耦控制系统，其包括：上述的解耦控制器；根据解耦控制器输出的桨距角给定值控制叶轮桨距角的变桨系统；向解耦控制器反馈扭矩实际值，并根据解耦控制器输出电磁扭矩给定值控制发电机扭矩的变流器；安装在叶轮上，并向解耦控制器反馈桨角实际位置的桨角位置传感器；安装在发电机上，并向解耦控制器反馈发电机转速的转速传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、有效的实现了风力发电机组扭矩控制器和变桨控制器的解耦，既提高了两个控制器在各自作用域内的性能又避免它们之间相互干扰控制效果，使变速变桨风电机组的优势得以充分发挥。
2、能够根据发电机组当前的工作状态动态调整扭矩控制器和变桨控制器作用或切换的区域，避免根据固定条件下强制切换两个控制器造成的发电机转速和功率剧烈波动，确保整机运行的安全和平稳。
3、扭矩控制器和变桨控制器的解耦保证了在风电机组运行的某一时刻只有一个控制器在起作用，方便了一些较为复杂和先进的控制算法在风电机组的控制过程中的应用和调试。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是变速变桨风电机组运行过程中发电机扭矩与转速之间的关系曲线。
图2是变速变桨风电机组运行过程中桨距角与风速之间的关系曲线。
图3是本发明风力发电机组扭矩与变桨解耦控制系统的组成示意图。
具体实施方式
请参阅附图1和附图2所示，该曲线描述了发电机扭矩、转速、风速以及桨距角之间的关系，结合变速变桨机组工作点的设置原则，可以划分清楚扭矩和变桨控制器各自应该起主导作用的区域，同时根据这些区域的特点确定选取发电机转速，电磁扭矩实际值和扭矩最大值计算变桨控制偏置区域，选取发电机转速，桨距角实际值和桨距角最小值计算变桨偏置区域。
请参阅附图3所示，本发明风力发电机组扭矩与变桨解耦控制系统，主要包括解耦控制器（图中所示的PLC控制器）、变桨系统、变流器、桨角位置传感器以及转速传感器。
其中，解耦控制器为本发明特别设计，变桨系统根据解耦控制器输出的桨距角给定值控制叶轮桨距角，变流器向解耦控制器反馈扭矩实际值，同时根据解耦控制器输出电磁扭矩给定值控制发电机扭矩，桨角位置传感器安装在叶轮上，并向解耦控制器反馈桨角实际位置，转速传感器安装在发电机上，并向解耦控制器反馈发电机转速。
本发明风力发电机组扭矩与变桨解耦控制器主要包括变桨偏置区域计算模块、变桨控制器、扭矩偏置区域计算模块和扭矩控制器。
其中，在风电机组原PLC控制器基础上增设的变桨偏置区域计算模块，是用于计算变桨控制偏置值，旨在控制发电机电磁扭矩以跟踪最优风能利用曲线期间提高变桨控制器内的发电机转速参考设定值，使得变桨控制器输出的桨距角给定值保持在最优（或最小）桨距角处，从而保证风力发电机组的气动系统能够工作在最大可能捕获风能的状态，提高整机的风能利用率。
而变桨控制器，则根据变桨偏置区域计算模块求得的计算变桨控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的桨距角给定值。
同时增设的扭矩偏置区域计算模块，用于计算扭矩控制偏置值，旨在变桨系统工作期间降低扭矩控制器内的发电机转速参考设定值，使得扭矩控制器输出的给定值保持在额定扭矩，从而保证在需要变桨的区域内扭矩控制器基本不调整扭矩给定值，不干扰变桨控制器的控制效果。
而扭矩控制器，则根据扭矩偏置区域计算模块求得的扭矩控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的电磁扭矩给定值。
以下结合本发明风力发电机组扭矩与变桨解耦控制方法，来具体说明上述模块的具体工作流程。
在扭矩控制器起主导作用的区域，变桨偏置区域计算模块首先根据变流器提供的扭矩实际值Tfac，计算出Tfac和扭矩最大值Tmax间的差值(Tmax-Tfac)，再计算出该差值与最大值的比值FPit＝(Tmax-Tfac)/Tmax，FPit乘以变桨转速偏置因子PitchSpdFactor，再乘以发电机额定转速SpeedSetpoint即可得到变桨控制偏置值PBias，即PBias＝FPit*PitchSpdFactor*SpeedSetpoint。
常用变桨控制器的输入为发电机实际转速MSpeed与额定转速SpeedSetpoint的差值，在引入了变桨控制偏置值后，变桨控制器的输入调整为MSpeed-(SpeedSetpoint+PBias)。在达到额定扭矩之前，即使发电机转速已经到了额定SpeedSetpoint，变桨控制器的输入仍为负值或零，其输出也必为负值或零，变桨系统不动作，保证桨距角稳定在最小或最优桨距角处，不干扰扭矩控制器的控制效果。
在变桨控制器起主导作用的区域内，扭矩偏置区域计算模块将首先根据桨角位置传感器反馈的桨距角实际值PitchFact，计算PitchFact与最小（或最优）桨距角PitchMin之间的差值，并把该差值除以变桨限界因数PitchMargin得到系数：
FTorq=(PitchFact-PitchMin)/Pitchmargin
该系数乘以扭矩转速偏置因子TorqueSpdFactor，再乘以发电机额定转速SpeedSetpoint即可得到扭矩控制偏置计算结果TBias，即：
TBias＝FTorq*TorqSpdFactor*SpeedSetpo int。
常用扭矩控制器的输入为发电机实际转速MSpeed与额定转速SpeedSetpoint的差值，在引入了扭矩偏置区域计算模块后，扭矩控制器的输入调整为MSpeed-(SpeedSetpoint-TBias)。在实际桨距角大于最小（或最优）桨距角之后，即变桨系统开始动作之后，扭矩控制器输出保持在额定或最大，不通过调节发电机电磁转矩来调节转速，不干扰变桨控制器的控制效果。
上述变桨转速偏置因子PitchSpdFactor和扭矩转速偏置因子TorqueSpdFactor为风电机组的固有常数，不同因子的机组之间，扭矩和变桨控制器切换的区域大小或切换的位置不同。
本发明可实现在风电机组的工作区域内只有一种控制器起主导作用，有效实现扭矩和变桨控制器的解耦和顺畅切换，硬件改动小，易于实现，且对风电机组的安全不会有任何的影响。
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 (3)

1.一种风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法，其特征在于：
在扭矩控制器起主导作用的区域，首先，计算变桨控制偏置值，计算公式为PBias＝FPit*PitchSpdFactor*SpeedSetpo int，
其中，PBias为变桨控制偏置值，PitchSpdFactor为变桨转速偏置因子，SpeedSetpoint为发电机额定转速，FPit＝(Tmax-Tfac)/Tmax，Tmax为扭矩最大值，Tfac为扭矩实际值，
之后，将变桨控制器的发电机转速参考设定值调整为SpeedSetpo int+PBias并计算输出相应的桨距角给定值；
在变桨控制器起主导作用的区域，首先计算扭矩控制偏置值，计算公式为TBias＝FTorq*TorqSpdFactor*SpeedSetpo int,
其中，PBias为变桨控制偏置值，PitchSpdFactor为变桨转速偏置因子，SpeedSetpoint为发电机额定转速，FPit＝(Tmax-Tfac)/Tmax，Tmax为扭矩最大值，Tfac为扭矩实际值，
之后，将扭矩控制器的发电机转速参考设定值调整为SpeedSetpo int-TBias并计算输出相应的电磁扭矩给定值。
2.一种风电机组扭矩与变桨解耦控制器，其特征在于包括：
变桨偏置区域计算模块，用于计算变桨控制偏置值；
变桨控制器，用于根据变桨偏置区域计算模块求得的计算变桨控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的桨距角给定值；
扭矩偏置区域计算模块，用于计算扭矩控制偏置值；
扭矩控制器，用于根据扭矩偏置区域计算模块求得的扭矩控制偏置值，调整发电机转速参考设定值，并计算输出相应的电磁扭矩给定值。
3.一种风电机组扭矩与变桨解耦控制系统，其特征在于包括：
权利要求2所述的解耦控制器；
根据解耦控制器输出的桨距角给定值控制叶轮桨距角的变桨系统；
向解耦控制器反馈扭矩实际值，并根据解耦控制器输出电磁扭矩给定值控制发电机扭矩的变流器；
安装在叶轮上，并向解耦控制器反馈桨角实际位置的桨角位置传感器；
安装在发电机上，并向解耦控制器反馈发电机转速的转速传感器。
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