CN103195651B - 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法 - Google Patents

一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103195651B
CN103195651B CN201310076608.8A CN201310076608A CN103195651B CN 103195651 B CN103195651 B CN 103195651B CN 201310076608 A CN201310076608 A CN 201310076608A CN 103195651 B CN103195651 B CN 103195651B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wind
controller
varying mechanism
wind speed
control system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310076608.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103195651A (zh
Inventor
钱庆林
张文豪
朱钰冬
许磊
金立军
刘宗杰
陈俊佑
蒋苗苗
周科
马健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Corp of China SGCC
Jining Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Corp of China SGCC
Jining Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Corp of China SGCC, Jining Power Supply Co of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Corp of China SGCC
Priority to CN201310076608.8A priority Critical patent/CN103195651B/zh
Publication of CN103195651A publication Critical patent/CN103195651A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103195651B publication Critical patent/CN103195651B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统及控制方法，将风力发电机偏航系统与变桨距控制系统相结合，采用统一的控制方法。在风速较小时，偏航系统自动调整风机迎风方向，使风机获得最大风能；当风速超过额定风速时，变浆距控制系统启动，调整风叶的桨距角，使其始终维持在最大功率处运行。

Description

一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电领域，涉及智能电网中的风力发电技术、新能源开发技术，尤其涉及一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统及控制方法。
背景技术
风力发电在电力系统中所占的比重日益增加，我国风力资源丰富的地区多分布于电网相对薄弱的中西部，大量风电机组的并网给现有电力系统的正常运行带来极大的挑战。
偏航系统是风力发电机组特有的控制系统，主要由偏航测量、偏航驱动传动部分、纽缆保护装置三大部分组成，主要实现两个功能，一是使机舱跟踪变化稳定的风向，二是由于偏航的作用导致机舱内部电缆发生缠绕而自动解除缠绕。
风机的变桨作业可分为两种工况，即正常运行时的连续变桨和停止状态下的全顺桨。风机开始启动时桨叶由90°向0°方向转动以及并网发电时桨叶在0°附近的调节都属于连续变桨。液压变桨系统的连续变桨过程是由液压比例阀控制液压油的流量大小来进行位置和速度控
制。当风机停机或紧急情况时，为了迅速停止风机，桨叶将快速转动到90°，一是让风向与桨叶平行，使桨叶失去迎风面；二是利用桨叶横向拍打空气来进行制动，以达到迅速停机的目的，这个过程叫做全顺桨。
液压变桨系统由电动液压泵作为工作动力，液压油作为传递介质，电磁阀作为控制单元，通过将油缸活塞杆的径向运动变为桨叶的圆周运动来实现桨叶的变桨距。
由于风能的能量密度低、随即性和不稳定性等特点,给大型风力发电机组的控制技术问题带来困难。
发明内容
本发明为了解决风力发电过程中风能能量密度低、随即性和不稳定性等问题，提供了一种在风力发电机中采用偏航系统和变桨距控制系统共同实现风机的控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统，包括控制器、锁存器、RAM、EPROM、风向标、传感器、偏航系统和变桨距机构，控制器通过锁存器与RAM连接，控制器还直接与RAM连接；控制器通过锁存器与EPROM连接，控制器还直接与EPROM连接；控制器与风向标连接，风向标测量风速和风向；控制器与两个传感器连接，两个传感器分别用于测量风轮角度和叶片转速；控制器分别与偏航系统和变桨距机构连接；所述控制器采用PI控制器。
一种基于PI调节的风力发电机优化控制方法，该方法依据风向和风速大小对风机进行控制，(1）当风速小于额定风速时，只启动偏航系统，偏航系统自动调整风机迎风方向，使风机获得最大风能；(2）当风速大于额定风速时，同时启动偏航系统和变桨距机构，变桨距机构调整风叶的桨距角，使其始终维持在最大功率处运行；(3）当风速过大或出现紧急情况时，紧急停机，使风叶与风向方向平行，以保护风机。所述第(2)种情况下，变桨距机构的控制采用PI控制方法，进行闭环控制。输入为发电机功率误差值ε；控制器采用PI调节器，定义为：α＝Kpε+Ktε，其中Kp为比例环节，Kt为积分环节，ε＝P额定-P，P额定为发电机额定功率，P为风机的功率，α′为风轮的实时桨距角。
所述第(1）种情况下，偏航系统控制方法为：首先设置风轮迎风面法向的基准方向θ0（设置为0°），风轮迎风面法向为θ1，风向为θ2（θ1、θ2均为顺时针方向上与基准方向的角度差），阈值Δθ。风轮迎风面法向初始方向θ1＝θ0，当θ2-θ1≥Δθ时，偏航系统驱动风轮顺时针旋转|θ2-θ1|；当θ2-θ1≤-Δθ时，偏航系统驱动风轮逆时针旋转|θ2-θ1|。旋转完毕后，修改θ1值，使θ1＝θ2。
本发明采用风向标获取风向和风速，并将实时的信息传给控制器，控制器据此对系统的偏航系统和桨距角机构进行控制。偏航系统控制电动机使风轮方向始终保持与风向一致。
偏航系统动力源采用三相异步电动机，执行机构采用齿轮结构，传动装置设计为液压系统。
当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统经过一段时间确认后，控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位。
当风速超过设置的额定风速（即风机功率超过额定功率）时，启动变桨距机构，变桨距机构可以采用液压装置。
当风速过大(一般超过50m/s)或出现紧急情况时，变桨距机构迅速旋转风叶使风叶与风向平行，风机停止工作，以保护风机。
本发明的有益效果：本发明不仅实现了风能的最大利用，还提高了输出电能的稳定性，保证了分布式电源并网的电能质量，控制过程简单、过渡平缓，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的系统结构原理图。
图2是本发明风速由小变大时的控制流程图。
图3是本发明的偏航系统控制流程图。
图4是本发明的变桨距控制流程图。
其中，1、PI控制器；2、第一锁存器；3、RAM；4、第二锁存器；5、EPROM；6、风向标；7、第一传感器；8、第二传感器；9、偏航系统；10、变桨距机构。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统，包括PI控制器1、第一锁存器2、RAM3、第二锁存器4、EPROM5、风向标6、第一传感器7、第二传感器8、偏航系统9和变桨距机构10。
PI控制器1通过第一锁存器2与RAM3连接，PI控制器1还直接与RAM3连接；PI控制器1通过第二锁存器4与EPROM5连接，PI控制器1还直接与EPROM5连接；PI控制器1与风向标6连接，风向标6测量风速和风向；PI控制器1分别与第一传感器7、第二传感器8连接，第一传感器7、第二传感器8分别用于测量风轮角度和叶片转速；PI控制器1分别与偏航系统9和变桨距机构10连接。
本实施例基于80C592芯片作为PI控制器1，PI控制器1输入包括风速、风向、风轮角度、叶片转速等，输出包括偏航电机的旋转角度、需要变换的桨距角等。
如图2所示，风速由小变大时，风力发电机的控制流程为，当风速小于额定风速时，只启动偏航系统9；当风速大于额定风速时，同时启动偏航系统9和变桨距机构10；当风速过大时，采用紧急停机策略，使风叶与风向方向平行，以保护风机。
如图3所示，偏航系统控制算法流程为，首先设置风轮迎风面法向的基准方向θ0（设置为0°），风轮迎风面法向为θ1，风向为θ2（θ1、θ2均为顺时针方向上与基准方向的角度差），阈值Δθ。风轮迎风面法向初始方向θ1＝θ0，当θ2-θ1≥Δθ时，偏航系统9驱动风轮顺时针旋转|θ2-θ1|；当θ2-θ1≤-Δθ时，偏航系统9驱动风轮逆时针旋转|θ2-θ1|。旋转完毕后，修改θ1值，使θ1＝θ2。
设风机的功率为P，则其中ρ为空气密度，S为风叶扫过面积，Cp(λ,α)为风能利用系数，λ为叶尖速比，α为桨距角，v为风速，从上式可以看出，在风机运行过程中，影响风机功率的因素有两个，风能利用系数Cp和风速v，其中Cp与叶尖速比λ和桨距角α有关，在此设置Cp与λ、α的关系为e为自然底数，据此可知，功率P只与桨距角α和风速v有关。
如图4所示，风速达到额定风速以上时，变桨距机构的控制采用闭环控制。输入为发电机功率误差值ε；由于控制器采用PI调节器1，定义为：α＝Kpε+Ktε，其中Kp为比例环节，Kt为积分环节，ε＝P额定-P，P额定为发电机额定功率，P为风机的功率，α′为风轮的实时桨距角。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于PI调节的风力发电机优化控制系统，其特征是，包括控制器、锁存器、RAM、EPROM、风向标、传感器、偏航系统和变桨距机构，控制器通过锁存器与RAM连接，控制器还直接与RAM连接；控制器通过锁存器与EPROM连接，控制器还直接与EPROM连接；控制器与风向标连接，风向标测量风速和风向；控制器与两个传感器连接，两个传感器分别用于测量风轮角度和叶片转速；控制器分别与偏航系统和变桨距机构连接；所述控制器采用PI控制器；
当风向与风轮轴线偏离一个角度时，控制系统确认后，控制偏航电动机将风轮调整到与风向一致的方位；当风速超过设置的额定风速时，启动变桨距机构，变桨距机构采用液压装置；当风速过大或出现紧急情况时，变桨距机构迅速旋转风叶使风叶与风向平行，风机停止工作。
2.如权利要求1所述的基于PI调节的风力发电机优化控制系统，其特征是，偏航系统中，动力源采用三相异步电动机，执行机构采用齿轮结构，传动装置设计为液压系统。
3.如权利要求1所述的基于PI调节的风力发电机优化控制系统，其特征是，变桨距机构采用液压装置。
4.如权利要求1所述的基于PI调节的风力发电机优化控制系统的控制方法，该方法依
据风向和风速大小对风机进行控制，其特征是，(1)当风速小于额定风速时，只启动偏航系统，偏航系统自动调整风机迎风方向；(2)当风速大于额定风速时，同时启动偏航系统和变桨距机构，变桨距机构调整风叶的桨距角；(3)当风速过大或出现紧急情况时，紧急停机，使风叶与风向方向平行；所述第(2)种情况下，变桨距机构的控制采用PI控制方法，进行闭环控制；输入为发电机功率误差值ε；控制器采用PI调节器，定义为：α＝Kpε+Ktε，其中Kp为比例环节，Kt为积分环节，ε＝P额定-P，P额定为发电机额定功率，P为风机的功率，α′为风轮的实时桨距角。
5.如权利要求4所述的基于PI调节的风力发电机优化控制系统的控制方法，其特征是，
所述第(1)种情况下，偏航系统控制方法为：首先设置风轮迎风面法向的基准方向θ0，θ0设置为0°，风轮迎风面法向为θ1，风向为θ2，θ1、θ2均为顺时针方向上与基准方向的角度差，
阈值Δθ；风轮迎风面法向初始方向θ1＝θ0，当θ2-θ1≥Δθ时，偏航系统驱动风轮顺时针旋转|θ2-θ1|；当θ2-θ1≤-Δθ时，偏航系统驱动风轮逆时针旋转|θ2-θ1|；旋转完毕后，修改θ1值，使θ1＝θ2。
CN201310076608.8A 2013-03-11 2013-03-11 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法 Active CN103195651B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310076608.8A CN103195651B (zh) 2013-03-11 2013-03-11 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310076608.8A CN103195651B (zh) 2013-03-11 2013-03-11 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103195651A CN103195651A (zh) 2013-07-10
CN103195651B true CN103195651B (zh) 2015-09-23

Family

ID=48718398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310076608.8A Active CN103195651B (zh) 2013-03-11 2013-03-11 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103195651B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103835879B (zh) * 2014-02-11 2017-04-12 南京南瑞继保电气有限公司 一种基于反时限的风机偏航启动判别方法
CN104653396A (zh) * 2015-01-23 2015-05-27 苏州市职业大学 一种基于风机功率的mppt控制系统
CN106773685A (zh) * 2016-12-08 2017-05-31 国家电网公司 一种用于风电偏航系统的角度pi控制器整定方法
CN108412690B (zh) * 2018-01-19 2020-02-07 大唐东北电力试验研究所有限公司 一种三段式高风能捕获率的风力发电机组偏航方法及系统
CN110857683B (zh) * 2018-08-22 2021-12-24 阿里巴巴集团控股有限公司 一种风力发电机偏航控制方法、装置及设备
CN109630355B (zh) * 2018-12-10 2021-10-15 济南德明电源设备有限公司 风力发电机自动偏航与变桨的控制方法、控制器及系统
CN111810358B (zh) * 2020-07-29 2022-04-01 湘电风能有限公司 一种高风速工况下降低风力发电机组偏航载荷的方法
CN112922778B (zh) * 2021-03-17 2021-11-30 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种风电机组偏航优化方法、系统、设备及存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101096941A (zh) * 2006-06-28 2008-01-02 诺德克斯能源有限公司 具有机舱的风能装置
CN102536655A (zh) * 2012-02-15 2012-07-04 三一电气有限责任公司 控制器、漂浮式风力发电机组及其控制方法
CN102619683A (zh) * 2011-01-30 2012-08-01 华锐风电科技(集团)股份有限公司 一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统
CN203201721U (zh) * 2013-03-11 2013-09-18 山东电力集团公司济宁供电公司 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101304402B1 (ko) * 2011-03-11 2013-09-05 삼성중공업 주식회사 가변속 풍력 터빈 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101096941A (zh) * 2006-06-28 2008-01-02 诺德克斯能源有限公司 具有机舱的风能装置
CN102619683A (zh) * 2011-01-30 2012-08-01 华锐风电科技(集团)股份有限公司 一种风力发电机变桨与偏航的分布式控制系统
CN102536655A (zh) * 2012-02-15 2012-07-04 三一电气有限责任公司 控制器、漂浮式风力发电机组及其控制方法
CN203201721U (zh) * 2013-03-11 2013-09-18 山东电力集团公司济宁供电公司 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王加伟.基于风特性和风力机动态特性耦合的检测反馈控制研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库(工程科技Ⅱ辑)》.2011,(第04期),论文第15页第3段、第36页第1-2段、第37页第10-25行、第50页第1段、第51页倒数第1-3段,第62页第1-3段,图5.2. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103195651A (zh) 2013-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103195651B (zh) 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统及控制方法
CN105986961B (zh) 一种变速变桨风力机功率优化控制方法
CN104074679B (zh) 一种变速变桨距风电机组全风速限功率优化控制方法
US8025476B2 (en) System and methods for controlling a wind turbine
US8317471B2 (en) Method for preventing rotor overspeed of a wind turbine
US7750490B2 (en) Method and system for extracting inertial energy from a wind turbine
CN101603503B (zh) 一种定桨距风力机的内模控制方法
CN112648141B (zh) 一种串列式双风轮风电机组协同控制方法
CA2707407C (en) Wind turbine with a flow control device and method for optimizing energy production therein
US20130129508A1 (en) Wind turbine
WO2010072112A1 (zh) 风力发电机组、风力发电系统及其运行控制方法
CN101404476A (zh) 并网变速恒频风力发电机组运行控制方法
CN102797629A (zh) 一种风电机组的控制方法、控制器及其控制系统
WO2016011833A1 (zh) 一种控制风力机叶片载荷与变形的装置
CN106382185A (zh) 一种可伸缩型风机风轮或叶片及风力发电机
CN101196165A (zh) 风力发电机组的调节控制
CN101272121A (zh) 一种风力发电机组的最大功率点跟踪方法
CA2895248C (en) Torque control device to reduce rotor speed in a wind turbine
CN102777320A (zh) 风力发电机组扭矩与变桨解耦控制的方法、控制器及系统
WO2013060013A1 (en) Blade pitch system for a wind turbine generator and method of operating the same
CN203201721U (zh) 一种基于pi调节的风力发电机优化控制系统
CN107882680B (zh) 一种用于风力发电机组的转速控制方法
CN112112758A (zh) 基于风电机组电液压变桨距控制系统及控制方法
CN103225587B (zh) 一种下风向风力发电机组
CN202718810U (zh) 一种变桨距垂直轴风力机

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant