CN104329224B - 一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统及变桨方法 - Google Patents

一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统及变桨方法 Download PDF

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张磊
陈浩
石建
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    • Y02E10/70Wind energy
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Abstract

本发明提供了一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨方法,步骤如下:1)激光测风雷达检测实际风速Vw;2)分别得到风速偏差值ΔV和功率偏差值ΔP;3)判断风速偏差值ΔV的大小,若ΔV<0则变桨执行机构以变桨速率V=Vmax变桨到最大迎风角,若ΔV≥0则执行下一步骤;4)对功率偏差值ΔP做微分处理,判断dΔP/dt值的大小,若dΔP/dt=0,变桨执行机构保持当前速度变桨;若dΔP/dt>0,变桨执行机构加速变桨;若dΔP/dt<0,变桨执行机构减速变桨。本发明的变桨方法在不同风况下,变桨执行机构都能够快速做出响应,减少了由于功率偏差小幅波动而造成的变桨电机频繁正反转现象的发生,也降低变桨执行机构的疲劳程度,延长了变桨执行机构的使用寿命。本发明还提供一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统。

Description

一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统及变桨方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风力发电机组控制领域,特别涉及一种直驱型永磁风力发电机组变速 率变桨系统及变桨方法。

背景技术

[0002] 随着全国多个城市雾霾的日益严重,环境污染也越来越受到人们的关注,我国现 在发电仍然以火力发电为主,火力发电大量使用煤炭不仅给环境带来严重负担,而且煤炭 是不可再生能源,不利于可持续发展的需求。

[0003] 风能作为一种清洁能源越来越受到人们的重视,随着技术的创新,风力发电的成 本也在不断降低,风力发电控制系统作为风力发电机组的核心,如何提高风能利用率,保证 风力发电机组安全可靠运行,延长风电机组使用寿命是研究人员关注的重点。

[0004] 目前,为了保证外界风速在额定风速以上时风电机组恒功率运行,风电机组的控 制系统采用变桨距控制,由于实际风况的复杂性,容易造成发电机输出功率的波动,因此要 求变桨距控制系统具有快速响应能力,风机主控制器一旦发出改变桨距角命令,变桨控制 器必须控制三台伺服驱动器,使变桨电机以最快速度到达指定位置。现阶段,有研究人员对 变速率变桨控制进行了初步研究,在文献"基于功率变化和模糊控制的风力发电机组变速 变桨距控制"中采用功率实时反馈,将功率偏差和功率偏差的变化率作为模糊控制算法的 输入,输出为变桨速度指令,但是当出现功率偏差较大而功率偏差率较低时,输出变桨速 度过低,变桨控制系统无法做出快速响应。文献"兆瓦级风电机组电动变桨距控制系统的研 究与实现"对功率偏差信号的大小进行了限制,降低了风电机组输出功率的波动,功率发生 变化时变桨机构能够快速响应,但是在额定风速以下,风机输出功率小于额定功率时,采用 变速率变桨控制增加了算法的复杂性。

发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题,本发明提供一种结构简单、安全可靠的直驱型永磁风力 发电机组变速率变桨系统,并提供一种利用直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统进行 变桨的方法。

[0006] 本发明解决上述问题的技术方案是:一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系 统,包括激光测风雷达、第一双输入减法器、第二双输入减法器、微分器、主控制器、变桨执 行机构、风轮及直驱永磁发电机,所述主控制器包括桨距角控制模块和变速率控制模块,激 光测风雷达的输出端与第一双输入减法器的第一输入端相连,第一双输入减法器的第二输 入端输入额定风速,第一双输入减法器的输出端与桨距角控制模块的输入端相连,桨距角 控制模块的输出端与变桨执行机构的输入端相连,变桨执行机构通过风轮与直驱永磁发电 机相连,直驱永磁发电机的输出端与第二双输入减法器的第一输入端相连,第二双输入减 法器的第二输入端输入风电机组的额定功率,第二双输入减法器的输出端分别与桨距角控 制模块的输入端、微分器的输入端、变速率控制模块的输入端相连,微分器的输出端与变速 率控制模块的输入端相连,变速率控制模块的输出端与变桨执行机构的输入端相连。

[0007] 一种利用上述直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统进行变桨的方法,包括以 下步骤:

[0008] 1)激光测风雷达检测实际风速Vw;

[0009] 2)将激光测风雷达检测到的实际风速W与额定风速v™进行差值运算得到风速偏 差值△ V,风速偏差值△ V输入至桨距角控制模块中;检测计算出风电机组输出功率Pe,将输 出功率pe与额定功率p w进行差值运算得到功率偏差值△ P,功率偏差值△ p输入至桨距角控 制模块中;

[0010] 3)桨距角控制模块判断风速偏差值△ V的大小,若△ V〈0则桨距角控制模块输出桨 距角位置信号至变桨执行机构,变桨执行机构以变桨速率V = Vmax变桨到最大迎风角,若Δ V 多〇则执行下一步骤;

[0011] 4)对功率偏差值Δ p做微分处理并将处理后d Δ p/dt的值和功率偏差值Δ p-起送 入变速率控制模块中,桨距角控制模块和变速率控制模块协同工作,桨距角控制模块输出 桨距角位置信号Θ至变桨执行机构,变速率控制模块输出变桨速率V至变桨执行机构,变速 率控制模块判断d △ P/dt值的大小,若d △ P/dt = 0,变桨执行机构保持当前速度变桨至桨距 角控制模块指定的桨距角;若d △ P/dt>0,变桨执行机构加速变桨至桨距角控制模块指定的 桨距角;若d △ P/dt〈0,变桨执行机构减速变桨至桨距角控制模块指定的桨距角。

[0012] 上述变桨方法中,所述步骤2)中,风速偏差值等于实际风速减去额定风速,即AV = Vff-VffNo

[0013] 上述变桨方法中,所述步骤2)中,功率偏差值ΛΡ等于输出功率减去额定功率,即 A P = Pe-Pff〇

[0014] 上述变桨方法中,所述步骤2)中,风电机组输出功率计算公式为Pe = Tec〇e,其中 we为电角频率,<^e = npWg,np为发电机极对数,Wg为发电机转速;Te=1.5llpiqA,iq为发电 机q轴的电流,λ为永磁体的磁链。

Figure CN104329224BD00051

[0015] 上述变桨方法中,所述步骤2)中,风电机组额定功率计算公式为Pw=Twc〇 g,其中Tw 为风力机的机械输入转矩,c〇g为直驱型永磁发电机转速; 中:P为空气密度;R为风力机转子半径;Θ为桨距角;P十尖速比γ = c〇gR/Vw,Cp为风能利用系 数,其表达式为 CP(0,γ )=〇·22[116/β-0·4θ-5]θχρ(-12·5/β),式中

Figure CN104329224BD00052

[0016] 上述变桨方法中,所述步骤3)中,桨距角的计算公式为:

Figure CN104329224BD00053

[0018]式中,Vm为额定风速,Κρί为比例系数,

Figure CN104329224BD00054

为积分项,KP,Ki分别为桨距角控制模块中 PI控制器的比例和积分系数。

[0019] 上述变桨方法中,所述步骤4)中,变桨速率V的确定方法如下:将功率偏差值Δ P分 为小、中、大三部分,将功率偏差值变化率d A P/dt分为负大、负中、负小、零、正小、正中、正 大七个部分,将功率偏差值Δ P和功率偏差值变化率d Δ P/dt区间范围都用标么值表示,功 率偏差值变化率A P以发电机的额定功率为基准值,功率偏差值变化率d △ P/dt以lMW/s为 基准值,其中,功率偏差值A P小的区间范围为[0,0.1],中的区间范围为[0.1,0.2],大的区 间范围为[0. 2,0.3],功率偏差变化率dA P/dt的负大区间范围为[-0.1,-0.05],负中的区 间范围[-0.05,-0.005],负小的区间范围为[-0.005,-0.0005],零的区间范围为[0.0005, 0.0005],正小的区间范围为[0.0005,0.005],正中的区间范围为[0.005,0.05],正大的区 间范围为[0. 05,0.1 ]。当功率偏差变化值Δ P为小时,若功率偏差值变化率d Δ P/dt为负大、 负中、负小、零中的一种,则变桨速率为V = Vmin,若功率偏差值变化率d △ P/dt为正小、正中、 正大中的一种,则变桨速率为V = Vmid;当功率偏差变化值△ P为中时,若功率偏差值变化率 d Δ P/dt为负大、负中中的一种,则变桨速率为V = Vmin,若功率偏差值变化率d Δ P/dt为负 小、零中的一种,则变桨速率为V = Vmid,若功率偏差值变化率dA P/dt为正小、正中、正大中 的一种,则变桨速率为V = Vmax;当功率偏差变化值△ P为大时,不论功率偏差变化率d △ P/dt 为多大,变桨速率均为V = Vmax。

[0020] 本发明的有益效果在于:本发明的变桨方法采用桨距角控制模块和变速率控制模 块协同工作,分别输出桨距角位置信号和变桨速率至变桨执行机构执行变桨,不同风况下, 变桨执行机构都能够快速做出响应,额定风速以下时,变桨执行机构保持最小桨距角不变, 使风机吸收实际风功率达到最大,保持最佳叶尖速比;额定风速以上时,根据功率偏差和功 率偏差变化率使变桨执行机构加速,匀速或减速运行,其控制算法简单,控制过程平缓,减 少了由于功率偏差小幅波动而造成的变桨电机频繁正反转现象的发生,同时也降低变桨执 行机构的疲劳程度,延长了变桨执行机构的使用寿命。

附图说明

[0021] 图1为本发明变桨系统的结构框图。

[0022] 图2为图1中变桨执行机构的载荷模型图。

[0023]图3为本发明变桨方法的流程图。

具体实施方式

[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0025]如图1所示,本发明包括激光测风雷达、第一双输入减法器、第二双输入减法器、微 分器、主控制器1、变桨执行机构、风轮及直驱永磁发电机,所述主控制器1包括桨距角控制 模块和变速率控制模块,激光测风雷达实时检测风速,其输出端与第一双输入减法器的第 一输入端相连,第一双输入减法器的第二输入端输入额定风速,第一双输入减法器的输出 端与桨距角控制模块的输入端相连,桨距角控制模块的输出端与变桨执行机构的输入端相 连,输出桨距角位置信号至变桨执行机构,变桨执行机构通过风轮与直驱永磁发电机相连, 直驱永磁发电机的输出端与第二双输入减法器的第一输入端相连,第二双输入减法器的第 二输入端输入风电机组的额定功率,第二双输入减法器的输出端分别与桨距角控制模块的 输入端、微分器的输入端、变速率控制模块的输入端相连,微分器的输出端与变速率控制模 块的输入端相连,变速率控制模块的输出端与变桨执行机构的输入端相连,输出变桨速率 信号至变桨执行机构。

[0026] 在此需要区分变速变桨距控制的概念,本发明的变速率变桨不同于发电机转速调 节,而是指变桨电机速率的调节。

[0027] 图2为本发明变桨系统中变桨执行机构载荷模型,风机的载荷主要有轮毂中心的 倾覆力矩Mt〇P和偏航力矩M yaw,而倾覆力矩和偏航力矩是由桨叶根部挥舞弯矩Mxl和Myl造成 的。采用变速率变桨控制可以减小叶片根部载荷的波动,实现减小风电机组变桨执行机构 疲劳载荷的目的。

[0028] 如图3所示,一种利用上述直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统进行变桨的 方法,包括以下步骤:

[0029] 1)激光测风雷达检测实际风速Vw。

[0030] 2)将激光测风雷达检测到的实际风速W与额定风速V™进行差值运算得到风速偏 差值Δ V,Δ V = Vw-Vm,风速偏差值Δ V输入至桨距角控制模块中;检测计算出风电机组输出 功率Pe,将输出功率Pe与额定功率P W进行差值运算得到功率偏差值Δ Ρ,Δ P = Pe-Pw,功率偏 差值A P输入至桨距角控制模块中;

[0031] 其中:Pe = Tecoe,其中coe为电角频率,coe = nPcog,nP为发电机极对数,COg为发电 机转速;Te = 1.5nPiqA,iq为发电机q轴的电流,λ为永磁体的磁链;Pw=Tw ω g,Pw即为图3中风 电机组的额定功率ί,其中Tw为风力机的机械输入转矩,co g为直驱型永磁发电机转速;

Figure CN104329224BD00071

其中:P为空气密度;R为风力机转子半径;Θ为桨距角;叶尖速比 γ = cogR/Vw,CP为风能利用系数,其表达式为CP(0,γ )=〇·22[116/β-0·4θ-5]θχρ(-12·5/

Figure CN104329224BD00072

[0032] 3)桨距角控制模块判断风速偏差值Δ V的大小,若Δ V〈0则桨距角控制模块输出桨 距角位置信号Θ至变桨执行机构,变桨执行机构以变桨速率V = Vmax变桨到最大迎风角,若Δ V彡〇则执行下一步骤;

[0033]其中桨距角的计算公式为:

Figure CN104329224BD00073

[0035]式中,Vm为额定风速,Κρί为比例系数,

Figure CN104329224BD00074

为积分项,KP,Ki分别为桨距角控制模块中 PI控制器的比例和积分系数。

[0036] 4)对功率偏差值Δ P做微分处理并将处理后d Δ P/dt的值和功率偏差值Δ P-起送 入变速率控制模块中,桨距角控制模块和变速率控制模块协同工作,桨距角控制模块输出 桨距角位置信号Θ至变桨执行机构,变速率控制模块输出变桨速率V至变桨执行机构,变速 率控制模块判断d △ P/dt值的大小,若d △ P/dt = 0,变桨执行机构保持当前速度变桨至桨距 角控制模块指定的桨距角;若d △ P/dt>0,变桨执行机构加速变桨至桨距角控制模块指定的 桨距角;若d △ P/dt〈0,变桨执行机构减速变桨至桨距角控制模块指定的桨距角。

[0037] 其中:变桨速率V的确定方法如下:将功率偏差值△ P分为小、中、大三部分,将功率 偏差值变化率d △ P/dt分为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大七个部分,如表1所示,将 功率偏差和功率偏差值变化率对应的变桨速率大小制成表格,将功率偏差值A P和功率偏 差值变化率d △ P/dt区间范围都用标么值表示,功率偏差值变化率△ P以发电机的额定功率 为基准值,功率偏差值变化率d △ P/dt以lMW/s为基准值,其中,功率偏差值△ P小的区间范 围为[0,0.1],中的区间范围为[0.1,0.2],大的区间范围为[0.2,0.3],功率偏差变化率(1八 P/dt的负大区间范围为[-0.1,-0.05],负中的区间范围[-0.05,-0.005],负小的区间范围 为[-0.005,-0.0005],零的区间范围为[0.0005,0· 0005],正小的区间范围为[0.0005, 0.005],正中的区间范围为[0.005,0.05],正大的区间范围为[0.05,0.1]。当功率偏差变化 值A P为小时,若功率偏差值变化率d △ P/dt为负大、负中、负小、零中的一种,则变桨速率为 V = Vmin,若功率偏差值变化率dAP/dt为正小、正中、正大中的一种,则变桨速率为V = Vmid; 当功率偏差变化值A P为中时,若功率偏差值变化率d △ P/dt为负大、负中中的一种,则变桨 速率为V = Vmin,若功率偏差值变化率d Δ P/dt为负小、零中的一种,则变桨速率为V = Vmid,若 功率偏差值变化率d Δ P/dt为正小、正中、正大中的一种,则变桨速率为V = Vmax;当功率偏差 变化值A P为大时,不论功率偏差变化率d △ P/dt为多大,变桨速率均为V = Vmax。

[0038] 表1

Figure CN104329224BD00081

Claims (8)

1. 一种直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统,其特征在于:包括激光测风雷达、第 一双输入减法器、第二双输入减法器、微分器、主控制器、变桨执行机构、风轮及直驱永磁发 电机,所述主控制器包括桨距角控制模块和变速率控制模块,激光测风雷达的输出端与第 一双输入减法器的第一输入端相连,第一双输入减法器的第二输入端输入额定风速,第一 双输入减法器的输出端与桨距角控制模块的输入端相连,桨距角控制模块的输出端与变桨 执行机构的输入端相连,变桨执行机构通过风轮与直驱永磁发电机相连,直驱永磁发电机 的输出端与第二双输入减法器的第一输入端相连,第二双输入减法器的第二输入端输入风 电机组的额定功率,第二双输入减法器的输出端分别与桨距角控制模块的输入端、微分器 的输入端、变速率控制模块的输入端相连,微分器的输出端与变速率控制模块的输入端相 连,变速率控制模块的输出端与变桨执行机构的输入端相连。
2. -种利用如权利要求1所述的直驱型永磁风力发电机组变速率变桨系统进行变桨的 方法,包括以下步骤: 1) 激光测风雷达检测实际风速Vw; 2) 将激光测风雷达检测到的实际风速Vw与额定风速VwN进行差值运算得到风速偏差值 A V,风速偏差值△ V输入至桨距角控制模块中;检测计算出风电机组输出功率Pe,将输出功 率Pe与额定功率P w进行差值运算得到功率偏差值A P,功率偏差值A P输入至桨距角控制模 块中; 3) 桨距角控制模块判断风速偏差值△ V的大小,若△ V〈0则桨距角控制模块输出桨距角 位置信号至变桨执行机构,变桨执行机构以变桨速率V = Vmax变桨到最大迎风角,若△ V>0 则执行下一步骤; 4) 对功率偏差值△ P做微分处理并将处理后d △ P/dt的值和功率偏差值△ P-起送入变 速率控制模块中,桨距角控制模块和变速率控制模块协同工作,桨距角控制模块输出桨距 角位置信号Θ至变桨执行机构,变速率控制模块输出变桨速率V至变桨执行机构,变速率控 制模块判断d △ P/dt值的大小,若d △ P/dt = 0,变桨执行机构保持当前速度变桨至桨距角控 制模块指定的桨距角;若d △ P/dt>0,变桨执行机构加速变桨至桨距角控制模块指定的桨距 角;若d △ P/dt〈0,变桨执行机构减速变桨至桨距角控制模块指定的桨距角。
3. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤2)中,风速偏差值等于实际风 速减去额定风速,即AV = Vw-VwN。
4. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤2)中,功率偏差值△ P等于输出 功率减去额定功率,即AP = Pe-Pw。
5. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤2)中,风电机组输出功率计算 公式为Pe = Tecoe,其中coe为电角频率,coe = nPcog,nP为发电机极对数,〇8为直驱型永磁发 电机转速;T e = 1.5nP i qA,iq为发电机q轴的电流,λ为永磁体的磁链。
6. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤2)中,风电机组额定功率计算 公式为Pw = Twc〇g,其中Tw为风力机的机械输入转矩,c〇g为直驱型永磁发电机转速;
Figure CN104329224BC00021
,其中:P为空气密度;R为风力机转子半径;Θ为桨距角;叶尖速比 γ = cogR/Vw,CP为风能利用系数,其表达式为CP(0,γ )=〇·22[116/β-〇·4θ-5]θχρ(-12·5/ β),式中,
Figure CN104329224BC00031
7. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤3)中,桨距角的计算公式为:
Figure CN104329224BC00032
式中,Vm为额定风速,KP1为比例系数,为积分项,KP,K i分别为桨距角控制模块中PI控 制器的比例和积分系数?。
Figure CN104329224BC00033
8. 如权利要求2所述的变桨方法,其特征在于:所述步骤4)中,变桨速率V的确定方法如 下:将功率偏差值Δ P分为小、中、大三部分,将功率偏差值变化率d Δ P/dt分为负大、负中、 负小、零、正小、正中、正大七个部分,将功率偏差值Δ P和功率偏差值变化率d Δ P/dt区间范 围都用标么值表示,功率偏差值变化率△ P以发电机的额定功率为基准值,功率偏差值变化 率d Δ P/dt以lMW/s为基准值,其中,功率偏差值△ P小的区间范围为[0,0.1 ],中的区间范围 为[0.1,0.2],大的区间范围为[0.2,0.3],功率偏差变化率dA P/dt的负大区间范围为[-0·1,-0·05],负中的区间范围[-0·05,-0·005],负小的区间范围为[-0·005,-0·0005],零的 区间范围为[0.0005,0.0005],正小的区间范围为[0.0005,0.005],正中的区间范围为 [0.005,0.05],正大的区间范围为[0.05,0.1 ];当功率偏差变化值Δ Ρ为小时,若功率偏差 值变化率d △ P/dt为负大、负中、负小、零中的一种,则变桨速率为V = Vmin,若功率偏差值变 化率d △ P/dt为正小、正中、正大中的一种,则变桨速率为V = Vmid;当功率偏差变化值Δ P为 中时,若功率偏差值变化率d Δ P/dt为负大、负中中的一种,则变桨速率为V = Vmin,若功率偏 差值变化率d △ P/dt为负小、零中的一种,则变桨速率为V = Vmid,若功率偏差值变化率d Δ P/ dt为正小、正中、正大中的一种,则变桨速率为V = Vmax;当功率偏差变化值Δ P为大时,不论 功率偏差变化率d △ P/dt为多大,变桨速率均为V = Vmax。
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