CN104500338B - 一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，包括风力发电机组测量单元、偏航控制单元和转速控制单元；以平均风速反馈信号确定目标偏航角度参考值；目标偏航角度参考值与平均风向反馈信号作差得到偏航角度误差，经过主动偏航角度PID控制模块控制偏航驱动机构动作；以瞬时风向反馈信号确定目标输出功率参考值；以目标输出功率参考值与发电机输出功率反馈信号作差得到功率误差信号，经过功率PID控制模块，得到目标转速参考值；目标转速参考值与发电机转速反馈信号作差得到转速误差信号，经过转速PID控制模块控制变流器输出。本发明拓宽了风力发电机组的运行风速范围，大大提高了失速控制对于功率或转速限制的可靠性。

Description

一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体是一种将变转速失速控制和主动偏航控制有机结合的定桨距风力发电机组控制系统。
背景技术
变桨距风力发电机组在额定风速以上通过调节叶片的桨距角调整叶片与来流的攻角，达到减小风能利用系数、限制功率的目的。定桨距风力发电机组叶片与轮毂直接刚性相联，具有结构简单、成本低、可靠性高等优势，但是叶片桨距角不能调节，减小风能利用系数、限制功率的有效方法是使风力发电机组进入低叶尖速比的失速区。在小型风力发电技术领域，定桨距风力发电机组在额定风速以上限制功率的另一种方式是使风轮偏离风向，减小风轮的有效面积。
主动偏航控制，即通过风向传感器将风向的变化传递到偏航驱动机构控制回路，控制回路确定偏航方向和偏航角度，即控制风轮与风向的夹角。主动偏航控制理论上可以作为风力发电机组的功率控制手段，但是，两个关键因素限制了这种功率控制手段的快速响应。第一，机舱和风轮对偏航轴承的巨大转动惯量，意味着，为减少偏航时的陀螺力矩，偏航速度必须受到限制。第二，风向垂直于风轮圆盘的分量和偏航角的余弦关系，意味着，在偏航角改变较小时，只会减少很小一部分的输出功率，偏航角度对于输出功率的影响远不如桨距角灵敏。与频繁的风速风向变化相比，偏航角度不能实时控制，响应速度慢，机械结构也无法承受频繁的偏航角度调整。因此，主动偏航控制不适合作为独立的功率或转速限制手段，但是可以与其它方式相配合，作为功率或转速限制手段的补充。
采用定桨距失速控制的风力发电机组在运行时桨叶不能随风速变化，功率调节通过叶片自身的失速特性实现，该方式具有结构简单、故障率低等优点。同时，变转速失速控制通过调整风力发电机电磁转矩实时控制发电机转矩和转速，响应速度快。失速控制的关键是叶片的失速性能与风力发电机转矩性能的合理匹配。叶片的失速性能的细微差异可能引起风力发电机组功率特性的大幅变化。另外，在运行过程中，因外界环境因素改变也可能导致叶片失速性能的改变。在中小型风力发电应用领域，为保证风力发电机组的低风速性能，往往在叶片的失速性能上有一定取舍，导致为实现失速控制功能，风力发电机的功率和体积就必须相应增大，否则可能导致失速控制失效，引起飞车。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种将变转速失速控制和主动偏航控制有机结合的定桨距风力发电机组控制系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：包括风力发电机组测量单元、偏航控制单元和转速控制单元；
其中：
风力发电机组测量单元至少测量风向、风速、功率和转速；风向测量实时采样风向数据，计算瞬时风向和平均风向；风速测量实时采样风速数据，计算平均风速；功率测量实时采样发电机输出功率数据；转速测量实时测量发电机转速数据；
偏航控制单元包括主动偏航目标角度计算模块、主动偏航角度PID控制模块和风向功率计算模块；主动偏航目标角度计算模块以平均风速反馈信号为输入，通过内置的平均风速与目标偏航角度关联表，如表1所示，确定目标偏航角度参考值；目标偏航角度参考值与平均风向反馈信号作差得到偏航角度误差，经过主动偏航角度PID控制模块控制偏航驱动机构动作；风向功率计算模块以瞬时风向反馈信号为输入，通过内置的输出功率与瞬时风向关联表，如表2所示，确定目标输出功率参考值；表1中Vr为主动偏航起始风速，表2中Pr为额定功率；
表1 平均风速与目标偏航角度关联表
平均风速 目标偏航角度
小于Vr 0度
介于Vr和1.2Vr 30度
介于1.2Vr和1.4Vr 45度
介于1.4Vr和2Vr 60度
大于2Vr 80度
表2 输出功率与瞬时风向关联表
瞬时风向 目标输出功率
小于30度 0.6Pr
介于30度和45度 0.8Pr
介于45度和60度 1.0Pr
介于60度和80度 1.0Pr
大于80度 1.0Pr
转速控制单元包括功率PID控制模块和转速PID控制模块；目标输出功率参考值与发电机输出功率反馈信号作差得到功率误差信号，经过功率PID控制模块，得到目标转速参考值；目标转速参考值与发电机转速反馈信号作差得到转速误差信号，经过转速PID控制模块控制变流器输出。
优选地，所述瞬时风向为3秒钟平均值，所述平均风向为10分钟平均值。
优选地，所述平均风速为10分钟平均值。
优选地，当平均风速反馈信号不大于主动偏航起始风速，主动偏航目标角度计算模块将目标偏航角度参考值设置为0度；当平均风速反馈信号大于主动偏航起始风速，主动偏航目标角度计算模块将目标偏航角度参考值设置为依据平均风速与目标偏航角度关联表得到的平均风速关联角度。
本发明在定桨距变转速失速控制的基础上，充分挖掘既有控制资源，以拓宽风力发电机组的运行风速范围，大大提高了失速控制对于功率或转速限制的可靠性，具有如下有益效果：
1)采用变转速失速控制为主、主动偏航控制为辅的控制方法，控制简单、可靠性高。
2)与常规变转速失速控制方式不同，本发明中引入了主动偏航控制，主动偏航目标角度与平均风速相关联，利用主动控制响应慢的特点，调整失速控制的安全运行区间。
3)与常规主动偏航控制方式不同，本发明中引入变转速失速控制，失速控制的目标功率与瞬时风向相关联，利用失速控制快速响应的特点，避免风向快速变化时主动偏航控制的失效。
4)本发明所述的控制方式并不额外增加硬件投入，极大地降低了采用失速控制方式对于叶片失速性能的要求，同时，也可以避免机组运行过程中由于叶片失速性能变化对于机组造成的影响。
附图说明
图1为本发明提供的风力发电主动偏航变转速失速控制系统框图；
图2为本发明提供的风力发电主动偏航变转速失速控制系统的控制效果图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种将变转速失速控制和主动偏航控制相结合的控制方法，充分利用变转速失速控制和主动偏航控制的不同控制特点，将二者有机结合，实现风力发电系统的优化控制。主动偏航控制响应速度慢，可作为分级调节，失速控制响应快，可作为实时调节。这种组合方式类似汽车中手动档位和油门的组合，主动偏航控制用来调整失速控制的安全运行区间，失速控制用来限制实时控制功率和转速。
图1为本发明提供的风力发电主动偏航变转速失速控制系统框图，所述的风力发电主动偏航变转速失速控制系统包括：偏航控制单元、转速控制单元和风力发电机组测量单元。其中：
风力发电机组测量单元至少测量风向、风速、功率和转速等物理量。风向测量实时采样风向数据，计算瞬时风向和平均风向，其中瞬时风向典型为3秒钟平均值，平均风向典型为10分钟平均值。风速测量实时采样风速数据，计算平均风速，平均风速典型为10分钟平均值。功率测量实时采样发电机输出功率数据。转速测量实时测量发电机转速数据。
偏航控制单元包括：主动偏航目标角度计算模块、主动偏航角度PID控制模块、风向功率计算模块。主动偏航目标角度计算模块以平均风速反馈信号为输入，通过内置的平均风速与目标偏航角度关联表，确定目标偏航角度参考值。目标偏航角度参考值与平均风向反馈信号作差得到偏航角度误差，经过主动偏航角度PID控制模块控制偏航驱动机构动作。风向功率计算模块以瞬时风向反馈信号为输入，通过内置的输出功率与瞬时风向关联表，如表2所示，确定目标输出功率参考值。表1中Vr为主动偏航起始风速，表2中Pr为额定功率；关联表仅供参考，应用过程中需要根据风力发电机组实际特性进行调整。
表1 平均风速与目标偏航角度关联表
平均风速 目标偏航角度
小于Vr 0度
介于Vr和1.2Vr 30度
介于1.2Vr和1.4Vr 45度
介于1.4Vr和2Vr 60度
大于2Vr 80度
表2 输出功率与瞬时风向关联表
瞬时风向 目标输出功率
小于30度 0.6Pr
介于30度和45度 0.8Pr
介于45度和60度 1.0Pr
介于60度和80度 1.0Pr
大于80度 1.0Pr
目标偏航角度参考值与平均风速反馈信号相关联，平均风速反馈信号越大，目标偏航角度参考值越大。当平均风速反馈信号不大于主动偏航起始风速，控制系统将目标偏航角度参考值设置为0度，即风轮正对风向，风轮捕获风能最大。当平均风速反馈信号大于主动偏航起始风速，控制系统将目标偏航角度参考值设置为平均风速关联角度，即风轮偏离风向，风轮捕获风能减小。
目标输出功率参考值与瞬时风向反馈信号相关联，瞬时风向反馈信号越大，目标输出功率越大。
转速控制单元包括：功率PID控制模块、转速PID控制模块。其中：风向功率计算模块的目标输出功率参考值与输出功率反馈信号作差得到功率误差信号，经过功率PID控制模块，得到目标输出转速参考值。目标转速参考值与转速反馈信号作差得到转速误差信号，经过转速PID控制模块控制变流器输出。
本实施例的控制效果如图2所示，横坐标为转速，纵坐标为转矩。粗实线(图2中上面一条实线)代表某风速下风轮正对风向的转矩特性，细实线(图2中下面一条实线)代表相同风速下风轮偏离风向一定角度的转矩特性，点划线代表风力发电机的控制转矩，点划线与粗实线的交点代表风轮正对风向时功率转速限制平衡点，交点横坐标和纵坐标的乘积即为功率P1，点划线与细实线的交点代表风轮偏离风向一定角度时功率转速限制平衡点，交点横坐标和纵坐标的乘积即为功率P2。
未引入主动偏航控制时，风轮正对风向，为保证发电机转矩控制在安全运行区间内，即为保证失速控制的可靠性，目标输出功率必须小于P1。在引入主动偏航控制后，若仍将发电机转矩控制在相同的转矩水平，目标输出功率可以提高到P2。因为主动偏航按照平均风速和平均风向进行控制，主动偏航控制不能响应风向的瞬时变化。因此，在主动偏航的基础上必须引入变转速失速控制。若在主动偏航执行后，瞬时风向变化到0度，此时失速控制的目标输出功率必须随瞬时风向的变化相应减小，否则发电机控制转矩将可能超出允许范围，引起风力发电机组飞车。

Claims (4)

1.一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：包括风力发电机组测量单元、偏航控制单元和转速控制单元；
其中：
风力发电机组测量单元至少测量风向、风速、功率和转速；风向测量实时采样风向数据，计算瞬时风向和平均风向；风速测量实时采样风速数据，计算平均风速；功率测量实时采样发电机输出功率数据；转速测量实时测量发电机转速数据；
偏航控制单元包括主动偏航目标角度计算模块、主动偏航角度PID控制模块和风向功率计算模块；主动偏航目标角度计算模块以平均风速反馈信号为输入，通过内置的如表1所示的平均风速与目标偏航角度关联表确定目标偏航角度参考值；目标偏航角度参考值与平均风向反馈信号作差得到偏航角度误差，经过主动偏航角度PID控制模块控制偏航驱动机构动作；风向功率计算模块以瞬时风向反馈信号为输入，通过内置的如表2所示的输出功率与瞬时风向关联表确定目标输出功率参考值；表1中Vr为主动偏航起始风速，表2中Pr为额定功率；
表1 平均风速与目标偏航角度关联表
平均风速 目标偏航角度 小于Vr 0度 介于Vr和1.2Vr 30度 介于1.2Vr和1.4Vr 45度 介于1.4Vr和2Vr 60度 大于2Vr 80度
表2 输出功率与瞬时风向关联表
瞬时风向 目标输出功率 小于30度 0.6Pr 介于30度和45度 0.8Pr 介于45度和60度 1.0Pr 介于60度和80度 1.0Pr 大于80度 1.0Pr
转速控制单元包括功率PID控制模块和转速PID控制模块；目标输出功率参考值与发电机输出功率反馈信号作差得到功率误差信号，经过功率PID控制模块，得到目标转速参考值；目标转速参考值与发电机转速反馈信号作差得到转速误差信号，经过转速PID控制模块控制变流器输出。
2.如权利要求1所述的一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：所述瞬时风向为3秒钟平均值，所述平均风向为10分钟平均值。
3.如权利要求1所述的一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：所述平均风速为10分钟平均值。
4.如权利要求1所述的一种风力发电主动偏航变转速失速控制系统，其特征在于：当平均风速反馈信号不大于主动偏航起始风速，主动偏航目标角度计算模块将目标偏航角度参考值设置为0度；当平均风速反馈信号大于主动偏航起始风速，主动偏航目标角度计算模块将目标偏航角度参考值设置为依据平均风速与目标偏航角度关联表得到的平均风速关联角度。
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