CN104564522A - 风力发电机组叶片工作角度控制方法 - Google Patents

风力发电机组叶片工作角度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组叶片工作角度控制方法，涉及风力发电机的控制方法技术领域。所述方法包括以下步骤：风机进入并网发电状态后，风机控制器根据当前发电机的转速和转矩选择风机是否激活低风速区域控制；当风机进入低风速区域控制后，风机控制器进一步判断发电机转速工作在低风速区域的哪段区域；风机控制器根据发电机的转速工作区域和发电机的转矩计算出发电机叶片的工作角度，并将控制指令发给变桨系统；变桨控制器和变桨电机响应风机控制器的命令，调整叶片工作角度，使风机最大程度的吸收风能并转化为电能。所述控制方法在不同风速下时可以使风机叶片工作在最优角度下，以此实现最大程度地吸收风能。

Description

风力发电机组叶片工作角度控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机的控制方法技术领域，尤其涉及一种风力发电机组叶片工作角度控制方法。
背景技术
随着风电在国内的迅猛发展，风力发电机组的数量也越来越庞大，由于风机叶片的特性，风能利用系数在理论上的最大值为0.593，如何最大程度地利用风能一直是风电领域的追求的目标。风速稳定时，风机吸收风能的效率会随着叶片的工作角度变化而变化；叶片工作角度不变时，风机吸收风能效率会随风速变化而变化。因此我们需要设计一种最优控制策略，在不同风速下时都可以使风机叶片工作在最优角度下，以此实现最大程度地吸收风能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种风力发电机组叶片工作角度控制方法，所述控制方法在不同风速下时可以使风机叶片工作在最优角度下，以此实现最大程度地吸收风能。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于所述控制方法包括以下步骤：
(1)风机进入并网发电状态后，风机控制器根据当前发电机的转速和转矩选择风机是否激活低风速区域控制；
(2)当风机进入低风速区域控制后，风机控制器进一步判断发电机转速工作在低风速区域的哪段区域：即低速恒转速区、变化转速区、高速恒转速区中的哪个区域；
(3)风机控制器根据发电机的转速工作区域和发电机的转矩计算出发电机叶片的工作角度，并将控制指令发给变桨系统；
(4)变桨控制器和变桨电机响应风机控制器的命令，调整叶片工作角度，使风机最大程度的吸收风能并转化为电能。
进一步的技术方案在于：步骤(1)中风机控制器根据发电机是否处于满负荷进入低风速区域控制，如果风机控制器判断发电机处于满负荷运转，则不进入低风速区域控制，如果风机控制器判断发电机处于非满负荷运转，则进入低风速区域控制。
进一步的技术方案在于：步骤(2)中当风机控制器判断发电机在低速恒转速区时，根据风机的机械特性确定风机的最小转速，低速恒转速区内风机控制器只可以通过控制叶片角度使风机最大程度地吸收风能；
当风机控制器判断发电机在变化转速区时，风机的转速在低速恒转速区和高速恒转速区之间变化，风机控制器控制风机的输出转矩和叶片角度使风机最大程度地吸收风能；
当风机控制器判断发电机在高速恒转速区时，根据风机的机械特性确定风机的最大转速，高速恒转速区内风机控制器只可以通过控制叶片角度使风机最大程度地吸收风能。
进一步的技术方案在于：当风机进入低风速区域控制后，将发电机转速进一步分为六个区域：低速恒转速区一、低速恒转速区一/变化转速调整区域、变化转速区、变化转速区/高速恒转速区一调整区域、高速恒转速区一、高速恒转速区二。
进一步的技术方案在于：步骤(3)和步骤(4)中：风机控制器根据发电机的输出电磁转矩TDem和风机最优输出转矩Topt百分比TPer计算不同区域的叶片工作角度，当TPer处于0％至T1之间时，电机工作在低速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α1；当TPer处于T1至T100之间时，电机工作在低速恒转速区一/变化转速调整区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α2；当TPer处于T100时，电机工作在变化转速区，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α3；当TPer处于T100至T2之间时，电机工作在变化转速区/高速恒转速区一调整区域区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α4；当TPer处于T2至T3之间时，电机工作在高速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α5；当TPer处于T3至T4之间时，电机工作在高速恒转速区二，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α6。
进一步的技术方案在于：工作角度α和TPer成线性关系
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述控制方法在不同风速下时可以使风机叶片工作在最优角度下，以此实现最大程度地吸收风能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明所述方法使用的控制系统结构原理框图；
图2是本发明中风机发电机的转速情况分布图；
图3是本发明中输出电磁转矩TDem和风机最优输出转矩Topt百分比TPer的分布图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，是与本发明所述方法对应的是一种控制系统，所述控制系统主要包括风机控制器、变桨控制器和变桨电机。
风机控制器是双馈风力发电机组的变桨和功率控制的主控制器，叶片的工作位置是风机控制器根据转矩和转速计算出来的。因此由风机控制器实现风力发电机组叶片工作位置的整体控制。
高风速时，风力发电机已经满负荷运转，所以叶片的工作位置通过PI控制维持转速的恒定；低风速时，需要根据风速的不同来调整叶片角度，让风机最大程度地利用风能。在低风速时，风机发电机的转速情况可以分为三种，如图2所示：a.恒转速区一，通过PI调节转矩维持发电机在最小并网转速运行；b.变化转速区，风机的发电机会根据风速调整转矩输出；c.恒转速区二，通过PI调节转矩维持发电机在最大并网转速，但是没有满负荷运转。通过仿真发现低风速时，发电机的不同工作区域叶片吸收风能的最优工作角度也不同。
具体的控制方法如下：
风机进入并网发电状态后，风机控制器根据当前发电机的转速和转矩选择风机是否激活低风速区域控制，即可以通过调整叶片工作位置实现最大程度地吸收的风能。
当风机进入低风速区域控制后，风机控制器需要判断是发电机转速工作在那段区域，即低速恒转速区、变化转速区、高速恒转速区。
低速恒转速区：根据风机的机械特性确定风机的最小转速，最小转速区域内风机无法控制风机的转速/输出转矩使风机最大程度地吸收风能；
变化转速区：变化转速区时，风机的转速在恒转速区一和恒转速区二变化，风机通过控制风机的转速/输出转矩使风机最大程度地吸收风能；
高速恒转速区：根据风机的机械特性确定风机的最大转速，最大转速区域内风机控制器无法控制风机的转速/输出转矩使风机最大程度地吸收风能；
当风机进入低风速区域控制后，根据本发明的控制方法，当发电机的转速的工作区域发生变化后，叶片的工作角度需要调整。
进一步的，根据发电机的转速工作区域可以将叶片工作角度细分为六个区域；1、低速恒转速区一，工作角度α1；2、低速恒转速区一/变化转速调整区域，工作角度α2；3、变化转速区，工作角度α3；4、变化转速区/高速恒转速区一调整区域，工作角度α4；5、高速恒转速区一，工作角度α5；6、高速恒转速区二，工作角度α6。
风机控制器根据发电机的输出电磁转矩TDem和风机最优输出转矩Topt百分比TPer计算不同区域的叶片工作角度，如附图3所示。风机控制器根据发电机的输出电磁转矩TDem和风机最优输出转矩Topt百分比TPer计算不同区域的叶片工作角度，当TPer处于0％至T1之间时，电机工作在低速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α1；当TPer处于T1至T100之间时，电机工作在低速恒转速区一/变化转速调整区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α2；当TPer处于T100时，电机工作在变化转速区，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α3；当TPer处于T100至T2之间时，电机工作在变化转速区/高速恒转速区一调整区域区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α4；当TPer处于T2至T3之间时，电机工作在高速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α5；当TPer处于T3至T4之间时，电机工作在高速恒转速区二，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α6，工作角度α和TPer成线性关系。在相同工作区域下，不同类型叶片的叶片角度值一般不同，需要根据叶片的特性设定。
风机控制器根据发电机的转速工作区域和发电机的转矩计算出合理的叶片的工作角度，并将控制指令发给变桨系统。
变桨控制器和变桨电机将以最快速度的响应风机主控制器的命令。
所述控制方法在不同风速下时可以使风机叶片工作在最优角度下，以此实现最大程度地吸收风能。

Claims (6)

1.一种风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于所述控制方法包括以下步骤：
(1)风机进入并网发电状态后，风机控制器根据当前发电机的转速和转矩选择风机是否激活低风速区域控制；
(2)当风机进入低风速区域控制后，风机控制器进一步判断发电机转速工作在低风速区域的哪段区域：即低速恒转速区、变化转速区、高速恒转速区中的哪个区域；
(3)风机控制器根据发电机的转速工作区域和发电机的转矩计算出发电机叶片的工作角度，并将控制指令发给变桨系统；
(4)变桨控制器和变桨电机响应风机控制器的命令，调整叶片工作角度，使风机最大程度的吸收风能并转化为电能。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于：步骤(1)中风机控制器根据发电机是否处于满负荷进入低风速区域控制，如果风机控制器判断发电机处于满负荷运转，则不进入低风速区域控制，如果风机控制器判断发电机处于非满负荷运转，则进入低风速区域控制。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于：步骤(2)中当风机控制器判断发电机在低速恒转速区时，根据风机的机械特性确定风机的最小转速，低速恒转速区内风机控制器只可以通过控制叶片角度使风机最大程度地吸收风能；
当风机控制器判断发电机在变化转速区时，风机的转速在低速恒转速区和高速恒转速区之间变化，风机控制器控制风机的输出转矩和叶片角度使风机最大程度地吸收风能；
当风机控制器判断发电机在高速恒转速区时，根据风机的机械特性确定风机的最大转速，高速恒转速区内风机控制器只可以通过控制叶片角度使风机最大程度地吸收风能。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于：当风机进入低风速区域控制后，将发电机转速进一步分为六个区域：低速恒转速区一、低速恒转速区一/变化转速调整区域、变化转速区、变化转速区/高速恒转速区一调整区域、高速恒转速区一、高速恒转速区二。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于步骤(3)和步骤(4)中：风机控制器根据发电机的输出电磁转矩TDem和风机最优输出转矩Topt百分比TPer计算不同区域的叶片工作角度，当TPer处于0％至T1之间时，电机工作在低速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α1；当TPer处于T1至T100之间时，电机工作在低速恒转速区一/变化转速调整区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α2；当TPer处于T100时，电机工作在变化转速区，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α3；当TPer处于T100至T2之间时，电机工作在变化转速区/高速恒转速区一调整区域区域，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α4；当TPer处于T2至T3之间时，电机工作在高速恒转速区一，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α5；当TPer处于T3至T4之间时，电机工作在高速恒转速区二，风机控制器控制变桨系统使叶片工作角度为α6。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组叶片工作角度控制方法，其特征在于工作角度α和TPer成线性关系。
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