CN104612897B - 一种风力发电机组的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组的控制方法及装置，在发电机的测量转速大于额定转速，且测量功率超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态。本方案能够实现控制状态的柔性切换，保证机组运行及功率输出的稳定性，并且对转矩采用变参数PI控制，可有效增强过渡区间内的转矩控制力度，降低该区间内变桨的动作频率及动作幅度，减少风力发电机组满发前，由于变桨提前动作导致的发电量损失及系统负荷。

Description

一种风力发电机组的控制方法及装置

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制技术领域，特别涉及一种风力发电机组的控制方法及装置。

背景技术

目前变速变桨风力发电机组的控制方案是低风速时采用最大功率点跟踪控制以获取最大风能，高风速时采用变桨控制限制风能吸收以保持功率恒定。具体实施较多采用图1所示方法。图中AB-BC-CD三段为发电机额定功率以下转速转矩关系曲线，A点对应发电机达到最小并网转速，DE段为达到发电机额定功率后转速转矩关系曲线，D点对应额定功率，对应的发电机转速为额定转速。其中：AB段及CD段采用PID控制方式调整发电机转矩使发电机转速保持恒定，BC段采用跟踪最佳Cp控制方式调整发电机转矩；DE段采用恒转矩控制方式保持发电机转矩在额定值，同时通过线性插值计算PI控制参数(图2所示)的方式调节桨距角使发电机转速恒定在额定转速，从而获得恒定功率输出。

该种方式可使风力发电机组在额定功率以下区域最大限度处于最佳Cp控制区获取最大风能，但也存在以下不足：1)CD段与DE段的控制转换在额定功率点D，缺少相应过渡区，由于自然界风况均以湍流状态存在，当风速在额定风速上下波动会使转矩和变桨控制频繁切换，由于变桨控制响应速度落后于转矩控制，两种控制不同步造成转速在上下发生较大波动，从而造成对机组的冲击；2)发电机输出功率为转速与转矩的乘积，由于湍流风的影响，在DE段变桨控制不能完全维持转速在额定值，在该段采用恒转矩控制将造成输出功率随发电机转速变化而变化，降低发电功率品质；3)DE段采用线性插值计算变桨PI控制器参数值的方式不能有效反映风机叶片非线性的气动特性，从而降低了变桨动作随风速变化的跟随性，造成DE段转速波动较大，甚至出现超速超载等不利状况发生。

中国专利公开号CN102635499A公开了“一种风力发电机组的控制装置及方法”，如图3所示，该种控制通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，避免两种控制不同步造成转速在上下发生较大波动的问题，实现控制状态的柔性切换，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态，在II、III之间过渡区，当风速变化较平稳且发电机转速小于过渡转速区域使变桨角度始终保持在最佳角度；当风速发生急剧变化时变桨控制可提前参与控制，与转矩控制协调转速，减小该区域内转速的波动。该方法同样存在以下缺点：由于在风速变化剧烈时II、III过渡区变桨控制器提前参与控制虽然一定程度上降低了转速波动、减小了冲击，但变桨的提前动作降低了风能吸收损失了发电量，同时在II、III过渡区变桨提前动作将造成变桨电机频繁启停，从而增加变桨系统负荷，影响变桨系统安全性。

因此，如何提供一种风力发电机组的控制方法，既实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，又减少风速变化剧烈时变桨提前动作带来的发电量损失及增加的变桨系统负荷，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的第一个发明目的在于提供一种风力发电机组的控制方法，既实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，又减少风速变化剧烈时变桨提前动作带来的发电量损失及增加的变桨系统负荷。

在上述风力发电机组的控制方法的基础上，本发明还提供了一种风力发电机组的控制装置。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种风力发电机组的控制方法，在发电机的测量转速大于额定转速，且测量功率超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态。

优选地，转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：

y＝y^*+K_p-torque(x-x^*)+(dT/2)K_i-torque(x+x^*),x＝ω-ω_n

其中：y为输出转矩，x为输入转速偏差，K_p-torque为转矩控制器比例增益，K_i-torque为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，ω_n为发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

优选地，取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III；

在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n₁，同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为限制值T_lim，设置T_min＝0.0为最小值，当转矩控制器输出y大于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y小于T_min时，转矩限制在y＝T_min；

在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速n_r，且测量功率小于额定功率时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r-(ω-n_r)，以增强转矩控制力度，其中，x为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速n_r，且测量转速大于中间转速n_I/II时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r+(n_r-ω)；同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为最小限制值T_1im，设置额定功率限制转矩为最大值，即T_gmax＝P_r/ω，其中，T_gmax为最大给定发电机电磁转矩，P_r为发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩控制器输出y小于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y大于T_gmax时，转矩限制在y＝T_gmax；

其中：T_1im＝K_optω²；K_opt＝η_mπρR⁵V_p/(2λ³G³)为最大功率点跟踪控制转矩限制，K_opt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，η_m为传动链机械效率，ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。

优选地，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为n₂；在区间III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速n_r；其中，n₂的取值范围为1.01～1.03倍的额定转速n_r；

变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y＝y^*+K_p-pitchG(φ)(x-x^*)+(dT/2)K_i-pitchG(φ)(x+x^*),x＝ω-ω_n这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，K_p-pitch为变桨控制器比例增益，K_i-pitch为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线性控制参数增益，φ为变桨角度，ω_n发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

优选地，所述中间转速的取值为所述最小并网转速和所述额定转速的平均值。

一种风力发电机组的控制装置，包括：

变桨控制器，用于在发电机的整个正常工作转速范围内采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度；

转矩控制器，用于控制发电机的转矩；所述转矩控制器包括：

转矩变参数PI控制模块，用于采用变参数PI控制方式调整转矩；

转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；

转矩控制转换模块，用于控制转矩的控制方式在所述变参数PI控制方式和所述恒功率控制方式之间转换。

优选地，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，并根据不同的运行区间选择不同的转矩控制的参考转速和变桨控制的参考转速。

优选地，所述区域判断模块，用于取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III；

转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：

y＝y^*+K_p-torque(x-x^*)+(dT/2)K_i-torque(x+x^*),x＝ω-ω_n

其中：y为输出转矩，x为输入转速偏差，K_p-torque为转矩控制器比例增益，K_i-torque为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，ω_n为发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值；

在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n₁，同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为限制值T_1im，设置T_min＝0.0为最小值，当转矩控制器输出y大于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y小于T_min时，转矩限制在y＝T_min；

在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速n_r，且测量功率小于额定功率时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r-(ω-n_r)，以增强转矩控制力度，其中，x为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速n_r，且测量转速大于中间转速n_I/II时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r+(n_r-ω)；同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为最小限制值T_1im，设置额定功率限制转矩为最大值，即T_gmax＝P_r/ω，其中，T_gmax为最大给定发电机电磁转矩，P_r为发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩控制器输出y小于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y大于T_gmax时，转矩限制在y＝T_gmax；

其中：T_1im＝K_optω²；K_opt＝η_nπρR⁵C_p/(2λ³G³)为最大功率点跟踪控制转矩限制，K_opt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，η_m为传动链机械效率，ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。

优选地，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为n₂；在区间III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速n_r；其中，n₂的取值范围为1.01～1.03倍的额定转速n_r；

变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y＝y^*+K_p-pitchG(φ)(x-x^*)+(dT/2)K_i-pitchG(φ)(x+x^*),x＝ω-ω_n这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，K_p-pitch为变桨控制器比例增益，K_i-pitch为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线性控制参数增益，φ为变桨角度，ω_n发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

优选地，所述中间转速的取值为所述最小并网转速和所述额定转速的平均值。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的一种风力发电机组的控制方法，在发电机的测量转速大于额定转速，且测量功率超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态。这样，在图3所示的区域II内，变桨控制的目标转速大于转矩控制目标转速，使得机组随风速增大，发电机转速大于额定转速，而还未达到额定功率时，转矩依旧采用变参数PI控制，控制变桨角度根据转速变化依旧可保持为最佳角度，通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，可以避免两种控制不同步造成转速在上下发生较大波动的问题，过渡区域由原来的点变化为改进后的曲线，更容易实现控制状态的柔性切换。同时，由于没有变桨控制的开关限制，在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态，在II、III之间过渡区，当风速变化较平稳且发电机转速小于过渡转速区域使变桨角度始终保持在最佳角度；当风速发生急剧变化时变桨控制可提前参与控制，与转矩控制协调转速，减小该区域内转速的波动。

同时，机组在达到额定功率后采用恒功率控制方式控制转矩，使得转矩给定值随发电机转速上升而下降，随发电机转速下降而上升，从而保证功率输出的稳定性。

另外，根据叶片非线性气动特性调整变桨PI控制参数，可增强变桨控制与叶片气动特性的适应性，提高变桨动作随风速变化的跟随性，提高机组运行的稳定性，减小由变桨控制引起的转速波动，减小机组的动态载荷。

进一步的，通过对转矩采用变参数PI控制方法，可有效增强在图3所示II、III过渡区间内的转矩控制力度，降低该区间内变桨的动作频率及动作幅度，减少在风力发电机组满发前，由于变桨提前动作导致的发电量损失及变桨系统负荷，从而提高风力发电机组在该区间内的发电量，减少变桨系统故障率、延长变桨系统使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为目前常用风力发电机组控制转速-转矩关系图；

图2为目前常用变桨PI控制参数与桨距角间关系图；

图3为本发明实施例提供的改进后风力发电机组控制转速-转矩关系图；

图4为本发明实施例提供的非线性变桨PI控制参数与桨距角间关系图；

图5本发明控制方案实施示意框图；

图6为实施例中平均风速为9m/s湍流风的风速示意图；

图7为本发明实施例中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的风轮转速对比图；

图8为本发明实施例中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的变桨角度对比图；

图9为本发明实施例中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的发电机输出功率对比图；

图10为本发明实施例中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的塔基载荷对比图；

图11为本发明实施例中分别采用现有其他控制方式和本发明控制方法的叶片载荷对比图。

具体实施方式

本发明公开了一种风力发电机组的控制方法，在中国专利公开号CN102635499A公开专利的基础上，增强在图3所示II、III过渡区间内的转矩控制力度，实现额定功率附近的转矩控制与变桨控制柔性过渡控制，保证机组运行及其功率输出的稳定性，降低该区间内变桨的动作频率及动作幅度，从而减少发电量损失及变桨系统负荷。

下面将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。

请参阅图3，本发明实施例提供的风力发电机组的控制方法，设置发电机过渡转速大于额定转速，在发动机的测量转速大于额定转速，且测量功率超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态。

本发明实施例提供的种风力发电机组的控制方法，如图3所示，在DE区间设置过渡转速点D'，当风力发电机组从控制状态CD向DE过渡时，变桨角度从D'点开始控制变化，而转矩依旧按照CD曲线采用变参数PI控制，通过改变两个控制器在过渡区域的控制目标点，可以避免两种控制不同步造成发电机转速ω在额定转速上下发生较大波动的问题，过渡区域由原来的点D变化为改进后的曲线DD'，更容易实现控制状态的柔性切换。同时，由于没有变桨控制的开关限制，在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态，在II、III之间过渡区，当风速变化较平稳且发电机转速ω小于过渡转速时，使变桨角度始终保持在最佳角度；当风速发生急剧变化时，变桨控制可提前参与控制，与转矩控制协调转速，减小该区域内转速ω的波动。

发电机输出功率为转速与转矩的乘积，由于湍流风的影响，在DE段变桨控制不能完全维持转速在额定值，在现有技术中，在该段采用恒转矩控制将造成输出功率随发电机转速变化而变化，降低发电功率品质。为了解决这一问题，本实施例中，在测量转速大于或者等于过渡转速的情况下，转矩控制采用恒功率控制方式，即，其中为给定发电机电磁转矩，为发电机额定功率，为发电机转速。

本发明实施例提供的种风力发电机组的控制方法，在测量转速大于或者等于过渡转速的情况下，变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式调整变桨角度。这样一来，根据叶片非线性气动特性调整变桨PI控制参数，可增强变桨控制与叶片气动特性的适应性，提高变桨动作随风速变化的跟随性，提高机组运行的稳定性，减小由变桨控制引起的转速波动，减小机组的动态载荷。

并且，本发明的变参数转矩控制方法，通过对转矩采用变参数PI控制方法，可有效增强在图3所示II、III过渡区间内的转矩控制力度，降低该区间内变桨的动作频率及动作幅度，减少在风力发电机组满发前，由于变桨提前动作导致的发电量损失及变桨系统负荷，从而提高风力发电机组在该区间内的发电量，减少变桨系统故障率、延长变桨系统使用寿命。

请参阅图3，取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III；

转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：

y＝y^*+K_p-torqu(_ex-x^*)+(dT/2)K_i-torque(x+x^*),x＝ω-ω_n

其中：y为输出转矩，x为输入转速偏差，K_p-torque为转矩控制器比例增益，K_i-torque为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，ω_n为发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值；

在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n₁，同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为限制值T_1im，设置T_min＝0.0为最小值，当转矩控制器输出y大于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y小于T_min时，转矩限制在y＝T_min；

在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速n_r，且测量功率小于额定功率时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r-(ω-n_r)，以增强转矩控制力度，其中，x为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速n_r，且测量转速大于中间转速n_I/II时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r+(n_r-ω)；同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为最小限制值T_1im，设置额定功率限制转矩为最大值，即T_gmax＝P_r/ω，其中，T_gmax为最大给定发电机电磁转矩，P_r为发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩控制器输出y小于T_1im时，转矩限制在y＝T_1im，当转矩控制器输出y大于T_gmax时，转矩限制在y＝T_gmax；

其中：T_1im＝K_optω²；K_opt＝η_mπρR⁵C_p/(2λ³G³)为最大功率点跟踪控制转矩限制，K_opt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，η_m为传动链机械效率，ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。

进一步的，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为n₂；在区间III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速n_r；其中，n₂的取值范围为1.01～1.03倍的额定转速n_r；

变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y＝y^*+K_p-pitchG(φ)(x-x^*)+(dT/2)K_i-pitchG(φ)(x+x^*),x＝ω-ω_n这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，K_p-pitch为变桨控制器比例增益，K_i-pitch为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线性控制参数增益，φ为变桨角度，ω_n发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

具体的，中间转速取值大小具体为最小并网转速和额定转速的平均值。

控制参数增益G与变桨角度之间关系表示为，其中是由叶片非线性气动特性确定的系数，通过该种方式调整的变桨PI控制器参数与叶片气动特性相一致，如图4所示。

各区间控制逻辑转换方案描述如下：

从区间I转换到区间II：发电机转速ω＞n_I/II；

从区间II转换到区间I：发电机转速ω＜n_I/II；

从区间II转换到区间III：发电机转速ω＞n_r,同时P＞P_r，P为发电机输出功率；

从区间III转换到区间II：变桨角度φ＜φ_f2p同时发电机转速ω＜n_r，φ_f2p取值为最佳变桨角度加0.5deg，该值根据不同叶片的气动特性可作适当修正。

本发明的控制方案实施示意框图如5所示。测量的发电机转速通过陷波滤波后与测量的发电机功率及测量的叶片变桨角度共同判断出当前机组运行的区域，根据不同的运行区域选择不同的转矩控制和变桨控制参考转速，再分别计算各自对应的偏差，转矩控制对应的转速偏差输入到转矩控制器输出转矩值，再通过转矩变化率和转矩极值限制输出满足机组要求的发电机转矩需求值到发电机进行控制，变桨控制器对应的转速偏差与非线性调整后的变桨控制器参数共同输入到变桨控制器，输出变桨角度，再通过变桨角度和速度限制输出满足机组要求的变桨角度。

本发明实施例还提供了一种风力发电机组的控制装置，包括：

变桨控制器，用于在发电机的整个正常工作转速范围内采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度；

转矩控制器，用于控制发电机的转矩；所述转矩控制器包括：

转矩变参数PI控制模块，用于采用变参数PI控制方式调整转矩；

转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；

转矩控制转换模块，用于控制转矩的控制方式在所述变参数PI控制方式和所述恒功率控制方式之间转换。

为了进一步优化上述的技术方案，还包括区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，并根据不同的运行区间选择不同的转矩控制的参考转速和变桨控制的参考转速。

风力发电机组的控制装置的控制方式与上文方法实施例中的控制方式一致，此处不再赘述。

对本发明进行仿真运行，分别采用额定风速附近湍流和额定以上风速湍流进行仿真比较，风力发电机组主要模型参数见表1。

名称	数值	单位
			风轮直径	111	m
叶片数量	3	-
			轮毂高度	80	m
最佳桨距角	0	deg
			切入风速	3	m/s
额定风速	9.8	m/s
			切出风速	25	m/s
风轮正常运行速度范围	8.3～14.8	rpm
			发电机额定转速	1755	rpm
发电机额定功率	2150	kw

表1

仿真采用风况为：平均风速为9m/s，湍流强度为10.45％，仿真结果如图6～11，图中粗线条表示本发明控制方法结果，细线条表示中国专利公开号CN102635499A公开的控制方法结果。图6为风速，图7为风轮转速，图8为变桨角度，图9为功率，图10为塔基载荷，图11为叶片载荷。从结果图中可以看出，当风速在额定风速附近波动，采用本发明的控制方法在额定工作点以下风速突然上升时，转矩与变桨协调控制可更好地实现控制区域柔性转换，与现有其他控制方式相比，在风速急剧变化时，转速波动显著降低，变桨动作明显减少，且变桨幅度显著降低，对应发电机功率明显增加，影响风力发电机组安全性的载荷变化幅度也显著降低。

通过实施例比较可知，在图3所示II、III区间控制过度区域，本发明的方法在提高发电量、降低变桨系统负荷的同时实现了转矩与变桨控制的柔性切换且降低风轮转速波动，还显著降低影响风力发电机组安全性的载荷变化幅度，提高机组的可靠性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种风力发电机组的控制方法，其特征在于，在发电机的测量转速大于额定转速，且测量功率超过额定功率的情况下，转矩由变参数PI控制方式转换到恒功率控制方式；在变桨角度小于最佳变桨角度，且测量转速降至额定转速之下的情况下，转矩由恒功率控制方式转换到变参数PI控制方式；采用PI控制参数非线性调整方式控制变桨角度，且在整个正常工作转速范围内变桨控制均处于激活状态；

转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：

y＝y^*+K_p-torque(x-x^*)+(dT/2)K_i-torque(x+x^*),x＝ω-ω_n

其中：y为输出转矩，x为输入转速偏差，K_p-torque为转矩控制器比例增益，K_i-torque为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，ω_n为发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值；

取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III；

在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n₁，同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为限制值T_lim，设置T_min＝0.0为最小值，当转矩控制器输出y大于T_lim时，转矩限制在y＝T_lim，当转矩控制器输出y小于T_min时，转矩限制在y＝T_min；

在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速n_r，且测量功率小于额定功率时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r-(ω-n_r)，以增强转矩控制力度，其中，x为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速n_r，且测量转速大于中间转速n_I/II时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r+(n_r-ω)；同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为最小限制值T_lim，设置额定功率限制转矩为最大值，即T_gmax＝P_r/ω，其中，T_gmax为最大给定发电机电磁转矩，P_r为发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩控制器输出y小于T_lim时，转矩限制在y＝T_lim，当转矩控制器输出y大于T_gmax时，转矩限制在y＝T_gmax；

其中：T_lim＝K_optω²；K_opt＝η_mπρR⁵C_p/(2λ³G³)为最大功率点跟踪控制转矩限制，K_opt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，η_m为传动链机械效率，ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。

2.根据权利要求1所述的风力发电机组的控制方法，其特征在于，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为n₂；在区间III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速n_r；其中，n₂的取值范围为1.01～1.03倍的额定转速n_r；

变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y＝y^*+K_p-pitchG(φ)(x-x^*)+(dT/2)K_i-pitchG(φ)(x+x^*),x＝ω-ω_n这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，K_p-pitch为变桨控制器比例增益，K_i-pitch为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线性控制参数增益，φ为变桨角度，ω_n发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

3.根据权利要求1所述的风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述中间转速的取值为所述最小并网转速和所述额定转速的平均值。

4.一种风力发电机组的控制装置，其特征在于，包括：

变桨控制器，用于在发电机的整个正常工作转速范围内采用PI控制参数非线性方式调整变桨角度；

转矩控制器，用于控制发电机的转矩；所述转矩控制器包括：

转矩变参数PI控制模块，用于采用变参数PI控制方式调整转矩；

转矩恒功率控制模块，用于采用恒功率控制方式调整转矩；

转矩控制转换模块，用于控制转矩的控制方式在所述变参数PI控制方式和所述恒功率控制方式之间转换；

区域判断模块，用于判断出当前机组运行的区间，并根据不同的运行区间选择不同的转矩控制的参考转速和变桨控制的参考转速；

所述区域判断模块，用于取发电机的中间转速介于最小并网转速和额定转速之间，设发电机的测量转速ω介于最小并网转速和中间转速之间时的情况下为区间I，测量转速ω介于中间转速和额定转速之间的情况下为区间II，测量转速大于额定转速的情况下为区间III；

转矩控制器对于转矩的变参数PI控制方式表达式为：

y＝y^*+K_p-torque(x-x^*)+(dT/2)K_i-torque(x+x^*),x＝ω-ω_n

其中：y为输出转矩，x为输入转速偏差，K_p-torque为转矩控制器比例增益，K_i-torque为转矩控制器积分增益，dT为时间步长，ω为发电机的测量转速，ω_n为发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值；

在区间I内，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n₁，同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为限制值T_lim，设置T_min＝0.0为最小值，当转矩控制器输出y大于T_lim时，转矩限制在y＝T_lim，当转矩控制器输出y小于T_min时，转矩限制在y＝T_min；

在区间II内，当发电机的测量转速ω大于额定转速n_r，且测量功率小于额定功率时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r-(ω-n_r)，以增强转矩控制力度，其中，x为控制输入偏差；当发电机的测量转速ω小于额定转速n_r，且测量转速大于中间转速n_I/II时，转矩控制器设置发电机的参考转速为：ω_n＝n_r+(n_r-ω)；同时设置最大风能利用系数Cp跟踪转矩作为最小限制值T_lim，设置额定功率限制转矩为最大值，即T_gmax＝P_r/ω，其中，T_gmax为最大给定发电机电磁转矩，P_r为发电机的额定功率，ω为发电机的测量转速，当转矩控制器输出y小于T_lim时，转矩限制在y＝T_lim，当转矩控制器输出y大于T_gmax时，转矩限制在y＝T_gmax；

其中：T_lim＝K_optω²；K_opt＝η_mπρR⁵C_p/(2λ³G³)为最大功率点跟踪控制转矩限制，K_opt为考虑传动链机械损耗后的最优模态增益，η_m为传动链机械效率，ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp为最大风能利用系数，λ为最大Cp对应的最佳叶尖速比，G为齿轮箱传动比。

5.根据权利要求4所述的风力发电机组的控制装置，其特征在于，在区间I和区间II内，变桨控制器设置发电机的参考转速为n₂；在区间III内，变桨控制器设置发电机的参考转速为发电机的额定转速n_r；其中，n₂的取值范围为1.01～1.03倍的额定转速n_r；

变桨控制采用PI控制参数非线性调整方式，其表达式为：y＝y^*+K_p-pitchG(φ)(x-x^*)+(dT/2)K_i-pitchG(φ)(x+x^*),x＝ω-ω_n这其中：y为输出变桨角度，x为输入转速偏差，K_p-pitch为变桨控制器比例增益，K_i-pitch为变桨控制器积分增益，dT为时间步长，G为非线性控制参数增益，φ为变桨角度，ω_n发电机的参考转速，符号(*)表示上一个时间点各参数对应值。

6.根据权利要求4所述的风力发电机组的控制装置，其特征在于，所述中间转速的取值为所述最小并网转速和所述额定转速的平均值。