CN105099320B - 永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装置。该方法包括：将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值；根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定值。本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装置，根据发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，即对发电机的给定电磁有功功率进行补偿，使得发电机的输出有功功率保持在额定值，进而使得风力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定值，避免了超发或欠发现象，提高了发电效率和发电量。

Description

永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装置

技术领域

本发明涉及风电技术领域，尤其涉及一种永磁直驱风力发电机输出 有功功率控制方法及装置。

背景技术

传统永磁直驱风力发电机组中，永磁直驱风力发电机的电磁有功功 率P_e减去发电机本身的铜损功率P_cu即为发电机的输出有功功率P_output， 发电机的输出有功功率P_output减去风力发电机组自用损耗功率P_loss，即 为风力发电机组的并网净上网有功功率P_{grid_output}。

在永磁直驱风力发电机组运行过程中，永磁直驱风力发电机一般采 用矢量控制，即风力发电机组主控制器通过控制发电机的转速n和电磁 扭矩T_e到额定值，使得发电机的电磁有功功率P_e＝T_e*ω_m＝T_e*2πn/60 达到额定值，进而使得发电机的输出有功功率P_output达到额定值，风力 发电机组的并网净上网有功功率P_{grid_output}达到额定值。

但在永磁直驱风力发电机组实际运行过程中，发电机定子绕组的电 阻值随温度的增加(降低)而增加(降低)，从而使得额定运行时发电 机本身的铜损功率相对于理论额定铜损功率出现漂移，由于发电机的电 磁有功功率处于额定值，根据能量守恒定率，发电机的输出有功功率将 出现漂移，进而风力发电机组的并网净上网有功功率将出现飘移，出现 超发或欠发现象，降低发电效率和发电量。

发明内容

本发明的实施例提供了一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控 制方法及装置，使得发电机的输出有功功率保持在额定值，进而使得风 力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定值，避免了超发或欠发现 象，提高了发电效率和发电量。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方 法，包括：

将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电 机的铜损功率差值；

根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补 偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定值。

另一方面，本发明提供一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控制 装置，包括：

铜损功率差值计算模块，用于将发电机的实际铜损功率和发电机的 理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值；

给定电磁扭矩补偿模块，用于根据所述发电机的铜损功率差值对发 电机的给定电磁扭矩进行补偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定 值。

本发明实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装 置，根据发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，即 对发电机的给定电磁有功功率进行补偿，使得发电机的输出有功功率保 持在额定值，进而使得风力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定 值，避免了超发或欠发现象，提高了发电效率和发电量。

附图说明

图1为永磁直驱风力发电机组的拓扑结构示意图；

图2为永磁直驱风力发电机组的功率损耗情况示意图；

图3为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法一 个实施例的流程示意图；

图4为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法又 一个实施例的流程示意图；

图5为图4所示实施例中步骤S405一种可行实施方式的逻辑示意图；

图6为图4所示实施例中步骤S405另一种可行实施方式的逻辑示意图；

图7为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置一 个实施例的结构示意图；

图8为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置又 一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

在对本发明的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法及装置 进行描述之前，先来介绍一下永磁直驱风力发电机组的拓扑结构以及功 率损耗情况。

图1为永磁直驱风力发电机组的拓扑结构示意图。如图1所示，叶 轮11直接驱动永磁直驱风力发电机12运行，永磁直驱风力发电机12 输出端连接发电机侧D_u/D_t滤波器13，发电机侧D_u/D_t滤波器13输出端 与发电机侧三相逆变器14相连，发电机侧三相逆变器14、直流侧支撑 电容15、网侧三相逆变器16组成了全功率变流系统，网侧三相逆变器 16输出端与网侧LCL滤波器17相连，网侧LCL滤波器17输出端并入 电网系统18，风力发电机主控制电控系统19通过风力发电机自用电变 压器20从电网系统18取电。

图2为永磁直驱风力发电机组的功率损耗情况示意图。如图2所示， 发电机的电磁有功功率P_e减去发电机的铜损功率P_cu即为发电机的输出 有功功率P_output，发电机的输出有功功率P_output减去变流器及电缆损耗功 率P_{loss_converter}，即为变流器网侧输出端有功功率，变流器网侧输出端有 功功率减去风力发电机主控制电控系统损耗功率P_{loss_WTC}即为风力发电 机组的并网净上网有功功率P_{grid_output}。

下面结合附图对本发明实施例永磁直驱风力发电机输出有功功率 控制方法及装置进行详细描述。

实施例一

图3为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法一 个实施例的流程示意图。如图3所示，本实施例的永磁直驱风力发电机 输出有功功率控制方法，具体可以包括：

S301，将发电机的实际铜损功率P_{cu_active}和发电机的理论铜损功率 P_{cu_theory}相减得到发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}。

S302，根据发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}对发电机的给定电磁扭矩 T_{e_ref}进行补偿，以使发电机的输出有功功率P_output保持在额定值。

具体的，本实施例通过将发电机的实际铜损功率P_{cu_active}和发电机 的理论铜损功率P_{cu_theory}相减，得到发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}即发电 机的铜损功率漂移。

根据发电机的铜损功率漂移对发电机的给定电磁有功功率P_{e_ref}进 行补偿，由于发电机的电磁有功功率P_e＝T_e*ω_m＝T_e*2πn/60，因此可 通过对发电机的给定电磁扭矩T_{e_ref}进行补偿，从而实现对发电机的给定 电磁有功功率P_{e_ref}的补偿，抵消发电机的铜损功率漂移，消除因发电机 的铜损功率漂移导致的发电机的输出有功功率漂移和风力发电机组的 并网净上网有功功率漂移问题，使得发电机的输出有功功率P_output和风 力发电机组的并网净上网有功功率P_{grid_output}均保持在额定值，避免超发 或欠发现象，提高发电效率和发电量。本实施例的永磁直驱风力发电机 输出有功功率控制方法，根据发电机的铜损功率差值对发电机的给定电 磁扭矩进行补偿，即对发电机的给定电磁有功功率进行补偿，使得发电 机的输出有功功率保持在额定值，进而使得风力发电机组的并网净上网 有功功率保持在额定值，避免了超发或欠发现象，提高了发电效率和发 电量。

实施例二

图4为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法又 一个实施例的流程示意图。如图4所示，本实施例的永磁直驱风力发电 机输出有功功率控制方法给出了图3所示实施例的永磁直驱风力发电机 输出有功功率控制方法的一种具体实现方式，本实施例的永磁直驱风力 发电机输出有功功率控制方法具体可以包括：

S401，根据发电机定子绕组的实际温度t_active和初始温度t_s下发电 机定子绕组的初始电阻值R_s计算得到发电机定子绕组的实际电阻值 R_active。

具体的，在发电机实际运行过程中，发电机定子绕组的温度t会发 生变化，进而导致发电机定子绕组的电阻值R会发生变化。由于发电机 定子绕组在初始温度t_s下的初始电阻值R_s已知，且发电机定子绕组的 电阻值R随温度每上升(下降)1度上升(下降)的百分比K可以通过 测量得到，当前发电机定子绕组的实际温度t_active可以通过安装在发电 机定子绕组上的温度传感器测量得到，因此当前发电机定子绕组的实际 温度t_active下，发电机定子绕组的实际电阻值R_active可以通过以下公式计 算得到：

R_active＝((t_active-t_s)*K+100％)R_s

S402，根据发电机定子绕组的实际电阻值R_active和发电机相电流的 实际值I_active计算得到发电机的实际铜损功率P_{cu_active}。

具体的，发电机定子绕组的实际电阻值R_active已通过上述步骤S401 计算得到，发电机相电流的实际值I_active可以通过发电机侧逆变器采样 得到，因此当前发电机的实际铜损功率P_{cu_active}可以通过以下公式计算 得到：

对于三相发电机而言，可以通过发电机侧三相逆变器采样发电机三 相电流的瞬时值I_a、I_b、I_c，计算发电机三相电流的有效值I_{a_rms}、I_{b_rms}、 I_{c_rms}，发电机三相定子绕组的实际电阻值R_{active_a}、R_{active_b}、R_{active_c}可以分 别根据发电机三相定子绕组的实际温度t_{active_a}、t_{active_b}、t_{active_c}计算得到， 因此当前发电机的实际铜损功率P_{cu_active}可以通过以下公式计算得到：

为了简化计算，发电机的实际铜损功率P_{cu_active}可以通过以下公式计 算得到：

I_{rms_avg}＝(I_{a_rms}+I_{b_rms}+I_{c_rms})/3

S403，根据发电机相电流的实际值I_active和发电机端电压的实际值 U_active计算得到发电机的实际输出有功功率P_{output_active}。

具体的，对于三相发电机而言，可以通过发电机侧三相逆变器采样 发电机三相电流的瞬时值I_a、I_b、I_c和发电机端电压(直流电压)U_d、 U_q，通过坐标变换得到发电机的直轴电流I_d和交轴电流I_q，U_d、U_q分别 为逆变器矢量控制过程中直轴电压和交轴电压给定值，因此发电机的实 际输出有功功率P_{output_active}可以通过以下公式计算得到：

其中，分别为发电机相电压和相电流矢量的模(幅值)，θ_u， θ_I分别为发电机相电压和相电流的相位角。

此处需要说明的是，在实际应用过程中，由于θ_u取值范围是0～2π，而反 正切函数的值域是-π/2～π/2，因此上述θ_u的准确计算公式如下(以q轴超前d 轴π/2角度的坐标系为例)：

(1)如果U_d>0，则

(2)如果U_d<0，同时U_q>0，则

(3)如果U_d<0，同时U_q<0，则

同理，由于θ_I取值范围是0～2π，而反正切函数的值域是-π/2～π/2，因此上 述θ_I的准确计算公式如下(以q轴超前d轴π/2角度的坐标系为例)取值范围 是：

(1)如果I_d>0，则

(2)如果I_d<0，同时I_q>0，则

(3)如果I_d<0，同时I_q<0，则

S404，根据发电机的实际铜损功率P_{cu_active}和发电机的实际输出有功 功率P_{output_active}计算得到发电机的实际电磁有功功率P_{e_active}。

具体的，发电机的实际铜损功率P_{cu_active}已通过上述步骤S402计算 得到，发电机的实际输出有功功率P_{output_active}已通过上述步骤S403计算 得到，因此发电机的实际电磁有功功率P_{e_active}可以通过以下公式计算得 到：

P_{e_active}＝P_{output_active}+P_{cu_active}

S405，根据发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发电机多个工 作点的铜损功率P_{cu_i}计算得到发电机的理论铜损函数P_cu＝f(P_e)。

其中，i为自然数，且2≤i≤n，n为工作点的个数。

具体的，可以根据发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}采用最小二乘法等算法计算得到发电机的理论铜损函数P_cu＝f(P_e)。

其中，发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发电机多个工作点 的铜损功率P_{cu_i}可以通过以下三种方式计算得到：

作为第一种可行的实施方式，如果发电机理论电磁有功功率和铜损 功率P_e-P_cu曲线已知，则发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发电机 多个工作点的铜损功率P_{cu_i}可以通过直接在上述发电机理论电磁有功 功率和铜损功率P_e-P_cu曲线上采样多个工作点的值获得。以n＝10为例，发 电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}具体可以为0.1P_{e_rated}、0.2P_{e_rated}、……、0.9P_{e_rated}、P_{e_rated}。其中P_{e_rated}为发电机的额定电磁有 功功率。发电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}与发电机多个工作点的电磁 有功功率P_{e_i}为相同的多个工作点下的值。

图5为图4所示实施例中步骤S405一种可行实施方式的逻辑示意图。 如图5所示，作为第二种可行的实施方式，如果发电机电磁有功功率和铜 损功率曲线P_e-P_cu未知，则发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发电 机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}可以根据发电机的理论输出有功功率和 转速P_output-n曲线计算得到。具体可以包括以下步骤S501～S504：

S501，根据发电机的理论输出有功功率和转速P_output-n曲线计算得 到发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和对应的发电机多个 工作点的理论转速n_i。

具体的，发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和对应的发 电机多个工作点的理论转速n_i可以通过直接在发电机的理论输出有功 功率和转速P_output-n曲线上采样多个工作点的值获得。以n＝10为例，发电 机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}具体可以为0.1P_{output_rated}、 0.2P_{output_rated}、……、0.9P_{output_rated}、P_{output_rated}。其中P_{output_rated}为发电机 的额定输出有功功率。发电机多个工作点的理论转速n_i与发电机多个工 作点的理论输出有功功率P_{output_i}为相同的多个工作点下的值。

S502，根据发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和发电机 多个工作点的理论转速n_i计算得到发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|。

具体的，发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和发电机多 个工作点的理论转速n_i已通过上述步骤S501得到。本步骤S502中根据 发电机某个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}计算得到发电机在该工 作点的相电流幅值|I_i|的过程具体可以包括以下步骤S502_1～S502_3：

S502_1，设定相电流的初始幅值|I|和相电流的初始相位角θ。

S502_2，根据相电流的初始幅值|I|、相电流的初始相位角θ和发电 机多个工作点的理论转速n_i计算得到发电机多个工作点的输出有功功 率P_output和发电机多个工作点的端电压幅值|U|。。

S502_3，当发电机在一工作点的输出有功功率P_output等于发电机在 该工作点的理论输出有功功率P_{output_i}，且发电机在该工作点的端电压幅 值|U|等于发电机在该工作点的理论端电压幅值|U_i|时，确定此时的相电 流初始幅值|I|为发电机在该工作点的相电流幅值|I_i|。

具体的，可以设定发电机在第i个工作点的相电流的初始幅值为|I|， 相电流的初始相位角为θ。

根据发电机数学模型对下述变量进行计算：

I_q＝|I|*sin(θ)

I_d＝|I|*cos(θ)

U_q＝R_sI_q+ω_eL_dI_d+ω_eψ_f

U_d＝R_sI_d-ω_eL_qI_q

ω_e＝p_nω_m＝p_n*2πn/60

其中，I_d、I_q分别为发电机的交轴电流和直轴电流，U_d、U_q分别为 发电机的交轴电压和直轴电压，ω_e为发电机的电角速度，p_n为发电机的 极对数。θ_u的准确计算公式参见上述步骤S403中的相关描述，此处不再 赘述。

则发电机的输出有功功率P_output的约束公式为：

发电机的端电压幅值|U|的约束公式为：

上述已设定的相电流的初始幅值|I|和相电流的初始相位角θ一般不 能使发电机的输出有功功率P_output和发电机的端电压幅值|U|分别达到发电 机在该工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和理论端电压幅值|U_i|。因此 首先调整发电机相电流的初始幅值|I|，使发电机的输出有功功率P_output达 到发电机在该工作点的理论输出有功功率P_{output_i}。然后调整发电机相电 流的初始相位角θ，使发电机的端电压幅值|U|达到发电机在该工作点的 理论端电压幅值|U_i|。判断发电机的输出有功功率P_output和发电机的端电压 幅值|U|是否分别达到发电机在该工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和 理论端电压幅值|U_i|，若否，则继续调整发电机相电流的初始幅值|I|和 相电流的初始相位角θ，若是，则确定此时发电机的相电流初始幅值|I|为 发电机在该工作点的相电流幅值|I_i|。

S503，根据发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|和发电机定子绕组的 初始电阻值R_s计算得到发电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}。

具体的，发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|已通过上述步骤S502 计算得到，发电机定子绕组的初始电阻值R_s已知，因此发电机多个工 作点的铜损功率P_{cu_i}可以根据以下公式计算得到：

P_{cu_i}＝3*|I_i|²*R_s

S504，根据发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}和发电机 多个工作点的铜损功率P_{cu_i}计算得到发电机多个工作点的电磁有功功 率P_{e_i}。

具体的，发电机多个工作点的理论输出有功功率P_{output_i}已通过上述 步骤S501计算得到，发电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}已通过上述步 骤S503计算得到，因此发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}可以根 据以下公式计算得到：

P_{e_i}＝P_{output_i}+P_{cu_i}

图6为图4所示实施例中步骤S405另一种可行实施方式的逻辑示意图。 如图6所示，作为第三种可行的实施方式，如果发电机电磁有功功率和 铜损功率曲线P_e-P_cu未知，则发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}和发 电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}可以根据发电机的理论电磁扭矩和转 速T_e-n曲线计算得到。具体可以包括以下步骤S601-S606：

S601，根据发电机的理论电磁扭矩和转速T_e-n曲线计算得到发电机 多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}和对应的发电机多个工作点的理论转速n_i。

具体的，发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}和对应的发电机多 个工作点的理论转速n_i可以通过直接在发电机的理论电磁扭矩和转速 T_e-n曲线上采样多个工作点的值获得。以n＝10为例，发电机多个工作点 的理论电磁扭矩T_{e_i}具体可以为0.1T_{e_rated}、0.2T_{e_rated}、……、0.9T_{e_rated}、 T_{e_rated}。其中T_{e_rated}为发电机的额定电磁扭矩。发电机多个工作点的理 论转速n_i与发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}为相同的多个工作点 下的值。

S602，根据发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}计算得到发电机 多个工作点的交轴电流I_{q_i}。

具体的，发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}已通过上述步骤 S601得到。因此发电机多个工作点的交轴电流I_{q_i}可以通过以下公式计 算得到：

其中，为发电机的磁链值。

S603，根据发电机多个工作点的交轴电流I_{q_i}和发电机多个工作点 的理论转速n_i计算得到发电机多个工作点的直轴电流I_{d_i}。

具体的，发电机多个工作点的交轴电流I_{q_i}已通过上述步骤S602计 算得到，发电机多个工作点的理论转速n_i已通过上述步骤S601得到。 因此发电机多个工作点的直轴电流I_{d_i}可以根据发电机端电压幅值|U_i| 的最大值和以下公式计算得到：

ω_{e_i}＝p_nω_{m_i}＝p_n*2πn_i/60

S604，根据发电机多个工作点的交轴电流I_{q_i}和发电机多个工作点 的直轴电流I_{d_i}计算得到发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|。

具体的，发电机多个工作点的交轴电流I_{q_i}已通过上述步骤S602计 算得到，发电机多个工作点的直轴电流I_{d_i}已通过上述步骤S603计算得 到。因此发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|可以通过以下公式计算得到：

S605，根据发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|和发电机定子绕组的初始电阻值R_s计算得到发电机多个工作点的铜损功率P_{cu_i}。

具体的，发电机多个工作点的相电流幅值|I_i|已通过上述步骤S604 计算得到，发电机定子绕组的初始电阻值R_s已知，因此发电机多个工 作点的铜损功率P_{cu_i}可以根据以下公式计算得到：

P_{cu_i}＝3*|I_i|²*R_s

S606，根据发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}和发电机多个工 作点的理论转速n_i计算得到发电机多个工作点的电磁有功功率P_{e_i}。

具体的，发电机多个工作点的理论电磁扭矩T_{e_i}和发电机多个工作 点的理论转速n_i已通过上述步骤S601计算得到。因此发电机多个工作 点的电磁有功功率P_{e_i}可以根据以下公式计算得到：

P_{e_i}＝T_{e_i}*ω_{m_i}＝T_{e_i}*2πn_i/60

S406，根据发电机的实际电磁有功功率P_{e_active}和发电机的理论铜损 函数P_cu＝f(P_e)计算得到发电机的理论铜损功率P_{cu_theory}。

具体的，发电机的实际电磁有功功率P_{e_active}已通过上述步骤S404 计算得到，发电机的理论铜损函数P_cu＝f(P_e)已通过上述步骤S405计 算得到，因此可将发电机的实际电磁有功功率P_{e_active}代入发电机的理论 铜损函数P_cu＝f(P_e)中，计算得到发电机的理论铜损功率P_{cu_theory}。

S407，将发电机的实际铜损功率P_{cu_active}和发电机的理论铜损功率 P_{cu_theory}相减得到发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}。

具体的，发电机的实际铜损功率P_{cu_active}已通过上述步骤S402计算 得到，发电机的理论铜损功率P_{cu_theory}已通过上述步骤S406计算得到， 因此发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}即发电机的铜损功率漂移可以根据以 下公式计算得到：

P_{cu_diff}＝P_{cu_active}-P_{cu_theory}

S408，根据发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}对发电机的给定电磁扭矩 T_{e_ref}进行补偿，以使发电机的输出有功功率P_output保持在额定值。

具体的，发电机的铜损功率差值P_{cu_diff}已通过上述步骤S407计算 得到，则采用以下公式对发电机的给定电磁扭矩T_{e_ref}进行补偿：

T_{e_compensation}＝T_{e_ref}+P_{cu_diff}/ω_m；

其中，T_{e_compensation}为补偿后发电机的给定电磁扭矩，T_{e_ref}为补偿前 发电机的给定电磁扭矩，P_{cu_diff}为发电机的铜损功率差值，ω_m为发电机 的机械角速度。

将补偿后发电机的给定电磁扭矩T_{e_compensation}作为矢量控制中新的电 磁扭矩给定值，也即下次补偿过程中新的补偿前发电机的给定电磁扭矩。

其中，补偿前发电机的电磁扭矩T_{e_ref}的初始值根据发电机组的主 控制策略确定。

由于补偿后发电机的电磁有功功率P_{e_compensation}可以采用以下公式 计算得到：

P_{e_compensation}＝T_{e_compensation}*ω_m

即

P_{e_compensation}＝T_{e_ref}*ω_m+P_{cu_diff}＝P_{e_ref}+P_{cu_diff}

其中，P_{e_ref}为补偿前发电机的给定电磁有功功率。

因此，通过对发电机的给定电磁扭矩T_{e_ref}进行补偿，可以实现对发 电机的给定电磁有功功率P_{e_ref}的补偿，抵消发电机的铜损功率漂移，消 除因发电机的铜损功率漂移导致的发电机的输出有功功率漂移和风力 发电机组的并网净上网有功功率漂移问题，使得发电机的输出有功功率 P_output和风力发电机组的并网净上网有功功率P_{grid_output}均保持在额定值， 避免超发或欠发现象，提高发电效率和发电量。

本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法，根据发电 机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，即对发电机的给 定电磁有功功率进行补偿，使得发电机的输出有功功率保持在额定值， 进而使得风力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定值，避免了超 发或欠发现象，提高了发电效率和发电量。

实施例三

图7为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置一 个实施例的结构示意图。如图7所示，本实施例的永磁直驱风力发电机 输出有功功率控制装置可以执行上述图3所示实施例的永磁直驱风力发 电机输出有功功率控制方法。具体的，本实施例的永磁直驱风力发电机 输出有功功率控制装置可以包括：铜损功率差值计算模块71和给定电 磁扭矩补偿模块72，其中：

铜损功率差值计算模块71，用于将发电机的实际铜损功率和发电机 的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值。

给定电磁扭矩补偿模块72，用于根据发电机的铜损功率差值对发电 机的给定电磁扭矩进行补偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定值。

具体的，本实施例的控制装置中各模块实现其功能的具体过程可以 参见上述图3所示方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。

本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置，根据发电 机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，即对发电机的给 定电磁有功功率进行补偿，使得发电机的输出有功功率保持在额定值， 进而使得风力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定值，避免了超 发或欠发现象，提高了发电效率和发电量。

实施例四

图8为本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置又 一个实施例的结构示意图。如图8所示，本实施例的永磁直驱风力发电 机输出有功功率控制装置可以执行上述图4所示实施例的永磁直驱风力 发电机输出有功功率控制方法。具体的，本实施例的永磁直驱风力发电 机输出有功功率控制装置在图7所示实施例的基础上还可以包括：定子 绕组的实际电阻值计算模块81和实际铜损功率计算模块82。其中：

定子绕组的实际电阻值计算模块81，用于根据发电机定子绕组的实 际温度和初始温度下发电机定子绕组的初始电阻值计算得到发电机定 子绕组的实际电阻值。

实际铜损功率计算模块82，用于根据发电机定子绕组的实际电阻值 和发电机相电流的实际值计算得到发电机的实际铜损功率。

进一步的，本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置 还可以包括：

实际输出有功功率计算模块83，用于根据发电机相电流的实际值和 发电机端电压的实际值计算得到发电机的实际输出有功功率。

实际电磁有功功率计算模块84，用于根据发电机的实际铜损功率和 发电机的实际输出有功功率计算得到发电机的实际电磁有功功率。

理论铜损功率计算模块85，用于根据发电机的实际电磁有功功率和 发电机的理论铜损函数计算得到发电机的理论铜损功率。

进一步的，本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置 还可以包括：

理论铜损函数计算模块86，用于根据发电机多个工作点的电磁有功 功率和发电机多个工作点的铜损功率计算得到发电机的理论铜损函数。

进一步的，理论铜损函数计算模块86具体可以用于：

根据发电机多个工作点的电磁有功功率和发电机多个工作点的铜 损功率，采用最小二乘法计算得到发电机的理论铜损函数。

作为第一种可行实施方式，本实施例的永磁直驱风力发电机输出有 功功率控制装置还可以包括：

理论输出有功功率和理论转速计算模块，用于根据发电机的理论输 出有功功率和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论输出有功功 率和对应的发电机多个工作点的理论转速。

第一相电流幅值计算模块，用于根据发电机多个工作点的理论输出 有功功率和发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点 的相电流幅值。

第一铜损功率计算模块，用于根据发电机多个工作点的相电流幅值 和发电机定子绕组的初始电阻值计算得到发电机多个工作点的铜损功 率。

第一电磁有功功率计算模块，用于根据发电机多个工作点的理论输 出有功功率和发电机多个工作点的铜损功率计算得到发电机多个工作 点的电磁有功功率。

进一步的，第一相电流幅值计算模块具体可以包括：

相电流的初始幅值和初始相位角设定子模块，用于设定相电流的初 始幅值和相电流的初始相位角。

输出有功功率和端电压幅值计算子模块，用于根据所述相电流的初 始幅值、所述相电流的初始相位角和所述发电机多个工作点的理论转速 计算得到发电机多个工作点的输出有功功率和发电机多个工作点的端 电压幅值。

相电流幅值确定子模块，用于当发电机在一工作点的输出有功功率 等于发电机在该工作点的理论输出有功功率，且发电机在该工作点的端 电压幅值等于发电机在该工作点的理论端电压幅值时，确定此时的相电 流初始幅值为发电机在该工作点的相电流幅值。

作为第二种可行实施方式，本实施例的永磁直驱风力发电机输出有 功功率控制装置还可以包括：

理论电磁扭矩和理论转速计算模块，用于根据发电机的理论电磁扭 矩和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论电磁扭矩和对应的发 电机多个工作点的理论转速。

交轴电流计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理论电磁扭 矩计算得到发电机多个工作点的交轴电流。

直轴电流计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的交轴电流和 所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的直轴 电流。

第二相电流幅值计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的交轴 电流和所述发电机多个工作点的直轴电流计算得到发电机多个工作点 的相电流幅值。

第二铜损功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的相电流 幅值和所述发电机定子绕组的初始电阻值计算得到所述发电机多个工 作点的铜损功率。

第二电磁有功功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理 论电磁扭矩和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到所述发电机 多个工作点的电磁有功功率。

进一步的，给定电磁扭矩补偿模块72根据发电机的铜损功率差值 对发电机的电磁扭矩进行补偿，采用的公式如下：

T_{e_compensation}＝T_{e_ref}+P_{cu_diff}/ω_m；

其中，T_{e_compensation}为补偿后发电机的给定电磁扭矩，T_{e_ref}为补偿前 发电机的给定电磁扭矩，P_{cu_diff}为发电机的铜损功率差值，ω_m为发电机 的机械角速度。

具体的，本实施例的控制装置中各模块实现其功能的具体过程可以 参见上述图4所示方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。

本实施例的永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置，根据发电 机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，即对发电机的电 磁有功功率进行补偿，使得发电机的输出有功功率保持在额定值，进而 使得风力发电机组的并网净上网有功功率保持在额定值，避免了超发或 欠发现象，提高了发电效率和发电量。

此处需要说明的是，本发明提供的永磁直驱风力发电机输出有功功 率控制方法和装置适用于永磁直驱风力发电机在内的各种同步发电机。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本 发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控制方法，其特征在于，包括：

将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值；

根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值之前，还包括：

根据发电机定子绕组的实际温度和初始温度下发电机定子绕组的初始电阻值计算得到发电机定子绕组的实际电阻值；

根据所述发电机定子绕组的实际电阻值和发电机相电流的实际值计算得到所述发电机的实际铜损功率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值之前，还包括：

根据所述发电机相电流的实际值和发电机端电压的实际值计算得到发电机的实际输出有功功率；

根据所述发电机的实际铜损功率和所述发电机的实际输出有功功率计算得到发电机的实际电磁有功功率；

根据所述发电机的实际电磁有功功率和发电机的理论铜损函数计算得到所述发电机的理论铜损功率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机的实际电磁有功功率和发电机的理论铜损函数计算得到所述发电机的理论铜损功率之前，还包括：

根据发电机多个工作点的电磁有功功率和发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机的理论铜损函数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机多个工作点的电磁有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机的理论铜损函数，包括：

根据所述发电机多个工作点的电磁有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率，采用最小二乘法计算得到所述发电机的理论铜损函数。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机多个工作点的电磁有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机的理论铜损函数之前，包括：

根据发电机的理论输出有功功率和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论输出有功功率和对应的发电机多个工作点的理论转速；

根据所述发电机多个工作点的理论输出有功功率和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的相电流幅值；

根据所述发电机多个工作点的相电流幅值和所述发电机定子绕组的初始电阻值计算得到所述发电机多个工作点的铜损功率；

根据所述发电机多个工作点的理论输出有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机多个工作点的电磁有功功率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机多个工作点的理论输出有功功率和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的相电流幅值，包括：

设定相电流的初始幅值和相电流的初始相位角；

根据所述相电流的初始幅值、所述相电流的初始相位角和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的输出有功功率和发电机多个工作点的端电压幅值；

当发电机在所述工作点的输出有功功率等于发电机在所述工作点的理论输出有功功率，且发电机在所述工作点的端电压幅值等于发电机在所述工作点的理论端电压幅值时，确定此时的相电流初始幅值为发电机在所述工作点的相电流幅值。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机多个工作点的电磁有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机的理论铜损函数之前，包括：

根据发电机的理论电磁扭矩和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论电磁扭矩和对应的发电机多个工作点的理论转速；

根据所述发电机多个工作点的理论电磁扭矩计算得到发电机多个工作点的交轴电流；

根据所述发电机多个工作点的交轴电流和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的直轴电流；

根据所述发电机多个工作点的交轴电流和所述发电机多个工作点的直轴电流计算得到发电机多个工作点的相电流幅值；

根据所述发电机多个工作点的相电流幅值和所述发电机定子绕组的初始电阻值计算得到所述发电机多个工作点的铜损功率；

根据所述发电机多个工作点的理论电磁扭矩和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到所述发电机多个工作点的电磁有功功率。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，采用的公式如下：

T_{e_compensation}＝T_{e_ref}+P_{cu_diff}/ω_m；

其中，所述T_{e_compensation}为补偿后发电机的给定电磁扭矩，所述T_{e_ref}为补偿前发电机的给定电磁扭矩，所述P_{cu_diff}为所述发电机的铜损功率差值，所述ω_m为发电机的机械角速度。

10.一种永磁直驱风力发电机输出有功功率控制装置，其特征在于，包括：

铜损功率差值计算模块，用于将发电机的实际铜损功率和发电机的理论铜损功率相减得到发电机的铜损功率差值；

给定电磁扭矩补偿模块，用于根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的给定电磁扭矩进行补偿，以使发电机的输出有功功率保持在额定值。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括：

定子绕组的实际电阻值计算模块，用于根据发电机定子绕组的实际温度和初始温度下发电机定子绕组的初始电阻值计算得到发电机定子绕组的实际电阻值；

实际铜损功率计算模块，用于根据所述发电机定子绕组的实际电阻值和发电机相电流的实际值计算得到所述发电机的实际铜损功率。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括：

实际输出有功功率计算模块，用于根据所述发电机相电流的实际值和发电机端电压的实际值计算得到发电机的实际输出有功功率；

实际电磁有功功率计算模块，用于根据所述发电机的实际铜损功率和所述发电机的实际输出有功功率计算得到发电机的实际电磁有功功率；

理论铜损功率计算模块，用于根据所述发电机的实际电磁有功功率和发电机的理论铜损函数计算得到所述发电机的理论铜损功率。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，还包括：

理论铜损函数计算模块，用于根据发电机多个工作点的电磁有功功率和发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机的理论铜损函数。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述理论铜损函数计算模块具体用于：

根据所述发电机多个工作点的电磁有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率，采用最小二乘法计算得到所述发电机的理论铜损函数。

15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，还包括：

理论输出有功功率和理论转速计算模块，用于根据发电机的理论输出有功功率和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论输出有功功率和对应的发电机多个工作点的理论转速；

第一相电流幅值计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理论输出有功功率和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的相电流幅值；

第一铜损功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的相电流幅值和所述发电机定子绕组的初始电阻值计算得到所述发电机多个工作点的铜损功率；

第一电磁有功功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理论输出有功功率和所述发电机多个工作点的铜损功率计算得到所述发电机多个工作点的电磁有功功率。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一相电流幅值计算模块包括：

相电流的初始幅值和初始相位角设定子模块，用于设定相电流的初始幅值和相电流的初始相位角；

输出有功功率和端电压幅值计算子模块，用于根据所述相电流的初始幅值、所述相电流的初始相位角和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的输出有功功率和发电机多个工作点的端电压幅值；

相电流幅值确定子模块，用于当发电机在所述工作点的输出有功功率等于发电机在所述工作点的理论输出有功功率，且发电机在所述工作点的端电压幅值等于发电机在所述工作点的理论端电压幅值时，确定此时的相电流初始幅值为发电机在所述工作点的相电流幅值。

17.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，还包括：

理论电磁扭矩和理论转速计算模块，用于根据发电机的理论电磁扭矩和转速曲线计算得到发电机多个工作点的理论电磁扭矩和对应的发电机多个工作点的理论转速；

交轴电流计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理论电磁扭矩计算得到发电机多个工作点的交轴电流；

直轴电流计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的交轴电流和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到发电机多个工作点的直轴电流；

第二相电流幅值计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的交轴电流和所述发电机多个工作点的直轴电流计算得到发电机多个工作点的相电流幅值；

第二铜损功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的相电流幅值和所述发电机定子绕组的初始电阻值计算得到所述发电机多个工作点的铜损功率；

第二电磁有功功率计算模块，用于根据所述发电机多个工作点的理论电磁扭矩和所述发电机多个工作点的理论转速计算得到所述发电机多个工作点的电磁有功功率。

18.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述给定电磁扭矩补偿模块根据所述发电机的铜损功率差值对发电机的电磁扭矩进行补偿，采用的公式如下：

T_{e_compensation}＝T_{e_ref}+P_{cu_diff}/ω_m；

其中，所述T_{e_compensation}为补偿后发电机的给定电磁扭矩，所述T_{e_ref}为补偿前发电机的给定电磁扭矩，所述P_{cu_diff}为所述发电机的铜损功率差值，所述ω_m为发电机的机械角速度。