CN105226713A - 一种风力发电机组控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组控制系统，包括风电机组、变流器和主控系统，所述风电机组包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的电机，所述电机的数量为一个，其中，所述电机的定子侧连接到电网上，所述电机的转子侧连接到变流器的机侧，所述变流器网侧连接到电网上，且所述变流器与主控系统连接。相比现有技术，本发明充分利用发电机组电机既可作发电机又可作电动机的特性，在不增加其他电机以及设备的情况下，既节省了成本，又避免了风机的频繁起停，延长了器件寿命，减少了机械损伤。同时，本发明还提供了一种风力发电机组控制方法。

Description

一种风力发电机组控制系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组的控制技术领域，特别涉及一种风力发电机组控制系统及方法。

背景技术

风力发电机组控制系统是一个要求能够无人值守、远程监控的综合性自动化系统。它要监视电网、风况和机组的各种运行参数，要能够自动或手动的开停机和并脱网控制，保证机组的安全性和可靠性，并网后还要能够根据风况(包括风向、风速大小及其变化率)，对机组进行优化控制，提高机组的运行效率和发电量。近年来二类及三类风电场越来越多，各风电场夏季空气稀薄，风速更低，如何提高风电机组在较低风速下的切入电网能力、提高低风速下的发电量已经成为各整机厂家亟待解决的课题。

目前已公开的技术做法大多是对风电机组的两个电机进行控制，一种是双电枢混合励磁风力发电机组采用双电机技术，在低风速时，永磁电枢调速发电，启动力矩小，在高风速时异步电枢与永磁电枢同时定速发电。双电机切换控制应用于双电枢混合励磁风力发电机组，对于避免永磁同步电机和感应电机频繁切换，有效利用风能，提高发电机效率和机组可利用率起重要作用。另一种做法是风电机组包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的永磁同步电机、电励磁同步发电机，其中永磁同步电机总的额定功率占风电机组额定功率的1/3，电励磁同步发电机的额定功率占风力发电机组额定功率的2/3，永磁同步电机连接变流器，变流器根据风速及永磁同步电机的转速控制永磁同步电机分别作为发电机或电动机使用，电励磁同步发电机连接有调整同步发电机输出有功功率分量或无功功率分量的励磁控制装置，优点是使用相当于风力发电机组1/3功率的变流器即可实现与电网的稳定连接。但是，其上两种已公开的技术并未解决切入风速附近风况频繁起停机、并网开关动作频繁、器件易损坏等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种风力发电机组控制系统及方法，用于避免风机频繁起停，以及并网开关的频繁动作，延长器件寿命，减少机械损伤。

一方面，本发明提供了一种风力发电机组控制系统，包括风电机组、变流器和主控系统，所述风电机组包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的电机，所述电机的数量为一个，其中，所述电机的定子侧连接到电网上，所述电机的转子侧连接到变流器的机侧，所述变流器网侧连接到电网上，且所述变流器与主控系统连接。

进一步地，所述变流器包括变流控制器、电网侧变换器和转子侧变换器，所述电网侧变换器与转子侧变换器连接，所述变流控制器同时与电网侧变换器和转子侧变换器连接。

进一步地，所述电网侧变换器与电网连接，所述转子侧变换器与电机的转子连接，所述变流控制器与主控系统连接。

进一步地，所述风力发电机组控制系统还包括用于调节风轮桨距角的变桨控制器，所述变桨控制器与所述主控系统连接。

进一步地，所述风力发电机组控制系统还包括并网开关，所述电机的定子通过并网开关与电网侧连接；和/或，所述电网侧变换器与所述电网之间设置有并网开关。

另一方面，本发明还提供一种风力发电机组控制方法，用于控制其上任一项所述的风力发电机组控制系统，包括步骤如下：

所述风电机组起机时，若风速大于等于切入风速，且状态持续了一定时间，则进入空转初始化阶段，若风速不满足条件，则停留在待风阶段；

当风电机组的电机转速提升达到空转初始化设定转速后，则进入并网转速提升阶段；

当风电机组的电机转速提升达到并网转速后且一定时间内转速误差较小，则进入并网连接阶段；

在并网发电阶段，若风速向下波动，风电机组的电机转速降低至小于脱网转速后，对风电机组并不作脱网停机控制，而是控制风电机组的电机作电动机使用，使其转速维持在脱网转速附近，当风速上升大于等于切入风速后，控制风电机组的电机由电动机切换为发电机，转速提升达到并网转速后，直接进入并网发电阶段。

进一步地，在并网连接阶段，通过控制电机的转子，使电机的定子感应出与电网电压幅值和相位一致的波形，然后，并网开关合闸进入并网发电阶段。

进一步地，在并网转速提升阶段，风电机组的电机转速通过变桨控制器调节桨距角使得其上升到并网转速，并维持稳定。

进一步地，所述风电机组起机时，30s平均风速大于等于切入风速，且该状态持续了120s，则进入空转初始化阶段，若风速不满足条件，则停留在待风阶段。

进一步地，当发电机转速提升达到并网转速后且3s内维持误差在10rpm之内，则进入并网连接阶段。

综上所述，本发明提供的风力发电机组控制系统及方法，利用发电机组的电机既可以作为发电机又可以作为电动机的特性，只采用单个电机，在不需要额外增加电机以及其它设备的情况下，通过控制方法即可减少并网开关的动作次数，避免风机的频繁起停，延长器件寿命，减少机械损伤，节省了成本。控制方法具体表现为：对于风场风速较小，在切入风速附近波动时，若风速大于切入风速，风机通过调节桨距角使得机组转速上升到并网转速并维持稳定，然后投入并网装置，将机组并入电网发电；若风速变小，转速降低，难以维持在并网发电阶段，控制电机做电动机使用，带动传动装置及风轮转动，控制转速维持在脱网转速附近；当风速上升大于切入风速后，控制电动机切换为发电机，转速提升后立即可以并网发电。此外，通过上述控制方法当风速增大可以并网时，可以控制机组迅速进入并网发电状态，省去了转速从零开始提升的阶段，延长了发电时间，提高了发电量及机组的可利用率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明风力发电机组控制系统的结构示意图；

图2为本发明风力发电机组控制方法一具体实施例的流程图。

附图标记说明

1风轮2齿轮箱3制动器

4电机5主轴6转子侧变换器

7变流控制器8电网侧变换器9主控制器

10并网开关11变桨控制器12主变压器

13电网

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

应当清楚，本发明中切入风速是指风机开始发电时轮毂高度处的最低平均风速；脱网转速、并网转速及额定转速之间的数值大小依次递增。

如图1所示，一种风力发电机组控制系统，包括风电机组、变流器、主控系统和变桨控制器11，风电机组包括风轮1、与风轮1连接的传动装置、由传动装置驱动的电机4，电机4为双馈异步电机，且双馈异步电机的数量仅为一个，其中，双馈异步电机的定子侧连接到电网13上，双馈异步电机的转子侧连接到变流器的机侧，变流器网侧连接到电网13上，且所述变流器与主控系统连接，主控系统同时还与用于调节风轮1桨距角的变桨控制器11连接。在风电机组的开机过程，包括机组自启动和切入电网13两个阶段，通过调节桨距角使得机组转速上升到并网转速并维持稳定，然后投入并网装置，将机组并入电网13发电。

需要说明的是，前述主控系统包括主控制器9，变流器具体与主控制器9连接。

具体地，本发明中变流器包括变流控制器7、电网侧变换器8和转子侧变换器6，电网侧变换器8与转子侧变换器6连接，且电网侧变换器8与电网13连接，变流控制器7同时与电网侧变换器8和转子侧变换器6连接，转子侧变换器6与电机4的转子连接，变流控制器7与主控系统的主控制器9连接。

同时，如图1所示，本发明的风力发电机组控制系统还包括并网开关10，并网开关10为并网装置的组成部件，电机4的定子通过并网开关10与电网13侧连接；和/或，电网侧变换器8与电网13之间设置亦有并网开关10。需要说明的是，本发明风力发电机组控制系统还包括主变压器12，其规格优选为690/10kv，该主变压器12与电网13之间亦是通过并网开关10控制线路的通断。

此外，值得提及的是，前述传动装置包括主轴5和齿轮箱2，齿轮箱2的输入轴与主轴5连接，齿轮箱2的输出轴与电机4的输入轴连接，且齿轮箱2的输出轴与电机4的输入轴之间设置有制动器3。

图2为本发明风力发电机组控制方法一具体实施例的流程图，用于控制如前所述的风力发电机组控制系统。如图2所示，该控制方法具体包括步骤如下：

风电机组起机时，若30s平均风速大于等于切入风速，且该状态持续了120S，则进入空转初始化阶段，转速按照给定的加速度提升，若风速不满足条件，则停留在待风阶段；

当风电机组的电机4转速提升达到空转初始化设定转速后，则进入并网转速提升阶段，转速按照给定的更快的加速度加速提升；

当风电机组的电机4转速提升达到并网转速后且3S内维持误差在10rpm之内，则进入并网连接阶段；

在并网发电阶段，若风速向下波动，风电机组的电机4转速降低至小于脱网转速后，对风电机组并不作脱网停机控制，而是控制风电机组的电机4作电动机使用，使其转速维持在脱网转速附近，当30s平均风速上升大于等于切入风速后，控制风电机组的电机4由电动机切换为发电机，转速提升达到并网转速后，直接进入并网发电阶段节省了从起机到并网发电阶段的过程。从空转初始化到并网转速提升再到并网连接阶段，一般每次至少节约5分钟时间。

需要说明的是，风电机组起机时的风速并不仅限于为30s平均风速，亦可以是60s平均风速或其他，且进入并网连接阶段的条件是发电机转速提升达到并网转速后且3S内维持误差在10rpm之内，但也可以依据各整机厂家的设置不同而不同，在此不作过多限制。

同时，如图2所示，在并网连接阶段，通过控制电机4的转子，使电机4的定子感应出与电网13电压幅值和相位一致的波形，然后，并网开关10合闸进入并网发电阶段。

优选地，本发明在并网转速提升阶段，风电机组的电机4转速通过变桨控制器11调节桨距角使得其上升到并网转速，并维持稳定。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明充分利用电机4既可以作为发电机又可以作为电动机的特性，在不额外增加其他电机4以及设备的情况下，节省了成本。

2、对于风场风速较小，在切入风速附近波动时，应用以上控制方法可以避免风机的频繁起停，以及并网开关10的频繁动作，延长器件寿命，减少机械损伤。

3、当风速增大可以并网时，可以控制风电机组迅速进入并网发电状态，省去了转速从零开始提升的阶段，延长了发电时间，提高了发电量及风电机组的可利用率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机组控制系统，包括风电机组、变流器和主控系统，其特征在于，所述风电机组包括风轮、与风轮连接的传动装置、由传动装置驱动的电机，所述电机的数量为一个，其中，所述电机的定子侧连接到电网上，所述电机的转子侧连接到变流器的机侧，所述变流器网侧连接到电网上，且所述变流器与主控系统连接。

2.如权利要求1所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述变流器包括变流控制器、电网侧变换器和转子侧变换器，所述电网侧变换器与转子侧变换器连接，所述变流控制器同时与电网侧变换器和转子侧变换器连接。

3.如权利要求2所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，所述电网侧变换器与电网连接，所述转子侧变换器与电机的转子连接，所述变流控制器与主控系统连接。

4.如权利要求3所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，还包括用于调节风轮桨距角的变桨控制器，所述变桨控制器与所述主控系统连接。

5.如权利要求2至4任一项所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，还包括并网开关，所述电机的定子通过并网开关与电网侧连接；和/或，所述电网侧变换器与所述电网之间设置有并网开关。

6.一种风力发电机组控制方法，用于控制权利要求1至5任一项所述的风力发电机组控制系统，其特征在于，包括步骤如下：

所述风电机组起机时，若风速大于等于切入风速，且状态持续了一定时间，则进入空转初始化阶段，若风速不满足条件，则停留在待风阶段；

当风电机组的电机转速提升达到空转初始化设定转速后，则进入并网转速提升阶段；

当风电机组的电机转速提升达到并网转速后且一定时间内转速误差较小，则进入并网连接阶段；

在并网发电阶段，若风速向下波动，风电机组的电机转速降低至小于脱网转速后，对风电机组并不作脱网停机控制，而是控制风电机组的电机作电动机使用，使其转速维持在脱网转速附近，当风速上升大于等于切入风速后，控制风电机组的电机由电动机切换为发电机，转速提升达到并网转速后，直接进入并网发电阶段。

7.如权利要求6所述的风力发电机组控制方法，其特征在于：在并网连接阶段，通过控制电机的转子，使电机的定子感应出与电网电压幅值和相位一致的波形，然后，并网开关合闸进入并网发电阶段。

8.如权利要求7所述的风力发电机组控制方法，其特征在于：在并网转速提升阶段，风电机组的电机转速通过变桨控制器调节桨距角使得其上升到并网转速，并维持稳定。

9.如权利要求6所述风力发电机组控制方法，其特征在于：所述风电机组起机时，30s平均风速大于等于切入风速，且该状态持续了120s，则进入空转初始化阶段，若风速不满足条件，则停留在待风阶段。

10.如权利要求6所述风力发电机组控制方法，其特征在于：当发电机转速提升达到并网转速后且3s内维持误差在10rpm之内，则进入并网连接阶段。