CN105257475B - 一种失速型风力发电机组的控制方法 - Google Patents
一种失速型风力发电机组的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种失速型风力发电机组的控制方法，通过增加全功率变流器，与控制系统的配合，完成由定速定桨型控制到变速定桨型控制方式的转变，并且通过计算得出改进后的控制系统风速‑功率曲线以及转速‑转矩控制曲线，使得风电机组在低风速段较宽的转速范围内均可实现最大风能利用系数，在高风速下机组主动控制，对于提升失速型机组的发电效率有很好的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及一种三叶片定桨距失速型风力发电机组的控制方法。
背景技术
风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到国内外的重视和发展，而如何突破现有技术，最大程度地将风能转换成电能是风力发电技术上永恒的追求。目前市场上还存在着一批三叶片定桨距失速型的风力发电机组，与现在主流的变速变桨距风力发电机组相比，这类机组在运行过程中的桨叶节距角和转速都是固定不变的，这就使得风速-功率曲线上只有一点具有最大风能利用系数，此外由于叶片的特性在高风速下又很快进入了失速状态，导致定桨距失速型机组在捕获风能的能力上较差，业主很难获得较好的经济效益。
图1所示是定桨距失速型机组的典型输出风速-功率曲线。
图2所示是定桨距失速型机组的风速-功率曲线和风速-风能利用系数曲线，可见功率曲线上只有一点能够捕获最大风能利用系数。
图3所示是现有定桨距失速型机组的典型拓扑图，发电机通过一套软并网装置与电网相连接，不具备调节转速的功能。
定桨距失速型机组的桨叶与轮毂之间属于刚性联接，桨距角固定不变。专利《一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法》中，提出根据风电机组的理论模型得到不同桨距角下的理论Cp-λ曲线簇，根据分析得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角，在风力发电机组实际运行的过程中，由所测的风速或者功率控制机组的桨距角实现风能捕获的最优。专利ZL200910033556.X《定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法》中，提出在额定风速以上时通过调节转速实现机组输出功率恒定的目的，另外利用转矩观测的方式得到风机气动转矩观测值，将此值以前馈校正的方式引入机组控制系统中，从而保证机组工作在额定风速以上时的稳定性。以上专利分别是通过调节机组在不同风速下的桨距角或者设计一种新的失速区的功率控制方法来提升机组的发电性能。
发明内容
本发明目的是针对定桨距失速型机组在额定风速以下只有一个风速点能够达到最大风能利用系数，在额定风速以上无法主动控制发电机转矩的缺陷，提出一种提高定桨距失速型机组发电效率的控制方法。
本发明通过在塔基增加全功率变流器，与控制系统配合，由定速定桨型控制转变为变速定桨型控制，可以使得风电机组在低风速段较宽的转速范围内均可实现最大风能利用系数，以及在高风速下可以对风电机组主动控制。本发明对于提升机组的发电效率有很好的经济性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
应用本发明的定桨距失速型风力发电机组包括叶轮，增速箱，发电机，全功率变流器，控制系统，以及塔筒。
风轮在风力的推动下产生旋转，实现了风能向机械能的转换，旋转的风轮通过齿轮箱驱动发电机旋转，在控制系统的控制下，通过变流器系统实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换。
所述的全功率变流器安装在塔筒底部，一端连接至发电机，另外一端连接至箱式变压器。
所述的全功率变流器与控制系统之间采用CAN通讯方式，能够执行控制系统发送的转矩指令及控制指令，也能向控制系统发送相关信息。
所述的发电机与全功率变流器相连。
控制系统的控制目标是在额定风速以下，通过对转速的控制来跟踪最佳风速-Cp曲线以捕获最大风能，由原来的定速控制改变为变速控制，由原来只有一个风速点能达到机组设计的最大风能利用系数，改变为在较宽的转速范围内均可达到设计的最大风能利用系数。额定风速以上叶片自身存在的失速特性无法改变，但对于发电机由原来的自主控制，改变为对转矩的主动控制，可以解决失速型机组在额定风速以上最易发生的功率超限或者转速超限问题。
本发明控制方法的步骤为：
1)由定桨距失速型风力发电机组的风速-功率曲线，计算出风速-Cp曲线，并将风速-Cp曲线上的最大值记录为Cpmax。
式中，Cp为风能利用系数，P为功率，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，v为风速。
2)控制系统在额定风速以下能够实现最大风能利用系数追踪阶段的风速下限记为v1，风速上限记为v2。
3)计算出v1～v2风速段对应的功率，功率的计算方式如下式(2)所示：
v1～v2风速段可以通过对转速的控制来跟踪最佳风速-Cp曲线，以捕获最大风能利用系数Cpmax，而v1～v2以外风速段由于受到发电机性能和叶片失速特性的限制，风速-功率曲线与失速型机组原风速-功率曲线相同，故额定风速以下的v1～v2风速段是本发明发电能力提升的阶段。
4)当风速为v2时，发电机转速可达到额定转速ωr，由此计算出v1～v2风速段的转速-转矩比例系数Kopt：
ωr为发电机额定转速。
5)由步骤3)计算出的功率P和步骤4)计算出的比例系数Kopt，共同计算在v1～v2风速段任意风速下的发电机转速ω：
6)在v1～v2风速段，由步骤4)计算出的比例系数Kopt和步骤5)计算出的转速ω共同计算出任意转速下需要控制的发电机转矩T：
T＝Kopt×ω2 (5)
T为发电机转矩。
7)对于v1～v2以外的风速段，计算出需要控制的发电机转矩T：
由以上过程即可得出定速定桨型风电机组在增加全功率变流器后，通过计算得到变速定桨型控制方式下的风速-功率曲线以及转速-转矩控制曲线。
本发明的效果：
(1)额定风速以下的v1～v2风速段是可实现变速控制捕获最大风能利用系数，提高发电效率的阶段，而额定风速以上通过控制系统对发电机转矩的主动控制，可以避免以前易发生的功率超限或者转速超限问题。
(2)利用定速定桨控制的风速-功率曲线和变速定桨控制的风速-功率曲线，对轮毂高度处不同参考风速下的频率分布可计算出年发电量的估算值，以年平均风速5m/s为例，在变速定桨控制下的年发电量较定速定桨控制下的年发电量可提升6.5％左右，可以为业主带来非常可观的经济效益。
附图说明
图1是定桨距失速型机组的典型输出风速-功率曲线；
图2是定速定桨控制方式下的风速-功率曲线与风速-风能利用系数曲线；
图3是定桨距失速型机组的典型拓扑结构；
图4是改进后变速定桨控制机组的拓扑结构；
图5是变速定桨控制方式下的风速-功率曲线与风速-风能利用系数曲线；
图6是变速定桨控制与定速定桨控制风速-功率曲线对比图；
图7是变速定桨控制与定速定桨控制转速转矩曲线对比图；
图8是年平均风速5m/s的风电场风速瑞利分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
本发明通过在塔基增加全功率变流器，以及与控制系统的配合，完成由定速定桨型控制到变速定桨型控制方式的转变，本发明可以使得机组在低风速段较宽的转速范围内均可实现最大风能利用系数，以及在高风速下的机组主动控制，对于提升机组的发电效率有很好的经济性。
如图4所示，本发明控制方法所应用的定桨距失速型风力发电机组包括叶轮，增速箱，发电机，全功率变流器、控制系统，以及塔筒。风轮在风力的推动下产生旋转，实现了风能向机械能的转换，旋转的风轮通过齿轮箱驱动发电机旋转，在控制系统的控制下，通过变流器系统实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换。
全功率变流器安装在塔筒底部。
所述的全功率变流器的一端连接至发电机，另外一端连接至箱式变压器。
所述的全功率变流器与控制系统之间采用CAN通讯方式，能够执行控制系统发送的转矩指令及控制指令，也能向控制系统发送相关信息。
本发明控制方法可以使得机组在低风速段较宽的转速范围内均可实现最大风能利用系数，如图5所示，并可在高风速下对机组实现主动控制。
为实现对风电机组在低风速段的变速控制，以及评估此控制方法的预期收益，需要计算出变速定桨型机组的风速-功率曲线以及用于控制的转速转矩曲线，变速定桨型机组的风速-功率曲线和转速转矩曲线的计算方法如下：
第1步，由定桨距失速型风力发电机组的风速-功率曲线，计算出风速-Cp曲线，并将Cp曲线上的最大值记录为Cpmax。
其中Cp为风能利用系数，P为功率，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，
v为风速。
第2步，将控制系统在额定风速以下能够实现最大风能利用系数追踪阶段的风速下限记为v1，上限记为v2，v1～v2是变速定桨控制方式较定速定桨控制方式功率曲线提升的风速段。
第3步，计算出变速定桨控制方式下的风速-功率曲线，v1～v2风速段可以通过对转速的控制来跟踪最佳Cp曲线，以捕获最大风能利用系数Cpmax，计算方式如下式(2)所示，而其余风速段由于受到发电机性能和叶片失速特性的限制与图1所示的与失速型机组原风速-功率曲线相同，故额定风速以下的v1～v2风速段是本发明发电能力提升的阶段。
第4步，计算出变速定桨控制方式下v1～v2风速段转速-转矩控制曲线，当风速为v2时，发电机转速可达到额定转速ωr，由此计算出v1～v2风速段的转速-转矩比例系数Kopt。
ωr为发电机额定转速。
由v1～v2风速段计算出的功率P和比例系数Kopt共同计算此风速段内任意风速下的发电机转速ω。
ω为发电机转速。
由比例系数Kopt和发电机转速ω即可计算出需要控制的发电机转矩T。
T＝Kopt×ω2 (5)
T为发电机转矩。
第5步，对于v1～v2以外风速段，计算出需要控制的发电机转矩。
由定速定桨控制的风速-功率曲线通过计算得出变速定桨控制的风速-功率曲线，两种控制方式下的风速-功率曲线对比如图6所示。此外还计算出了变速定桨控制下的转速-转矩曲线，根据变速定桨控制下的转速-转矩曲线可以实现控制系统对于风电机组的变速控制。定速定桨控制以及变速定桨控制两种控制方式下的转速-转矩曲线对比如图7所示。
利用已知的定速定桨控制风速-功率曲线和计算出的变速定桨控制风速-功率曲线，通过对轮毂高度处不同参考风速下的频率分布，即可计算出两种控制方式下的年发电量估算值AEP，进而可以得出年发电量的提升效果，AEP计算方法如下式所示。
其中AEP为年发电量，Nh为一年内的小时数，取8760，N为bin的个数，Vi为折算后第i个bin的平均风速值，Pi为折算后第i个bin的平均功率值，F(V)为风速的瑞利分布函数，Vave为风力机轮毂中心高度处的年平均风速值，V为风速。
按照上述计算方法，以一个年平均风速5m/s的风电场为例，其风速的瑞利分布如图8所示，在变速定桨控制下的年发电量较定速定桨控制下的年发电量相比可提升6.5％左右，由此可见可以为业主带来较好的经济效益。
所述的全功率变流器可以安装在塔基，也可以安装在机舱。
所述的全功率变流器与控制系统不仅限于CAN通讯进行通讯，也可以是其它的通讯方式来完成转矩指令及其它控制指令的通讯。
所述的失速型风力发电机组不仅限于3个叶片，也可以是2个叶片的机组。
Claims (2)
1.一种失速型风力发电机组的控制方法，其特征在于，所述的控制方法的步骤如下：
1)由定桨距失速型风力发电机组的风速-功率曲线，计算出风速-Cp曲线，并将风速-Cp曲线上的最大值记录为Cpmax，
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>p</mi>
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<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mo>&times;</mo>
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</mrow>
</mfrac>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Cp为风能利用系数，P为功率，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，v为风速；
2)把控制系统在额定风速以下能够实现最大风能利用系数追踪阶段的风速下限记为v1，上限记为v2；
3)计算出v1～v2风速段对应的功率，计算方式如下式(2)所示；
<mrow>
<mi>P</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mn>2</mn>
</mfrac>
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<mi>S</mi>
<mo>&times;</mo>
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<mi>v</mi>
<mn>3</mn>
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<msub>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
v1～v2风速段通过对转速的控制来跟踪最佳风速-Cp曲线，以捕获最大风能利用系数Cpmax；v1～v2以外的风速段由于受到发电机性能和叶片失速特性的限制，风速-功率曲线与失速型机组原风速-功率曲线相同，故额定风速以下的v1～v2风速段是发电能力提升的阶段；
4)当风速为v2时，发电机转速可达到额定转速ωr，由此计算出v1～v2风速段的转速-转矩比例系数Kopt；
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mrow>
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<mi>p</mi>
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</msub>
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</mfrac>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
ωr为发电机额定转速；
5)由步骤3)计算出的功率P和步骤4)计算出的比例系数Kopt，共同计算v1～v2风速段任意风速下的发电机转速ω；
<mrow>
<mi>&omega;</mi>
<mo>=</mo>
<mroot>
<mfrac>
<mi>P</mi>
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<mi>K</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>p</mi>
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<mo>-</mo>
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<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
6)在v1～v2风速段，由步骤4)计算出的比例系数Kopt和步骤5)计算出的转速ω共同计算出任意转速下需要控制的发电机转矩；
T＝Kopt×ω2 (5)
T为发电机转矩；
7)对于v1～v2以外的风速段，计算出需要控制的发电机转矩；
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mi>P</mi>
<mi>&omega;</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
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</mrow>
</mrow>
由以上过程即得出定速定桨型风电机组在增加全功率变流器后，通过计算得到变速定桨型控制方式下的风速-功率曲线以及转速-转矩控制曲线。
2.根据权利要求1所述的失速型风力发电机组的控制方法，其特征在于，应用所述的控制方法的发电机连接全功率变流器，全功率变流器的另一端接至箱式变压器；所述的全功率变流器与控制系统之间采用CAN通讯方式传送指令和信息。
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