CN105927470A - 一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，包括如下步骤：(1)根据桨叶气动特性，确定机组的Cp‑λ曲线簇，当β＝βfine＝常数，λ＝λopt＝常数时，获得Cp＝Cpmax最大值；(2)根据Cpmax和λopt数值，计算最优模态增益系数；(3)获得最佳风能捕获的二次曲线的转矩；(4)根据转矩控制器的性能指标要求，确定转矩PI控制器的比例系数Kp与积分系数Ki；(5)根据当前发电机转速值，动态计算控制器参考转速ωref与转矩最大Tmax与最小限值Tmin，使得转矩控制器沿着理想运行轨迹曲线工作，实现最大风能捕获。本发明提供了一种有效实现最大风能捕获、能效转化率较大、电能质量较高的基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是一种基于动态转矩限值的转矩PI(比例积分)控制器的风电机组最大风能捕获控制方法。
背景技术
变速恒频风电机组是目前大型并网风力发电机组的主流机型，相对于恒速风力发电机组，变速风力发电机组主要优点是可大范围调节转速，使风能利用系数保持在最大值。在风速大于切入风速且小于额定风速，发电机组输出功率小于额定功率时，机组运行在变速控制方式，控制系统控制发电机的转矩来调节发电机转速，保持最佳叶尖速比，实现最大功率跟踪。
由于受到发电机运行转速约束与额定功率限制，风电机组只能够在沿着图1中ABCDEF曲线轨迹运行，其中，BC曲线为最优运行曲线，转矩为转速的二次方关系；EDF曲线为恒功率运行，其转速与转矩的反比例曲线。所以在全风速范围内，风电机组工作在四个区域：最小运行转速区、变速运行区、额定转速运行区与恒功率运行区。
目前工程上，在风速小于额定风速时，通常用查表法(Lookuptable)来跟踪图1的ABCD运行轨迹(即理想运行轨迹)，用发电机转速来查转矩值，这种方法在两个恒转速区可以采用较陡的过渡曲线来表示转矩与转速对应关系，该方法简单，容易实现。但这个很陡的过渡线上，转矩对转速的变化非常敏感，影响了输出功率的平稳性，另外采用过渡斜线的方法，缩短了最佳叶尖速区，减少了机组的发电量。再者，在变速BC区间，查表法由于存在用分段直线来近似二次曲线问题，也不能很好地跟踪二次曲线，无法实现最大风能捕获。
发明内容
为了克服已有风电机组风能捕获控制方法的无法实现最大风能捕获、能效转化率较低、电能质量较差的不足，本发明提供了一种有效实现最大风能捕获、能效转化率较大、电能质量较高的基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，所述方法包括如下步骤：
(1)根据桨叶气动特性，确定机组的Cp-λ曲线簇，当β＝βfine＝常数，λ＝λopt＝常数时，获得Cp＝Cpmax最大值，其中，β为当前桨距角，βfine为最优桨距角，λ为叶尖速比，λopt为最佳叶尖速比，Cp为风能利用系数，Cpmax为最佳风能利用系数；
(2)根据Cpmax和λopt数值，计算最优模态增益系数，其中，ω为发电机转速，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度，R为风轮半径；
(3)获得最佳风能捕获的二次曲线的转矩数学表达式为：其中，ωopt为最佳发电机转速；
(4)根据转矩控制器的性能指标要求，确定转矩PI控制器的比例系数Kp与积分系数Ki；
(5)根据当前发电机转速值，动态计算控制器参考转速ωref与转矩最大Tmax与最小限值Tmin，从而使得转矩控制器沿着理想运行轨迹曲线工作，实现最大风能捕获。
进一步，所述步骤(5)中，根据当前发电机转速与最小、最大发电机转速的中值进行比较，以及当前桨距角与最优桨距角进行比较，分两种情况设定参考发电机转速ωref、Tmax和Tmin的限值：
5.1)当发电机转速时，动态限值计算输出参考发电机转速ωref＝ωmin，最大转矩限值Tmax＝Koptω2，最小转矩限值Tmin＝0；
5.2)当发电机转速且当前桨距角β≤βfine时，动态限值计算输出参考发电机转ωref＝ωmax，最大转矩限值Tmax＝Prate/ω，最小转矩限值Tmin＝Koptω2。
更进一步，所述步骤(4)中，所述性能指标要求是指：对于系统的单位阶跃输入，发电机转速扰动不超过0.5％为止的调节时间为15～20s，转速超调量不超过0.2倍的扰动量。
本发明的技术构思为：设计了转速转矩的PI(比例积分)控制器，并根据当前发电机转速，动态设定转矩限值的风电机组最优发电控制的控制算法，实现了额定风速以下最大风能捕获的控制目标。该算法具有良好的稳定性与动态性能，提升了机组的能效转化率，提高了电能质量。该控制算法比当前通用的基于查表法的发电控制策略增加约2％的年发电量，具有很大的经济意义。而且该控制算法逻辑实现简单，易于风电行业控制器推广，有较高的实际工程意义。
该方案包括一台变速恒频风力发电机组和一台箱式变压器，所述的风力发电机组包括桨叶、变桨系统、传动系统、主控系统和变流系统，可以在风电机组额定风速以下进行最优发电控制，实现最大风能捕获。
本发明的转矩控制器，额定风速以下的三个工作区间，均采用统一参数的比例积分(即PI)控制器，如图3所示。并且根据测量发电机转速，动态改变输出转矩限值的方法，解决了风速的不可测量性、风速变化不可跟踪性等难题，实现了额定风速以下最大风能追踪控制目标。
本发明的有益效果主要表现在：根据当前发电机转速，动态设定转矩限值的风电机组最优发电控制的控制算法，实现了额定风速以下最大风能捕获的控制目标，具有良好的稳定性与动态性能，提升了机组的能效转化率，提高了电能质量；该控制方法比当前通用的基于查表法的发电控制策略增加约2％的年发电量，具有很大的经济意义；而且该控制方法逻辑实现简单，易于风电行业控制器推广，有较高的实际工程意义。
附图说明
图1为变速变桨风电机组转速-转矩曲线图。
图2为风能利用系数曲线图。
图3为转矩控制器原理框图。
图4为控制器动态限值计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图2～图4，一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，包括如下步骤：
(1)根据桨叶气动特性，确定机组特定的Cp-λ曲线簇，如图2所示，当β＝βfine＝常数，λ＝λopt＝常数时，获得Cp＝Cpmax最大值。该Cp-λ曲线簇表示了机组在不同桨叶角度，不同风速与不同风轮转速下捕获风能的能力。而叶尖速比为λ＝ΩR/v，其中Ω为风轮转速，R为风轮半径，v为风速。可以看出，在桨距角一定时，CP随λ的增大先增大，后减小，每条特性曲线均有一CP极大值；同时，随着λ的增大，其相应的CP极大值迅速减小；在β＝0且λ＝λopt(最佳叶尖速比)时，CP的值达到最大值；
(2)根据Cpmax和λopt数值，计算最优模态增益系数，其中，ω为发电机转速，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度，R为风轮半径；
(3)获得最佳风能捕获的二次曲线的转矩数学表达式为：其中，ωopt为最佳发电机转速；
(4)根据转矩控制器的性能指标要求，确定转矩PI控制器的比例系数Kp与积分系数Ki
(5)根据当前发电机转速值，动态计算控制器参考转速ωref与转矩最大Tmax与最小限值Tmin，从而使得转矩控制器沿着理想运行轨迹(即图1的ABCD曲线)工作，实现最大风能捕获。
所述步骤(4)中，所述性能指标要求是指：对于系统的单位阶跃输入，发电机转速扰动不超过0.5％为止的调节时间为15～20s，转速超调量不超过0.2倍的扰动量。
动态转矩限制计算方法见图4所示。根据当前发电机转速与最小、最大发电机转速的中值进行比较，以及当前桨距角与最优桨距角进行比较，分两种情况设定参考发电机转速ωref、Tmax和Tmin的限值。
在最小运行转速区即图1的AB段时，根据动态限值计算，参考发电机转ωref＝ωmin，最大转矩限值Tmax＝Koptω2，最小转矩限值Tmin＝0。若风速增加但小于ωminR/(G*λopt)，此时气动转矩大于发电机电磁转矩，导致发电机转速增加，有ω-ωmin＞0。此时PI控制器的转矩输出增加，但PI控制器的输出转矩值小于最大转矩限值Koptω2，控制器处于非饱和状态工作，给变流器的输出转矩增加，直到与气动转矩平衡，转速差为0。所以在此阶段，当风速出现扰动，开始发电机转速会偏离目标转速，但经过PI控制器的调整，可以较好地回复到设定参考发电机转速，从而风电机组运行在最小转速恒速段。
变转速区即图1的BC段，根据动态限值计算，当发电机转速小于最小发电机转速与额定发电机转速的中值时，参考发电机转ωref＝ωmin，最大转矩限值Tmax＝Koptω2，最小转矩限值Tmin＝0；在区段运行时，PI控制器的输入恒为正值，PI控制器的输出正饱和于当前转速对应的最大发电机转矩koptω2；而当发电机转速大于等于最小发电机转速与额定发电机转速的中值，且当前桨距角β≤βfine时，动态限值计算输出参考发电机转ωref＝ωmax，最大转矩限值Tmax＝Prate/ω，最小转矩限值Tmin＝Koptω2，此区间PI控制器的输入恒为负值，PI控制器的输出值始终负饱和于当前转速对应的最小发电机转矩koptω2。因此在整个变速区间内，发电机转矩均被限制工作在koptω2曲线上，很好地进行了最大功率跟踪。
在最大运行转速区即图1的CD段，但还没有开始变桨阶段，动态限值计算输出参考发电机转ωref＝ωmax，最大转矩限值Tmax＝Prate/ω，最小转矩限值Tmin＝Koptω2。若风速增加但小于额定风速，此时气动转矩大于发电机电磁转矩，发电机转速增加，有ω-ωmax＞0，PI控制器的转矩输出增加，但PI控制器的输出转矩值小于此阶段的最大转矩限值Prate/ω，控制器处于非饱和状态工作，给变流器的输出转矩增加，直到与气动转矩平衡，转速差为0。所以当出现扰动，发电机转速偏离目标转速时，可以较好地回复到设定转速。
经试验证明，本发明用到某公司2MW机组上，实现了额定风速以下最大风能捕获的控制目标。该控制方法比当前通用的基于查表法的发电控制策略增加约2％的年发电量，具有很大的经济意义。
以上实施方法仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
(1)根据桨叶气动特性，确定机组的Cp-λ曲线簇，当β＝βfine＝常数，λ＝λopt＝常数时，获得Cp＝Cpmax最大值，其中，β为当前桨距角，βfine为最优桨距角，λ为叶尖速比，λopt为最佳叶尖速比，Cp为风能利用系数，Cpmax为最佳风能利用系数；
(2)根据Cpmax和λopt数值，计算最优模态增益系数，其中，ω为发电机转速，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度，R为风轮半径；
(3)获得最佳风能捕获的二次曲线的转矩数学表达式为：其中，ωopt为最佳发电机转速；
(4)根据转矩控制器的性能指标要求，确定转矩PI控制器的比例系数Kp与积分系数Ki；
(5)根据当前发电机转速值，动态计算控制器参考转速ωref与转矩最大Tmax与最小限值Tmin，从而使得转矩控制器沿着理想运行轨迹曲线工作，实现最大风能捕获。
2.如权利要求1所述的一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据当前发电机转速与最小、最大发电机转速的中值进行比较，以及当前桨距角与最优桨距角进行比较，分两种情况设定参考发电机转速ωref、Tmax和Tmin的限值：
5.1)当发电机转速时，动态限值计算输出参考发电机转ωref＝ωmin，最大转矩限值Tmax＝Koptω2，最小转矩限值Tmin＝0；
5.2)当发电机转速且当前桨距角β≤βfine时，动态限值计算输出参考发电机转ωref＝ωmax，最大转矩限值Tmax＝Prate/ω，最小转矩限值Tmin＝Koptω2。
3.如权利要求1或2所述的一种基于动态转矩限值的风电机组最大风能捕获控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述性能指标要求是指：对于系统的单位阶跃输入，发电机转速扰动不超过0.5％为止的调节时间为15～20s，转速超调量不超过0.2倍的扰动量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 311106 Zhejiang City, Yuhang Province Economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone) downwind Road, No. 558, No. Applicant after: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. Address before: 310012 Xihu District, Hangzhou, Wen Road No. 391, West Lake international science and technology building, block A, floor two, 22 Applicant before: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Hangzhou City, Zhejiang province 311106 Hangzhou Yuhang economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone) wind Road No. 558 Applicant after: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. Address before: 311106 Zhejiang City, Yuhang Province Economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone) downwind Road, No. 558, No. Applicant before: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160907 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |