CN107420260B - 一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统，包括风速检测模块、转速检测模块、转速异常检测模块、转矩控制模块以及电动机工作模式进入与退出判断模块。以及提供一种高风电机组小风段风能利用率的控制方法，在风电机组转速低于脱网转速时，继续保持并网状态，通过控制系统改进的PI控制器计算得到负转矩，控制风电机组从发电机工作模式切换到电动机工作模式，并通过转矩控制实现风电机组转速控制；当机组转速维持在并网转速附件，且风速大于切入风速时，通过控制系统改进的PI控制器计算得到正转矩，控制风电机组切换到发电机工作模式，并采用常规控制策略控制风电机组立即发电。本发明可靠性高、成本低、具有实际工程应用价值。

Description

一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统及方法
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域，尤其是一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统及方法。
背景技术
随着低风速风电机组技术的快速发展与广泛应用，越来越多的低风速风电场被开发。在低风速风电场，特别是山地低风速风电场和年平均风速5m/s左右的低风速风电场，风电机组经常经历风速在切入风速上下波动的工况。
采用常规控制策略的风电机组，当风速低于切入风速时，风电机组将自动触发欠速保护而停机；当风速大于切入风速时，如果待机时间超过机组正常待机时间，风电机组将自动启机。当风速在切入风速上下波动时，该控制方法存在如下不足：一是会导致风电机组频繁停机与启机，增加了风电机组停机次数，减少了变流器并网接触器的使用寿命；二是风电机组停机之后，需要经历停机过程、正常待机过程和启机过程，才能再次并网，并网之后，仍需要经历转速与转矩调节过程，才能到达最大利用风能的发电状态，导致风能利用率不够高。
由此可见，现有的控制方法难以适应低风速风电场风速在切入风速上下波动的工况，亟待加以进一步改进。如何创设一种新的控制方法，在风速低于切入风速时，风电机组能够以某种工作模式继续保持并网状态，当风速大于切入风速时，风电机组不需经历启机等过程，就可以立即发电，实属当前重要研发课题之一。
发明内容
为了克服现有风电机组控制方法对小风段风速波动的适应性不强、导致风能利用率不高等不足，本发明提供一种适应于小风段风速波动的控制系统及方法，在风速低于切入风速时，风电机组切换到电动机工作模式，通过控制系统控制其转矩与转速，使风电机组继续保持并网状态；当风速大于切入风速时，风电机组切换到发电机工作模式，采用常规控制策略控制风电机组立即发电，从而减少停机次数，缩短了风电机组再次进入发电状态所需的时间，提高了风能利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统,包括风速检测模块、转速检测模块、转速异常检测模块、转矩控制模块以及电动机工作模式进入与退出判断模块，
所述转速异常检测模块，用于判断当前风电机组转速是否正常，以保障风电机组控制的稳定性与可靠性；
所述转矩控制模块，采用带转矩环的增益的PI控制器，用于将计算转速偏差ωerr作为PI控制器输入量，用于控制系统计算当前所需的转矩控制值，并将该转矩值发送给变流器；
所述电动机工作模式进入与退出判断模块，用于在满足预设的条件下，用于控制风电机组进入或退出电动机工作模式；
所述风速检测模块和转速检测模块均与转速异常检测模块连接，所述转速异常检测模块与转矩控制模块连接，所述转矩控制模块统一电动机工作模式进入与退出判断模块连接。
进一步，所述风速检测模块、转速检测模块、转速异常检测模块、转矩控制模块以及电动机工作模式进入与退出判断模块均设置在风电机组控制系统的PLC中。
一种提高风电机组小风段风能利用率的控制方法，包括以下步骤：
A.所述控制系统实时采集、并计算风速仪测量到的风速与转速测量装置测量到的机组转速，并利用风速与转速关系，判别转速测量装置所测转速是否正常；
B.当风电机组转速小于脱网转速时，所述控制系统仍控制风电机组继续保持并网状态；
C.所述控制系统将风电机组目标控制转速ωref设定为并网转速，并计算得到当前转速ω与目标转速ωref之差ωerr，通过改进的转矩PI控制器计算得到的负转矩，并将转矩指令发送给变流器；
D.所述变流器收到负转矩指令之后，将其工作模式切入到电动机工作模式，并按照控制系统所要求转矩进行转矩控制，实现对所述发电机转速与工作模式的控制；
E.在电动机工作模式工作期间，当风电机组功率小于脱网功率时，风电机组将退出电动机工作模式，并执行停机。
F.当风电机组转速保持在并网转速附近，且30s平均风速大于切入风速，持续时间大于风电机组模式切换等待时间，上述的控制系统将PI控制器计算得到的正转矩发送给变流器。变流器接收到该转矩之后，使风电机组切换到发电机工作模式，并进入常规发电控制状态。
进一步，通过所述控制系统通过正负转矩控制，实现风电机组电动机工作模式与发电机工作模式的自动切换。
再进一步，所述控制过程使用风电机组转速代替风速参与风电机组控制，克服了空气密度等外界因素对风电机组运行影响。
更进一步，所述步骤A中，风速与转速关系是基于风电机组气动特性进行设置。
所述步骤C中，将风电机组目标控制转速设定为并网转速，当条件满足时，直接控制风电机组进入常规发电控制状态。
所述步骤C中，改进的转矩PI控制器为rGSQL*(a0+a1Z-1)。
其中，(a0+a1Z-1)为常规发电控制状态下转矩PI控制器，a0＝Ki*T/2+Kp，a1＝Ki*T/2-Kp，Kp、Ki、T分别PI控制器比例系数、积分系数以及转矩控制器运行周期；rGSQL为转矩环的增益系数表，横坐标为转速偏差值，纵坐标为增益系数。
所述步骤E中，脱网功率是基于变流器调节能力进行设置。
所述步骤F中，风电机组模式切换等待时间是防止风电机组频繁在发电机工作模式与电动机工作模式来回切换，保障风电机组控制的稳定性。
所述步骤F中，正常发电控制状态对应采用常规控制策略下的发电状态。
本发明的有益效果主要表现在：
1、提高了风电机组对小风段风速波动的适应性，减少了风电机组停机次数，提高了风电机组并网接触器使用寿命。
2、缩短了风电机组再次进入发电状态的时间，在无需增加风电机组成本情况下，提高了风能利用率。
3、所述的控制系统及方法科学、可靠，可以应用于实际工程领域，易于推广。
附图说明
图1是本发明转矩控制示意图。
图2是改进的PI控制器示意图。
图3是控制流程示意图。
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1～图3，一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统,包括：
风速检测模块，用于测量与计算风电机组风速，并计算对应的平均风速。
转速检测模块，用于快速与高精度地测量与计算风电机组当前转速。
转速异常检测模块，是根据控制系统PLC内部设定的风电机组气动特性对应的风速与转速关系，判断转速是否在合理范围之内。
转矩控制模块，用于将计算转速偏差ωerr作为PI控制器输入量，用于控制系统计算当前所需的转矩控制值，并将该转矩值发送给变流器；
电动机工作模式进入与退出判断模块，用于在满足预设的条件下，用于控制风电机组进入或退出电动机工作模式；
所述风速检测模块和转速检测模块均与转速异常检测模块连接，所述转速异常检测模块与转矩控制模块连接，所述转矩控制模块统一电动机工作模式进入与退出判断模块连接。
进一步，所述风速检测模块、转速检测模块、转速异常检测模块、转矩控制模块以及电动机工作模式进入与退出判断模块均设置在风电机组控制系统的PLC中。
一种提高风电机组小风段风能利用率的控制方法，包括以下步骤：
A.所述控制系统实时采集风速仪测量到的风速与转速测量装置测量到的机组转速，并利用风电机组气动特性，判别转速测量装置测量转速是否正常，如果转速异常，机组将执行停机，否则将执行如下控制过程；
B.当风电机组转速小于脱网转速时，所述控制系统仍控制风电机组继续保持并网状态；
C.所述控制系统将风电机组目标控制转速设定为并网转速，并计算得到当前转速与目标转速之差，通过转矩PI控制器rGSQL*(a0+a1Z-1)计算得到的负转矩，并将转矩指令发送给变流器。其中，(a0+a1Z-1)为常规发电控制状态下转矩PI控制器，a0＝Ki*T/2+Kp，a1＝Ki*T/2-Kp，Kp、Ki、T分别PI控制器比例系数、积分系数以及转矩控制器运行周期；rGSQL为转矩环的增益系数表，横坐标为转速偏差值，纵坐标为增益系数，其中，A、B、C三点取值可以为(0,1)、(-100，1.2)与(-200，2.0)，当转速偏差大于等于0rpm时，增益系数为1；当转速偏差小于等于-200rpm时，增益系数为2；当转速偏差处于(-200，-100)之间时，增益系数通过线性插值计算得到；
D.所述变流器收到负转矩指令之后，将其工作模式切入到电动机工作模式，并按照控制系统所要求转矩进行转矩控制，实现对所述发电机转速与工作模式的控制；
E.在电动机工作模式工作期间，当风电机组功率小于脱网功率时，风电机组将退出电动机工作模式，并执行停机；脱网功率是基于变流器调节能力进行设置；
F.在电动机工作模式工作期间，如果风电机组转速保持在并网转速附近，且30s平均风速大于切入风速，持续时间大于风电机组模式切换等待时间，上述的控制系统将PI控制器计算得到的正转矩发送给变流器。变流器接收到该转矩之后，使风电机组切换到发电机工作模式，并进入常规发电控制状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种提高风电机组小风段风能利用率的控制系统实现的方法，其特征在于：所述控制系统包括风速检测模块、转速检测模块、转速异常检测模块、转矩控制模块以及电动机工作模式进入与退出判断模块，所述转速异常检测模块，用于判断当前风电机组转速是否正常，以保障风电机组控制的稳定性与可靠性；所述转矩控制模块，采用带转矩环的增益的PI控制器，用于将计算转速偏差ѡerr作为PI控制器输入量，用于控制系统计算当前所需的转矩控制值，并将该转矩控制值发送给变流器；所述方法包括以下步骤：
A．所述控制系统实时采集、并计算风速仪测量到的风速与转速测量装置测量到的机组转速，并利用风速与转速关系，判别转速测量装置所测转速是否正常；
B．当风电机组转速小于脱网转速时，所述控制系统仍控制风电机组继续保持并网状态；
C．所述控制系统将风电机组目标控制转速ѡref 设定为并网转速，并计算得到当前转速ѡ与目标控制转速ѡref之差ѡerr，通过改进的转矩PI控制器计算得到负转矩，并将负转矩指令发送给变流器；
D．所述变流器收到负转矩指令之后，将其工作模式切入到电动机工作模式，并按照控制系统所要求转矩进行转矩控制，实现对发电机转速与工作模式的控制；
E．在电动机工作模式工作期间，当风电机组功率小于脱网功率时，风电机组将退出电动机工作模式，并执行停机；
F．当风电机组转速保持在并网转速附近，且30s平均风速大于切入风速，持续时间大于风电机组模式切换等待时间，上述的控制系统将PI控制器计算得到的正转矩发送给变流器，变流器接收到该正转矩之后，使风电机组切换到发电机工作模式，并进入常规发电控制状态；
所述控制系统通过正负转矩控制，实现风电机组电动机工作模式与发电机工作模式的自动切换；控制过程使用风电机组转速代替风速参与风电机组控制；所述步骤A中，风速与转速关系是基于风电机组气动特性进行设置；所述步骤C中，将风电机组目标控制转速设定为并网转速，当条件满足时，直接控制风电机组进入常规发电控制状态；所述步骤C中，改进的转矩PI控制器为rGSQL*(a0+a1Z-1)；
其中，(a0+a1Z-1)为常规发电控制状态下转矩PI控制器，a0=（Ki*T/2）+Kp，a1=（Ki*T/2）-Kp，Kp、Ki、T分别为PI控制器比例系数、积分系数以及转矩控制器运行周期；rGSQL为转矩环的增益系数表，横坐标为转速偏差值，纵坐标为增益系数；
所述步骤E中，脱网功率是基于变流器调节能力进行设置；所述步骤F中，风电机组模式切换等待时间是防止风电机组频繁在发电机工作模式与电动机工作模式来回切换，保障风电机组控制的稳定性；常规发电控制状态对应采用常规控制策略下的发电状态。
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