CN107528511A - 一种风力发电机恒功率控制方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电机恒功率控制方法与装置，采用有功功率闭环控制，就能实现风力发电机的转速超速和严重超速情况下的恒功率运行，确保发机组保护或机组变流器保护不动作，不会对变流器的硬件造成损害，从而保证电机安全运行的稳定。

Description

一种风力发电机恒功率控制方法与装置

技术领域

本发明属于风力发电机组控制技术领域，具体涉及一种风力发电机恒功率控制方法与装置。

背景技术

目前，风力发电机组的控制可以分为两种运行模式：

低风速时采用最大功率跟踪运行模式，在该运行情况下需要控制系统根据风速而变化机组运行的转速，使得机组始终运行于最大风能利用系数处，最大限度的捕获风能，提高风机的效率。

在高风速时采用恒功率运行模式，即当机组吸收的功率达到功率上限时，为保证机组的安全和可靠运行，需要控制系统控制机组始终运行于额定功率处。

现有技术中，风力发电机组的恒功率控制方法为变桨距控制，例如公开号为CN104612897A的中国专利文献提供的一种风力发电机组的变桨距控制方法，该方法仅从机械角度进行恒功率运行模式的控制，并且只能达到一定风速范围内的恒功率控制，当自然界的风以湍流状态不断加剧，而风力发电机组相应变桨距控制的动作较慢，可能导致风力发电机组的相应保护触发，或者发电机组变流器的相应保护触发，从而无法满足对机组超速安全运行的要求。

随着高速永磁风电机组技术的已日趋成熟，高速永磁风电机组大规模的投入运行，应对机组超速安全运行问题越来越受到重视，常见的高速永磁风电机组控制方法仍然是采用机械方式，即调整机组变桨和增大机组功率指令的方法，使发电机组转速控制在一定的范围内，实现对高速永磁风电机组的恒功率控制。由于机械动作相对较慢，而在满功率运行状态下高速永磁发电机超速时电压急剧上升，虽然增大了机组功率指令，但仍会出现变流器功率急剧增加，造成瞬时功率过大保护动作或者机组变流器过压而动作，造成机组变流器功率器件的损坏，不利于机组超速的运行控制。

综上，由于采用机械方式保证恒功率运行，现有风力发电机组的恒功率控制方法无法满足高风速时机组控制的安全运行要求，无法从根本上解决机组超速运行的控制问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种风力发电机恒功率控制方法与装置，用于解决现有技术无法满足高风速时机组控制的安全运行问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种风力发电机恒功率控制方法，包括以下步骤：根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速；当风力发电机的转速大于设定第一转速时，将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差后，进行有功功率闭环控制。

所述有功功率闭环控制为：第一有功功率给定值与实际有功功率作差后，经过PI调节得到第一电流值，将设定的第二电流值与所述第一电流值作差，得到的差值作为q轴电流给定值，将q轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令；

将设定的d轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成d轴电压指令；将所述q轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM处理，生成控制风力发电机的调制波。

所述设定的第一有功功率给定值的计算式如下：

P_ref＝T_ref·ω_r

式中，P_ref为所述设定的第一有功功率给定值，T_ref为设定的电磁转矩值，ω_r为风力发电机的转速。

所述设定的第二电流值为风力发电机的转矩电流，计算式如下：

i_q＝T_ref/[1.5p_n(ψ_f+(L_d-L_q)i_d)]

式中，i_q为所述设定的第二电流值，是风力发电机的转矩电流， p_n为风力发电机的极对数，Ψ_f为永磁磁链，L_d为d轴电感，L_q为q 轴电感，i_d为d轴电流指令值。

检测风力发电机连接的变流器输出的实际电压和实际电流，将实际电压和实际电流进行坐标变换，生成d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流，将q轴电压乘以q轴电流，得到所述风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率；q轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值；d轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值。

当风力发电机的转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速时，采用变桨距控制，实现风力发电机的恒功率运行。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种风力发电机恒功率控制装置，包括控制器，该控制用于执行指令以实现以下步骤：

根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速；当风力发电机的转速大于设定第一转速时，将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差后，进行有功功率闭环控制。

所述有功功率闭环控制为：第一有功功率给定值与实际有功功率作差后，经过PI调节得到第一电流值，将设定的第二电流值与所述第一电流值作差，得到的差值作为q轴电流给定值，将q轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令；

将设定的d轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成d轴电压指令；将所述q轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM处理，生成控制风力发电机的调制波。

所述设定的第二电流值为风力发电机的转矩电流，计算式如下：

i_q＝T_ref/[1.5p_n(ψ_f+(L_d-Lq)i_d)]

式中，i_q为所述设定的第二电流值，T_ref为设定的电磁转矩值，p_n为风力发电机的极对数，Ψ_f为永磁磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_d为d轴电流指令值。

检测风力发电机连接的变流器输出的实际电压和实际电流，将实际电压和实际电流进行坐标变换，生成d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流，将q轴电压乘以q轴电流，得到所述风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率；q轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值；d轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值。

当风力发电机的转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速时，采用变桨距控制，实现风力发电机的恒功率运行。

本发明的有益效果是：

为保证风力发电机维持恒功率运行，在高风速时，本发明没有采用变桨距控制的方法，不需要进行机械方式的控制，采用本发明的有功功率闭环控制，就能实现风力发电机的转速超速和严重超速情况下的恒功率运行，确保发机组保护或机组变流器保护不动作，不会对变流器的硬件造成损害，从而保证电机安全运行的稳定。

进一步，在风力发电机的转速超速不严重时，即转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速时，采用现有实现发电机恒功率运行的变桨距控制方法，在在风力发电机的转速超速严重时，即风力发电机的转速大于设定第一转速时，采用本发明的有功功率闭环控制。使发电机在超速严重的情况下，保证机组功率的稳定，进一步确保机组变流器的安全运行。

附图说明

图1是本发明的控制方法实施例的控制结构图；

图2是本发明的控制方法实施例的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的风力发电机恒功率控制方法的控制对象是风力发电机连接的变流器，步骤如下：

当风力发电机的转速大于设定的第一转速时，检测变流器输出的实际电压和实际电流，将实际电压和实际电流进行坐标变换，生成d 轴电压v_d、q轴电压v_q、d轴电流i_{d_fdb}、q轴电流i_{q_fdb}，将q轴电压 v_q乘以q轴电流i_{d_fdb}，得到变流器输出的实际有功功率P_fdb，计算式为P_fdb＝v_q·i_{q_fdb}。该q轴电流为变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值，该d轴电流为变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值。

设定第一有功功率给定值，计算式如下：

P_ref＝T_ref·ω_r

式中，P_ref为设定的第一有功功率给定值，T_ref为设定的电磁转矩值，ω_r为风力发电机的转速。

如图1所示，将第一有功功率给定值P_ref与变流器输出的实际有功功率P_fdb作差，经过PI调节得到第一电流值i_{q_com}。设定风力发电机的转矩电流，计算式如下：

i_q＝T_ref/[1.5p_n(ψ_f+(L_d-L_q)i_d)]

式中，i_q为风力发电机的转矩电流，p_n为风力发电机的极对数，Ψ_f为永磁磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_d为d轴电流指令值。

将设定的转矩电流i_q与第一电流值i_{q_com}作差，得到的差值作为q 轴电流给定值i_q ^*，将q轴电流给定值i_q ^*与变流器输出的实际电流的q 轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令。

将设定的d轴电流给定值i_d ^*与变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值i_{d_fdb}作差，经过PI调节，生成d轴电压指令。将q轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM或SPWM处理，生成控制风力发电机的调制波，从而实现风力发电机的恒功率运行。

为保证风力发电机维持恒功率运行，在高风速时，本发明没有采用变桨距控制的方法，不需要进行机械方式的控制，采用本发明的有功功率闭环控制，就能实现风力发电机的恒功率运行，确保发机组保护或机组变流器保护不动作，不会对变流器的硬件造成损害，从而保证电机安全运行的稳定。

本发明根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速：当风力发电机侧变流器的输出电压大于设定的电压给定值时，例如输出电压大于1.2pu，和/或当风力发电机侧变流器的有功功率大于设定的第二有功功率给定值时，例如有功功率大于1.2pu，判定风力发电机的转速大于设定第一转速。

本实施例将风力发电机的转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速的转速范围，定义为风力发电机的转速超速情况，将风力发电机的转速大于设定第一转速的范围，定义为风力发电机的转速严重超速情况。在转速超速情况下，采用现有技术的变桨距控制，实现风力发电机的恒功率运行，在转速严重超速情况下，采用本发明的恒功率控制方法，实现风力发电机的转速超速和严重超速情况下的恒功率运行，确保机组变流器的安全运行。

本发明还提出了一种风力发电机恒功率控制装置，包括控制器，该控制用于执行指令以实现以下步骤：

根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速；当风力发电机的转速大于设定第一转速时，将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差后，进行有功功率闭环控制。

有功功率闭环控制为：将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差，经过PI调节得到第一电流值，将设定的第二电流值与所述第一电流值作差，得到的差值作为q 轴电流给定值，将q轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令。

将设定的d轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成d轴电压指令；将q 轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM处理，生成控制风力发电机的调制波。

上述所指的风力发电机恒功率控制装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到风力发电机连接的换流器中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种风力发电机恒功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速；当风力发电机的转速大于设定第一转速时，将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差后，进行有功功率闭环控制。

2.根据权利要求1所述的风力发电机恒功率控制方法，其特征在于，所述有功功率闭环控制为：

第一有功功率给定值与实际有功功率作差后，经过PI调节得到第一电流值，将设定的第二电流值与所述第一电流值作差，得到的差值作为q轴电流给定值，将q轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令；

将设定的d轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成d轴电压指令；将所述q轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM处理，生成控制风力发电机的调制波。

3.根据权利要求2所述的风力发电机恒功率控制方法，其特征在于，所述设定的第一有功功率给定值的计算式如下：

P_ref＝T_ref·ω_r

式中，P_ref为所述设定的第一有功功率给定值，T_ref为设定的电磁转矩值，ω_r为风力发电机的转速；

所述设定的第二电流值为风力发电机的转矩电流，计算式如下：

i_q＝T_ref/[1.5p_n(ψ_f+(L_d-L_q)i_d)]

式中，i_q为所述设定的第二电流值，是风力发电机的转矩电流，p_n为风力发电机的极对数，Ψ_f为永磁磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_d为d轴电流指令值。

4.根据权利要求2所述的风力发电机恒功率控制方法，其特征在于，检测风力发电机连接的变流器输出的实际电压和实际电流，将实际电压和实际电流进行坐标变换，生成d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流，将q轴电压乘以q轴电流，得到所述风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率；q轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值；d轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值。

5.根据权利要求1所述的风力发电机恒功率控制方法，其特征在于，当风力发电机的转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速时，采用变桨距控制，实现风力发电机的恒功率运行。

6.一种风力发电机恒功率控制装置，其特征在于，包括控制器，该控制用于执行指令以实现以下步骤：

根据检测的风力发电机侧变流器的输出电压或有功功率，判断风力发电机的转速是否大于设定第一转速；当风力发电机的转速大于设定第一转速时，将设定的第一有功功率给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率作差后，进行有功功率闭环控制。

7.根据权利要求6所述的风力发电机恒功率控制装置，其特征在于，所述有功功率闭环控制为：

第一有功功率给定值与实际有功功率作差后，经过PI调节得到第一电流值，将设定的第二电流值与所述第一电流值作差，得到的差值作为q轴电流给定值，将q轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成q轴电压指令；

将设定的d轴电流给定值与风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值作差，经过PI调节，生成d轴电压指令；将所述q轴电压指令和d轴电压指令，进行PWM处理，生成控制风力发电机的调制波。

8.根据权利要求7所述的风力发电机恒功率控制装置，其特征在于，所述设定的第二电流值为风力发电机的转矩电流，计算式如下：

i_q＝T_ref/[1.5p_n(ψ_f+(L_d-L_q)i_d)]

式中，i_q为所述设定的第二电流值，T_ref为设定的电磁转矩值，p_n为风力发电机的极对数，Ψ_f为永磁磁链，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，i_d为d轴电流指令值。

9.根据权利要求7所述的风力发电机恒功率控制装置，其特征在于，检测风力发电机连接的变流器输出的实际电压和实际电流，将实际电压和实际电流进行坐标变换，生成d轴电压、q轴电压、d轴电流、q轴电流，将q轴电压乘以q轴电流，得到所述风力发电机连接的变流器输出的实际有功功率；q轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的q轴电流反馈值；d轴电流为所述风力发电机连接的变流器输出的实际电流的d轴电流反馈值。

10.根据权利要求6所述的风力发电机恒功率控制装置，其特征在于，当风力发电机的转速小于或等于设定第一转速，且大于或等于设定第二转速时，采用变桨距控制，实现风力发电机的恒功率运行。