CN107630785A - 一种多种工况下的风电机组保护控制系统 - Google Patents

一种多种工况下的风电机组保护控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多种工况下的风电机组保护控制系统，首先根据机组的控制特性建立控制系统的控制模型，采用暂态控制策略与稳态控制策略并行运行的转速控制器，根据特殊工况的具体情况，判断采用哪种转速保护控制方法，当电网电压处于稳定状态则采用稳态控制策略下的转速控制器，实现风机在额定转速下的安全运行。当风电机组处于特殊工况下运行，应自动切换为暂态控制策略下的转速控制，快速响应能够抑制由于特殊工况使得机组超速或电网电压波动引起的机组功率的急剧上升的现象，减少风电机组的输入功率从而适应电网故障下输出电能的减少。

Description

一种多种工况下的风电机组保护控制系统
技术领域
本发明涉及风机控制技术领域，尤其涉及一种多种工况下的风电机组保护控制系统。
背景技术
目前，在各种可再生能源的开发中，风力发电的开发最具潜力，发电成本逐渐降低，并且在技术上日趋成熟，从而形成一个新兴的产业，成为电力系统结构中相对增长速度最快的新能源发电。因此，对于风力发电技术的研究有着重要的意义。
风能的随机性和不确定性使得风电机组所输出的电功率、频率、电压均随风速改变，因此必须对电能品质进行控制和整定。但风力发电机系统有很强的非线性和不确定性，多干扰等特点，所有基于某些有效系统模型的控制也仅适合于某个特定的系统和一定的工作周期。
现有的技术当风速发生变化时，风力发电机运行点要发生变化，为了尽可能提高风力机风能转换效率和保证风力机输出功率平稳，风力机将进行桨距调整。风电机组的桨距控制系统通常采用典型的PID速度、功率和桨距角三模态控制。速度控制和直接桨距控制通常用于风力发电机组的启动、停止和紧急事故处理。风力机正常运行时主要采用功率控制。典型的桨距控制系统如图1所示，系统在正常状态下，能够很好的控制风电机组运行发电。但环境往往不是一直不变的，有如下缺陷，如(1)低电压穿越状态，机组有功功率逐渐减少，导致机组的转速上升，引起超速。(2)在电网电压恢复过程中，由于变桨的回桨速度慢，造成有功功率恢复较慢。(3)极限阵风的情况下，风机快速响应风速的控制使得风机超速。(4)电网电压高于额定电压，导致风电机组超速。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种多种工况下的风电机组保护控制系统包括：
安装在电机内部检测电机的转速信息和电网状态信号的电机检测单元；
接收所述电机检测单元传送的数据信息判断风机当前的运行工况，根据不同的工况信息输出叶片的角度信息和电机功率控制指令的控制单元；
接收所述控制单元传送的数据信息控制叶片转动角度和电机转速的叶片角度控制单元；所述叶片角度控制单元设置在每个轮毂的内部实时监测叶片的角度信息；
所述电机检测单元包括检测电机的转速信息的转速检测模块和检测电网的电压信号的电网状态检测模块；
所述控制单元设置在电机和轮毂的外部存储有多种工况下的风机功率、叶片基准角度、转速保护值的控制参数信息，根据电机检测单元传送的信息进行风机的工况判断输出风机的转速和叶片的角度值对风机进行实时监控。
2、根据权利要求1所述的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，其特征还在于：所述控制单元包括判断模块和控制模块；
所述判断模块判断电机检测单元传送的电压信息是否大于或等于第n预设值，如果判断结果为是，则控制模块向叶片角度控制单元输出叶片的基准角度值。
3、根据权利要求1所述的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，其特征还在于：所述控制单元内存储有电网电压的多种工况状态，对风机进行实时监控时：
低电压穿越跌落阶段：控制单元对转速误差进行前置P环节计算，得到适应当前状况下最大化变桨速率，同时调节变桨方向为收桨，再结合当前的状况配合变流器强制接触器闭合，控制风机处于不脱网不超速状态；
低电压穿越恢复阶段：控制单元判断当前机组与电网的工作状态、对变桨速率采用PID进行控制:PID将叶片角度的变化速度反馈给控制单元，所述控制单元通过PID控制叶片角度的变化速度由抖动趋近平滑；所述控制单元再通过当前的转速和当前的电网电压对机组发出的有功功率进行调节：发出有功功率的同时发出无功功率、对电网进行支撑。
极限阵风状态：控制单元根据接收到的转速差值以及风速值来判断当前状态进行变桨策略的调节：电机检测单元将当前的变桨状态、叶片角度速率、电机的转速差值和风速传递给控制单元，对于转速差值环节的反馈采用PI环节控制，来平滑控制风机的转速，减小转速误差，对于风速的补偿采用P环节的控制，对风速的影响进行放大来控制变桨速率；
高电压运行状态：控制单元通过判断电网电压或电网频率来判断当前状态，当控制单元处于当前控制策略下，控制单元控制变桨以最大的速度进行收桨动作保证机组安全停机。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，首先根据机组的控制特性建立控制系统的控制模型，采用暂态控制策略与稳态控制策略并行运行的转速控制器，根据特殊工况的具体情况，判断采用哪种转速保护控制方法，当电网电压处于稳定状态则采用稳态控制策略下的转速控制器，实现风机在额定转速下的安全运行。当风电机组处于特殊工况下运行，应自动切换为暂态控制策略下的转速控制，快速响应能够抑制由于特殊工况使得机组超速或电网电压波动引起的机组功率的急剧上升的现象，减少风电机组的输入功率从而适应电网故障下输出电能的减少。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中的背景技术中典型的桨距控制系统示意图；
图2为本发明系统的结构示意图；
图3为本发明系统的实施例的示意图；
图4为本发明系统的实施例的示意图
图5为本发明系统的实施例的示意图
图6为本发明系统的实施例的示意图
图7为本发明系统的实施例的示意图
图8为本发明系统的实施例的示意图
图9为本发明系统的实施例的示意图
图10为本发明系统的实施例的示意图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图2所示的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，包括安装在电机内部检测电机的转速信息和电网状态信号的电机检测单元20；
接收所述电机检测单元20传送的数据信息判断风机当前的运行工况，根据不同的工况信息输出叶片的角度信息和电机功率控制指令的控制单元30；所述控制单元30包括判断模块31和控制模块32。控制模块32在实际应用中采用转速控制器。
接收所述控制单元30传送的数据信息控制叶片转动角度和电机转速的叶片角度控制单元10；叶片角度控制单元10设置在每个轮毂的内部实时监测叶片的角度信息；
所述电机检测单元20包括检测电机的转速信息的转速检测模块21和检测电网的电压信号的电网状态检测模块22；
所述控制单元30设置在电机和轮毂的外部存储有多种工况下的风机功率、叶片基准角度、转速保护值的控制参数信息，根据电机检测单元20传送的信息进行风机的工况判断输出风机的转速和叶片的角度值对风机进行实时监控。
控制单元30根据不同的工况向叶片角度控制单元10传达不同的角度信息，同时也向机组的变频器传达不同的功率指令。最终保证风机系统的转速在一个稳定安全的运行范围内。控制单元30在检测电机的转速和电网信息时，控制单元30中预设多钟工况下的风机控制参数，如参考功率，叶片基准角度，转速保护值。根据电机检测单元20传递来的信息，通过与叶片角度控制单元10的叶片基准角度进行判断，从而实现对风机的转速进行控制，同时将控制单元30中的转速保护值设定为与现状态相对应的参数，最后在现有工况下对机组的功率进行实时控制，最后实现机组的稳定运行。
所述判断模块31判断电机检测单元20传送的电压信息是否大于或等于第n预设值，如果判断结果为是，则控制模块32向叶片角度控制单元10输出叶片的基准角度值。
判断模块31根据所处的工况，判断选择合适的控制环节。在电网电压波动较大的情况下，选择瞬态效应的转速控制器，当电网电压很平稳的情况下，选择稳态效应的转速控制器，以确保风机输入电网的电能质量。如图3所示。特殊工况下的转速控制系统可以采用如下策略：1、进入特殊工况状态，根据不同的控制策略分别设定不同的PI控制参数，实现有效控制。2、在变桨执行机构中采用特殊工况下的变桨控制策略。
1、低电压穿越跌落阶段如图4所示。
低电压穿越跌落阶段，主控制器通过变流器采集电网电压、电网频率等信号。在已经计算好的转速差值信号基础上进行此工况下的运行判定。主控制器对转速误差进行前置P环节计算，从而得到适应当前状况下最大化变桨速率，同时调节变桨方向为收桨，再结合当前的状况配合变流器强制接触器闭合，让风机处于不脱网不超速状态。
2、低电压穿越恢复阶段如图5所示
低电压穿越电网电压恢复阶段，主控制器同样是通过变流器采集电网电压、电网频率、功率等信号。从而判断现在机组与电网应当处于什么阶段。在这个判断下，主控制器对变桨速率采用PID进行控制:PID将叶片角度的变化速度反馈给控制单元30的主控制器，主控制器通过PID控制叶片角度的变化速度由抖动趋近平滑；所述主控制器再通过当前的转速和当前的电网电压对机组发出的有功功率进行调节：发出有功功率的同时发出无功功率、对电网进行支撑。
3、极限阵风状态如图6所示
极限阵风状态下时，主控制器通过采集来的转速差值以及风速值来判断当前状态。从而主控制器进行变桨策略的调节，变桨改变策略进行动作之后，电机检测单元20将当前的变桨状态、叶片角度速率、电机的转速差值和风速传递给控制单元30。对于转速差值环节的反馈采用PI环节控制，来平滑控制风机的转速，减小转速误差。对于风速的补偿采用P环节的控制，对风速的影响进行放大，从而更有效的控制变桨速率。最终达到机组的稳定运行。当超过机组极限情况下，择机选择停机。
4、高电压运行状态如图7所示
高电压运行状态下，主控制器通过判断电网电压或电网频率来判断此条件。当控制器处于当前控制策略下，主控制器会控制变桨以最大的速度进行收桨动作，从而保证机组安全停机，不损害机组器件。
实施例：
判断模块31用来判断电机检测板传递来的电压信息是否大于或等于第n预设值。控制模块32用于在电机检测板检测的电压大于或等于第n预设值时，控制叶片角度保护器的基准角度，第n预设电压值小于第n+1预设电压值也就是n-1<n<n+1(n为整数)。这里机组正常运行下电压的基准值为690，叶片角度的基准值为0度.我们设定n为1的时候对应的是机组的最初基准值。
机组正常运行时，参数采用第1预设值。
当电机检测单元20检测的电压值达到n>1的预设值时，这时候控制单元30判定机组为高电压状态，应当采用相应预设值参数组。
预设值n与电压的对应(以n为2举例)如图8所示，
预设值n与叶片角度的对应(以n为2举例)如图9所示，
预设值n与转速的对应(以n为2举例)如图10所示，
系统首先根据电压检测装置检测的电压，来确定预设值n的取值，具体取值规律如图8.当控制系统取完n值后，系统就对叶片保护装置进行指令控制，控制对应参数如图9所示。同时在叶片角度控制住以后，机组要对不同情况对风机的转速运行值进行控制，如图10所示。再结合之前对控制系统内部的控制描述，最后使机组在任何工况下都可靠运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多种工况下的风电机组保护控制系统，其特征在于包括：
安装在电机内部检测电机的转速信息和电网状态信号的电机检测单元(20)；
接收所述电机检测单元(20)传送的数据信息判断风机当前的运行工况，根据不同的工况信息输出叶片的角度信息和电机功率控制指令的控制单元(30)；
接收所述控制单元(30)传送的数据信息控制叶片转动角度和电机转速的叶片角度控制单元(10)；所述叶片角度控制单元(10)设置在每个轮毂的内部实时监测叶片的角度信息；
所述电机检测单元(20)包括检测电机的转速信息的转速检测模块(21)和检测电网的电压信号的电网状态检测模块(22)；
所述控制单元(30)设置在电机和轮毂的外部存储有多种工况下的风机功率、叶片基准角度、转速保护值的控制参数信息，根据电机检测单元(20)传送的信息进行风机的工况判断输出风机的转速和叶片的角度值对风机进行实时监控。
2.根据权利要求1所述的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，其特征还在于：所述控制单元(30)包括判断模块(31)和控制模块(32)；
所述判断模块(31)判断电机检测单元(20)传送的电压信息是否大于或等于第n预设值，如果判断结果为是，则控制模块(32)向叶片角度控制单元(10)输出叶片的基准角度值。
3.根据权利要求1所述的一种多种工况下的风电机组保护控制系统，其特征还在于：所述控制单元(30)内存储有电网电压的多种工况状态，对风机进行实时监控时：
低电压穿越跌落阶段：控制单元(30)对转速误差进行前置P环节计算，得到适应当前状况下最大化变桨速率，同时调节变桨方向为收桨，再结合当前的状况配合变流器强制接触器闭合，控制风机处于不脱网不超速状态；
低电压穿越恢复阶段：控制单元(30)判断当前机组与电网的工作状态、对变桨速率采用PID进行控制:PID将叶片角度的变化速度反馈给控制单元(30)，所述控制单元(30)通过PID控制叶片角度的变化速度由抖动趋近平滑；所述控制单元(30)再通过当前的转速和当前的电网电压对机组发出的有功功率进行调节：发出有功功率的同时发出无功功率、对电网进行支撑。
极限阵风状态：控制单元(30)根据接收到的转速差值以及风速值来判断当前状态进行变桨策略的调节：电机检测单元(20)将当前的变桨状态、叶片角度速率、电机的转速差值和风速传递给控制单元(30)，对于转速差值环节的反馈采用PI环节控制，来平滑控制风机的转速，减小转速误差，对于风速的补偿采用P环节的控制，对风速的影响进行放大来控制变桨速率；
高电压运行状态：控制单元(30)通过判断电网电压或电网频率来判断当前状态，当控制单元(30)处于当前控制策略下，控制单元(30)控制变桨以最大的速度进行收桨动作保证机组安全停机。
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