CN107923368B - 调整风力涡轮机取力器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风力发电领域，可用于创建和调整风能设备，以在广泛的风力范围内，包括低年平均风速(3‑6m/s)下，更有效地运行。一种借助于可调式风力涡轮机取力器系统来控制的风能设备包括：具有转子位置传感器的永磁同步发电机，带微处理器控制器的有源整流器；电源；制动系统；镇流器和下转换器。提出了这种类型的风能设备的调整方法，该方法在整个工作速度范围内增加功率系数，并在风速高于对应于标准功率值的预定速度时，稳定发电机轴上的电磁转矩。该调整方法基于根据旋转频率优化算法来控制风力涡轮机的旋转频率，所述旋转频率优化算法评估在设定时间周期内产生的能量的变化，以及建立新的旋转频率值。

Description

调整风力涡轮机取力器的方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，可用于创建和调整风能设备，从而更高效地运行。
交叉引用的相关申请
文件US4525633公开了控制通过独立风力发电系统传输的电力水平的方法和装置。该方法的核心在于利用速度传感器和风力转换系统，计算其输出以达到转速和风速的最佳比例。这种方法的缺点是需要应用速度传感器，这个传感器要么不够准确，要么成本高，同时也可能是功能障碍的另一个来源。
文件US4695736公开了一种控制方法及实施其用的风力涡轮机结构。该方法以转矩控制为基础，根据定义相对于产生的所测量的电量的发电机速度的进度表，以提高风力涡轮机的效率。因此，如果最佳速度低于实际速度，则与功率对应的频率将低于实际频率，并且将在降低转速的方向上产生电流参考(转矩)。在高于实际频率的最佳频率下，功率将对应于更高的旋转频率，并且风力涡轮机将加速。这种方法的缺点是需要使用预定的图形，而这是与风力装置的实际性能有所不同的先验参数(априори)。
最接近我们要求保护的技术方案的是专利US8242620，其描述了一种风力涡轮机的结构，该风力涡轮机使用了一种有源整流器，它能够在预定范围内通过生成电流任务来控制旋转速度。这能够稳定旋转速度，并确保风力涡轮机在与风力涡轮机的速度相对应的特定风速下的有效运行。
该原型的缺点是风力涡轮机在广泛的风速下运行效率低。
背景概括
本发明的目的在于在较宽的风速范围内提高风力涡轮机的运行效率，该范围包括年平均风速(3-6m/s)的低值。
本发明要求保护的技术成果是在风力涡轮机的整个运行速度范围内增加风力发电转换系数。
本发明要求保护的技术成果的获取由控制风力涡轮机中的取力器的方法实现，包括在整个运行风速范围内控制风力涡轮机的速度，按照寻找最佳速度的算法，在给定的时间间隔内随着转速的变化，估算产生的能量变化，并以已经获取的值为基础设置新的转速值，并且在高于计算值的风速下，确保同步发电机的轴上的电磁转矩的稳定。而在运行风速的整个范围内，通过取力器(PTO)系统执行速度控制，该取力器系统包括带有永磁体并具有一个安装在风力涡轮机的轴上的转子位置传感器的同步发电机；用于直接连接到电机的输出端的电子设备的自身电源单元；由微处理器可编程控制器矢量控制的有源整流器，通过形成与发电机的相绕组中的给定幅度的EMF电流同相的正弦，提供指定电磁转矩的可能，并且在有源整流器的输出端将它们转换成DC链电容器的充电电流,其具有高于用户指定的输出电压的电压，该电压在预定的数值范围内的这种稳定是在消耗者选择取力器的全功率输出的情况下，由微处理器控制器的控制下的下转换器提供的，并且如果消耗者无法实现取力器的全功率输出时，则通过在微处理器控制下的下转换器和镇流器的组合工作而实现；运行于微处理器控制下的下转换器，其维持有源整流器与下转换器之间的DC链路电压在预定数值范围内，以及将输出电压降低到消耗者所需的水平，并限制最大电流以防止短路；用于在微处理器控制器的控制下去除过量电力的镇流器；在微处理器控制器的控制下，与同步发电机的所述绕组关联的制动系统产生同步发电机的逐步制动或者风力涡轮机的应急停止。
在实施所要求保护的风力涡轮机取力器调节方法的特定情况下，提供了具有PWM开关的镇流器，这允许平稳地调节由B释放的电量并将冷凝器电压降低到可接受的水平而不中断运行DC和传输电力给消耗者。
在要求保护的控制风力涡轮机取力器的方法的特定实施例中，同步发电机(4)具有带有轴向磁化的永磁体的盘形结构，其包括带有两个位于定子的两侧并互相刚性连接的同轴盘的转子，环形定子的体积减小了电枢与磁通路径的作用力，从而降低特定损耗，同时增加同步发电机的运行效率，简化了与风力涡轮机的对接，而定子的无槽环形磁芯的使用使得同步发电机的静态阻力转矩减小以及风力涡轮机绕组转矩减小成为可能。
可调式风力涡轮机取力器系统的使用包括带有转子位置传感器的永久磁铁上的同步发电机，带有微处理器控制器的有源整流器，电源单元，制动系统，镇流器和下转换器。对于这种结构，实施一种控制方法，该控制方法在整个运行速度范围内增加风力转换系数，并且以高于与功率标准值相应的设计值的风速稳定发电机轴上的电磁转矩。该控制方法基于根据最佳速度搜索算法控制风力涡轮机的速度，该算法估算在给定时间间隔内所产生的能量变化，并设定新的旋转频率值。
附图简述
本发明的细节、特征和优点源自结合如下附图的所要求保护的用于控制风力涡轮机取力器的方法的实施例的如下描述，其中：
图1-风力涡轮机的整体结构
图2-取力器系统的结构
图3-用于寻找风力涡轮机的最佳速度的算法
图4.1-旋转频率调节器的功能图
图4.2-有源整流器控制的功能图
附图中的数字如下：
1–风力涡轮机；2-取力器系统；3–产生电量的消耗者；4-同步发电机；5–转子位置传感器；6-电源；7-微处理器控制器；8-制动系统；9-有源整流器；10-镇流器；11–下转换器；位置12-20示出了用于风力涡轮机取力器控制系统的运行的算法模块；位置21-23-速度控制器的功能电路模块；24-30-有源整流器的功能控制电路模块。
描述
图1示出了风力涡轮机的整体结构，包括风力涡轮机(1),其连接到PTO系统(2),发送产生的电量至消耗者(3)。
风力涡轮机(1)根据其特点和风流的特点在轴上产生转矩TR。风力涡轮机的取力器系统(2)在轴上产生电磁转矩TE，将风力涡轮机(1)的机械能转换为消耗者(3)所需的电压UC和设定的电流IC。作为消耗者(3)，可以考虑指定电压的电池或网络逆变器。
图2示出了风力涡轮机(WT)的PTO系统的结构，其包括与WT一起在从转子位置传感器(RPS)(5)安装在同一轴上的同步发电机(SEG)(4)，并且SEG的输出端处连接有电源(PS)(6)。微处理器控制器(MPC)(7)控制连接到SEG的绕组上的制动系统(BS)的运行；所述有源整流器(AR)(9)的运行在输入端连接相电流传感器CSA、CSB、CSC，在输出端连接电压传感器VS，电容器C0，电流传感器CS1；镇流器(B)(10)和下转换器(DC)(11)在输出端与电流传感器CS2的运行。
PTO涡轮机系统包括电力、测量和控制装置，其主要目的是根据搜索算法最佳旋转频率来控制涡轮机速度，并评估能量输出的变化以及产生新的参考速度值。
为适应广泛的风速，可能的解决增加风力发电转换系数的问题是：
-在同步发电机的轴上设定电磁转矩TE，正比于同步发电机的电流值的线性值，由相电流iA,iB,iC确定，该相电流iA,iB,iC根据所开发的算法由来自具有基于微处理器的可编程控制器的矢量控制的有源整流器形成；
-在同步发电机的绕组中设置电流iA,iB,iC,-正弦形式的电流，与EMF发生器同相，没有额外的谐波分量，从而提高整个工作运行旋转频率范围内的效率；
-实现与下转换器一起工作的有源整流器升压转换器功能，提供大于UC的压值Uin，以及需要的UC和IC的值。因此，可以使用具有高效率值的同步发电机。
基于微处理器的可编程控制器,通过根据同步发电机的转子的旋转角度α的值形成PWM1脉宽调制(PWM)信号来实现有源整流器的矢量控制。转子角度α的值由转子位置传感器的读数确定。
转子位置传感器被设计来实施有源整流器的矢量控制以及计算发电机转子的旋转速度。转子位置传感器的矢量控制小时间间隔内，转子位置的精确确定提高了电机的动态特性并提供了完全的控制能力，这对用于调整风力涡轮机运行的算法的有效运行是必要的。
电流回路的反馈与电流传感器CSA，CSB，CSC的使用相组合。
直接连接到同步发电机输出端的电源为电子设备提供低压电力。
当电压超过阈值Uin或风力涡轮机紧急停止以防WT的PTO系统的一个装置发生故障时，制动系统通过微处理器可编程控制器命令产生同步发电机的逐步停止。
由于通过微处理器基的可编程控制器的信号PWM3和PWM2，根据电流传感器CS1的读数调节电流Iin和根据电流传感器CS2的读数调节电流IC，根据电压传感器VS的读数，下转换器保持电容器C0上的DC链的电压在Uin值的预定范围内，所述电容器C0位于有源整流器和下转换器之间。该下转换器将电压降低到所需水平UC，并允许以限制电流IC的最大值，这确保了避免短路。
具有同步发电机的至少标称功率的B为防止超过Uin的预定值，在可编程微处理器控制器的控制下转移过量的电力。
所要求保护的风力涡轮机取力器的方法在风力涡轮机的整个运行速度范围内提供风力转换系数的增加，并且以高于功率标准值相应的额定速度的风速在发电机轴上稳定电磁转矩。该控制方法基于根据最佳速度搜索算法来控制风力涡轮机的速度，所述最佳速度搜索算法估算在给定时间间隔处所产生的能量的变化，并设定新的速度值。
取力器系统实现三种主要的运行模式：
1.在从最小工作风速到额定风速的范围内运行方式，其中SEG产生额定功率。
在从最小运行到标准PWM信号PWM1到具有MPC的AR的速度范围内，执行SEG绕组的切换。在这种情况下，在发电机iA,iB,iC的相位中形成具有给定幅度的EMF电流的正弦同相，这根据开发的算法确保了SEG的绕组的损失最小化，以及在SEG轴上旋转的最佳速度的形成。根据DPR读数，通过矢量控制提供正相和正弦电流。有源整流器将SEG的EMF和可变相电流iA,iB,iC转换成电容器C0上的具有Uin电压的恒定输出电流Iin。
当用户选择全功率输出时，通过控制电流IC(读取CS2调制的PWM信号PWM3 MPC)，提供DC，确保电容器C0处的电压Uin在预定范围电压内稳定。
当对于消耗者(或用户)而言,完整PTO是不可能时(IC受到消耗者限制)，在给定数值范围内的电容器C0上的电压Uin的稳定由DC和B的联合运行来保证。通过CS2读数而进行的电流控制IC，是通过用与B连接的MPC来调制PWM信号PWM3和PWM2进行的。
2.超过计算值的风速范围内的运行方式。
如果风速的值超过风力涡轮机的风速计算值，则HP在轴TR上产生超过同步发电机的电磁转矩TE的标准值的转矩。SEG的旋转频率高于标称值，以及AR开始在二极管电桥模式下工作。在这种情况下，AR的输出端提供的电力超过额定值，并且DC不能稳定电容器C0电压Uin。一旦到达电容器的阈值电压Uin，MPC产生PWM信号PWM2，它连接镇流器，并且根据CS1多单元指示在AR的输出端产生电流Iin，而不是标准产生电磁转矩TE。如果产生的转矩TE超过作用在SEG和WT的轴上的MR，速度降低并且风力涡轮机进入运行模式1。
如果产生的转矩TE不足以制动SEG，则SEG转速增加，SEG的EMF增加，并且根据VS的指示，MPC将信号s1发送到BS，然后BS执行SEG和WT的逐步制动。在BS的运行期间，形成AR电流和电容器C0的充电,DC继续发电，导致VS上的电压Ui降到设定值以下。在BS触发之后，同步发电机的绕组保持短路，直到电压降到设定值以下，然后风力涡轮机进入带镇流器的运行模式2。
3.风力涡轮机的应急运行，以防止WT的设备PTO系统中的一台发生故障。在这种情况下，BS停止风力涡轮机。
图3显示了搜索涡轮机转动的最佳频率的算法。该算法在给定时间间隔内基于所产生能量的平均值来搜索最佳旋转速度。模块(12)定义了初始参数：En-在循环的最后一次迭代中获得的总“能量”，wn-1-在循环的最后一次迭代中的指定速度，wreq-在该循环的这个迭代中的指定旋转速度，k-循环次数。模块(13)将通过次数与给定的极限值比较。模块(14)指定循环的时间延迟。模块(15)给出了用于电压Uq和电流Iq的q分量的值。模块(16)增加这个循环迭代中总“能量”En的值。在这种情况下，“能量”的概念是在保留的情况下应用的，因为瞬时功率值被累加为一个相的电流和电压的振幅值，并且总值不等于发电机实际产生的能量，但总是通过相同的系数与它成正比。因此，所获得的“能量”值可以被正确地相互比较，并被用在该算法中。模块(17)增加通过计数，并且当达到极限值时，执行模块(18)，将“能量”变化和过去与当前迭代之间的旋转频率的乘积与零进行比较。大于零的值意味着速度增加，以及“能量”值增加或者速度下降，并且“能量”值也下降，这就是为什么需要通过执行模块(19)来增加速度。小于零的值意味着转速降低而能量值增加，或转速增加而能量值降低，因此，需要通过执行模块(20)来降低风力涡轮机的速度。
图4.1显示了速度控制器的功能图。执行矢量控制方案。加法器(21)计算设定的速度值wreq和实际wrot之间的差，差值被反馈到调节器PI(22)。模块(23)提供了将电流Iq_req设置在零到电机标准值范围内的限制，以避免其转换到电机模式并且不超过允许的电流值。
图4.2显示了有源整流器控制的功能图。所测量的相电流值被反馈到模块(24)，模块(24)实施Park-Clarke变换。d-q分量的结果值到达模块(25)和(26)，其中给定值从实际值中减去，并由PID调节器(27)、(28)转换。在模块(29)中，恢复每个相的参考值，并根据这些值将控制脉冲反馈到模块(30)中的有源整流器。

Claims (3)

1.一种调整风力涡轮机取力器的方法，其特征在于，该方法以根据最佳速度搜索算法来控制风力涡轮机速度为基础，所述最佳速度搜索算法评估给定时间间隔内的输出能量随着旋转速度改变而产生的变化，并基于所获得的值设置新的速度值；在高于对应于功率的标准值的计算值的风速下，确保同步绕组轴上的电磁转矩的稳定，同时在工作风速的整个范围内控制旋转速度是通过取力器系统执行的，所述取力器系统包括：具有永磁体的同步发电机，其具有安装在具有风力涡轮机的单个轴上的转子位置传感器；用于直接连接到电机的输出端的电子设备的自身电源单元；通过微处理器可编程控制器来矢量控制的有源整流器，通过形成与发电机的相绕组中的给定幅度的EMF电流同相的正弦，提供指定电磁转矩的可能，并且在有源整流器的输出端将EMF电流转换成DC链电容器的充电电流,其具有高于用户指定的输出电压的电压,电压在预定的数值范围内的这种稳定是在消耗者选择取力器的全功率输出的情况下，由微处理器控制器的控制下的下转换器提供的，并且如果消耗者无法实现取力器的全功率输出时，则通过在微处理器控制下的下转换器和镇流器的组合工作而实现；运行于微处理器控制下的下转换器，其维持有源整流器与下转换器之间的DC链路电压在预定数值范围内，以及将输出电压降低到消耗者的期望水平，并限制用于短路电流保护的最大电流值；用于在微处理器控制器的控制下去除多余电量的镇流器；与同步发电机的绕组关联的制动系统，其在微处理器控制器的控制下产生同步发电机的逐步制动或风力涡轮机的应急停止。
2.根据权利要求1所述的调整风力涡轮机取力器的方法，其特征在于，所述取力器系统中的所述镇流器为具有脉宽调制切换的镇流器。
3.根据权利要求1所述的调整风力涡轮机取力器的方法，其特征在于，所述同步发电机(4)是具有轴向磁化的永磁体的盘形结构，所述转子由设置在定子两侧的两个同轴盘组成，并且所述两个同轴盘刚性连接。
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