CN109611271A - 一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法，包括对发电机转速信号进行采集并滤波；按滤波后的发电机转速及桨距角相关状态变量将风力机的运行区域划分成五个区域；按区域查表获取转矩设定值；通过变流器动态改变发电机电磁转矩。采用本发明，消除了风力发电机在额定工作点附近的功率跌落现象和超速现象，以桨距角相关的多个状态变量作为判断条件，将区域Ⅴ满负荷曲线扩充到发电机额定转速以下的区域，使得当满足判断条件时，即使发电机转速暂低于额定转速，发电机转矩依然按照区域Ⅴ进行给定；在额定风速以上的转矩调节兼顾了功率和转矩波动幅度调节，对转矩曲线中区域Ⅴ的转矩进行了权值规划，同时对区域Ⅳ的过渡曲线进行动态优化。

Description

一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法

技术领域

本发明涉及风电控制领域，尤其涉及一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法。

背景技术

变速变桨距风力发电机将交流发电机转矩控制与叶片变桨距控制相结合，达到低风速下最大功率点跟踪和高风速下功率限制的目标。交流发电机转矩控制器和叶片变桨距控制器均建立在发电机转速测量的基础上。现有的风力机发电机转矩控制方法主要有叶尖速比法、爬山算法和功率曲线法(有时也称“转矩曲线法”)。其中转矩曲线法为主流，在低风速区，转矩控制器根据当前实时风轮转速动态调节发电机转距，使风力发电机最大效率的捕获风能。在高风速区，现有的转矩曲线法在可分为恒转矩控制和恒功率控制。恒转矩控制方式保持转矩恒定，易使功率波动幅度较大。同时，恒定的发电机转矩使传动链模态阻尼较小，进而引起传动链扭矩大幅波动，甚至共振。恒功率控制方式是按照发电机转速动态地成反比的调节发电机转矩，这种方式会使发电机转矩波动幅度过大，也会给传动链带来较大载荷。此外，在高风速区变桨距控制环和转矩控制环易发生耦合，一旦发电机转速暂低于额定转速，便会引起严重的功率和转矩跌落。功率和转矩跌落将给传动链和电网带来巨大冲击。

现有转矩曲线法使风力发电机在额定工作点易出现功率跌落现象。在额定风速以上，一旦风速下降过快，风力机气动转矩暂时低于额定水平，风轮惯性过大导致桨距角的调节无法跟上风速的变化，这时转速暂低于额定转速，若按现有转矩曲线法进行转矩控制，发电机转矩控制将跌落至最佳叶尖速比区，此时发电机电磁转矩将大幅跌落，进而引起功率跌落。

现有转矩曲线法使风力发电机在额定工作点可能出现超速现象。在发电机电磁转矩跌落的同时，风轮具较大加速度，发电机转速短期内会迅速增加甚至超速。

现有转矩曲线法在额定风速以上无法兼顾功率和转矩波动幅度调节。在额定风速以上，现有的转矩曲线法在可分为恒转矩控制和恒功率控制。恒转矩控制方式保持转矩恒定，易使功率波动幅度较大。同时，恒定的发电机转矩使传动链模态阻尼很小，进而引起传动链扭矩大幅波动，甚至共振。恒功率控制方式是按照发电机转速动态地成反比的调节发电机转矩，这种方式会使发电机转矩波动幅度较大，也会给传动链带来较大载荷。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法。可解决风力发电机在额定工作点附近的功率跌落问题及转矩、桨距控制器频繁切换问题，进行转矩调节时兼顾发电机输出功率和转矩的波动幅度，还提高了风力发电机的发电质量。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法，包括以下步骤：

S1：获取当前发电机转速；

S2：对发电机转速信号进行滤波；按滤波后的发电机转速及桨距角相关状态变量将风力机的运行区域划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五个区域；

S3：按区域查表获取转矩设定值；

S4：通过变流器动态改变发电机电磁转矩。

进一步地，所述步骤S1具体包括：以采样周期Ts对发电机转速信号进行采集。

更进一步地，所述步骤S2具体包括：用时域递归低通滤波器对发电机转速信号进行滤波。递归方程为：

y[n]＝(1-α)u[n]+αy[n-1]

其中，y[n]——滤波后的发电机转速；y[n－1]——前一采样周期滤波后的发电机转速；u[n]——滤波前的发电机转速；T_s——采用周期；f_c——角频率，取叶片一阶挥舞固有频率。

更进一步地，所述步骤S2还包括：

在区域Ⅲ，转矩给定值为：

式中，k_opt——最优模态增益；ω_Gen——高速轴实时转速；ρ——空气密度；R——风轮半径；C_pmax——最大功率系数；λ_opt——最佳叶尖速比；N_Gear——齿轮箱变速比。

更进一步地，所述步骤S2还包括：

在区域Ⅴ，对发电机转矩和功率的上限进行限值为额定值+6％。

更进一步地，在满足θ>1°或0＜θ＜1且时，使用新曲线方程控制发电机的负荷：

式中，θ为平均桨距角，ω_rat——电机额定转速；ω_P ^lim——额定功率曲线上1.06T_e ^rat转矩对应转速，ω_P ^lim＝0.9434ω_rat，P_e ^rat——发电机额定功率；T_e ^rat——发电机额定转矩。

更进一步地，Ⅳ是区域Ⅲ和区域Ⅴ的线性过渡，通过以下方法对区间Ⅳ的线性过渡区域进行动态优化：

构造一条连接当前转速点和最佳叶尖速比追踪曲线的临时过渡曲线HI，该曲线的斜率与默认过渡曲线一致，同时，临时曲线以10rpm/s的速度向默认曲线方向平移，直至与默认过渡曲线完全重合。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明消除了风力发电机在额定工作点附近的功率跌落现象和超速现象，以桨距角相关的多个状态变量作为判断条件，将区域Ⅴ满负荷曲线扩充到发电机额定转速以下的区域，使得当满足判断条件时，即使发电机转速暂低于额定转速，发电机转矩依然按照区域Ⅴ进行给定；在额定风速以上的转矩调节兼顾了功率和转矩波动幅度调节对转矩曲线中区域Ⅴ的转矩进行了权值规划，同时对区域Ⅳ的过渡曲线进行动态优化。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是现有转矩曲线示意图；

图3是满负荷曲线的示意图；

图4是对区间Ⅳ的线性过渡区域进行动态优化的曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明实施例的一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法，通过以下内容进行实施。

如图1所示，包括获取当前发电机转速；对发电机转速信号进行滤波；按滤波后的发电机转速及桨距角相关状态变量将风力机的运行区域划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五个区域；按区域查表获取转矩设定值；通过变流器动态改变发电机电磁转矩。

以采样周期T_s对发电机转速信号进行采集。为减小高频激励的影响，利用时域递归低通滤波器对发电机转速信号进行滤波。递归方程为：

y[n]＝(1-α)u[n]+αy[n-1]

其中，y[n]——滤波后的发电机转速；y[n－1]——前一采样周期滤波后的发电机转速；u[n]——滤波前的发电机转速；T_s——采样周期；f_c——角频率，取叶片一阶挥舞固有频率；

按滤波后的转速及桨距角相关状态变量将风力发电机转矩控制分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五个区域：

(1)区域Ⅰ的风速过小，发电机转速小于切入转速ω_A，风力发电机空转，电机转矩和输出功率均为0。

(2)在区域Ⅲ，风力机运行于额定风速以下，桨距角始终保持在最佳桨距角(0°左右)，转矩控制目标为最佳叶尖速比跟踪，转矩给定值为：

式中，k_opt——最优模态增益；ω_Gen——高速轴实时转速；ρ——空气密度；R——风轮半径；C_pmax——最大功率系数；λ_opt——最佳叶尖速比；N_Gear——齿轮箱变速比。

(3)在区域Ⅴ，实时风速高于额定风速，现有的发电机进行恒转矩控制(D→E)或恒功率控制(D→F)，如图2所示。设置变桨距控制器参数可控制发电机转速在额定值±6％范围内变化。由此，在额定转速附近，对发电机转矩和功率的上限进行限制。相应地取上限值为额定值+6％。将区域Ⅴ的满负荷曲线扩充到额定风速以下区域，如图3所示。

恒转矩曲线方程：

恒功率曲线方程：

式中，——发电机额定功率；——发电机额定转矩。

恒转矩控制方式追求转矩恒定，恒功率控制方式追求功率恒定，在恒转矩和恒功率曲线所夹区域构造一条新曲线，以同时兼顾转矩和功率。对该区域进行权值规划如下：

设新曲线任一点离恒转矩曲线和恒功率曲线上同转速点之间的距离分别为dT和dP。定义恒转矩权值αT和恒功率权值αP如下：

新曲线方程：

式中，ω_rat——电机额定转速；——额定功率曲线上1.06Terat转矩对应转速，

特别说明Ⅴ区新曲线方程必须如下条件才予以应用：θ>1°或0＜θ＜1且θ>0。其中θ为平均桨距角。

(4)区域Ⅱ是区域Ⅰ和区域Ⅲ的线性过渡，即风力机启动阶段，其作用是限定风力机发电工作区域的最小发电机转速。

(5)区域Ⅳ是区域Ⅲ和区域Ⅴ的线性过渡。区域Ⅲ的最佳叶尖速比曲线和区域Ⅴ的满负荷曲线将不会在额定工作点相交。因此引入该线性过渡区域，该区域还有利于减少叶尖线速度过大带来的噪声影响。该区域曲线的斜率与感应电机的滑差率有关。将转矩控制曲线上刚进入第Ⅴ区域的电机转速视为发电机额定转速ωrat，为了减少频繁过渡，使桨距控制器的转速设定值ωpit，nom略高于发电机额定转速ωrat。

图4描述了改进的转速－转矩曲线的Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ部分区域。将区域Ⅳ的过渡曲线CD右移，使过渡曲线CD与区域Ⅴ满负荷曲线在ωpit，nom转速处相交，以扩大最佳叶尖速比追踪的范围。

对区间Ⅳ的线性过渡区域进行动态优化如下：

当平均桨距角减小到1°却依然无法提高发电机转速，转矩控制将从满负荷曲线过渡到最佳叶尖速比追踪曲线。此时发电机转矩工作点不会落在默认过渡曲线上，于是构造一条连接当前转速点和最佳叶尖速比追踪曲线的临时过渡曲线HI，该曲线的斜率与默认过渡曲线一致。同时，临时曲线以10rpm/s的速度向默认曲线方向平移，直至与默认过渡曲线完全重合，如图4。

默认过渡曲线方程：

式中，T_e，full(ω_pit，nom)——满负荷曲线上转速为ω_pit，nom对应的发电机转矩。

临时过渡曲线方程：

式中，Δt——实时时间与平均桨距角θ＝1°且时刻的时间之差；——等效额定转速，即平均桨距角θ＝1°且时刻的转速值。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取当前发电机转速；

S2：对发电机转速信号进行滤波；按滤波后的发电机转速及桨距角相关状态变量将风力机的运行区域划分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五个区域；

S3：按区域查表获取转矩设定值；

S4：通过变流器动态改变发电机电磁转矩。

2.根据权利要求1所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：以采样周期Ts对发电机转速信号进行采集。

3.根据权利要求2所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：用时域递归低通滤波器对发电机转速信号进行滤波。递归方程为：

y[n]＝(1-α)u[n]+αy[n-1]

其中，y[n]——滤波后的发电机转速；y[n－1]——前一采样周期滤波后的发电机转速；u[n]——滤波前的发电机转速；T_s——采样周期；f_c——角频率，取叶片一阶挥舞固有频率。

4.根据权利要求3所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

在区域Ⅲ，转矩给定值为：

式中，k_opt——最优模态增益；ω_Gen——高速轴实时转速；ρ——空气密度；R——风轮半径；C_pmax——最大功率系数；λ_opt——最佳叶尖速比；N_Gear——齿轮箱变速比。

5.根据权利要求4所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

在区域Ⅴ，对发电机转矩和功率的上限进行限值为额定值+6％。

6.根据权利要求5所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，在满足θ>1°或0＜θ＜1且时，使用新曲线方程控制发电机的负荷：

式中，θ为平均桨距角，ω_rat——电机额定转速；ω_P ^lim——额定功率曲线上1.06T_e ^rat转矩对应转速，ω_P ^lim＝0.9434ω_rat，P_e ^rat——发电机额定功率；T_e ^rat——发电机额定转矩。

7.根据权利要求6所述的变速变桨距风力发电机转矩控制方法，其特征在于，Ⅳ是区域Ⅲ和区域Ⅴ的线性过渡，通过以下方法对区间Ⅳ的线性过渡区域进行动态优化：

构造一条连接当前转速点和最佳叶尖速比追踪曲线的临时过渡曲线HI，该曲线的斜率与默认过渡曲线一致，同时，临时曲线以10rpm/s的速度向默认曲线方向平移，直至与默认过渡曲线完全重合。