CN109611279A - 一种离网型风力发电系统及其最优频率跟踪控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离网型风力发电系统及其最优频率跟踪控制方法，包括有风力发电部分、输变电部分、控制装置、可调二级热负荷设备、一级热负荷设备，输变电部分分别与风力发电部分、可调二级热负荷设备和一级热负荷设备一一对应相接，风力发电部分把风能转换为电能后，通过输变电部分把电能送到可调二级热负荷设备和一级热负荷设备，控制装置通过获取风速和系统的频率，根据最优频率跟踪控制策略发送控制信号给可调二级热负荷设备，可调二级热负荷设备通过收到的控制信号来投切热负荷，以此来改变系统的频率。采用本发明后，不需要涉及整流和逆变过程，减少了电力电子设备所需要的设备成本和维护成本，可以很好地与分布式冷热联供系统结合起来。
Description
技术领域
本发明涉及离网型风力发电的技术领域，尤其是指一种离网型风力发电系统及其最优频率跟踪控制方法。
背景技术
作为最有发展潜力的可再生能源技术之一，风电技术一直是各国能源领域的重要发展方向。风电的开发及利用主要有2种类型：并网型风电和离网型风电。
并网型风电是当今世界上风能利用的主要形式，但由于风电的不稳定性，大规模风电并网现阶段面临着技术瓶颈，风电对电网的贡献率难以超过10％。与此同时，为使得并网的风电满足电网稳频、稳压及稳相的要求，风力发电系统必须配套一系列的控制设备，这也大幅度提高了风力发电成本。另外，为消除风电波动性对电网供电可靠性的影响，电网公司还必须备用各类发电装置进行调节，这使得风电大规模应用受到限制。
所谓离网型风电，是指大规模风电系统的终端负荷不再是电网，而是将风电输送到一系列能适应风电特性的高耗能产业或其特殊领域，解决无法并网的风电的利用问题，同时突破终端负荷使用风电的局限性，使大规模风电的供电比重可达到100％。离网型风力发电系统，因其具有单机容量小、启动风速低、发电成本低和安装简便等优点，已在远离电网但风能资源丰富的地区得到了广泛的利用。近年来，除了含蓄电池、整流器、逆变器及控制器的传统离网型风力发电系统，风光互补发电系统和风力-柴油混合发电系统等新型发电系统也相继出现。
理论上，各种发电机均可以应用于离网型风力发电系统，但由于永磁风力发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)不含励磁装置和励磁绕组，同时还可省去滑环和电刷，与电励磁发电机相比具有损耗小、结构简单、效率高、可靠性高等突出优点，而且在低转速下也能发电。因此，永磁风力发电机以其优异的性能被广泛应用于离网型风力发电系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种离网型风力发电系统及其最优频率跟踪控制方法，不需要涉及整流和逆变过程，减少了电力电子设备所需要的设备成本和维护成本，另外，其控制策略简单高效，便于多机组间的协调运行，可以很好地与分布式冷热联供系统结合起来。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案如下：
一种离网型风力发电系统，包括：
风力发电部分，包括风力机和永磁同步发电机，用于将风能转换为电能；
输变电部分，包括变压器，负责把电能送到系统中各处；
控制装置，为最优频率跟踪装置，其通过获取风速和系统的频率，生成控制信号；
可调二级热负荷设备，为厂用热负荷或储热系统，通过它的投切来改变系统的频率；
一级热负荷设备，为电热水锅炉或螺杆式制冷机组，作为系统的用户端；
其中，所述输变电部分分别与风力发电部分、可调二级热负荷设备和一级热负荷设备一一对应相接，所述风力发电部分把风能转换为电能后，通过输变电部分把电能送到可调二级热负荷设备和一级热负荷设备，且所述可调二级热负荷设备与控制装置通信，所述控制装置通过获取风速和系统的频率，根据最优频率跟踪控制策略发送控制信号给可调二级热负荷设备，所述可调二级热负荷设备通过收到的控制信号来投切热负荷，以此来改变系统的频率。
上述离网型风力发电系统的最优频率跟踪控制方法，是在中低风速下，由最优频率跟踪装置获得系统的频率，将其与当前风速对应的最优参考频率的频率偏差通过比例积分环节来控制可调二级热负荷设备的投切，最终通过调整系统总负荷的大小来改变系统的频率，进而改变永磁同步发电机的转速来达到最大功率跟踪的效果，其原理如下：
在中低风速时，系统中交流电的电压幅值和频率会随着风速的变化而变化，但是，因为系统中只有热负荷，故交流电的电压频率并不需要保持恒定，由风速特性曲线可知，每个风速都有其对应的最优转速，为了得到风力机的最大功率出力，必须根据风速来控制其转速；对于永磁同步发电机来说，系统的频率和发电机转速是成正比关系的，故对于一个给定的风速，其对应的系统频率能由下式所得到：
feref＝λoptvngnp/r/(2π) (1)
其中，feref为最优参考频率，λopt为最优叶尖速比，v为风速，ng为转速比，np为发电机极对数，r为风力机的半径。
当多机风力发电时，所述最优频率跟踪控制方法是以多机风力发电的总输出为指标的综合频率控制方案，通过可调二级热负荷设备调整系统总负荷的大小，使系统的频率等于全局最优参考频率，从而使得多机风力发电的总出力达到最大。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、单机容量小、启动风速低、发电成本低和安装简便。
2、不含励磁装置和励磁绕组，同时还可省去滑环和电刷，具有损耗小、结构简单、效率高、可靠性高等突出优点，而且在低转速下也能发电。
3、不需要涉及整流和逆变过程，减少了电力电子设备所需要的设备成本和维护成本。
4、控制策略简单高效，便于多机组间的协调运行。
5、所具备的特性使其能够很好地与分布式冷热联供系统结合起来。
附图说明
图1是离网型风力发电系统的结构框图。
图2是不同风速下，风力机出力和发电机转速的关系图。
图3是离网型风力发电系统的最优频率跟踪控制示意图。
图4是离网型风力发电系统的等效电路示意图。
图5是多机风力发电时最优系统频率跟踪策略的效果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例提供了一种用于分布式冷热联供的离网型风力发电系统，其包含：
风力发电部分1，包括风力机11和永磁同步发电机12，用于将风能转换为电能；
输变电部分2，包括变压器，其负责把电能送到系统中各处；
控制装置3，为最优频率跟踪装置，其通过获取风速和系统的频率，生成控制信号；
可调二级热负荷设备4，为厂用热负荷或储热系统，通过它的投切来改变系统的频率；
一级热负荷设备5，为电热水锅炉或螺杆式制冷机组，其为系统的用户端；
其中，所述输变电部分2分别与风力发电部分1、可调二级热负荷设备4和一级热负荷设备5一一对应相接，风力发电部分1把风能转换为电能后，通过输变电部分2把电能送到可调二级热负荷设备4和一级热负荷设备5，可调二级热负荷设备4与控制装置3通信，控制装置3通过获取风速和系统的频率，根据最优频率跟踪控制策略发送控制信号给可调二级热负荷设备4，可调二级热负荷设备4通过收到的控制信号来投切热负荷，以此来改变系统的频率。
上述离网型风力发电系统采用了最优频率跟踪控制策略，该最优频率跟踪控制策略是指在中低风速下，由最优频率跟踪装置获得系统的频率，将其与当前风速对应的最优参考频率的频率偏差通过比例积分环节来控制可调二级热负荷设备4的投切，最终通过调整系统总负荷的大小来改变系统的频率，进而改变永磁同步发电机12的转速来达到最大功率跟踪的效果。其原理如下：
在中低风速时，系统中交流电的电压幅值和频率会随着风速的变化而变化。但是，因为系统中只有热负荷，故交流电的电压幅值和频率并不需要保持恒定。由图2所示，每个风速都有其对应的最优转速，为了得到风力机11的最大功率出力，必须根据风速来控制其转速；对于永磁同步电机12来说，系统的频率和发电机转速是成正比关系的。所以，我们可以通过调整系统中负荷电阻的大小来改变系统的频率，进而改变永磁同步发电机12的转速来达到最大功率跟踪的效果。
对于一个给定的风速，其对应的系统频率可由下式所得到：
feref＝λoptvngnp/r/(2π) (1)
其中，feref为最优参考频率，λopt为最优叶尖速比，v为风速，ng为转速比，np为发电机极对数，r为风力机的半径。
具体的控制过程是：系统中的交流电压ug通过一个类似锁相环(Phase LockingLoop，PLL)的环节来获得其频率fe，然后将该频率与风速对应的最优参考频率feref作差，将得到的频率偏差通过比例积分环节来控制可调二级热负荷设备的投切，最终通过调整系统总负荷电阻的大小来改变系统的频率，进而改变永磁同步发电机的转速来达到最大功率跟踪的效果，如图3所示。
整个系统可以用图4所示的等效电路来说明。
单机风力发电系统控制方案很容易实现，因为最优参考频率是唯一的，而且只考虑风速。不同的设备具有不同的参数，所以对于多机系统来说，最优参考频率不仅取决于风速，还取决于设备的参数，如叶片的直径和发电机的极对数等。但在同一片区域内，可以认为其中的多台风力发电设备的这些参数完全相同。
由于多台风力发电机所处的风速不同，不可能使每台风力发电机都在自己的最大功率工作点上工作。故当多机风力发电时，上述最优频率跟踪控制方法是以多机风力发电的总输出为指标的综合频率控制方案，通过可调二级热负荷设备调整系统总负荷的大小，使系统的频率等于全局最优参考频率，从而使得多机风力发电系统的总出力达到最大。这也是广义上的最大功率跟踪。
如图5所示，系统中的四台风机处于不同的风速中，当系统频率为fe时，虽然每台风力机都不一定达到它的最大出力值，但是对于总个系统来说，系统的总出力达到了最大。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种离网型风力发电系统，其特征在于，包括：
风力发电部分，包括风力机和永磁同步发电机，用于将风能转换为电能；
输变电部分，包括变压器，负责把电能送到系统中各处；
控制装置，为最优频率跟踪装置，其通过获取风速和系统的频率，生成控制信号；
可调二级热负荷设备，为厂用热负荷或储热系统，通过它的投切来改变系统的频率；
一级热负荷设备，为电热水锅炉或螺杆式制冷机组，作为系统的用户端；
其中，所述输变电部分分别与风力发电部分、可调二级热负荷设备和一级热负荷设备一一对应相接，所述风力发电部分把风能转换为电能后，通过输变电部分把电能送到可调二级热负荷设备和一级热负荷设备，且所述可调二级热负荷设备与控制装置通信，所述控制装置通过获取风速和系统的频率，根据最优频率跟踪控制策略发送控制信号给可调二级热负荷设备，所述可调二级热负荷设备通过收到的控制信号来投切热负荷，以此来改变系统的频率。
2.一种权利要求1所述离网型风力发电系统的最优频率跟踪控制方法，其特征在于：所述最优频率跟踪控制方法是在中低风速下，由最优频率跟踪装置获得系统的频率，将其与当前风速对应的最优参考频率的频率偏差通过比例积分环节来控制可调二级热负荷设备的投切，最终通过调整系统总负荷的大小来改变系统的频率，进而改变永磁同步发电机的转速来达到最大功率跟踪的效果，其原理如下：
在中低风速时，系统中交流电的电压幅值和频率会随着风速的变化而变化，但是，因为系统中只有热负荷，故交流电的电压频率并不需要保持恒定，由风速特性曲线可知，每个风速都有其对应的最优转速，为了得到风力机的最大功率出力，必须根据风速来控制其转速；对于永磁同步发电机来说，系统的频率和发电机转速是成正比关系的，故对于一个给定的风速，其对应的系统频率能由下式所得到：
feref＝λoptvngnp/r/(2π) (1)
其中，feref为最优参考频率，λopt为最优叶尖速比，v为风速，ng为转速比，np为发电机极对数，r为风力机的半径。
3.根据权利要求2所述的一种离网型风力发电系统的最优频率跟踪控制方法，其特征在于：当多机风力发电时，所述最优频率跟踪控制方法是以多机风力发电的总输出为指标的综合频率控制方案，通过可调二级热负荷设备调整系统总负荷的大小，使系统的频率等于全局最优参考频率，从而使得多机风力发电的总出力达到最大。
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