CN111486054B - 用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法及系统 - Google Patents

用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法及系统 Download PDF

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CN111486054B CN202010294994.8A CN202010294994A CN111486054B CN 111486054 B CN111486054 B CN 111486054B CN 202010294994 A CN202010294994 A CN 202010294994A CN 111486054 B CN111486054 B CN 111486054B
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Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，属于风机变速变桨领域。该方法采用不同的状态切换实现风机转矩控制和变桨控制的解耦，包括三种不同状态，各个状态下转矩输出Tout和桨角输出Pout的值不同。限定了不同状态之间的切换条件。还公开了用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的系统，包括转速测量机构、状态机、转矩执行机构和变桨执行机构。该状态机应用上述解耦方法实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦。本发明通过采用状态机的不同状态，控制不同状态下的转矩输出和桨角输出，并根据实时风机测量转速实现不同状态的切换，实现风机转矩控制和变桨控制的解耦，使变速变桨风电机组转速和功率更加稳定。

Description

用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电机组变速变桨技术领域，特别是涉及一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法及系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展，变速变桨风力发电机组在行业内应用越来越广泛。PID作为工业生产中最常用的一种控制方式也在变速变桨风力发电机组中得到广泛使用。变速变桨风力发电机组在发电过程中除了要捕获最大风能还必须保持转速的稳定性。在额定风速附近，需要通过调节转矩和桨角的大小稳定发电机转速和功率。PI控制是单输入单输出闭环控制算法，所以控制转速需要使用两个PI控制——转矩控制和变桨控制。在风速变化过程中，转矩控制和变桨控制存在耦合。耦合的结果将导致转速和功率出现发散的正弦曲线，进而风机载荷过大。
为了避免这种失控现象出现，转矩控制和变桨控制的解耦十分重要。目前针对大型风电机组变桨控制和转矩控制的解耦控制方法，主要是采用修改转矩PI和变桨PI的目标转速，来实现变桨控制和转矩控制的解耦，但现有解耦方法仍存在有不足。
本申请就是针对现有的风力发电机组，在风速变化过程中转矩控制和变桨控制存在耦合的问题，创设一种新的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法及系统，使其能通过不同的状态运行不同的转矩输出和变桨输出，以实现转矩控制和变桨控制的解耦，进而避免风机载荷过大，很好的稳定风机发电机转速和功率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，使其能通过不同的状态运行不同的转矩输出和变桨输出，以实现转矩控制和变桨控制的解耦，进而避免风机载荷过大，很好的稳定风机发电机转速和功率，从而克服现有的风力发电机组转矩控制和变桨控制耦合的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，所述方法采用不同的状态切换实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦，所述不同的状态包括状态0、状态1和状态2：
状态0时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Qn
Pout＝Pmin
其中，Qn为当前并网转矩需求，Pmin为最佳桨角；
状态1时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Tn
Pout＝Pmin
其中，Tn为额定转矩需求；
状态2时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝min(Te，Tout+ΔTmax)
Pout＝Pn
其中，Te为额定转矩，ΔTmax为最大允许转矩变化量，Pn为变桨需求。
进一步改进，在测量转速ωr小于B值时，采用所述状态0实现并网转矩控制，其中，B＝(ωc+ωe)/2，ωc为并网转速，ωe为额定转速。
进一步改进，在所述状态0时，当测量转速ωr满足如下条件时，
Figure GDA0002787396930000031
所述方法从状态0切换到状态1，实现转矩控制和变桨控制。
进一步改进，在所述状态1时，当测量转速ωr满足如下条件时，
Figure GDA0002787396930000032
所述方法从状态1切换到状态0，实现并网转矩控制。
进一步改进，在所述状态1时，满足如下条件时，
ζPn-Pmin＞en+ε
Pn-Pmin＞δ
其中，ζ、ε、δ均为固定正实数，en为当前转速误差，用于调整解耦的响应快慢；所述方法从状态1切换到状态2，实现转矩控制和变桨控制。
进一步改进，在所述状态2时，满足如下条件时，
BladeAngle-Pmin＞δ
Pn-Pmin＞δ
Tn′＜T′down
其中，BladeAngle为实测桨角，Tdown为状态2下转矩需求增量所允许的最小值；所述方法从状态2切换到状态1，实现转矩控制和变桨控制。
进一步改进，所述当前并网转矩需求Qn和额定转矩需求Tn的计算公式如下：
Figure GDA0002787396930000041
Figure GDA0002787396930000042
To＝Koptωrωr
Figure GDA0002787396930000043
Figure GDA0002787396930000044
Tn＝Tn-1+T′nΔt
Qn＝Qn-1+Q′nΔt
Tn＝max(Tn，To)
Tn＝min(Te，Tn)
Qn＝min(Qn，To)
Qn＝max(Qn，Tmin)
其中，
Figure GDA0002787396930000045
为当前转速误差用于计算并网转矩需求，
Figure GDA0002787396930000046
为当前转速误差用于计算额定转矩需求，ωr为测量转速，ωe为额定转速，ωc为并网转速，Δω为正实数、固定参数，用来调整解耦效果，To为最佳转矩，Kopt为最佳增益系数，Q′n为当前并网转矩需求增量，
Figure GDA0002787396930000047
为上一个运行周期的转速误差用于计算并网转矩需求，T′n为额定转矩需求增量，
Figure GDA0002787396930000048
为上一个运行周期的转速误差用于计算额定转矩需求，Kp1为比例系数，Ki1为积分系数，Tn-1为上一个运行周期的额定转矩需求，Qn-1为上一个运行周期的并网转矩需求，Δt为运行周期，Te为额定转矩，Tmin为最小输出转矩。
进一步改进，所述当前变桨需求Pn的计算公式如下：
Figure GDA0002787396930000049
Figure GDA00027873969300000410
Pn＝Pn-1+PnΔt
Pn＝max(Pn，Po)
其中，
Figure GDA0002787396930000051
为当前转速误差用于计算变桨需求，Pn′为变桨需求增量，
Figure GDA0002787396930000052
为上一个运行周期的转速误差用于计算变桨需求，Kp2为比例系数，Ki2为积分系数，Pn-1为上一个运行周期的变桨需求，Δt为运行周期，Po为变桨需求最小值，Po小于Pmin。
本发明还提供一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的系统，包括转速测量机构、状态机、转矩执行机构和变桨执行机构，
转速测量机构，用于测量风机当前转速，并将测量转速结果传送至所述状态机；
状态机，用于根据所述转速测量机构传送的测量转速结果，应用上述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦；
转矩执行机构和变桨执行机构，分别用于根据所述状态机确定的不同状态下的转矩输出和桨角输出，执行风力发电机组的转矩控制和变桨控制。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明通过采用状态机的不同状态，控制不同状态下的转矩输出和桨角输出，并根据实时的风机测量转速实现不同状态的切换，良好的实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦，解决了现有转矩控制和变桨控制之间相互干扰的问题，减小风机载荷，使变速变桨风电机组的转速和功率更加稳定。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦系统的结构示意图。
图2是本发明用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦方法中的原理流程图。
图3是本发明用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦方法中解耦控制范围的确定示意图。其中，当测量转速大于B点采用解耦法控制(状态1和状态2)，其中A为并网转速，C为额定转速，B＝(A+C)/2，FD曲线为To随转速变化的趋势曲线。D点为To取值点，E点为Te取值点。当测量转速小于B点采用并网转矩控制(状态0)。
图4是本发明用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦方法中不同状态之间切换的逻辑示意图。
具体实施方式
参照附图1所示，本实施例用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的系统，包括转速测量机构、状态机、转矩执行机构和变桨执行机构。
转速测量机构，用于测量风机当前转速，并将测量转速的结果ωr传送至状态机。
状态机，用于根据转速测量机构传送的测量转速结果ωr，应用风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦方法，实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦。
转矩执行机构和变桨执行机构，分别用于根据状态机确定的不同状态下的转矩输出Tout和桨角输出Pout，执行风力发电机组的转矩控制和变桨控制，能实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦，解决转矩控制和变桨控制的相互干扰问题，使变速变桨风电机组的转速和功率更加稳定。
本实施例中风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦方法，参照附图2所示，包括如下步骤：
1.测量转速并计算转速误差
Figure GDA0002787396930000071
Figure GDA0002787396930000072
Figure GDA0002787396930000073
其中，
Figure GDA0002787396930000074
为当前转速误差用于计算并网转矩需求，
Figure GDA0002787396930000075
为当前转速误差用于计算额定转矩需求，
Figure GDA0002787396930000076
为当前转速误差用于计算调桨需求，ωr为测量转速，ωe为额定转速，ωc为并网转速，Δω为正实数、固定参数，用来调整解耦效果。
2.根据步骤1的结果，计算转矩需求
To＝Koptωrωr
Figure GDA0002787396930000077
Figure GDA0002787396930000078
Tn＝Tn-1+T′nΔt
Qn＝Qn-1+Q′nΔt
Tn＝max(Tn，To)
Tn＝min(Te，Tn)
Qn＝min(Qn，To)
Qn＝max(Qn，Tmin)
其中，To为最佳转矩，Kopt为最佳增益系数，Qn为当前并网转矩需求增量，Kp1为比例系数，Ki1为积分系数，Qn为当前并网转矩需求，
Figure GDA0002787396930000081
为上一个运行周期的转速误差用于计算并网转矩需求，T′n为额定转矩需求增量，
Figure GDA0002787396930000082
为上一个运行周期的转速误差用于计算额定转矩需求，Tn为额定转矩需求，Tn-1为上一个运行周期的额定转矩需求，Qn-1为上一个运行周期的并网转矩需求，Δt为运行周期，Te为额定转矩，Tmin为最小输出转矩。
3.同时根据步骤1的结果，计算变桨需求
Figure GDA0002787396930000083
Pn＝Pn-1+Pn′Δt
Pn＝max(Pn，Po)
其中，P′n为变桨需求增量，Kp2为比例系数，Ki2为积分系数，
Figure GDA0002787396930000084
为上一个运行周期的转速误差用于计算变桨需求，Pn为变桨需求，Pn-1为上一个运行周期变桨需求，Δt为运行周期，Po为变桨需求最小值。
4.本实施例风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦方法，通过不同的状态实现不同的转矩输出和桨角输出，具体的状态包括状态0、状态1和状态2：
状态0时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Qn
Pout＝Pmin
其中，Qn为当前并网转矩需求，Pmin为最佳桨角。
状态1时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Tn
Pout＝Pmin
其中，Tn为额定转矩需求。
状态2时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝min(Te，Tout+ΔTmax)
Pout＝Pn
其中，Te为额定转矩，ΔTmax为最大允许转矩变化量，Pn为变桨需求。
根据上述不同状态，实现不同的转矩输出Tout和桨角输出Pout。
5.不同状态之间的切换
根据附图3所示，首先根据测量转速确定该风机处于何种控制区，当测量转速ωr小于B值时，采用状态0实现并网转矩控制，其中，B＝(ωc+ωe)/2，ωc为并网转速，ωe为额定转速。当测量转速ωr大于B点采用解耦法控制，如状态1和状态2，其中FD曲线为To随转速变化的趋势曲线，D点为To取值点，E点为Te取值点。
具体的，参照附图4所示，在处于状态0时，若以下公式条件为真，即切换到状态1：
Figure GDA0002787396930000091
在处于状态1时，若以下公式条件为真，即切换到状态0：
Figure GDA0002787396930000092
在处于状态1时，若以下公式条件均为真，即切换到状态2：
ζPn-Pmin＞en+ε
Pn-Pmin＞δ
其中ζ、ε、δ均为固定正实数，en为当前转速误差，作用是调整解耦的响应快慢。
在处于状态2时，若以下公式条件均为真，即切换到状态1：
BladeAngle-Pmin＞δ
Pn-Pmin＞δ
T′n＜T′down
其中BladeAngle为实测桨角，T′down为状态2下转矩需求增量所允许的最小值。
本发明用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法通过采用不同状态下，输出不同的转矩输出和桨角输出，能实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦，解决了转矩控制和变桨控制的相互干扰问题，使变速变桨风电机组的转速和功率更加稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，所述方法采用不同的状态切换实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦，所述不同的状态包括状态0、状态1和状态2：
状态0时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Qn
Pout＝Pmin
其中，Qn为当前并网转矩需求，Pmin为最佳桨角；
状态1时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝Tn
Pout＝Pmin
其中，Tn为额定转矩需求；
状态2时，转矩输出Tout和桨角输出Pout分别为：
Tout＝min(Te，Tout+ΔTmax)
Pout＝Pn
其中，Te为额定转矩，ΔTmax为最大允许转矩变化量，Pn为变桨需求；
所述当前并网转矩需求Qn和额定转矩需求Tn的计算公式如下：
Figure FDA0002868808540000011
Figure FDA0002868808540000012
To＝Koptωrωr
Figure FDA0002868808540000013
Figure FDA0002868808540000021
Tn＝Tn-1+T′nΔt
Qn＝Qn-1+Q′nΔt
Tn＝max(Tn，To)
Tn＝min(Te，Tn)
Qn＝min(Qn，To)
Qn＝max(Qn，Tmin)
其中，
Figure FDA0002868808540000022
为当前转速误差用于计算并网转矩需求，
Figure FDA0002868808540000023
为当前转速误差用于计算额定转矩需求，ωr为测量转速，ωe为额定转速，ωc为并网转速，Δω为正实数、固定参数，用来调整解耦效果，To为最佳转矩，Kopt为最佳增益系数，Q′n为当前并网转矩需求增量，
Figure FDA0002868808540000024
为上一个运行周期的转速误差用于计算并网转矩需求，T′n为额定转矩需求增量，
Figure FDA0002868808540000025
为上一个运行周期的转速误差用于计算额定转矩需求，Kp1为比例系数，Ki1为积分系数，Tn-1为上一个运行周期的额定转矩需求，Qn-1为上一个运行周期的并网转矩需求，Δt为运行周期，Te为额定转矩，Tmin为最小输出转矩。
2.根据权利要求1所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，在测量转速ωr小于B值时，采用所述状态0实现并网转矩控制，其中，B＝(ωc+ωe)/2，ωc为并网转速，ωe为额定转速。
3.根据权利要求2所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，在所述状态0时，当测量转速ωr满足如下条件时，
Figure FDA0002868808540000026
所述方法从状态0切换到状态1，实现转矩控制和变桨控制。
4.根据权利要求3所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，在所述状态1时，当测量转速ωr满足如下条件时，
Figure FDA0002868808540000031
所述方法从状态1切换到状态0，实现并网转矩控制。
5.根据权利要求4所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，在所述状态1时，满足如下条件时，
ζPn-Pmin＞en+ε
Pn-Pmin＞δ
其中，ζ、ε、δ均为固定正实数，en为当前转速误差，用于调整解耦的响应快慢；所述方法从状态1切换到状态2，实现转矩控制和变桨控制。
6.根据权利要求5所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，在所述状态2时，满足如下条件时，
BladeAngle-Pmin＞δ
Pn-Pmin＞δ
T′n＜T′down
其中，BladeAngle为实测桨角，T′down为状态2下转矩需求增量所允许的最小值；所述方法从状态2切换到状态1，实现转矩控制和变桨控制。
7.根据权利要求6所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，其特征在于，所述当前变桨需求Pn的计算公式如下：
Figure FDA0002868808540000032
Figure FDA0002868808540000033
Pn＝Pn-1+P′nΔt
Pn＝max(Pn，Po)
其中，
Figure FDA0002868808540000041
为当前转速误差用于计算变桨需求，P′n为变桨需求增量，
Figure FDA0002868808540000042
为上一个运行周期的转速误差用于计算变桨需求，Kp2为比例系数，Ki2为积分系数，Pn-1为上一个运行周期的变桨需求，Δt为运行周期，Po为变桨需求最小值，Po小于Pmin。
8.一种用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的系统，其特征在于，包括转速测量机构、状态机、转矩执行机构和变桨执行机构，
转速测量机构，用于测量风机当前转速，并将测量转速结果传送至所述状态机；
状态机，用于根据所述转速测量机构传送的测量转速结果，应用权利要求1至7任一项所述的用于风力发电机组转矩控制和变桨控制解耦的方法，实现风力发电机组转矩控制和变桨控制的解耦；
转矩执行机构和变桨执行机构，分别用于根据所述状态机确定的不同状态下的转矩输出和桨角输出，执行风力发电机组的转矩控制和变桨控制。
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