CN111692039B - 一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，该控制方法包括变桨距控制方法和空气压缩机组投切控制方法。本发明对双风轮风电机组的下风向风轮的风速模型进行等效，并加入前馈补偿控制，提高了对下风向风轮变桨距的控制效果。并对提出的双风轮风力发电机组的上风向、下风向连接的空气压缩机组进行了反馈闭环控制。可以实现对风机负载的调整。

Description

一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统
技术领域
本发明涉及双风轮风电机组运行控制系统，尤其涉及一种根据功率偏差可投切的空气压缩机组的双风轮风电机组变桨距运行控制系统。
背景技术
风力发电一直是科研人员的关注对象，风力发电机是风力发电的核心。现有的单风轮的风力发电机捕风效率低，双风轮(上风向风轮1和下风向风轮2)的风力发电机的捕风效率高，目前现有的风电机组运行控制几乎都是针对单风轮风电机组的，对气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制的研究较少，而且双风轮风电机组的运行过程中，往往上风向风轮1的运行会对下风向风轮2的运行产生影响，传统单风轮变桨距控制方法不能保证双风轮风电机组电能输出稳定，使双风轮变桨距的控制成为技术瓶颈，因此需要对双风轮运行控制进行研究。
发明内容
发明目的：
本发明是针对一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统的，其目的在于解决气体压缩传输的双风轮风电机组变桨距的控制，以及空气压缩机组投切控制的问题。
技术方案：
一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，该控制方法包括变桨距控制方法和空气压缩机组投切控制方法，该系统的变桨距控制方法为：
步骤一：测定上风向风轮、下风向风轮的风速，当风速低于额定风速时，变桨距控制采用最佳叶尖速比控制；在风速高于额定风速时，变桨距控制采用额定转速控制；
步骤二：变桨控制I计算出上风向风轮的桨距角变化量Δβ1，Δβ1与前馈补偿器I中得到△βref1叠加得到变桨给定I；变桨控制II计算出下风向风轮的桨距角变化量Δβ2，Δβ2与前馈补偿器II中得到△βref2叠加得到变桨给定II，变桨给定I和变桨给定II信号分别传送给变桨距执行机构，通过变桨距执行机构实现对桨距角的控制；
该系统的空气压缩机组投切控制方法为：
测定上风向风轮、下风向风轮的风速，将风速变化情况反馈至空气压缩机组投切控制器；将空气压缩机组I的额定功率与实际功率的偏差、空气压缩机组II的额定功率与实际功率的偏差反馈至空气压缩机组投切控制器，再由空气压缩机组投切控制器控制空气压缩机组I和空气压缩机组II的投切。
在计算△βref2时，要建立等效风速模型，等效风速模型为：
Figure BDA0002581673240000021
其中，AM是下风向风轮2面积，m2；AA是下风向风轮2受主风轮尾流影响区域面积，m2；v1是上风向风轮1入流速度，m/s；v3是流向下风向风轮2的总风速，m/s。
当风速低于额定风速时，步骤为：
a、将空气压缩机组的额定输出功率和实际输出功率作差得到功率偏差；
b、将得到的功率偏差分别输入到变桨控制I和变桨控制II，通过调节桨距角和空气压缩机组转速，当风能利用系数Cp值最大时，实现最佳叶尖速比控制。步骤b中叶尖速比计算公式为：
Figure BDA0002581673240000022
式中，λ为叶尖速比；n为风轮转速，r/s；ω为风轮角频率，rad/s；R为风轮半径，m；V为驱动风力机的有效风速，m/s。
当风速高于额定风速时，步骤为：
1)确定该风电机组上风向风轮、下风向风轮连接的齿轮箱I和齿轮箱II的额定转速；
2)测量风电机组上风向风轮、下风向风轮分别连接的齿轮箱I和齿轮箱II的实际转速；
3)分别将齿轮箱I和齿轮箱II的额定转速与实际转速作差得到转速偏差；
4)将齿轮箱I的转速偏差输入到变桨控制I中；将齿轮箱II的转速偏差输入到变桨控制II中；
5)将变桨控制I中引入非线性增益表I进行辅助调节；将变桨控制II中引入非线性增益表II进行辅助调节。
有益效果：
1.对双风轮风电机组的下风向风轮2的风速模型进行等效，并加入前馈补偿控制，提高了对下风向风轮2变桨距的控制效果。
2.对提出的双风轮风力发电机组的上风向、下风向连接的空气压缩机组进行了反馈闭环控制。可以实现对风机负载的调整。
3.通过对气体压缩传输的双风轮风力发电机组协调控制实现系统稳定电能输出和高效能量转换，保证风电机组的稳定运行。
4.该双风轮风电机组应对风速变化性和随机性的能力强，环境适应性强。
附图说明
图1一种空气压缩传输的双风轮风电机组图；
图2双风轮气流示意图；
图3双风轮气流等效示意图；
图4一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统图；
图中：1、上风向风轮，2、下风向风轮，3、齿轮箱I，4、齿轮箱II，5、压缩机组I，6、压缩机组II，7、离合器。
具体实施方式
以下结合说明书附图更好的理解本发明。
本发明的气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，双风轮风力发电机组的上风向风轮1、下风向风轮2独立非共轴运行。上风向风轮1、下风向风轮2连接各自独立的齿轮箱，再由各自的齿轮箱分别连接对应的空气压缩机组。本发明针对提出的气体压缩传输的双风轮风力机组，利用PID控制方法来实现双风轮变桨距控制。在风速大于额定风速以上时，在常规PID变桨距控制的基础上，引入非线性增益表进行辅助调节，对于下风向风轮2的变桨距控制，考虑上风向风轮1尾流影响下，在等效风速模型的基础上，引入了前馈补偿控制。对于空气压缩机组的投切也采用PID控制。加入两个空气压缩机组的功率偏差反馈闭环控制，使得双风轮叶片的变桨角和这两个空气压缩机输出的功率控制在期望值附近，并保证风力机组安全、可靠、高效的运行。本发明所述的方法，有助于提升双风轮风电机组的风能利用率和稳定性，增加风力机组的寿命，降低维护成本。
如图1所示，基于压缩气体传输的双风轮风力发电机组的结构为：该机组的双风轮驱动机构包括上风向顺时针旋转的上风向风轮1和下风向逆时针交错旋转的下风向风轮2，上风向风轮1、下风向风轮2分别单独驱动齿轮箱I3和齿轮箱II4进行传动；齿轮箱I3和齿轮箱II4分别输出给对应的压缩机组I5和压缩机组II6；
风轮(上风向风轮1和下风向风轮2)的动力通过齿轮箱(齿轮箱I3和齿轮箱II4)分解成多个传动动力轴，每个动力轴通过一个离合器7带动一个空气压缩机。风轮(上风向风轮1和下风向风轮2)带动多端分级投切空气压缩装置，生成压缩气体向塔下传输至膨胀机做功发电，通过离合器7可以加载或卸载不同的空气压缩机负载，调整风机负载。通过对气体压缩传输的双风轮风电机组协调控制实现系统稳定电能输出和高效能量转换。
上风向风轮1和下风向风轮2二者的气体压缩机系统分别单独驱动两个齿轮箱进行传动，齿轮箱采用多端输出方式，风轮转速增速后，输出给多个不同功率的气体压缩机，把低压气体压缩做功制成高压气体，并汇流于高压气体传输管路内。风轮的齿轮传输功率不一致，且不同轴，中间通过轴承进行两个单独传输系统的链接，保持机械传输链路平衡。两风轮都各自安装有独立的变桨距系统，调节桨距角度和转速变化，实现最佳风能捕获和最佳叶尖速比控制，调整下风向风轮2桨距角度，根据风速大小和运行工况要求，调节下风向风轮2转速和气动捕获效率，实现小风气动效率最佳，大风可有效防止超速的功能。
如图4所示，一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，该系统的变桨距控制步骤为：
步骤一：采用激光雷达测定当前上风向风轮1、下风向风轮2的风速，通过风电机组设计参数得到两个风轮的额定风速，两个风轮的额定风速不同，当风速低于额定风速时，变桨距控制采用最佳叶尖速比控制实现最佳风能捕获；在风速高于额定风速时，变桨距控制采用额定转速控制保证风机安全、稳定、不超速运行；根据风速的大小，切换变桨距控制回路。
当风速低于额定风速时，步骤为：
a、将空气压缩机组的额定输出功率和实际输出功率作差得到功率偏差；具体为与上风向风轮1连接的空气压缩机组I5的额定输出功率和实际输出功率作差得到空气压缩机组I5的功率偏差；下风向风轮2连接的空气压缩机组II6的额定输出功率和实际输出功率作差得到空气压缩机组II6的功率偏差；实际输出功率是由压缩机功率测量得到的；
b、将得到的功率偏差分别转换为信号输入到变桨控制I(PID控制器)和变桨控制II(PID控制器)，即空气压缩机组I5的功率偏差转换为信号输入到变桨控制I中，空气压缩机组II6的功率偏差转换为信号输入到变桨控制II中，通过调节桨距角和空气压缩机组转速，当风能利用系数Cp值最大时，实现最佳叶尖速比控制；
当风速高于额定风速时，步骤为：
(1)根据风电机组的具体型号，确定该风电机组上风向风轮1、下风向风轮2连接的齿轮箱I3和齿轮箱II4的额定转速；
(2)通过转速传感器测量风电机组上风向风轮1、下风向风轮2分别连接的齿轮箱I3和齿轮箱II4的实际转速；
(3)分别将齿轮箱I3和齿轮箱II4的额定转速与实际转速作差得到转速偏差；即齿轮箱I3的额定转速与实际转速作差得到转速偏差，即齿轮箱II4的额定转速与实际转速作差得到转速偏差；
(4)将齿轮箱I3的转速偏差转换为信号输入到变桨控制I中；将齿轮箱II4的转速偏差转换为信号输入到变桨控制II中；利用变桨控制I和变桨控制II中的PID控制对风电机组的齿轮箱I3和齿轮箱II4的转速进行闭环控制，即风带动双风轮叶片转动，双风轮叶片转动带动齿轮箱I3转动，通过测量齿轮箱I3转动的转速，与额定转速做差输入到变桨控制I中，变桨控制I通过非线性增益表的辅助调节，与前馈补偿器I的数据叠加为变桨给定1，再调节双风轮叶片的变桨角，从而形成闭环控制；齿轮箱II4的转速闭环控制与齿轮箱I3相同。
(5)将变桨控制I中引入非线性增益表I进行辅助调节；将变桨控制II中引入非线性增益表II进行辅助调节；非线性增益表由各自风轮的气动特性所决定。
步骤二：变桨控制I计算出上风向风轮1的桨距角变化量Δβ1，Δβ1与前馈补偿器I中得到△βref1叠加得到变桨给定I；变桨控制II计算出下风向风轮2的桨距角变化量Δβ2，Δβ2与前馈补偿器II中得到△βref2叠加得到变桨给定II，变桨给定I和变桨给定II信号分别传送给变桨距执行机构，通过变桨距执行机构实现对桨距角的控制；变桨距执行机构为现有机构，可以为液压变桨也可以为电动变桨。
△βref1和△βref2用于解决变桨距控制系统反馈信号滞后的问题。
叶尖速比计算公式为：
Figure BDA0002581673240000061
式中，λ为叶尖速比；n为风轮转速，r/s；ω为风轮角频率，rad/s；R为风轮半径，m；V为驱动风力机的有效风速，m/s。
当风速一定时，桨距角β固定在某一值时，存在一个最佳叶尖速比λopt，使得风能利用系数Cp值最大，即风力机组捕获风能的功率最大。
前馈控制器的快速补偿作用，可以有效克服PID控制器调节滞后的缺点，△βref1和△βref2的计算方法为现有方法，如牛顿拉夫逊法。下风向风轮的变桨距控制的过程中，需要考虑上风向风轮尾流的影响，通过建立等效风速模型，得到流向下风轮的总风速v3(m/s)。进而将等效风速v3输入到前馈控制器2中。
下风向风轮变桨距控制2与上风向风轮控制策略一致，都使用PID控制，但要考虑上风向风轮尾流的影响，进入下风向风轮的风速有两部分，不受干扰部分和干扰部分，其流入风速分别为风速v1和风速v2的共同作用结果。忽略上风向风轮后面的流管膨胀效应，根据流量公式计算出流入下风向风轮的等效风速v3，该风速和进入下风向风轮的实际风速分布产生相同的能量,见图2和图3。
因此，需要得到流向下风向风轮2的风速v2(m/s)，双风轮之间下风向风轮2受到上风向风轮1产生的影响，产生一个风速:
根据
Figure BDA0002581673240000062
得等效风速模型为：
Figure BDA0002581673240000063
其中，AM是下风向风轮2面积，m2；AA是下风向风轮2受主风轮尾流影响区域面积，m2；v1是上风向风轮1入流速度，m/s；v3是流向下风向风轮2的总风速，m/s。
最后，将得到流向下风向风轮2的总风速v3(m/s)作为风轮模型的所需的风速参数，将其带入风轮的气动模型，便可对下风向风轮2变桨距进行准确控制。这样保证了对下风向风轮2变桨距精确的控制，达到安全、稳定、高效的输出功率。
本系统的空气压缩机组投切控制方法为：通过激光雷达测定上风向风轮1、下风向风轮2的风速，将风速变化情况反馈至空气压缩机组投切控制(同样采用PID控制)，空气压缩机组投切控制通过PID控制空气压缩机组I和空气压缩机组II的运行，同时通过传感器测量空气压缩机组I和空气压缩机组II的实际功率，将空气压缩机组I的额定功率与实际功率的偏差、空气压缩机组II的额定功率与实际功率的偏差反馈至空气压缩机组投切控制，形成空气压缩机组的风速和功率偏差反馈闭环控制。空气压缩机组投切控制根据风速变化情况以及空气压缩机组I的额定功率与实际功率的偏差和空气压缩机组II的额定功率与实际功率的偏差，通过PID控制实现空气压缩机组I和空气压缩机组II内空气压缩机组的投切，实现系统稳定电能输出和高效能量转换。
空气压缩机组投切控制器综合考虑了风速变化和功率变化因素。风轮的动力通过齿轮箱分解成多个传动动力轴，每个动力轴通过一个离合器7带动一个空气压缩机。通过安装在风电机组上的激光雷达测得的风速变化信号和空气压缩机组的额定输出功率与实际输出功率作差得到功率偏差信号，分别输入到空气压缩机组投切控制(PID控制)；并将两个空气压缩机组的功率偏差输入空气压缩机投切控制中，通过空气压缩机投切控制(PID控制)输出控制离合器7可以加载或卸载不同的空气压缩机负载，调整风机负载。
风电机组的两个空气压缩机组的投切是依据风速变化以及额定功率与实际功率的偏差，利用PID控制来实现的，即根据实际的风速的变化，匹配相适应的空气压缩机，利用PID控制实现不同空气压缩机功率的投切。
本发明上风向风轮1、下风向风轮2都采用独立变桨距控制，并在此基础上，加入空气压缩机组的风速和功率偏差反馈闭环控制。在提高风电机组风能捕获能力的基础上，减少对风电机组传动系统(齿轮箱等)造成的冲击。

Claims (2)

1.一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，其特征是：该控制系统包括变桨距控制方法和空气压缩机组投切控制方法，该系统的变桨距控制方法为：
步骤一：测定上风向风轮(1)、下风向风轮(2)的风速，当风速低于额定风速时，变桨距控制采用最佳叶尖速比控制；在风速高于额定风速时，变桨距控制采用额定转速控制；
当风速低于额定风速时，步骤为：
a、将空气压缩机组的额定输出功率和实际输出功率作差得到功率偏差；
b、将得到的功率偏差分别输入到变桨控制I和变桨控制II，通过调节桨距角和空气压缩机组转速，当风能利用系数Cp值最大时，实现最佳叶尖速比控制；
步骤b中叶尖速比计算公式为：
Figure FDA0003777267100000011
式中，λ为叶尖速比；n为风轮转速，r/s；ω为风轮角频率，rad/s；R为风轮半径，m；V为驱动风力机的有效风速，m/s；
当风速高于额定风速时，步骤为：
1)确定该风电机组上风向风轮(1)、下风向风轮(2)连接的齿轮箱I(3)和齿轮箱II(4)的额定转速；
2)测量风电机组上风向风轮(1)、下风向风轮(2)分别连接的齿轮箱I(3)和齿轮箱II(4)的实际转速；
3)分别将齿轮箱I(3)和齿轮箱II(4)的额定转速与实际转速作差得到转速偏差；
4)将齿轮箱I(3)的转速偏差输入到变桨控制I中；将齿轮箱II(4)的转速偏差输入到变桨控制II中；
5)将变桨控制I中引入非线性增益表I进行辅助调节；将变桨控制II中引入非线性增益表II进行辅助调节，非线性增益表由各自风轮的气动特性所决定；步骤二：变桨控制I计算出上风向风轮(1)的桨距角变化量Δβ1，Δβ1与前馈补偿器I中得到△βref1叠加得到变桨给定I；变桨控制II计算出下风向风轮(2)的桨距角变化量Δβ2，Δβ2与前馈补偿器II中得到△βref2叠加得到变桨给定II，变桨给定I和变桨给定II信号分别传送给变桨距执行机构，通过变桨距执行机构实现对桨距角的控制；
该系统的空气压缩机组投切控制方法为：
测定上风向风轮(1)、下风向风轮(2)的风速，将风速变化情况反馈至空气压缩机组投切控制器；将空气压缩机组I的额定功率与实际功率的偏差、空气压缩机组II的额定功率与实际功率的偏差反馈至空气压缩机组投切控制器，再由空气压缩机组投切控制器控制空气压缩机组I和空气压缩机组II的投切。
2.根据权利要求1所述的一种气体压缩传输的双风轮风电机组运行控制系统，其特征在于：在计算△βref2时，要建立等效风速模型，等效风速模型为：
Figure FDA0003777267100000021
其中，AM是下风向风轮( 2) 面积，m2；AA是下风向风轮( 2) 受主风轮尾流影响区域面积，m2；v1是上风向风轮( 1) 入流速度，m/s；v3是流向下风向风轮( 2) 的总风速，m/s。
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