CN101769232A - 一种定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法，属风力发电技术领域的控制方法，可以实现定桨距变速风力发电机组在不同风速段高效、安全运行的控制目标。该控制方法由转速调节环节①、最大功率跟踪环节②和最大功率限制环节③三个部分构成。其中转速调节环节有转速调节器PID1组成；最大功率跟踪控制环由转速反馈最佳功率控制算法和调节器PID2组成；最大功率限制环节由气动功率观测器和调节器PID3组成。运用本发明控制方法可以方便的实现机组额定转速对应的风速以下的最大功率跟踪、额定转速对应的风速以上和额定风速以下的恒转速运行、额定风速以上的恒功率运行以及这三个工况之间的软切换。在我国定桨距变速风力发电机组中有一定的应用前景。

Description

一种定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机技术领域的控制方法，实现定桨距变速风力发电机组在不同风速段所需的控制目标，即在额定转速对应的风速以下实现最大功率输出，在额定转速对应的风速以上和额定风速以下实现恒转速运行，而在额定风速以上则实现恒功率运行。

技术背景

风能作为一种洁净的可再生能源，近些年来得到了广泛的开发和利用，尤其是风力发电技术，更是成为当前国内外关注的热点。由于风能资源具有随机性和波动性，无论风向还是风速都在不断的变化，所以风力机产生的能量也随风速的变化而变化，这就要求对风力发电机组进行合理的控制，在保证机组安全可靠运行的前提下，尽可能多的吸收风能。

通常，风力发电机组的控制可以分为三个工况(阶段)：1)最大功率跟踪工况：在该阶段内根据风速的变化情况调整风力机的转速，使风力机运行于最大风能利用系数附近，提高机组的风能利用效率；2)恒转速工况：该阶段处于MPPT和恒功率两个工况之间，即机组的转速达到了上限值，而功率尚未到达额定值，此时机组将以恒定转速运行，但功率仍随风速的增加而增大；3)恒功率工况：即当机组吸收的功率达到功率上限，为保证机组的安全和可靠运行，需要通过一定手段限制机组的功率进一步增长。

早期的风力发电机组以定桨距恒速机组为主，虽然结构简单可靠，但只有在一两个固定风速下才能实现最佳风能利用，风能利用效率低，机组的年发电量小，导致风电的成本较高，目前已经逐渐被变速机组取代。附图1给出了定桨距失速型机组的典型输出功率曲线，在额定风速以上，机组的输出功率反而有所下降。

对于变速机组，根据风力机桨叶的桨距角是否可调，通常可以分为定桨距机组和变桨距机组两大类型。定桨距机组的桨叶与轮毂之间属于刚性联接，桨距角固定不变，机组在额定风速以上的功率调节主要依赖于叶片自身的翼型设计和失速性能。文献《风力发电机组的控制技术》对定桨距机组叶片的失速调节原理进行了详细的阐述。定桨距机组具有机构简单、可靠性高等优点，但也存在一些固有的缺陷：即风力发电机组的性能受到桨叶失速性能的限制。另外，在失速区运行时风力机承受的机械载荷较大，限制了其在兆瓦级以上的大容量机组的应用。但定桨距机组在兆瓦级以下的机组仍有很大竞争优势。

变桨距机组是指桨叶与轮毂通过变桨轴承活性相连，其基本控制原理是指在额定风速以下，调节桨叶到一个合适的固定位置，使得机组的输出功率最大，而在额定风速以上，通过实时的改变桨叶的桨距角来减小风能利用系数Cp，从而将机组的输出功率稳定在额定值附近。桨距角可以正向调节，也可以反向调节。随着风速增加桨距角变小的称为顺桨调节，反之则称为逆桨调节，通常称为主动失速调节。与定桨距机组相比，变桨距机组多了一个可控变量，机组的功率调节更加灵活，方便。但是相对应的，变桨距控制和执行机构的引入，无疑增加了机组的复杂度，也提高了机组的制造和维护成本，利弊共存。JohanRibrant等在文献《Survey of Failures in Wind Power Systems with Focus on SwedishWind Power Plants during 1997-2005》中客观的分析了当前风电市场上风电机组各个部件的可靠性，就目前来看，变桨机构及其电控系统的可靠性有待进一步提高。另外，国内对变桨距功率调节技术的研究尚处于起步阶段，核心技术仍被其他先进国家所垄断。

发明内容：

本发明旨在为定桨距变速风力发电机组在全风速范围内提供一种功率控制方法，保证机组可以高效、安全的运行。

本发明所述的定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法，控制的原理框图如附图3、附图4、附图5中所示，(这里指出，这三个图中所示的控制方法是相同的，不同点在于连接的方法不同，属于相同控制思想。故后面分析时默认以附图3为例来分析。)其特征在于：

1)控制方法由转速调节环节①、最大功率跟踪环节②和最大功率限制环节③三个部分构成；

2)转速调节环节(如附图3①所示)：将参考转速(最大功率跟踪环节的输出值)ω^*与机组的实际转速反馈ω之间的误差Δω作为PID1调节器的输入，输出值作为网侧变换器的q轴电流给定i_q ^*，控制发电机的有功功率，即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大功率跟踪环节调节器的最大饱和输出值。

3)最大功率跟踪控制环节(如附图3②所示)：根据当前的转速，计算出当前转速对应的最优输出功率，作为机组最优输出功率的给定值P_opt ^*，该值与实际输出电功率(不考虑效率是为输出功率)反馈值P_e的误差作为PID2调节器的输入，调节器的输出作为转速调节环节的参考给定。在额定风速以下，参与最优功率计算的转速就是机组的运行转速；而在额定风速以上，其值为机组的运行转速加上最大功率限制环节的输出值ω_com。

4)功率限制环节(如附图3③所示)：功率限制的思想是将风机运行的气动功率反馈信号P_m与最大功率限制给定P_rated的差ΔP_m作为PID3调节器的输入，旨在降低转速，限定风机运行的气动功率。

本发明能够对定桨距机组施加有效的控制，令其在全风速范围内根据设定的工况要求运行，不仅改善了机组在中低风速段的风能利用系数，同时解决了机组在高风速段的限转速和限功率运行。而且，本发明提出的方法实现了不同运行工况之间的自然过渡，大大降低了工况切换时产生的瞬态过载和机械载荷，有助于提高机组的服役寿命。

与变桨距机组相比，结合本发明提出的控制方法的定桨距变速机组，具有结构简单、成本低廉、稳定可靠等特点。本发明对促进我国风电产业的多元化发展具有积极的意义。

附图说明

附图1是定桨距失速型机组的典型输出功率曲线。

附图2是本发明的定桨距变速风力发电机组的系统框图。

附图3是本发明提出的将最大功率限制环节的输出补偿至转速反馈的控制框图。

附图4是本发明提出的将最大功率限制环节的输出补偿至输出电功率反馈的控制框图。

附图5是本发明提出的将最大功率限制环节的输出补偿至最优输出电功率给定连接方式的控制框图。

附图6是气动功率观测器。

附图7本发明实施例中风机的Cp-λ特性曲线。

附图8是在本发明全风速功率控制方法控制下机组的稳态转速-风速曲线。

附图9MPPT等效控制框图。

附图10恒转速运行等效控制框图。

附图11MPPT以及限功率控制示意图。

附图12风速变化时机组各关键参数的变化情况。

附图1-附图12中的符号定义如表1所示

表1附图符号说明

名称	说明	名称	说明
				PMSG	永磁同步发电机	ΔPm	气动功率误差信号
SVM	空间矢量调制	Prated	气动功率限定值
				PID	比例积分微分调节器	Pe	输出电功率反馈
iq *	电动机q轴电流参考信号	ia	并网相电流
				Δω	转速误差信号	va	并网相电压
ω	转速反馈信号	vg	直流母线电压给定
				ω*	转速参考信号	vf	直流母线电压反馈
ΔPopt	最佳功率误差信号	ωcom	转速补偿信号
				Popt *	最佳功率给定	P*	补偿后最优功率
Poptf	补偿后功率反馈信号	Pcom	功率限制环节调节器输出
				ωobs	转速观测值	Tm，obs	气动转矩观测值

名称	说明	名称	说明
				Pm，obs	气动功率观测值	Phigh(ω)	转速补偿某一值后等效最佳功率曲线

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术实施方案及详细工作原理进行说明：

附图2所示的是本发明定桨距机组的整体结构框图。本发明的控制方法部分由转速调节环节、最优功率调节环节和功率限制环节三个部分组成，如附图3、附图4、附图5中所示。旨在分别实现最高转速限制、最大功率跟踪控制和最大功率限制功能。

本发明所述的转速调节环节是指：将最大功率跟踪控制环节的输出作为转速给定，其与实际转速的误差作为PID1调节器的输入，调节器的输出作为电机侧变换器的q轴电流给定。电机侧的PWM整流器通常采用定子磁场定向控制，d轴电流对应无功功率，而q轴电流则对应有功功率。通常，将d轴电流控制为零，则发电机的电磁转矩可以表示为T_e＝1.5N_pΨ₀i_q。由此可见，控制q轴电流就等效为控制了发电机的电磁转矩，从而实现转速的控制。随着风速增加，最大功率跟踪控制环节的稳态输出值也会逐渐增加。当风速增加到一定值后，PID2调节器的输出达到饱和，此后即使风速进一步提高，机组的转速无法再增加，该转速就是机组的额定转速。

本发明所述的最大功率跟踪控制环节是指：在风速变化时，调节风力机的转速，使机组运行于最大风能利用系数。定桨距风力机的气动功率可以表示为P_m＝0.5ρπR²v³C_p(λ)，式中ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，C_p(λ)为风能利用系数，其中λ＝ωR/v，为ω风轮的角速度。当λ等于最佳叶尖速比λ_opt的时候，风能利用系数最大，此时对应的转速为最优转速ω_opt。由此，可以得到在最优转速下风机的输出功率P_mopt＝0.5ρπR⁵ω_opt ³C_p(λ_opt)/λ_opt ³。故只要根据转速给出该转速下对应的最优输出功率，并作为功率控制环节的参考功率。该最优功率给定与功率反馈的误差经PID2调节器后得到转速调节环节的转速给定。

本发明所述的功率限制环节是指：在额定风速以上，通过在转速反馈信号上施加一个补偿量，该补偿量由实际气动功率反馈与功率限制给定之差经PID3调节器产生。在额定风速一下，气动功率小于功率限定值，调节器PID3负饱和，输出为零，对MPPT和限速环节不造成影响。而风速高于额定风速后，调节器PID3退出饱和状态，向转速反馈引入一个补偿量。使得一定转速下实际的输出功率要高于该转速对应的最优功率。换句话，在额定风速以上，随着风速的变化，转速补偿量ω_com会变化，从而使得机组的转速也做出对应的变化，将机组的输出功率维持在额定值附近。需要说明的是，在风速突变的时候，机组在动态过程中实际的输出功率会轻微的超出额定功率。

另外特别指出，本实施例中用到了风机的气动功率，而气动功率不能测量得到，本发明中采用了气动功率观测器的方法。因其不是本发明的阐述重点，这里只作简要的介绍以方便理解(其正确性已通过验证)。

附图6所示为气动功率观测器实施框图，现说明其原理。

机组的运动方程

$T_m=J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{B\ω}+T_e---\left(1\right)$

式中，T_m为气动转矩，T_e为电磁转矩，J为机组的转动惯量，B为系统的阻尼系数，ω为机组的转速。其中电磁转矩和转速是较为容易测量的变量，而J和B又是系统的固有系数，可以通过测量计算得到，自然T_m也就可以计算出来。

由式(1)可以构造出气动功率观测器，如附图6所示。图中，P_e为机组最终输出的电功率，发电机的电磁转矩可有电功率和转速计算得到，即T_e＝P_e/ω。如果PI调节器的速度足够，可以近似的认为ω等于ω_obs。那么，由图可以知道PI调节器的输出为Jsω+Bω+Te，即气动转矩T_m，obs，从而可得气动功率P_m，obs＝T_m，obs ^*ω。

工作原理及工作过程

下面就结合前面叙述的本发明的具体实施方案探讨其是如何实现风机最大功率跟踪工况、恒转速工况以及恒功率工况以及各工况之间的切换。

【工况1：最大功率跟踪】

此工况内，气动功率P_m远小于最大功率限制给定P_rated，调节器PID3反向饱和，恒等于零。调节器PID2和调节器PID1正常工作，系统等效为双环结构。外环是功率环，即根据当前的转速查询或计算出该转速对应的最佳功率P_opt ^*，使输出电功率P_e等于该功率，外环调节器PID2的输出作为转速内环的参考给定。通常，对于多环结构的系统，内环响应速度要远高于外环的调节速度，故在分析外环的时候可以近似的将内环等效为一个比例环节，由此系统可以简化为如附图9所示。

实际上，简化后的控制框图就是基于转速反馈最大功率跟踪算法，假设当前风速v₁下风机运行在最大功率点a点下，此时风机的转速为ω_a，功率等于P_a。如果某一时刻风速突然增加到v₀，而转速由于惯性仍然维持在ω_a，故控制方法计算的最佳功率仍是P_a。但是此时风机吸收的功率已经增加至P_a’，要大于给定的负载功率P_a，转速开始上升，直到转速等于ω_a’，此时风机吸收的功率等于负载功率，均为P_a”，该功率即是风速v₁下的最大功率点。相反，当风速减小时，按照相同的分析方法可得相同的结果，风机会稳定运行于一个较小的转速。

【工况2：恒转速】

随着风速的增加，机组的转速和功率也相应的增加，其中转速比功率先行到达额定值，此时调节器PID2正向饱和，该饱和值即作为机组额定转速的参考值。而调节器PID3仍然维持反向饱和。只有调节器PID1正常工作，机组等效为单转速环结构，等效控制框图如附图10。

【工况3：恒功率】

随着风速进一步上升，机组的功率靠近额定功率。需要降低转速使机组进入失速区，以达到限制气动功率的目的，因此PID2和PID3均退出饱和。功率限制调节器，即调节器PID3输出值作为转速补偿加入转速反馈信号中，旨在提高输出功率，达到限制转速的目的，具体分析如下：

假设风机在b点时达到额定功率，此时对应额定风速为v₂，机组转速为ωb。此时如果风速在增加，PID3退出饱和参与工作，输出一个转速补偿信号ω_com加到转速反馈信号中。从而使得通过最有功率曲线查出的功率大于风机实际运行的功率为P_obs(ω_b+ω_com)，该功率作为PID2的给定，调节的结果使得电功率大于限定的气动功率使得转速下降，直到气动功率稳定于限定值P_rated。该过程如附图11中示意。

为说明本发明的正确性和可行性，以一个实际的永磁直驱定桨距机组为例进行了仿真验证，表2中给出了本实施例中的相关参数。

表2本发明实施例中相关参数

直径	1.90m	电机极对数	4
				叶片数	3	电机额定转速	500r/min
额定风速	20m/s	电机额定功率	2kW
				额定功率	1.5kW	电机额定线电压	250V
风向	上风向	电机绕组电感	3.6mH
				发电机绕组电阻	0.175Ω	风轮转动惯量	0.394kg/m2
发电机转动惯量	0.026kg/m2	摩擦系数	0.042N·s/m

附图12风速变化时机组各关键参数的变化情况给出风速从小到大不断突变时机组气动功率P_m、输出电功率P_e、风能利用系数C_p和转速ω的变化情况。在t₀＝5s时，风速从8m/s突变到11m/s，由于转速和功率均没有达到额定值，从突变前后的风能利用系数C_p值可以看出(C_p达到实际风轮的设计最大值0.277)，机组工作在最大功率功率跟踪状态【工况1】。在t₁＝10s时，风速从11m/s突变为16m/s，从转速曲线可以看出，机组的转速很好的限制在额定转速50rad/s，风能系统系数C_p开始变小，风轮开始失速运行。机组工作在恒转速状态【工况2】。在t₂＝15s时，风速突变25m/s，超过额定风速。受功率外环的限制，机组的气动功率仅出现了微小的过载，而输出电功率则一直在额定功率1500W以下，转速ω和C_p都有下降，叶片进入深度失速区，此时机组恒功率运行【工况3】。结果显示本发明提出的控制方法实现了不同风速段风力发电机组所需的运行目标。

Claims (1)

1.一种定桨距变速风力发电机组的全风速功率控制方法，由转速调节环节①、最大功率跟踪环节②和最大功率限制环节③三个部分构成：

1)转速调节环节①将参考转速(最大功率跟踪环节的输出值)ω^*与机组的实际转速反馈ω之间的误差Δω作为PID1调节器的输入，输出值作为网侧变换器的q轴电流给定i_q ^*，控制发电机的有功功率，即发电机的电磁转矩。参考转速的最大值为最大功率跟踪环节调节器的最大饱和输出值。

2)最大功率跟踪控制环②根据当前的转速，计算出当前转速对应的最优输出功率，作为机组最优输出电功率的给定值P_opt ^*，该值与实际输出电功率反馈值P_e的误差作为PID2调节器的输入，调节器的输出作为转速调节环的参考给定。

3)功率限制环③将风机运行的气动功率反馈信号P_m与最大功率限制给定P_rated的差ΔP_m加至PID3调节器。其输出作为补偿信号加到最大功率跟踪控制环节②，有三种不同的连接方式：第一种，PID3的输出作为转速补偿与最大功率跟踪控制环节②的转速反馈信号相加；第二种，PID3的输出作为功率补偿与最大功率跟踪控制环节②的输出电功率的反馈信号相减；第三种，PID3的输出作为功率补偿与最大功率跟踪控制环节②的最优输出电功率给定值P_opt ^*信号相加。

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