CN103089539A - 一种风力发电机组功率的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力发电机组功率的调节方法，包括十个步骤，采用这种调节方法的风力发电机组速度控制精度较高，而且速度控制与力矩控制之间过渡平稳，并且遇到阵风时风机变桨系统不会突变，提高了风机的寿命。

Description

一种风力发电机组功率的调节方法

技术领域：

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种风力发电机组功率的调节方法。

背景技术：

风力发电机系统是典型的复杂多变量非线性系统，影响其运行的因素有很多。它不仅会受到风速和随机变化的风向的影响，还会受到电网的参数波动和大气条件及空气密度等因素的影响。风力发电系统的功率调节分为力矩控制和速度控制两个运行区间。当转速低于额定转速时，风力发电机处于力矩控制部分，当转速高于额定转速时，风机处于速控控制。力矩控制的时候，一种常用的方法是查询力矩转速表，根据不同的转速查询得到对应的力矩。当处于速度控制的时候，风机一方面通过查询速度力矩表获得对应转速的力矩，另外一方面通过变桨改变叶轮的迎风角度，减少风能捕获，降低风机转速。在速度控制过程中，现有技术一般采用PID控制，PID系数是固定不变的，又因为风机的非线性特性，所以导致PID控制精度不高，经常超调；当速度控制和力矩控制转换的时候，风机转速会出现平稳性不好的缺点；当风机处于额定转速附近遇到阵风时，PID控制也会导致风机变桨系统变桨角度的突变，引起风机的载荷突变，减少风机的寿命。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种风力发电机组功率的调节方法，使得速度控制精度较高，而且速度控制与力矩控制之间过渡平稳，并且遇到阵风时风机变桨系统不会突变，提高了风机的寿命。

本发明所采用的技术方案是：一种风力发电机组功率的调节方法，它包括以下步骤：

（1）、通过传感器检测风机转速与环境中的风速，分别为测定转速V1与测定风速V2；

（2）、根据设定的参考转速V3与步骤（1）中测得的测定转速V1，计算转速误差E，E=V3-V1；

（3）、根据步骤（2）计算出的转速误差E计算误差变化率EC，EC(k)=(1-a)*(E(k)-E(k-1))+a*EC(k-1)，其中，k为本次值，k-1为上一次的值，开始的时候EC=0,E=0；a为设定的系数；

（4）、根据实时的转速误差E以及误差变化率EC查询P系数模糊数字表、I系数模糊数字表以及D系数模糊数字表，得到实时的控制器系数P、I、D，然后再根据实时的转速误差E、误差变化率EC、P系数、I系数以及D系数进行P运算、I运算以及D运算，得到的结果分别为PO、IO以及DO，再将PO、IO以及DO求和计算得到变桨参考值PIDO；

PO(k)=P*E(k)；

DO(k)=D*EC(k)；

I1(k)=I1(k-1)+I*E(k)，

IO(k)=I1(k)         （IO_min<I1(k)<IO_max），

IO(k)=IO_max        （I1(k)>IO_max），

IO(k)=IO_min        （IO_min>I1(k)），

PIDO(k)=PO(k)+DO(k)+IO(k)，

其中，k为本次值，I1为IO运算过程中用到的一个中间值，I1的初始值为0，IO_min为0，IO_max为90（表示最大变桨角度）；

（5）、根据步骤（1）测得的测定转速V1通过查询力矩转速表得到力矩设定值M，然后根据测定转速V1与力矩设定值M,计算平均功率P，根据步骤（1）测定的测定风速V2计算平均风速V4， $P=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}M*V1}{n},$ $V4=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}V2}{n};$

（6）、然后根据步骤（5）计算出的平均功率P以及平均风速V4查询功率调峰表以及风速调峰表得到两个最小变桨值，然后比较这两个最小变桨值取其中最大的，为变桨最小值PT_min；

（7）、根据步骤（4）中计算的变桨参考值PIDO以及步骤（6）中得到的变桨最小值PT_min计算变桨实际值PT(k)，

PT(k)=PIDO(k) (PT_min（k）<PIDO(k)<PT_max)，

PT(k)=PT_min  (PT_min（k）>PIDO(k))，

PT(k)=PT_max  (PIDO(k)>PT_max)，

其中k为本次值，PT_max=90；

（8）、根据步骤（7）得到的变桨实际值Pt(k)计算变桨一次修正值PT1，

当PT(k)>PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT(k)-PT1(k-1)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)+RATE     （PT(k)-PT1(k-1)>RATE）；

当PT(k)≤PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT1(k-1)-PT(k)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)-RATE     （PT1(k-1)-PT(k)>RATE）；

其中k为本次值，k-1为上次值，RATE为设定的允许最大变桨速度值；

（9）、根据步骤（8）得到的变桨一次修正值PT1计算变桨二次修正值PT2，PT2(k)=PT1(k)-1.996*PT1(k-1)+PT1(k-2)+1.994*PT2(k-1)-0.999*PT2(k-2)；

（10）、将步骤（5）中得到的力矩设定值M输出给变流器，将步骤（9）中得到的变桨二次修正值PT2输出给风机变桨系统。

采用以上方法与现有技术相比，本发明具有以下优点：根据实时的转速误差E以及误差变化率EC通过查询三张模糊数字表来实时的改变PID系数，这样可以弥补风力发电变桨系统非线性给系统控制带来的稳定性的问题，提高速度控制的精度和速度；并且根据实时的平均功率与平均风速查询功率调峰表以及风速调峰表，获得最小变桨值，这样变桨系统就不会突变，变桨系统会在风速或者功率变化的过程中就开始变化了，而不是需要等到风速或者功率达到一定程度才会突然变化，这样可以减少变桨过程中突变引起的风机机械损耗。

附图说明：

图1为本发明一种风力发电机组功率的调节方法力矩转速图。

图2为本发明一种风力发电机组功率的调节方法风速调峰图。

图3为本发明一种风力发电机组功率的调节方法功率调峰图。

具体实施方式：

以下结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述，但是本发明不仅限于以下具体实施方式。

一种风力发电机组功率的调节方法，它包括以下步骤，

（1）、通过传感器检测风机转速与环境中的风速，分别为测定转速V1与测定风速V2；

（2）、根据设定的参考转速V3与步骤（1）中测得的测定转速V1，计算转速误差E，E=V3-V1；

（3）、根据步骤（2）计算出的转速误差E通过不完全微分计算误差变化率EC，EC(k)=(1-a)*(E(k)-E(k-1))+a*EC(k-1)，其中，k为本次值，k-1为上一次的值，开始的时候EC=0,E=0；a为设定的系数；本具体实施例中系数a=0.5，所述设定的参考转速V3比风机额定转速略小；

（4）、根据实时的转速误差E以及误差变化率EC查询P系数模糊数字表、I系数模糊数字表以及D系数模糊数字表，参考表1、表2以及表3，得到实时的控制器系数P、I、D，然后再根据实时的转速误差E、误差变化率EC、P系数、I系数以及D系数进行P运算、I运算以及D运算，得到的结果分别为PO、IO以及DO，再将PO、IO以及DO求和计算得到变桨参考值PIDO；

表1：

表2：

表3：

PO(k)=P*E(k)；

DO(k)=D*EC(k)；

I1(k)=I1(k-1)+I*E(k)，

IO(k)=I1(k)         （IO_min<I1(k)<IO_max），

IO(k)=IO_max        （I1(k)＞IO_max），

IO(k)=IO_min       （IO_min>I1(k)），

PIDO(k)=PO(k)+DO(k)+IO(k)，

其中，表1为P系数模糊数字表，表2为I系数模糊数字表，表3为D系数模糊数字表，k为本次值，I1为IO运算过程中用到的一个中间值，I1的初始值为0，IO_min为0，IO_max为90（表示最大变桨角度）；

（5）、根据步骤（1）测得的测定转速V1通过查询力矩转速表得到力矩设定值M，然后根据测定转速V1与力矩设定值M,计算平均功率P，根据步骤（1）测定的测定风速V2计算平均风速V4， $P=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}M*V1}{n},$ $V4=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}V2}{n};$ 如图1所示为力矩转速图，根据图中曲线可以获得一张转速与力矩的查询表，其中图1中，nr为额定转速，n4为安全转速，nA为最大转速。

（6）、然后根据步骤（5）计算出的平均功率P以及平均风速V4查询功率调峰表以及风速调峰表得到两个最小变桨值，然后比较这两个最小变桨值取其中最大的，为变桨最小值PT_min，图2为风速调峰图，图3为功率调峰图，从图2中的曲线中可以获得一张风速和最小变桨角度的查询表，从图3的曲线中可以获得一张功率与最小变桨角度的查询表；

（7）、根据步骤（4）中计算的变桨参考值PIDO以及步骤（6）中得到的变桨最小值PT_min计算变桨实际值PT(k)，

PT(k)=PIDO(k) (PT_min（k）<PIDO(k)<PT_max)，

PT(k)=PT_min  (PT_min（k）>PIDO(k))，

PT(k)=PT_max  (PIDO(k)>PT_max)，

其中k为本次值，PT_max=90；

（8）、根据步骤（7）得到的变桨实际值Pt(k)计算变桨一次修正值PT1，

当PT(k)>PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT(k)-PT1(k-1)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)+RATE     （PT(k)-PT1(k-1)>RATE）；

当PT(k)≤PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT1(k-1)-PT(k)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)-RATE（PT1(k-1)-PT(k)>RATE）；

其中k为本次值，k-1为上次值，RATE为设定的允许最大变桨速度值，本具体实施例风机载荷计算得到的允许最大变桨速度为8度每秒，所以设定的RATE=8；

（9）、根据步骤（8）得到的变桨一次修正值PT1计算变桨二次修正值PT2，主要是通过无限冲击响应数字滤波器来实现的，本具体实施例采用的传递函数为： $H\left(z\right)=\frac{(z-z_1)(z-z^{*}1)}{(z-p_1)(z-p^{*}1),}$ 式中Z1和P1为根据滤掉的频率点设计的零点和极点，例如变桨系

z₁=e^±jπ/50p₁=0.999e^±jf/50统的临界频率对应为1Hz，采用频率为100Hz则：，，将Z1与P1带入上面的传递函数得到：

$H\left(z\right)=\frac{(z-z_1)(z-z^{*}1)}{(z-p_1)(z-p^{*}1)}$

$=\frac{(z-0.998-j0.0628)(z-0.998+j0.0628)}{(z-0.997-j0.0627)(z-0.997+j0.0627)}$

$=\frac{z^2-1.996z+1}{z^2-1.994z+0.999}=\frac{1-{1.996z}^{-1}+z^{-2}}{1-{1.994z}^{-1}+{0.999z}^{-2}}$

变桨二次修正值PT2(k)=PT1(k)-1.996*PT1(k-1)+PT1(k-2)+1.994*PT2(k-1)-0.999*PT2(k-2)；

（10）、将步骤（5）中得到的力矩设定值M输出给变流器，将步骤（9）中得到的变桨二次修正值PT2输出给风机变桨系统，之后变桨系统开始调整风机桨的角度。

Claims (1)

1.一种风力发电机组功率的调节方法，其特征在于：它包括以下步骤，

（1）、通过传感器检测风机转速与环境中的风速，分别为测定转速V1与测定风速V2；

（2）、根据设定的参考转速V3与步骤（1）中测得的测定转速V1，计算转速误差E，E=V3-V1；

（3）、根据步骤（2）计算出的转速误差E计算误差变化率EC，EC(k)=(1-a)*(E(k)-E(k-1))+a*EC(k-1)，其中，k为本次值，k-1为上一次的值，开始的时候EC=0,E=0；a为设定的系数；

（4）、根据实时的转速误差E以及误差变化率EC查询P系数模糊数字表、I系数模糊数字表以及D系数模糊数字表，得到实时的控制器系数P、I、D，然后再根据实时的转速误差E、误差变化率EC、P系数、I系数以及D系数进行P运算、I运算以及D运算，得到的结果分别为PO、IO以及DO，再将PO、IO以及DO求和计算得到变桨参考值PIDO；

PO(k)=P*E(k)；

DO(k)=D*EC(k)；

I1(k)=I1(k-1)+I*E(k)，

IO(k)=I1(k)         （IO_min<I1(k)<IO_max），

IO(k)=IO_max        （I1(k)>IO_max），

IO(k)=IO_min        （IO_min>I1(k)），

PIDO(k)=PO(k)+DO(k)+IO(k)，

其中，k为本次值，I1为IO运算过程中用到的一个中间值，I1的初始值为0，IO_min为0，IO_max为90（表示最大变桨角度）；

（5）、根据步骤（1）测得的测定转速V1通过查询力矩转速表得到力矩设定值M，然后根据测定转速V1与力矩设定值M,计算平均功率P，根据步骤（1）测定的测定风速V2计算平均风速V4， $P=\frac{\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}M*V1}{n},$ $V4=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}V2}{n};$

（6）、然后根据步骤（5）计算出的平均功率P以及平均风速V4查询功率调峰表以及风速调峰表得到两个最小变桨值，然后比较这两个最小变桨值取其中最大的，为变桨最小值PT_min；

（7）、根据步骤（4）中计算的变桨参考值PIDO以及步骤（6）中得到的变桨最小值PT_min计算变桨实际值PT(k)，

PT(k)=PIDO(k) (PT_min（k）<PIDO(k)<PT_max)，

PT(k)=PT_min  (PT_min（k）>PIDO(k))，

PT(k)=PT_max  (PIDO(k)>PT_max)，

其中k为本次值，PT_max=90；

（8）、根据步骤（7）得到的变桨实际值Pt(k)计算变桨一次修正值PT1，

当PT(k)>PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT(k)-PT1(k-1)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)+RATE     （PT(k)-PT1(k-1)>RATE）；

当PT(k)≤PT1(k-1)时，

PT1(k)=PT(k)            （PT1(k-1)-PT(k)<RATE），

PT1(k)=PT(k-1)-RATE     （PT1(k-1)-PT(k)>RATE）；

其中k为本次值，k-1为上次值，RATE为设定的允许最大变桨速度值；

（9）、根据步骤（8）得到的变桨一次修正值PT1计算变桨二次修正值PT2，PT2(k)=PT1(k)-1.996*PT1(k-1)+PT1(k-2)+1.994*PT2(k-1)-0.999*PT2(k-2)；

（10）、将步骤（5）中得到的力矩设定值M输出给变流器，将步骤（9）中得到的变桨二次修正值PT2输出给风机变桨系统。

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