專利名稱：一種基于pi調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源發(fā)電領(lǐng)域，涉及智能電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、新能源開發(fā)技術(shù)，尤其涉及一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比重日益增加，我國風(fēng)力資源豐富的地區(qū)多分布于電網(wǎng)相對薄弱的中西部，大量風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)給現(xiàn)有電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來極大的挑戰(zhàn)。偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的控制系統(tǒng)，主要由偏航測量、偏航驅(qū)動傳動部分、紐纜保護(hù)裝置三大部分組成，主要實(shí)現(xiàn)兩個功能，一是使機(jī)艙跟蹤變化穩(wěn)定的風(fēng)向，二是由于偏航的作用導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)部電纜發(fā)生纏繞而自動解除纏繞。風(fēng)機(jī)的變槳作業(yè)可分為兩種工況，即正常運(yùn)行時的連續(xù)變槳和停止?fàn)顟B(tài)下的全順槳。風(fēng)機(jī)開始啟動時槳葉由90°向0°方向轉(zhuǎn)動以及并網(wǎng)發(fā)電時槳葉在0°附近的調(diào)節(jié)都屬于連續(xù)變槳。液壓變槳系統(tǒng)的連續(xù)變槳過程是由液壓比例閥控制液壓油的流量大小來進(jìn)行位置和速度控制。當(dāng)風(fēng)機(jī)停機(jī)或緊急情況時，為了迅速停止風(fēng)機(jī)，槳葉將快速轉(zhuǎn)動到90°，一是讓風(fēng)向與槳葉平行，使槳葉失去迎風(fēng)面；二是利用槳葉橫向拍打空氣來進(jìn)行制動，以達(dá)到迅速停機(jī)的目的,這個過程叫做全順槳。液壓變槳系統(tǒng)由電動液壓泵作為工作動力，液壓油作為傳遞介質(zhì)，電磁閥作為控制單元，通過將油缸活塞桿的徑向運(yùn)動變?yōu)闃~的圓周運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)槳葉的變槳距。由于風(fēng)能的能量密度低、隨即性和不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，給大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)問題帶來困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決風(fēng)力發(fā)電過程中風(fēng)能能量密度低、隨即性和不穩(wěn)定性等問題，提供了一種在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中采用偏航系統(tǒng)和變槳距控制系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的控制方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括控制器、鎖存器、RAM、EPROM、風(fēng)向標(biāo)、傳感器、偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，控制器通過鎖存器與RAM連接，控制器還直接與RAM連接；控制器通過鎖存器與EPROM連接，控制器還直接與EPROM連接；控制器與風(fēng)向標(biāo)連接，風(fēng)向標(biāo)測量風(fēng)速和風(fēng)向；控制器與兩個傳感器連接，兩個傳感器分別用于測量風(fēng)輪角度和葉片轉(zhuǎn)速；控制器分別與偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)連接；所述控制器采用PI控制器。一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制方法，該方法依據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速大小對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，(I)當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，只啟動偏航系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)自動調(diào)整風(fēng)機(jī)迎風(fēng)方向，使風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能；(2)當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，同時啟動偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，變槳距機(jī)構(gòu)調(diào)整風(fēng)葉的槳距角，使其始終維持在最大功率處運(yùn)行；(3)當(dāng)風(fēng)速過大或出現(xiàn)緊急情況時，緊急停機(jī)，使風(fēng)葉與風(fēng)向方向平行，以保護(hù)風(fēng)機(jī)。所述第(2)種情況下，變槳距機(jī)構(gòu)的控制采用PI控制方法，進(jìn)行閉環(huán)控制。輸入為發(fā)電機(jī)功率誤差值ε ;控制器采用PI調(diào)節(jié)器，定義為:a = Kp ε+Kt ε，其中Kp為比例環(huán)節(jié)，Kt為積分環(huán)節(jié)，ε = Ρ _Ρ，為發(fā)電機(jī)額定功率，P為風(fēng)機(jī)的功率，α'為風(fēng)輪的實(shí)時槳距角。所述第(I)種情況下，偏航系統(tǒng)控制方法為:首先設(shè)置風(fēng)輪迎風(fēng)面法向的基準(zhǔn)方向、(設(shè)置為。。),風(fēng)輪迎風(fēng)面法向?yàn)镼1，風(fēng)向?yàn)棣?2 ( Θ P Θ 2均為順時針方向上與基準(zhǔn)方向的角度差)，閾值Λ Θ。風(fēng)輪迎風(fēng)面法向初始方向Q1 = Qtl，當(dāng)Q2-Q1SAe時，偏航系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)輪順時針旋轉(zhuǎn)I θ2_θιΙ ;當(dāng)Θ時，偏航系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)輪逆時針旋轉(zhuǎn)I Q2-Q1U旋轉(zhuǎn)完畢后，修改，使Q1= θ2。本發(fā)明采用風(fēng)向標(biāo)獲取風(fēng)向和風(fēng)速，并將實(shí)時的信息傳給控制器，控制器據(jù)此對系統(tǒng)的偏航系統(tǒng)和槳距角機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。偏航系統(tǒng)控制電動機(jī)使風(fēng)輪方向始終保持與風(fēng)向—致。偏航系統(tǒng)動力源采用三相異步電動機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用齒輪結(jié)構(gòu)，傳動裝置設(shè)計(jì)為液壓系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)向與風(fēng)輪軸線偏離一個角度時，控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間確認(rèn)后，控制偏航電動機(jī)將風(fēng)輪調(diào)整到與風(fēng)向一致的方位。

當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)置的額定風(fēng)速(即風(fēng)機(jī)功率超過額定功率)時，啟動變槳距機(jī)構(gòu)，變槳距機(jī)構(gòu)可以采用液壓裝置。當(dāng)風(fēng)速過大(一般超過50m/s)或出現(xiàn)緊急情況時，變槳距機(jī)構(gòu)迅速旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉使風(fēng)葉與風(fēng)向平行，風(fēng)機(jī)停止工作，以保護(hù)風(fēng)機(jī)。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能的最大利用，還提高了輸出電能的穩(wěn)定性，保證了分布式電源并網(wǎng)的電能質(zhì)量，控制過程簡單、過渡平緩，具有良好的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是本發(fā)明風(fēng)速由小變大時的控制流程圖。圖3是本發(fā)明的偏航系統(tǒng)控制流程圖。圖4是本發(fā)明的變槳距控制流程圖。其中，1、PI控制器；2、第一鎖存器；3、RAM ;4、第二鎖存器；5、EPROM ;6、風(fēng)向標(biāo)；7、第一傳感器；8、第二傳感器；9、偏航系統(tǒng)；10、變槳距機(jī)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括PI控制器1、第一鎖存器2、RAM3、第二鎖存器4、EPR0M5、風(fēng)向標(biāo)6、第一傳感器7、第二傳感器8、偏航系統(tǒng)9和變槳距機(jī)構(gòu)10。PI控制器I通過第一鎖存器2與RAM3連接，PI控制器I還直接與RAM3連接；PI控制器I通過第二鎖存器4與EPR0M5連接，PI控制器I還直接與EPR0M5連接；PI控制器I與風(fēng)向標(biāo)6連接,風(fēng)向標(biāo)6測量風(fēng)速和風(fēng)向；PI控制器I分別與第一傳感器7、第二傳感器8連接，第一傳感器7、第二傳感器8分別用于測量風(fēng)輪角度和葉片轉(zhuǎn)速；PI控制器I分別與偏航系統(tǒng)9和變槳距機(jī)構(gòu)10連接。本實(shí)施例基于80C592芯片作為PI控制器1，PI控制器I輸入包括風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)輪角度、葉片轉(zhuǎn)速等，輸出包括偏航電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度、需要變換的槳距角等。如圖2所示，風(fēng)速由小變大時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制流程為，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，只啟動偏航系統(tǒng)9 ;當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，同時啟動偏航系統(tǒng)9和變槳距機(jī)構(gòu)10 ;當(dāng)風(fēng)速過大時，采用緊急停機(jī)策略，使風(fēng)葉與風(fēng)向方向平行，以保護(hù)風(fēng)機(jī)。如圖3所示，偏航系統(tǒng)控制算法流程為，首先設(shè)置風(fēng)輪迎風(fēng)面法向的基準(zhǔn)方向Qtl(設(shè)置為0° ),風(fēng)輪迎風(fēng)面法向?yàn)镼1，風(fēng)向?yàn)棣?2 ( Θ P Θ 2均為順時針方向上與基準(zhǔn)方向的角度差)，閾值Λ Θ。風(fēng)輪迎風(fēng)面法向初始方向Θ i = Θ ^，當(dāng)Q2-Q1SAe時，偏航系統(tǒng)9驅(qū)動風(fēng)輪順時針旋轉(zhuǎn)I Θ2_θι1 ;當(dāng)Θ時，偏航系統(tǒng)9驅(qū)動風(fēng)輪逆時針旋轉(zhuǎn)Q2-Q1U旋轉(zhuǎn)完畢后，修改，使Q1 = θ2。設(shè)風(fēng)機(jī)的功率為P，則
權(quán)利要求
1.一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征是，包括控制器、鎖存器、RAM、EPROM、風(fēng)向標(biāo)、傳感器、偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，控制器通過鎖存器與RAM連接，控制器還直接與RAM連接；控制器通過鎖存器與EPROM連接，控制器還直接與EPROM連接；控制器與風(fēng)向標(biāo)連接，風(fēng)向標(biāo)測量風(fēng)速和風(fēng)向；控制器與兩個傳感器連接，兩個傳感器分別用于測量風(fēng)輪角度和葉片轉(zhuǎn)速；控制器分別與偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)連接；所述控制器采用PI控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征是，偏航系統(tǒng)中，動力源采用三相異步電動機(jī)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用齒輪結(jié)構(gòu)，傳動裝置設(shè)計(jì)為液壓系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)，其特征是，變槳距機(jī)構(gòu)采用液壓裝置。
4.如權(quán)利要求1 所述的基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方法，該方法依據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速大小對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，其特征是，(I)當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，只啟動偏航系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)自動調(diào)整風(fēng)機(jī)迎風(fēng)方向；(2)當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，同時啟動偏航系統(tǒng)和變槳距機(jī)構(gòu)，變槳距機(jī)構(gòu)調(diào)整風(fēng)葉的槳距角；(3)當(dāng)風(fēng)速過大或出現(xiàn)緊急情況時，緊急停機(jī)，使風(fēng)葉與風(fēng)向方向平行；所述第(2)種情況下，變槳距機(jī)構(gòu)的控制采用PI控制方法，進(jìn)行閉環(huán)控制；輸入為發(fā)電機(jī)功率誤差值ε ;控制器采用PI調(diào)節(jié)器，定義為:a =Kp ε+Kt ε，其中Kp為比例環(huán)節(jié)，Kt為積分環(huán)節(jié)，ε =P額定_Ρ，Ρ額定為發(fā)電機(jī)額定功率，P為風(fēng)機(jī)的功率，α '為風(fēng)輪的實(shí)時槳距角。
5.如權(quán)利要求4所述的基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是，所述第(I)種情況下，偏航系統(tǒng)控制方法為:首先設(shè)置風(fēng)輪迎風(fēng)面法向的基準(zhǔn)方向Qtl,θ(!設(shè)置為0° ,風(fēng)輪迎風(fēng)面法向?yàn)镼1，風(fēng)向?yàn)棣?，Θ ^ Θ 2均為順時針方向上與基準(zhǔn)方向的角度差，閾值Λ Θ ;風(fēng)輪迎風(fēng)面法向初始方向Q1 = Qtl，當(dāng)Q2-Q1SAe時，偏航系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)輪順時針旋轉(zhuǎn)I Θ；τθι1 ;當(dāng)Θ時，偏航系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)輪逆時針旋轉(zhuǎn) Q2-Q1 ;旋轉(zhuǎn)完畢后，修改91值，使Q1= θ2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PI調(diào)節(jié)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)及控制方法，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)偏航系統(tǒng)與變槳距控制系統(tǒng)相結(jié)合，采用統(tǒng)一的控制方法。在風(fēng)速較小時，偏航系統(tǒng)自動調(diào)整風(fēng)機(jī)迎風(fēng)方向，使風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，變漿距控制系統(tǒng)啟動，調(diào)整風(fēng)葉的槳距角，使其始終維持在最大功率處運(yùn)行。
文檔編號F03D7/00GK103195651SQ201310076608
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者錢慶林, 張文豪, 朱鈺冬, 許磊, 金立軍, 劉宗杰, 陳俊佑, 蔣苗苗, 周科, 馬健 申請人:山東電力集團(tuán)公司濟(jì)寧供電公司, 國家電網(wǎng)公司