一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法 及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方案是低風(fēng)速時(shí)采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制以 獲取最大風(fēng)能，高風(fēng)速時(shí)采用變槳控制限制風(fēng)能吸收以保持功率恒定。具體實(shí)施較多采用 圖1所示方法。圖中AB-BC-CD三段為發(fā)電機(jī)額定功率以下轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，A點(diǎn)對應(yīng)發(fā) 電機(jī)達(dá)到最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，DE段為達(dá)到發(fā)電機(jī)額定功率后轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，D點(diǎn)對應(yīng)額定 功率，對應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。其中：AB段及CD段采用PID控制方式調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 矩使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，BC段采用跟蹤最佳Cp控制方式調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；DE段采用恒轉(zhuǎn) 矩控制方式保持發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在額定值，同時(shí)通過線性插值計(jì)算PI控制參數(shù)（圖2所示）的 方式調(diào)節(jié)槳距角使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在額定轉(zhuǎn)速，從而獲得恒定功率輸出。
[0003] 該種方式可使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定功率以下區(qū)域最大限度處于最佳Cp控制區(qū)獲 取最大風(fēng)能，但也存在以下不足：I) CD段與DE段的控制轉(zhuǎn)換在額定功率點(diǎn)D，缺少相應(yīng)過渡 區(qū)，由于自然界風(fēng)況均以湍流狀態(tài)存在，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速上下波動會使轉(zhuǎn)矩和變槳控制 頻繁切換，由于變槳控制響應(yīng)速度落后于轉(zhuǎn)矩控制，兩種控制不同步造成轉(zhuǎn)速在上下發(fā)生 較大波動，從而造成對機(jī)組的沖擊；2)發(fā)電機(jī)輸出功率為轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積，由于湍流風(fēng) 的影響，在DE段變槳控制不能完全維持轉(zhuǎn)速在額定值，在該段采用恒轉(zhuǎn)矩控制將造成輸出 功率隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化而變化，降低發(fā)電功率品質(zhì)；3)DE段采用線性插值計(jì)算變槳PI控制 器參數(shù)值的方式不能有效反映風(fēng)機(jī)葉片非線性的氣動特性，從而降低了變槳?jiǎng)幼麟S風(fēng)速變 化的跟隨性，造成DE段轉(zhuǎn)速波動較大，甚至出現(xiàn)超速超載等不利狀況發(fā)生。
[0004] 中國專利公開號CN102635499A公開了"一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置及方法"， 如圖3所示，該種控制通過改變兩個(gè)控制器在過渡區(qū)域的控制目標(biāo)點(diǎn)，避免兩種控制不同 步造成轉(zhuǎn)速在上下發(fā)生較大波動的問題，實(shí)現(xiàn)控制狀態(tài)的柔性切換，且在整個(gè)正常工作轉(zhuǎn) 速范圍內(nèi)變槳控制均處于激活狀態(tài)，在II、III之間過渡區(qū)，當(dāng)風(fēng)速變化較平穩(wěn)且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn) 速小于過渡轉(zhuǎn)速區(qū)域使變槳角度始終保持在最佳角度；當(dāng)風(fēng)速發(fā)生急劇變化時(shí)變槳控制可 提前參與控制，與轉(zhuǎn)矩控制協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)速，減小該區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)速的波動。該方法同樣存在以下缺 點(diǎn)：由于在風(fēng)速變化劇烈時(shí)II、III過渡區(qū)變槳控制器提前參與控制雖然一定程度上降低 了轉(zhuǎn)速波動、減小了沖擊，但變槳的提前動作降低了風(fēng)能吸收損失了發(fā)電量，同時(shí)在Π、ΙΙΙ 過渡區(qū)變槳提前動作將造成變槳電機(jī)頻繁啟停，從而增加變槳系統(tǒng)負(fù)荷，影響變槳系統(tǒng)安 全性。
[0005] 因此，如何提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，既實(shí)現(xiàn)額定功率附近的轉(zhuǎn)矩控制 與變槳控制柔性過渡控制，又減少風(fēng)速變化劇烈時(shí)變槳提前動作帶來的發(fā)電量損失及增加 的變槳系統(tǒng)負(fù)荷，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的重要技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本發(fā)明的第一個(gè)發(fā)明目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，既 實(shí)現(xiàn)額定功率附近的轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制柔性過渡控制，又減少風(fēng)速變化劇烈時(shí)變槳提前 動作帶來的發(fā)電量損失及增加的變槳系統(tǒng)負(fù)荷。
[0007] 在上述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還提供了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的 控制裝置。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0009] 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方法，在發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速，且測量功率 超過額定功率的情況下，轉(zhuǎn)矩由變參數(shù)PI控制方式轉(zhuǎn)換到恒功率控制方式；在變槳角度小 于最佳變槳角度，且測量轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速之下的情況下，轉(zhuǎn)矩由恒功率控制方式轉(zhuǎn)換到 變參數(shù)PI控制方式；采用PI控制參數(shù)非線性調(diào)整方式控制變槳角度，且在整個(gè)正常工作轉(zhuǎn) 速范圍內(nèi)變槳控制均處于激活狀態(tài)。
[0010] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)矩控制器對于轉(zhuǎn)矩的變參數(shù)PI控制方式表達(dá)式為：
[0011] y = y*+Kp_torque (x-x*) + (dT/2) Ki^torque (x+x*), x = ω - ω n
[0012] 其中：y為輸出轉(zhuǎn)矩，χ為輸入轉(zhuǎn)速偏差，Kp_tm^為轉(zhuǎn)矩控制器比例增益，K 為 轉(zhuǎn)矩控制器積分增益，dT為時(shí)間步長，ω為發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速，〇^為發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速， 符號（*)表不上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)各參數(shù)對應(yīng)值。
[0013] 優(yōu)選地，取發(fā)電機(jī)的中間轉(zhuǎn)速介于最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間，設(shè)發(fā)電機(jī)的測 量轉(zhuǎn)速ω介于最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和中間轉(zhuǎn)速之間時(shí)的情況下為區(qū)間I，測量轉(zhuǎn)速ω介于中間轉(zhuǎn) 速和額定轉(zhuǎn)速之間的情況下為區(qū)間II，測量轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的情況下為區(qū)間III ;
[0014] 在區(qū)間I內(nèi)，轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)置發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速為：ωη= ηι，同時(shí)設(shè)置最大風(fēng)能 利用系數(shù)Cp跟蹤轉(zhuǎn)矩作為限制值Tlim，設(shè)置Tmin= 0. 0為最小值，當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制器輸出y大于 Tlim時(shí)，轉(zhuǎn)矩限制在y = T lim，當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制器輸出y小于Tmin時(shí)，轉(zhuǎn)矩限制在y = τ min;
[0015] 在區(qū)間II內(nèi)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速ω大于額定轉(zhuǎn)速，且測量功率小于額定功率 時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)置發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速為：ωn= (ω-!〇，以增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩控制力度，其中，X 為控制輸入偏差；當(dāng)發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速ω小于額定轉(zhuǎn)速，且測量轉(zhuǎn)速大于中間轉(zhuǎn)速ηΙ/π 時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)置發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速為：ωη= η，(η「ω);同時(shí)設(shè)置最大風(fēng)能利用系數(shù) Cp跟蹤轉(zhuǎn)矩作為最小限制值Tlim，設(shè)置額定功率限制轉(zhuǎn)矩為最大值，即T siiax= P 乂 ω，其中， Τ_χ為最大給定發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，P ^3發(fā)電機(jī)的額定功率，ω為發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)矩 控制器輸出y小于Tlim時(shí)，轉(zhuǎn)矩限制在y = T lim，當(dāng)轉(zhuǎn)矩控制器輸出y大于TgmaJt，轉(zhuǎn)矩限制 在 y = T ·
[0016] 其中：Tlim= KtjptC^Ktjpt= n m3i P R5V/(2 A3G3)為最大功率點(diǎn)跟蹤控制轉(zhuǎn)矩限 制，Ktjpt為考慮傳動鏈機(jī)械損耗后的最優(yōu)模態(tài)增益，n m為傳動鏈機(jī)械效率，P為空氣密度， R為風(fēng)輪半徑，Cp為最大風(fēng)能利用系數(shù)，λ為最大Cp對應(yīng)的最佳葉尖速比，G為齒輪箱傳 動比。
[0017] 優(yōu)選地，在區(qū)間I和區(qū)間II內(nèi)，變槳控制器設(shè)置發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速為η2;在區(qū)間 III內(nèi)，變槳控制器設(shè)置發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速為發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速其中，η2的取值范圍為 1.01?1.03倍的額定轉(zhuǎn)速叫
[0018] 變槳控制采用PI控制參數(shù)非線性調(diào)整方式，其表達(dá)式為：y = /+Kp_pitehG(<i)) (x-xVWT/^Kb&hGQ) (X+X#)，x = ω-ωη這其中：y為輸出變槳角度，x為輸入轉(zhuǎn)速偏 差，K"itc;h為變槳控制器比例增益，K i_pitc;h為變槳控制器積分增益，dT為時(shí)間步長，G為非線 性控制參數(shù)增益，Φ為變槳角度，ω η發(fā)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)速，符號（*)表示上一個(gè)時(shí)間點(diǎn)各參 數(shù)對應(yīng)值。
[0019] 優(yōu)選地，所述中間轉(zhuǎn)速的取值為所述最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和所述額定轉(zhuǎn)速的平均值。
[0020] 一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制裝置，包括：
[0021] 變槳控制器，用于在發(fā)電機(jī)的整個(gè)正常工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用PI控制參數(shù)非線性 方式調(diào)整變槳角度；
[0022] 轉(zhuǎn)矩控制器，用于控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；所述轉(zhuǎn)矩控制器包括：
[0023] 轉(zhuǎn)矩變參數(shù)PI控制模塊，用于采用變參數(shù)PI控制方式調(diào)整轉(zhuǎn)矩；
[0024] 轉(zhuǎn)矩恒功率控制模塊，用于采用恒功率控制方式調(diào)整轉(zhuǎn)矩；
[0025] 轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換模塊，用于控制轉(zhuǎn)矩的控制方式在所述變參數(shù)PI控制方式和所述 恒功率控制方式之間轉(zhuǎn)換。
[0026] 優(yōu)選地，還包括區(qū)域判斷模塊，用于判斷出當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行的區(qū)間，并根據(jù)不同的運(yùn) 行區(qū)間選擇不同的轉(zhuǎn)矩控制的參考轉(zhuǎn)速和變槳控制的參考轉(zhuǎn)速。
[0027] 優(yōu)選地，所述區(qū)域判斷模塊，用于取發(fā)電機(jī)的中間轉(zhuǎn)速介于最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定 轉(zhuǎn)速之間，設(shè)發(fā)電機(jī)的測量轉(zhuǎn)速ω介于最小并網(wǎng)