專利名稱：定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在失速區(qū)的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的控制方法，具體地說，涉及一種保證定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上時穩(wěn)定工作且輸出功率恒定的機(jī)組控制方法。

背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種可再生能源，近幾年風(fēng)能的開發(fā)與利用得到了廣泛的關(guān)注，如何最大程度地利用風(fēng)能成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的一個研究熱點。由于風(fēng)具有隨機(jī)性，無論風(fēng)向還是風(fēng)速都在不斷變化，所以風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能量也是時刻變化的，這就要求對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，使其在額定風(fēng)速以下時進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤，在額定風(fēng)速以上時保證機(jī)組輸出功率恒定，另外在提高風(fēng)能利用效率的同時保證機(jī)組的安全和可靠性。
目前風(fēng)機(jī)功率調(diào)節(jié)技術(shù)分為定槳距失速控制和變槳距控制。采用定槳距失速功率調(diào)節(jié)的機(jī)組在運(yùn)行時風(fēng)機(jī)槳葉迎風(fēng)角度不能隨風(fēng)速變化，功率調(diào)節(jié)通過葉片自身的失速特性實現(xiàn)。在《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)第2版》(葉杭冶，機(jī)械工業(yè)出版社，2007年2月，第35頁)一書中詳細(xì)分析了定槳距風(fēng)輪葉片的失速調(diào)節(jié)原理。該方式具有結(jié)構(gòu)簡單、故障率低的優(yōu)點，其缺點是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能受到葉片失速性能的限制，在風(fēng)速超過額定值時發(fā)電功率反而有所下降，定槳距失速型機(jī)組輸出功率特性曲線如附圖1所示。
變槳距控制的基本原理是在高風(fēng)速區(qū)，通過增加槳葉節(jié)距角β以減小風(fēng)能利用系數(shù)CP，從而將機(jī)組功率穩(wěn)定在額定值附近。變槳距機(jī)組與定槳距失速型機(jī)組相比具有在額定風(fēng)速以上輸出功率平穩(wěn)的特點，附圖2所示為變槳距機(jī)組輸出功率特性曲線。變槳距控制的缺點是需要增加復(fù)雜的變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變槳距控制系統(tǒng)，這無疑增加了機(jī)組的制造和維護(hù)成本，同時降低了系統(tǒng)的可靠性。專利《基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法》(中國，2007年10月17日，200710041115.5)提出了一種基于風(fēng)速檢測的風(fēng)力機(jī)控制方法，其在額定風(fēng)速以上時采用變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)，但該專利并未具體給出控制器是如何調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距變化以達(dá)到輸出功率恒定的。目前國內(nèi)對變槳距功率調(diào)節(jié)技術(shù)的研究尚處于起步階段，核心技術(shù)仍被其他先進(jìn)國家所掌握。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在失速區(qū)的功率控制方法。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明所述的定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在失速區(qū)的功率控制方法，其特征在于當(dāng)實際風(fēng)速v大于額定風(fēng)速使風(fēng)力機(jī)工作點進(jìn)入失速區(qū)時，所述控制方法包括如下環(huán)節(jié) 1)將定槳距風(fēng)力機(jī)的參考轉(zhuǎn)速ω*與機(jī)組實際轉(zhuǎn)速反饋ωf作差得到轉(zhuǎn)速誤差信號Δω； 2)將1)所述的轉(zhuǎn)速誤差信號Δω經(jīng)過變速控制器Gω(s)得到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考信號T′e； 3)將定槳距風(fēng)力機(jī)的實際氣動轉(zhuǎn)矩Tm作為擾動信號與轉(zhuǎn)速反饋信號ωf經(jīng)過擾動觀測器得到定槳距風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值
4)將2)所述的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考信號T′e與3)所述的定槳距風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值

相加得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值Te*； 5)將4)所述的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值Te*經(jīng)過轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)ΦT(s)得到實際的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te，重復(fù)步驟1至步驟5控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上輸出功率恒定且能穩(wěn)定運(yùn)行于失速區(qū)。
本發(fā)明能夠?qū)Χ鄼C(jī)組施加有效控制，在全程令其轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化，從而提高了風(fēng)能利用效率，改善了定槳距機(jī)組在額定風(fēng)速以上輸出功率特性差的缺點，同時解決了當(dāng)機(jī)組工作點位于力矩不穩(wěn)定區(qū)時的穩(wěn)定性問題，保證其不會因外界擾動而飛車或是停機(jī)。與變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，該系統(tǒng)取消了變槳距機(jī)構(gòu)與變槳距控制器，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、穩(wěn)定可靠的特點。本發(fā)明對促進(jìn)我國多元化風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極意義。



附圖1是定槳距失速型機(jī)組輸出功率特性曲線； 附圖2是變槳距機(jī)組輸出功率特性曲線； 附圖3是風(fēng)力機(jī)CT(λ)、CP(λ)特性曲線； 附圖4是擾動觀測器(DOB)基本思想框圖； 附圖5是基于擾動觀測器的定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)框圖； 附圖6是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考-風(fēng)速特性曲線； 附圖7是定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成框圖； 附圖8是定子側(cè)PWM變換器； 附圖9是發(fā)電機(jī)電流(轉(zhuǎn)矩)內(nèi)環(huán)。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 如圖1是定槳距失速型機(jī)組輸出功率特性曲線。
如圖2是變槳距機(jī)組輸出功率特性曲線。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的設(shè)計一個控制系統(tǒng)對定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全程轉(zhuǎn)速控制，在額定風(fēng)速以上時通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機(jī)組輸出功率恒定的目的；另外利用轉(zhuǎn)矩觀測的方式得到風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值，將此值以前饋校正的方式引入機(jī)組控制系統(tǒng)中，從而保證機(jī)組工作在額定風(fēng)速以上時的穩(wěn)定性，本發(fā)明中轉(zhuǎn)矩觀測利用擾動觀測器實現(xiàn)。
本發(fā)明所述的轉(zhuǎn)速控制是指風(fēng)力機(jī)的氣動功率可由Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)計算所得，式中Pm為風(fēng)力機(jī)輸出功率，ρ為空氣密度，R為風(fēng)輪半徑，v為風(fēng)速，Cp(λ)為風(fēng)能利用系數(shù)。由該式可見若要保證風(fēng)機(jī)輸出功率恒定，應(yīng)使得Cp(λ)與風(fēng)速的三次方成反比變化。對定槳距風(fēng)力機(jī)而言，Cp(λ)僅與葉尖速比λ有關(guān)，而λ＝ωR/v，ω為機(jī)組轉(zhuǎn)速，可見在一定風(fēng)速下可以通過調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)能利用系數(shù)的大小，因此在額定風(fēng)速以上時對機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制可以保證機(jī)組輸出功率恒定。對機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)的。
本發(fā)明所述的將轉(zhuǎn)矩觀測值以前饋校正的方式引入機(jī)組控制系統(tǒng)是指在額定風(fēng)速以上隨著風(fēng)速的增加，相應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速以降低Cp值時，工作點會落入到CT(λ)曲線(風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線)頂點A的左半平面，如附圖3所示的B點。稱CT(λ)曲線的左半平面的區(qū)域為力矩不穩(wěn)定區(qū)，因為在此區(qū)域，外界擾動會使機(jī)組飛車或停機(jī)，這是由控制對象風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的特性引起的，且任何一臺機(jī)組如工作在此區(qū)域都會存在此問題，因此必須對機(jī)組施加有效控制以抑制其不穩(wěn)定性。本發(fā)明所采用的方法是利用擾動觀測器得到風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值，將此觀測值以前饋校正的方式引入到機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，從而能夠有效抑制外界擾動對機(jī)組的影響，即使工作點位于力矩不穩(wěn)定區(qū)系統(tǒng)也能穩(wěn)定工作。
本發(fā)明所述的擾動觀測器(DOB)如附圖4所示。其中，u為外部輸入，d為干擾項，d’為干擾估計項，r為測量噪聲，y為系統(tǒng)輸出，ξ為包含干擾預(yù)估的等效輸入，P(s)為實際系統(tǒng)模型，Pn-1(s)為重構(gòu)的系統(tǒng)模型的逆，理想條件下，Pn(s)與P(s)相等，Q(s)稱為Q濾波器(Q-filter)。如果Q(s)的相對階次大于或等于Pn(s)的相對階次，則Q(s)Pn-1(s)正則，在物理上可實現(xiàn)。DOB的基本思想是把實際輸出與標(biāo)稱模型的差異作為一個等效的干擾應(yīng)用于標(biāo)稱模型，DOB估計出這個等效干擾，將其作為一個補(bǔ)償信號以消除干擾對系統(tǒng)性能的影響。
本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速外環(huán)，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖5所示。轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸入是根據(jù)風(fēng)速得到的轉(zhuǎn)速參考信號ω*，其計算獲得的依據(jù)是保證最大程度地利用風(fēng)能，即在低風(fēng)速區(qū)風(fēng)力機(jī)能夠輸出與該風(fēng)速對應(yīng)的最大功率，在額定風(fēng)速以上保證機(jī)組輸出功率恒定。根據(jù)風(fēng)力機(jī)輸出功率與風(fēng)速和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系Pm＝0.5ρπR2v3Cp(λ)可以得到轉(zhuǎn)速參考ω*同風(fēng)速之間的關(guān)系，如附圖6所示。進(jìn)行最大風(fēng)能跟蹤時，轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增加線性上升；當(dāng)達(dá)到機(jī)組額定轉(zhuǎn)速以后，保持此額定轉(zhuǎn)速；隨著風(fēng)速的進(jìn)一步增加，機(jī)組輸出功率達(dá)到額定功率，此時應(yīng)使機(jī)組轉(zhuǎn)速與風(fēng)速呈如圖所示的非線性關(guān)系才能保證輸出功率恒定。轉(zhuǎn)速外環(huán)的輸出是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考信號，此信號作為調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)中轉(zhuǎn)矩控制器采用在工程上得到廣泛應(yīng)用的PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)兼具動態(tài)調(diào)節(jié)快、穩(wěn)態(tài)精度高的特點。轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)控制發(fā)電機(jī)輸出端電壓，動態(tài)改變其定子端輸出電流，從而使發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩跟隨其參考值變化，實現(xiàn)機(jī)組的變速運(yùn)行。由附圖5可見在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)引入如前所述的擾動觀測器，此時P(s)等于1/(Js+B)，式中J為轉(zhuǎn)動慣量，B為靜摩擦系數(shù)。Pn-1(s)等于Js+B，Q(s)選擇低通濾波器，濾波器時間常數(shù)為采樣周期的10～15倍。將擾動觀測器得到的風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值

與轉(zhuǎn)速控制器計算所得的轉(zhuǎn)矩給定Te’相加得到新的轉(zhuǎn)矩給定值Te*，據(jù)此調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。
附圖7所示為定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)組成框圖。轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)采用DSP控制器，風(fēng)力機(jī)將空氣動能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)在風(fēng)力機(jī)的帶動下旋轉(zhuǎn)，將軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)通過控制發(fā)電機(jī)定子側(cè)的PWM變換器達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。并網(wǎng)逆變器對發(fā)電機(jī)輸出電能進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到滿足逆變并網(wǎng)的條件。轉(zhuǎn)速控制器所需的風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、電流信號分別由風(fēng)速儀、轉(zhuǎn)速傳感器、電流傳感器得到，所有控制均由DSP控制器完成。
實施例中所采用的定槳距風(fēng)輪葉片Cp(λ)參數(shù)如表1所示，由該數(shù)據(jù)可知該槳葉最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax等于0.365；槳葉半徑R為4米；最佳葉尖速比λopt為6.75；風(fēng)輪的切入風(fēng)速為4.5m/s，切出風(fēng)速為25m/s，額定風(fēng)速為12m/s；空氣密度ρ等于1.25kg/m3；風(fēng)力機(jī)額定輸出功率為10kW。
表1 實施例中所采用的發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)額定功率10kW，極對數(shù)p等于8，定子電感L為5mH，定子繞組電阻R等于0.1Ω，轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈ψf等于0.57Wb，轉(zhuǎn)動慣量J為1kg×m2。發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間無齒輪箱，為直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，去掉齒輪箱有助于降低機(jī)組成本，延長機(jī)組使用壽命。發(fā)電機(jī)定子側(cè)PWM變換器如附圖8所示，每個橋臂各串聯(lián)兩支MOSFET開關(guān)管，發(fā)電機(jī)定子三相A、B、C分別與橋臂中點a、b、c相連。
實施例中的轉(zhuǎn)速控制器完成對機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其輸入是風(fēng)速、轉(zhuǎn)速以及定子三相電流信號，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速分別由風(fēng)速儀和光電編碼器得到，并以電信號的形式輸入到DSP控制器中，電流則由霍爾電流傳感器檢測得到，經(jīng)過必要的整形濾波后送給控制器；控制器的輸出是用于驅(qū)動PWM整流器三相橋臂的六路PWM脈沖信號。DSP控制器首先根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速參考ω*，計算的依據(jù)如前所述，然后將其與實際檢測到的轉(zhuǎn)速相比較得到轉(zhuǎn)速誤差信號，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器利用此誤差信號得到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考作為調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。因為利用DOB得到了風(fēng)機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值，并將此值進(jìn)行了前饋校正，使得控制對象在額定風(fēng)速以上時也變得穩(wěn)定，故轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計得以簡化，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)力機(jī)變速控制器Gω(s)，令Gω(s)＝Kipω(τωs+1)/s，其中積分系數(shù)Kipω＝B/6Ts，時間常數(shù)τω＝J/B，Ts為開關(guān)周期，s為頻域拉普拉斯算子，下同。永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制采用成熟的矢量控制方式，利用坐標(biāo)變換，將定子三相電流ia、ib、ic按照轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的id、iq分量，此時Te＝1.5pψfiq，式中Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，p為極對數(shù)，ψf為勵磁磁鏈，可見對轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)變成了對iq的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了對電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制。附圖9所示為發(fā)電機(jī)電流(轉(zhuǎn)矩)內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)框圖。電流參考iq*由Te*/1.5pψf計算得到，考慮電流環(huán)需要較快的電流跟隨能力，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計其電流調(diào)節(jié)器Gc(s)，令Gc(s)＝Kip(τs+1)/s，其中積分系數(shù)Kip＝R/3TsKPWM，τ＝L/R，Ts為電流內(nèi)環(huán)采樣周期，KPWM為橋路PWM等效增益，L和R分別為發(fā)電機(jī)定子電感和電阻，1/(Tss+1)為電流采樣延遲環(huán)節(jié)，1/(0.5Tss+1)為PWM控制小慣性環(huán)節(jié)。在附圖10中，電流參考iq*與電流采樣iqf相比較得到電流誤差信號Δiq，此信號經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器Gc(s)進(jìn)而得到q軸電壓分量參考信號Vq*，通過PWM控制得到實際的q軸電壓分量Vq，Vq減去發(fā)電機(jī)空載電動勢pψfω，再除以發(fā)電機(jī)繞組回路阻抗Ls+R便得到q軸實際電流iq，由此形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)電流(轉(zhuǎn)矩)的調(diào)節(jié)。經(jīng)化簡可得到發(fā)電機(jī)電流內(nèi)環(huán)等效傳遞函數(shù)，也就是附圖5中的

將Vq*變換到兩相靜止坐標(biāo)系，利用SVPWM進(jìn)行調(diào)制，就得到了橋臂開關(guān)管的驅(qū)動信號。
權(quán)利要求
1、一種定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在失速區(qū)的功率控制方法，其特征在于當(dāng)實際風(fēng)速v大于額定風(fēng)速使風(fēng)力機(jī)工作點進(jìn)入失速區(qū)時，所述控制方法包括如下環(huán)節(jié)
1)將定槳距風(fēng)力機(jī)的參考轉(zhuǎn)速ω*與機(jī)組實際轉(zhuǎn)速反饋ωf作差得到轉(zhuǎn)速誤差信號Δω；
2)將1)所述的轉(zhuǎn)速誤差信號Δω經(jīng)過變速控制器Gω(s)得到發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考信號T′e；
3)將定槳距風(fēng)力機(jī)的實際氣動轉(zhuǎn)矩Tm作為擾動信號與轉(zhuǎn)速反饋信號ωf經(jīng)過擾動觀測器得到定槳距風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值
4)將2)所述的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩參考信號T′e與3)所述的定槳距風(fēng)力機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值
相加得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值Te*；
5)將4)所述的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值Te*經(jīng)過轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)ФT(s)得到實際的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te，重復(fù)步驟1至步驟5控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使發(fā)電機(jī)組在額定風(fēng)速以上輸出功率恒定且能穩(wěn)定運(yùn)行于失速區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種定槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在失速區(qū)的功率控制方法，屬于風(fēng)力發(fā)電失速控制技術(shù)。本發(fā)明控制系統(tǒng)對定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行全程轉(zhuǎn)速控制，在額定風(fēng)速以上時通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)機(jī)組輸出功率恒定的目的；另外利用轉(zhuǎn)矩觀測的方式得到風(fēng)機(jī)氣動轉(zhuǎn)矩觀測值，將此值以前饋校正的方式引入機(jī)組控制系統(tǒng)中，從而保證機(jī)組工作在額定風(fēng)速以上時的穩(wěn)定性。本發(fā)明提高了風(fēng)能利用效率，改善了定槳距機(jī)組在額定風(fēng)速以上輸出功率特性差的缺點，同時解決了當(dāng)機(jī)組工作點位于力矩不穩(wěn)定區(qū)時的穩(wěn)定性問題，保證其不會因外界擾動而飛車或是停機(jī)。
文檔編號F03D7/04GK101581272SQ20091003355
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者胡祖榮, 王俊琦, 馬運(yùn)東, 巖 邢 申請人:南京航空航天大學(xué)