CN101054951A - 基于最大能量捕获的大型风力机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力发电技术领域的最大能量捕获的风力机输出功率控制方法，当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。本发明能根据风速的大小选用不同的控制方法，实现风力机最大功率的输出，提高了发电机组风能利用效率同时保证了风力机运行的稳定性和可靠性。

Description

基于最大能量捕获的大型风力机控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种基于最大能量捕获的大型风力机控制方法。

背景技术

风能是一种可再生能源，近年来，风能开发与利用已广泛受到高度重视。风力发电主要目的是尽最大可能的利用风能，但风是一种矢量，具有随机性，无论是风向还是风速总是在不断地变化，所以产生的能量也是时刻变化的，这就要求对风力发电机组进行控制，确保风力机始终输出最大功率，提高风能的利用效率同时保证风力机的安全性和可靠性。

现有技术中，有人提出采用失速功率调节方式，失速功率调节方式机组的叶片在发电时迎风角度不能随风速变化，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率低的优点，其缺点主要是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率反而有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，使风轮转动惯量大，不适宜于大型风力发电机组。还有人提出采用采用变速恒频功率调节方式，虽然可以有效地克服上述缺点，但是当风速超过额定风速时，由于受旋转部件的机械强度限制和电力电子器件的功率限制，控制效果也不是很理想。

经对现有技术的文献检索发现，Perales等在《Proc.of The 25th AnnualConference of the IEEE》(美国电气电子工程师协会第25届年会论文集)(1999年，第2卷，第614--618页)上发表的“Fuzzy logic control of a variablespeed，variable pitch wind turbine”(变速变桨距风力机模糊逻辑控制)，该文中提出了一种变速变桨距风力机模糊逻辑控制方法，具体方法为：基于捕获最大风能原则，通过检测发电机的转速和输出功率，并根据转速和输出功率的变化来控制风力机的尖速比，寻找最大输出功率值点，但是该方法由于同时对转速和功率进行控制，控制量较多，很难实际当中应用。检索中还发现，Prats等在《Proc.of The 33th Power Electronics Specialists Conference》(第33届国际电力电子特别年会论文集)(2002年，第1卷，第101--105页)上发表的“A new fuzzy logic controller to improve the captured wind energy in areal 800kW variable speed-variable pitch wind turbine”(一种新型适用于改善800kw变速-变桨风机提高捕获风能的模糊逻辑控制器)，该文中设计了一种模糊控制器，提出了针对风速的变化采用不同的控制策略的思想，但是变桨距控制时控制输入量还是发电机转速，而不是发电机功率，控制效果也不是很理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，使其在低风速采用变速控制方法，高风速采用变桨距控制方法，这样即使风速时刻在变化，风力机也能保持最大功率输出。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法为：当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

所述的变速控制方法，是指：当风速在切入风速和额定风速之间变化时，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得尖速比λ＝ωR/v维持最佳值不变，同时保持桨叶桨距角为0°，使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率，式中：v为风速，ω为风轮旋转角速度，R为风轮半径。

所述的变桨距控制方法，是指：当风速在额定风速和切出风速之间变化时，根据功率传感器测得的发电机功率信号，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作来调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

所述的转速传感器，其中磁电式测量元件(音轮)与发电机转轴一起在磁场中旋转，连续旋转时由于电磁感应从线圈中输出连续的脉冲信号，从而将发电机的转速转变为具有一定频率的脉冲信号，由公式n＝60f/z可以很方便地从脉冲频率计算出转速，式中n为发电机转速，z为音轮的齿数，f为脉冲的频率值。

所述的功率传感器采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，分别检测发电机转子侧的电压和电流，从而实现对发电机功率的检测。霍尔电流传感器用于测量直、交流脉冲和混合型电流，霍尔电压传感器主要用于测量直流、交流和脉冲电压。

本发明采用变速-变桨距的风力机最大能量捕获控制方法，风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法；风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，风力发电机组并网后，初始化控制***并判断风速大小，当风速大于切入风速且小于额定风速时，进行变速控制，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，使得发电机转速追踪最佳功率曲线变化，获得最佳风能系数从而捕获最大功率；当风速大于额定风速小于切出风速，此时变速控制器停止工作，变桨距控制器开始工作，根据功率传感器测得的功率信号，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变；若风速变得小于额定风速，此时变桨距控制器停止工作，变速控制器又开始工作；若风速大于切出风速或低于切入风速，此时风力机刹车后停止工作，风力发电机组切出电网；若风速大于切入风速，风力发电机组并网开始工作。本发明从大型风力机功率控制的角度，根据风速实际变化的大小，采用变速-变桨距控制方法。

大型风力发电机组的风力机控制***根据风速仪测得的风速信号，经过风力机变速或变桨距控制器(DSP控制器)发出控制指令，控制发电机转速和液压变桨距机构动作，从而控制发电机输出功率的变化。

本发明能够满足大型、并网型风力机功率控制要求。风力机变速运行时其运行速度能够在一个较宽的范围内被调节，可以做到使风力机维持或接近在最佳叶尖速比下运行，从而使风力机的风能系数值达到或接近最佳值，有试验数据表明，在平均风速6.7m/s时，变速风电机组要比恒速风电机组多捕获15％的风能。变桨距运行时通过液压变距机构调节桨叶桨距角的变化，可以降低风力发电机组剧烈的转矩起伏，减小所有部件的机械应力，这为减轻部件质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证。另外可实现发电机低起伏的平滑的电功率输出，优化***内的电网质量的同时减小发电机温度变化。本发明在低风速、额定风速、高风速下，风电机组都具有很好的工作特性，对于尽最大可能地利用风能且保证风电机组的稳定性和可靠性，具有积极意义。

附图说明

图1为本发明控制流程图

图2为本发明控制***框图

图3为本发明变速控制时最佳风能系数图

图4为本发明风速变化时最大功率控制示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例具体实施流程如下：

a.风力发电机组并网后，初始化控制***，桨距角β＝0，并判断风速大小；

b.当风速小于切入风速，风力机不动作。

c.在风速在切入风速和额定风速之间变化时，进行变速控制，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，通过齿轮箱调节发电机转速ω，并和给定值ω*相比较构成一个闭环反馈自动控制***，由图3知此时风力机追踪最佳功率曲线变化，获得最佳风能系数C_P-max＝C_P(λ_opt，0)，从而捕获最大功率

$P_t=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_P({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}},0)v^3.$

d.当风速大于额定风速小于切出风速，此时变速控制器停止工作，变桨距控制器开始工作，根据功率传感器测得的功率信号P和功率给定值P*相比较，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作调节桨叶桨距角的变化，获得变化的C_P(λ，β)，构成一个闭环反馈自动控制***，保持额定功率不变。

e.当风速大于切出风速，风力机液压刹车机构开始动作，风力机停止工作，风电机组切出电网。

该图中V为风速，P为功率，P*为功率给定值λ为尖速比，λ_OPT为最优尖速比，ω为风轮角速度，ω*为风轮角速度给定值，n为齿轮箱传动比，R为风轮半径，β为桨距角，C_P为风能系数。

如图2所示，风力机最大功率捕获控制框图，其中：控制器由变速控制器和变桨距控制器组成，风速在切入风速和额定风速之间变化时，转速信号经转速传感器输入变速控制器，最终完成对大型风力机的最优功率的追踪控制，这里转速传感器型号为上海欧丹仪器电子有限公司生产的OD9011高灵敏度、高抗干扰性的磁电式转速传感器，测量范围为0.3HZ～10KHZ，工作电压5～24V，使用温度-30℃～+150℃，输出的波型近似方波，输出信号幅值大小与转速成正比。风速大于额定风速小于切出风速，此时变速控制器停止工作，变桨距控制器开始工作，功率信号经功率传感器输入变桨距控制器，最终完成对大型风力机的额定功率的控制。这里功率传感器分别采用霍尔电流传感器和电压传感器检测电流和电压值，便获得了发电机的输出功率。电流传感器型号为瑞士莱姆公司(LEM)生产的LA28-NP，原边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.5％，原边电流测量范围为0～±36A。电压传感器的型号为瑞士莱姆公司(LEM)生产的LV28-P，原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.6％，原边电流测量范围为0～±14mA。

如图3所示，风力机风能系数C_P(λ，β)变化和风机尖速比λ和桨距角β有关。桨距角β越大，风力机风能系数越小；在桨距角β＝0，风机尖速比λ＝λ_opt处，风力机风能系数C_P(λ，β)有最大值C_P-max，所以在变速控制过程中，只要使得桨距角保持0°不变，风机尖速比λ＝ωR/v值保持λ_opt不变，风力机在整个变速过程中风能系数都能取最大值C_P-max，即实现了风力机追踪最佳功率曲线。

如图4所示，风速低于切入风速v_i，风力机停止转动没有工作；风速大于切入风速v_i，风力机开始工作，在风速大于切入风速v_i小于额定风速v_r时，采用变速控制，实现对最优功率曲线的追踪，获得最大功率；当风速大于额定风速v_r小于切出风速v_o时，采用变桨距控制，通过调节桨距角使得机组输出功率维持额定功率Pr不变；当风速大于切出风速v_o，风力机启动刹车机构，风力机停止工作。

Claims (9)

1.一种基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征在于，当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

2.根据权利要求1所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的变速控制方法，是指：当风速在切入风速和额定风速之间变化时，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得尖速比λ＝ωR/v维持最佳值不变，同时保持桨叶桨距角为0°，使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率，式中：v为风速，ω为风轮旋转角速度，R为风轮半径。

3.根据权利要求2所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的转速传感器，其中磁电式测量元件与发电机转轴一起在磁场中旋转，连续旋转时电磁感应从线圈中输出连续的脉冲信号，从而将发电机的转速转变为脉冲信号，由公式n＝60f/z从脉冲信号的频率计算出转速，式中n为发电机转速，z为音轮的齿数，f为脉冲的频率值。

4.根据权利要求2或者3所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的转速传感器为磁电式转速传感器，测量范围为0.3HZ～10KHZ，工作电压5～24V，使用温度-30℃～+150℃，输出的波型近似方波，输出信号幅值大小与转速成正比。

5.根据权利要求1所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的变桨距控制方法，是指：当风速在额定风速和切出风速之间变化时，根据功率传感器测得的发电机功率信号，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作来调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

6.根据权利要求5所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的功率传感器采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，分别检测发电机转子侧的电压和电流，从而实现对发电机功率的检测，霍尔电流传感器测量直、交流脉冲和混合型电流，霍尔电压传感器测量直流、交流和脉冲电压。

7.根据权利要求6所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的电流传感器，其原边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.5％，原边电流测量范围为0～±36A。

8.根据权利要求6所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，所述的电压传感器，其原边额定有效值电流为10mA，副边额定有效值电流为25mA，采用±15V电源供电，精度为±0.6％，原边电流测量范围为0～±14mA。

9.根据权利要求1所述的基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，其特征是，具体步骤如下：

a.风力发电机组并网后，初始化控制***，桨距角β＝0，并判断风速大小；

b.当风速小于切入风速，风力机不动作；

c.在风速在切入风速和额定风速之间变化时，进行变速控制，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，通过齿轮箱调节发电机转速ω，并和给定值ω*相比较构成一个闭环反馈自动控制***，此时风力机追踪最佳功率曲线变化，获得最佳风能系数C_P-max＝C_P(λ_opt，0)，从而捕获最大功率 $P_t=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^2{C}_P({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}},0)v^3,$ 其中，V为风速，P为功率，P*为功率给定值λ为尖速比，λ_OPT为最优尖速比，ω为风轮角速度，ω*为风轮角速度给定值，n为齿轮箱传动比，R为风轮半径，β为桨距角，C_P为风能系数；

d.当风速大于额定风速小于切出风速，此时变速控制器停止工作，变桨距控制器开始工作，根据功率传感器测得的功率信号P和功率给定值P*相比较，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作调节桨叶桨距角的变化，获得变化的C_P(λ，β)，构成一个闭环反馈自动控制***，保持额定功率不变；

e.当风速大于切出风速，风力机液压刹车机构开始动作，风力机停止工作，风电机组切出电网。

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