CN101592126B - 直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，属于风力发电机组运行控制技术领域。本发明控制方法包括如下步骤：首先，在机组启动并网刚开始发电的过程中，调节机组的转速ω；其次，风速改变时，根据风速传感器测量的风速的相对变化量增加或减少的方向，确定机组转速控制需要变化的增加或减少的方向，根据风速测量值相对量变化的大小，由叶尖速比λ计算表达式，计算确定转速所需要的控制变化量；再次，通过增加或减少机组输出功率的粗调节；最后，使风轮机吸收的机械功率P_m满足

的条件，使机组运行于C_P-λ曲线的顶点或与其相当接近的点。本发明能实现对直驱永磁同步风力发电机组最大风能捕获的快速跟踪控制，提高机组的发电效益。

Description

直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法

技术领域

本发明的直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，属于风力发电机组运行控制技术领域。

背景技术

风能是清洁的可再生能源，风力发电技术的日趋成熟和工程化运用，使得风电事业在世界各国受到重视和大力发展，随着风电机组装机容量的快速增长，人们越来越重视风电机组的安全稳定运行和发电效益。直驱永磁同步风力发电机组由于省去了笨重的齿轮箱传动机构，不仅降低了机械故障率，还提高了机组发电效率，因而成为风电机组的发展趋势。由于风轮机的特殊机械结构特性，其吸收的机械功率的大小，不仅取决于作用风速的大小，还取决于机组转速，因而如何调节机组的转速，使机组实现最大风能捕获，成为风电机组运行控制技术的关键。

为实现机组的最大风能捕获，风电机组采用的运行控制技术有多种，总体上分为控制机组的输入转矩和控制机组的输出转矩，典型做法有：(1)当风速改变时，按照厂家给定的优化的输出功率P_e和风速v的P_e-v曲线，相应调整和保证机组的输出功率。该方法的缺陷是：必须依赖于风速的高精度测量，而工程实际中，MW级机组的风轮面积很大，以哪一个测点的风速测量值作为机组实际等效受力风速，还需要进一步研究，因而相对于每个测点风速下的最大风能捕获运行点的跟踪，其调节精度、调节速度无法保证。(2)根据风轮机吸收的机械功率表达式 $P_m=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρ}{\mathrm{Sv}}^3,$ 式中C_P为风能捕获系数，ρ为空气密度(kg/m³)，S为风轮面积(m²)，v为叶轮的上游风速(m/s)，求得作用在转子上的机械转矩为T_m＝P_m/ω，作相应的推导，有T_m＝k_optω²，系数 $k_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρS}{\left(\frac{R}{\mathrm{\λ}}\right)}^3,$ λ为叶尖速比， $\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωR}}{v},$ R为叶轮半径(m)，以此作为发电机的转矩调节指令，调节机组的转速，使机组跟踪最大风能捕获运行点运行。该方法的缺陷是：在系数k_opt计算时，也需要直接运用到风速v测量值，因而调节精度、调节速度也无法保证。(3)按照风轮机吸收的机械功率P_m满足 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{\mathrm{d\ω}}=0$ 的控制目标，运用爬山类方法，多次试探性地增加或减少转速指令步长，等机组再次稳定后，计算最近两次功率的大小并比较判断 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{\mathrm{d\ω}}=0$ 的变化趋势，保留好的趋势，等机组稳定运行后，继续试探，直至 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{\mathrm{d\ω}}=0,$ 使机组运行于最大风能捕获运行点。理论上来说，该方法具有一定的合理性，其工程实现的缺陷是：风速的随机性和快变性(很少有几秒不变的)，决定了控制技术实现必须具有快速性，爬山类方法的试探性及调节过程的“等待性”不能适应快速控制的需求。总之，现有的运行控制技术，在实现机组最大风能捕获的快速准确的调节控制方面需要进一步优化。

当风速变化时，理想的机组运行方式是：风速变化到某一个值，此时刻，最好是机组的转速正好运行于与该风速值相对应的最佳值，当然这种状态，只有在对风速准确预估的情况下，且需要通过快速的转速调节策略，提前使转速运行在预计最佳点，在工程上这是肯定做不到的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种快速精确度高的直驱永磁同步风电发电机组最大风能捕获跟踪控制方法。该方法利用风速的相对变化信息，准确确定转速调节目标的大小和方向，使风轮机吸收的机械功率P_m满足 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{\mathrm{d\ω}}=0$ 的最大风能捕获运行点控制要求，又减少了控制运算的时间，实现了快速准确的控制。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：判断风力发电机组转速需要调节的增加或减少的方向和调节量的大小，所述风力发电机组当前运行于风速为v₀、输出功率为P_e0、转速为ω₀的运行点，当当前风速v₀改变为v₁，调节如下：

当v₁＞v₀则转速向增大的方向调节，当v₁＜v₀则转速向减小方向调节，风速变化量为Δv＝|v₁-v₀|，转速调节量的大小为Δω＝Δvλ_max/R，转第二步；当v₁＝v₀，直接转第三步，其中λ_max为最佳叶尖速比， ${\mathrm{\λ}}_{\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}R}{v},$ R为叶轮半径，ω_opt为对应于叶轮的上游风速v的最佳转速，下同；

第二步：采用第一步所述的转速调节量Δω得到转速指令ω_ref＝ω₀+Δω，输出功率指令 $P_{\mathrm{ref}}=P_m=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρ}{\mathrm{Sv}}^3=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρS}\·{\left(\frac{R{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ref}}}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\right)}^3,$ 采用输出功率指令P_ref和电网电压U得到输出电流指令 $I_{\mathrm{ref}}=P_{\mathrm{ref}}/\left(\sqrt{3}U\right),$ 将abc坐标下的输出电流指令I_ref进行坐标变换到同步旋转坐标dq坐标下的直轴电流给定值i_dref和交轴电流给定值i_qref，将直轴电流给定值i_dref和交轴电流给定值i_qref经过变频器调节风力发电机组使得风力发电机组的输出电流达到设定值，其中C_P为风能捕获系数，ρ为空气密度，S为风轮面积，P_m为机械功率；

第三步：当风力发电机运行于调节后的转速ω₁＝ω₀+Δω，采用机械功率 $P_m=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρ}{\mathrm{Sv}}^3=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρS}{\left(\frac{R{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\λ}}\right)}^3$ 检验转速增加和减少的方向的线程：当

趋于0，则保留转速变化方向，直致 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{{\mathrm{d\ω}}_1}=0$ 才停止，返回第一步；当在检验过程中风速已经变化到下一个新的值，则立即回到第一步。

本控制方法采取转速调节分步实现的策略，通过转速一次粗调节和多次细调节相结合的方法，提高了调节精度，实现了风能最大捕获运行点的精确跟踪。在转速一次粗调时，利用风速的相对变化信息，比较精确地确定转速调节目标量，采用调节机组输出功率的方法，改变风轮机及转子部件的瞬时段作用转矩，使其获得瞬时加减速转矩，而实现转速的快速调节。在转速多次细调节时，逐步缩小输出功率的变化步长，也就是逐步缩小转速的变化步长，确保最大功率点运行约束条件的实现，使得最大风能捕获运行点得以精确定位。

本发明控制方法的优点是：实施的步骤清晰，与机组其他功能的调节环节保持独立，与变频器调节环节的接口简单，在工程上易于实现，不影响机组其他功能调节的实现和运行。既可以与机组现有控制器并联切换运行，又可以植入现有控制器的相应环节，能实现永磁同步风力发电机组的最大风能捕获的快速精确的跟踪运行，显著提高机组的发电效益。

附图说明

图1为控制过程框图。

图2为控制算法实现的程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明直驱永磁同步风力发电机组最大风能捕获快速跟踪控制方法的具体调节步骤如下：

第一步：判断机组转速需要调节的增加或减少的方向和调节量的大小。设机组当前运行于风速v₀、输出功率P_e0、转速ω₀运行点，现风速改变，变为v₁，比较v₁、v₀的大小，如果v₁＞v₀则转速需要向增大的方向调节，如果v₁＜v₀，则转速需要向减小方向调节，计算Δv＝|v₁-v₀|，转速调节量的大小为Δω＝Δvλ_max/R，λ_max为最佳叶尖速比，对应于特定的风轮机组，λ_max为一确定的常数， ${\mathrm{\λ}}_{\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}R}{v},$ R为叶轮半径(m)，ω_opt为对应于风速v的最佳转速，转第二步。如果v₁＝v₀，直接转第三步。

第二步：取ω_ref＝ω₀+Δω，计算

式中C_P为风能捕获系数，ρ为空气密度(kg/m³)，S为风轮面积(m²)，v为叶轮的上游风速(m/s)，由P_ref和电网电压测量U，计算 $I_{\mathrm{ref}}=P_{\mathrm{ref}}/\left(\sqrt{3}U\right),$ 按照电压定向或电流(磁场)定向，进行abc坐标到同步旋转坐标dq0变换，获得变频器调节(转速调节)输入的直轴电流给定值i_dref、交轴电流给定值i_qref，据此对变频器(转速)实施调节，使机组的输出电流达到设定值，从而进行了转速的一步快速和比较精确的调节。

当风速突变时，为缩短转速一次调节的时间，根据转子运动方程 $J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e-D(\mathrm{\ω}-1),$ T_e＝P_e/ω，式中J为转子转动惯量，T_m为作用在转子上的机械转矩，T_e为作用在转子上的电磁转矩，D为转子所在的机械传动***的阻尼系数，工程上，由于机械环节的调节时间常数大，而电磁环节的调节时间常数小，可先快速(在0.02～0.04秒内)反向调节机组的输出功率，对机组转矩突加冲量，促使转速快速变化，如需要转速向增加方向调节时，先快速(在0.02～0.04秒内)减少机组发出的有功功率P_e为0.5P_e，使转速获得突然加速的冲量，一次调节后，机组再按发出的有功功率最大功率点对应点运行，反之，需要转速向减小方向调节时，先快速(在0.02～0.04秒内)增加机组发出的有功功率P_e为1.5P_e(不超过额定功率，超过时设为额定功率)，使转速获得突然减速的冲量，一次调节后，机组再按发出的有功功率最大功率点对应点运行。这样调节，可以大大缩短转速一次调节的时间，提高调节的快速性。

第三步：当转速运行于一次调节后的运行点ω₁＝ω₀+Δω，开始进行转速的细调节，为缩短调节时间，可以运用多线程分开运算的策略，如以四个线程运算为例：转速增加和减少的方向各两个线程，一个线程设定的转速变化步长略大，一个线程设定的转速变化步长略小，在这四个线程中由 $P_m=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρ}{\mathrm{Sv}}^3=\frac{1}{2}{C}_P\mathrm{\ρS}{\left(\frac{R{\mathrm{\ω}}_1}{\mathrm{\λ}}\right)}^3$ 分别检验那一个线程使风轮机吸收的机械功率P_m满足

趋于0的方向，保留该转速变化方向，重复设定四个线程，直致 $\frac{{\mathrm{dP}}_m}{\mathrm{d\ω}}=0$ 才停止，等待下一个测点风速变化，回到第一步。当然，如果在此运算过程中，风速已经变化到下一个新的值，则立即回到第二步，继续下面的快速跟踪。算法流程图如图2。

Claims (3)

1.一种直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：判断风力发电机组转速需要调节的增加或减少的方向和调节量的大小，所述风力发电机组当前运行于风速为v₀、输出功率为P_e0、转速为ω₀的运行点，当当前风速v₀改变为v₁，调节如下：

当v₁＞v₀则转速向增大的方向调节，当v₁＜v₀则转速向减小方向调节，风速变化量为Δv＝|v₁-v₀|，转速调节量的大小为Δω＝Δvλ_max/R，转第二步；当v₁＝v₀，直接转第三步，其中λ_max为最佳叶尖速比，

R为叶轮半径，ω_opt为对应于叶轮的上游风速v的最佳转速，下同；

第二步：采用第一步所述的转速调节量Δω得到转速指令ω_ref＝ω₀+Δω，输出功率指令采用输出功率指令P_ref和电网电压U得到输出电流指令

将abc坐标下的输出电流指令I_ref进行坐标变换到同步旋转坐标dq坐标下的直轴电流给定值i_dref和交轴电流给定值i_qref，将直轴电流给定值i_dref和交轴电流给定值i_qref经过变频器调节风力发电机组使得风力发电机组的输出电流达到设定值，其中C_P为风能捕获系数，ρ为空气密度，S为风轮面积，P_m为机械功率；

第三步：当风力发电机运行于调节后的转速ω₁＝ω₀+Δω，采用机械功率

检验转速增加和减少的方向的线程：当趋于0，则保留转速变化方向，直致 

才停止，返回第一步；当在检验过程中风速已经变化到下一个新的值，则立即回到第一步。

2.根据权利要求1所述的直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，其特征在于所述第二步还包括风速突变控制方法，当风速突变时，先快速即在0.02～0.04秒内反向调节机组的输出功率，对风力发电机组转矩突加冲量，具体步骤如下：

a)当转速向增加方向调节时，先在0.02～0.04秒内快速减少风力发电机组发出的有功功率为0.5P_e，一次调节后，风力发电机组再按发出的有功功率最大功率点对应点运行；

b)当转速向减小方向调节时，先在0.02～0.04秒内快速增加风力发电机组发出的有功功率为1.5P_e，一次调节后，风力发电机组再按发出的有功功率最大功率点对应点运行，其中增加后的风力发电机组发出的有功功率1.5P_e不超过额定功率，当增加后的风力发电机组发出的有功功率1.5P_e超过额定功率时设为额定功率。

3.根据权利要求1或2所述的直驱永磁同步风力发电机组风能捕获跟踪控制方法，其特征在于所述第三步检验为多线程检验，线程数为4n，其中n为自然数，转速增加和减少的方向各2n个线程。 

Images