CN103208953B - 永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法。本发明推导了永磁同步发电机在纯电阻负载的情况下电磁力矩与电机转速、负载阻值的非线性关系解析表达式，结合风力发电机组叶片空气动力学特性，推导出永磁同步风力发电机组采用电阻制动方式在不同工作点可以进行减速的充分必要条件，以及可以实现电阻制动的充分必要条件,并给出电阻制动控制在制动模式和转速控制模式下的控制***设计方法。本方法的提出为永磁同步风力发电机组基于电阻制动实现风机安全控制提供了相关设计参考依据。

Description

永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法。

背景技术

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家***能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而永磁同步风力发电机组是一种主流的风力发电机型。

永磁同步风力发电机组通过风轮吸收风能，利用主轴将吸收风能传递到发电机轴端，通过发电机将机械能转化为电能。

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而永磁同步风力发电机组是一种主流的风力发电机型。

对于永磁同步风力发电机组，其转子运动过程由风轮气动力矩和发电机电磁力矩两个环节决定。

永磁同步风力发电机组传动***输入环节中，发电机电磁力矩为可控环节，风轮气动力矩由于风的随机性和不确定性为不可控环节。

永磁同步发电机组电机电磁力矩特性决定，当采用纯电阻负载进行制动时，当发电机参数确定时，发电机电磁力矩可以表述为负载电阻和转子转速的非线性函数。

当永磁同步风力发电机组风轮气动参数确定时，气动转矩可以表述为风速、风轮转速、桨距角的函数；

永磁同步风力发电机组在遇到超过切出风速或者出现重大故障情况下，可以通过电阻制动方法实现转速控制或者进行安全刹车。如在低电压穿越的情况下，永磁同步风力发电机组可以通过本质为电阻制动的CROW-BAR装置实现风机的安全控制；小型风力发电机组在大风情况下通常采用电阻制动的方式实现安全刹车或进行安全转速控制。

发明内容

本发明提出一种永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法。

本发明的技术方案是永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法，该方法推导如下：

永磁同步风力发电机组气动力矩可以按照下式计算：

式中

表示空气密度；

表示风轮半径；

表示风轮转子转速；

表示叶尖速比；

表示风轮叶片桨距角；

表示风速

因此永磁同步风力发电机组气动力矩可以表述成：

永磁同步发电机接纯电阻负载时电磁力矩表述公式可以进行以下推导：

永磁同步发电机基本电磁关系有：

电压关系：

式中：

分别为定子d、q轴电压；

分别为定子d、q轴电流；

为定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；

为定子交轴磁链，只包括定子交轴电流产生的磁链；

为定子绕组相电阻

磁链关系：

式中

、分别为定子绕组d、q轴电感；

为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链

式中

为空载每相绕组反电动势的有效值（abc坐标系）。

永磁同步电机电磁转矩可以按照下式计算：

式中

为永磁电机极对数。

根据以上关系，当永磁同步电机负载接入纯电阻R时，电压关系变为：

磁链关系不变，代入解得

代入电磁转矩关系，可以求得：

则永磁同步发电机接纯电阻负载时电磁力矩可以表述为：

理想不考虑传动***阻尼情况下，永磁同步风力发电机组在工作点处可以进行减速的充分必要条件可以表述为：

其物理意义为风轮气动转矩小于通过调节负载电阻产生的最大电磁力矩。

理想不考虑传动***阻尼情况下，永磁同步风力发电机组在工作点处可以实现电阻制动的充分必要条件为：

式中

表示永磁同步风力发电机组转子等效转动惯量；

表示电磁制动的最终转速；

表示永磁同步风力发电机组允许的最高转速。

其物理意义为，在转速满足约束条件情况下，永磁同步风力发电机组可以实现电阻制动的充分必要条件为通过调节制动电阻产生的最大制动动量减去风机气动转矩产生的驱动动量等于风力发电机组转子从当前转速降低到制动最终转速的动量减少值。

因此永磁同步电机电阻制动***可以设计为如图1所示，通过在设计可调制动电阻与永磁同步电机功率输出端口直接连接，在正常工作时，制动回路断路，功率通过电力电子装置回路进行并网或存储；在制动操作动作时，将电力电子装置回路断路，电机输出功率通过电阻负载消耗，同时制动控制器根据反馈的发电机转速优化调节可调负载电阻阻值，使电磁力矩满足控制要求。

通常情况下，永磁同步电机电阻制动有两种运行模型：制动模式和转速控制模式，在这两种情况下制动控制器的控制率分别如下：

在制动模式时，控制目标要求风力发电机组转速尽快下降到安全转速以下或者停机，此时需要调节制动电阻阻值使制动力矩保持最大，此时制动控制器控制率可以表述为：

上式的物理意义是通过检测发电机转速求解在当前转速下产生最大制动力矩的制动电阻阻值，控制回路示意图如图2所示。

制动电阻阻值的具体求解方法可以通过求解下式最大值对应的电阻计算：

在转速控制模式下，控制目标要求发电机保持一定转速运行，此时需要调节制动电阻阻值使制动力与风轮气动力矩平衡，此时制动控制器控制率求解可以表述为：

由于外部风速的随机性和不确定性，此时制动控制器可以依据反馈的发电机转速实现控制，如图3所示。

永磁同步发电机电磁力矩特性如图4所示，当转速确定时，电磁力矩与负载电阻呈现非线性变化关系，电磁力矩在负载电阻较小时随着负载电阻阻值增大而增大，当负载电阻较大时电磁力矩随着负载电阻阻值增大而减小。因此，转速确定时，当负载电阻时，控制器为反作用，即控制器随着的增大减小负载电阻，从而减小制动力矩；随着的减小增大负载电阻，从而增大制动力矩；当负载电阻时，控制器为正作用，即随着的增大增大负载电阻，从而减小制动力矩；随着的减小减小负载电阻，从而增大制动力矩。

附图说明

图1永磁同步风力发电机电阻制动示意图

图2制动模式控制回路示意图

图3转速控制模型控制回路示意图

图4永磁同步电机纯电阻负载时电磁力矩变化特性示意图

具体实施方式

电阻调节装置可以通过两种方式实现：

方式一：通过开关调节并联功率电阻数量，从而实现并联电阻负载调节，该方法的优点是调节简单，可靠性高；缺点是调节精度不高，同时当负载调节波动过大时可能引起***振荡。

方式二：通过变流器调节通过功率电阻的电流，使***等效于不同阻值的功率电阻，该方法的优点是可以实现无级连续调节，调节精度高，缺点是该方法控制相对复杂，同时可靠性相对较低。

根据永磁同步电机纯电阻负载情况下电磁力矩特性可知，在电机转速确定时，电磁力矩随着纯电阻负载阻值增大呈现单极值变化过程，因此求解下式最大值对应的电阻计算可以通过爬山法实现。

对于表面式永磁同步电机（隐极机）有，若忽略定子电阻，电磁转矩可简化为：

由于永磁同步发电机电磁力矩存在最大值，因此在不改变桨距角度的情况下可能出现永磁同步风力发电机组不能满足电阻制动的充分必要条件的极端情况。在这种情况下为了实现机组安全控制，必须要采用变桨控制确保机组运行安全。

本发明推导了永磁同步发电机在纯电阻负载的情况下电磁力矩与电机转速、负载阻值的非线性关系解析表达式，结合风力发电机组叶片空气动力学特性，推导出永磁同步风力发电机组采用电阻制动方式在工作点可以进行减速的充分必要条件，以及可以实现电阻制动的充分必要条件,并给出电阻制动控制在制动模式和转速控制模式下的控制***设计方法。本方法的提出为永磁同步风力发电机组基于电阻制动实现风机安全控制提供了相关设计参考依据。

Claims (2)

1.永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法，其特征是通常情况下，永磁同步电机电阻制动有两种运行模型：制动模式和转速控制模式，在这两种情况下制动控制器的控制率分别如下：

在制动模式时，控制目标要求风力发电机组转速尽快下降到安全转速以下或者停机，此时需要调节制动电阻阻值使制动力矩保持最大，此时制动控制器控制率R_d可以表述为：

R_d＝(R|max(f_e(ω_,R)))

式中

R_d表示制动控制器控制率；

R表示负载电阻；

ω表示转子转速；

f_e(ω,R)表示发电机电磁转矩；

上式的物理意义是通过检测发电机转速求解在当前转速下产生最大制动力矩的制动电阻阻值，制动电阻阻值的具体求解方法可以通过求解下式最大值对应的电阻计算：

$f_e(\mathrm{\ω},R)=p\{\frac{(R-r){{\mathrm{\ω\ψ}}_f}^2}{{(R-r)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_d{L}_q}-\frac{(L_d-L_q)L_q(R-r){\mathrm{\ω}}^3{{\mathrm{\ψ}}_f}^2}{{\[{(R-r)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_d{L}_q\]}^2}\}$

式中

ω表示转子转速；

R表示负载电阻；

r为定子绕组相电阻；

p为永磁电机极对数；

u_d、u_q分别表示定子d、q轴电压；

i_d、i_q分别表示定子d、q轴电流；

ψ_d为定子直轴磁链，包括定子直轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链；

ψ_q为定子交轴磁链，只包括定子交轴电流产生的磁链；

L_d、L_q分别为定子绕组d、q轴电感；

ψ_f为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链；

${\mathrm{\ψ}}_f=\frac{\sqrt{3}{E}_0}{\mathrm{\ω}}$

E₀为空载每相绕组反电动势的有效值(abc坐标系)；

在转速控制模式下，控制目标要求发电机保持一定转速运行，此时需要调节制动电阻阻值使制动力与风轮气动力矩平衡，此时制动控制器控制率R_d求解可以表述为：

R_d＝(R|f_b(v,ω,β)＝f_e(ω,R))

式中f_b(v,ω,β)为风轮气动转矩，具体表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_b(v,\mathrm{\ω},\mathrm{\β})=\frac{1}{2}{{\mathrm{\ρ\πR}}_W}^5{\mathrm{\ω}}^2\frac{C_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})}{{\mathrm{\λ}}^3}\\ \mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ωR}}_W}{v}\end{array}\right.$

ρ表示空气密度；

R_W表示风轮半径；

ω表示风轮转子转速；

λ表示叶尖速比；

β表示风轮叶片桨距角；

v表示风速；

由于外部风速的随机性和不确定性，此时制动控制器可以依据反馈的发电机转速实现控制。

2.根据权利要求1所述永磁同步风力发电机组电阻制动设计方法，在转速控制模式下，其特征是，当负载电阻R＜(R|max(f_e(ω,R)))时，控制器为反作用，即控制器随着转速变化的增大而减小负载电阻，从而减小制动力矩；随着转速变化的减小而增大负载电阻，从而增大制动力矩；当负载电阻R≥(R|max(f_e(ω_,R)))时，控制器为正作用，即随着转速变化的增大而增大负载电阻，从而减小制动力矩；随着转速变化的减小而减小负载电阻，从而增大制动力矩。