CN103277252B

CN103277252B - 一种并网型风力机控制方法

Info

Publication number: CN103277252B
Application number: CN201310123785.7A
Authority: CN
Inventors: 林勇刚; 涂乐; 李伟; 刘宏伟; 石茂顺; 丁金钟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103277252A

Abstract

本发明涉及一种并网型风力机控制方法，该并网型风力机的叶轮捕获风能并将其转化为机械能，传递给发电机，发电机输出电能给电网。发电机并网前，控制器将变量液压泵的排量调节为最大值a，并调节变量液压马达的排量控制发电机转速达到并网转速。发电机并网后，当控制器检测到风速上升时，控制器将变量液压泵排量调节为零，并调节变量液压马达排量使叶轮转速达到最佳转速，实现最大功率跟踪控制；当控制器检测到风速下降时，控制器将变量液压马达排量调节为零，并调节变量液压泵排量使叶轮的转速达到最佳转速，实现最大功率跟踪控制。该方法既可高效传递能量，又可减轻传动***转矩波动，在提高能量利用率的同时，降低传动***故障率。

Description

一种并网型风力机控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种并网型风力机控制方法。

背景技术

随着风电机组大型化和海上风电的推广，风力机运行环境和工况的改变使得齿轮箱、主轴等传动部件承受的转速、转矩波动更为剧烈，故障维修成本显著增加。统计数据表明，风力机齿轮箱传动故障成本占机组维修成本的60%以上，齿轮箱故障的高发期出现在风力机投入运行后的5-8年间，这与风力机的设计寿命15-20年存在明显差距。在目前设计制造水平条件下，风力机齿轮箱的运行可靠性已经成为影响整机寿命周期和风电行业持续发展的瓶颈问题之一。

在风力发电技术中，变速恒频技术可以使叶轮变速运行，在很宽的风速范围内保持近乎恒定的最佳叶尖速比，从而提高风力机的运行效率，变速风力机从风中捕获的能量可以比恒速风力机高得多。但是，对于采用齿轮箱传动的风力机，并网型风力机的变速恒频运行是依靠电力电子设备控制的，电力电子设备的采用，增加了设备成本；而且，在风速改变时，由于叶轮及机械传动***的惯性，采用变速恒频技术调节叶轮转速在时间上会有滞后，延长了叶轮变速过程的时间，不利于提高能量利用率。另外，由于风速的不稳定性，机械传动会产生较大的冲击载荷及振动，对发电机及电网会产生较大冲击。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种并网型风力机控制方法，该方法利用机械液压混合传动装置控制风力机变速恒频运行，减轻机械结构所受到的转矩波动，并缩短叶轮变速时间，提高能量利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种并网型风力机控制方法，该并网型风力机的叶轮捕获风能并将其转化为机械能，叶轮在风的作用下旋转并带动增速行星齿轮转动，所述增速行星齿轮通过机械液压混合传动装置将能量传递给发电机，发电机输出电能给电网。所述机械液压混合传动装置包括第一齿轮、第一齿轮副、第二齿轮副、调速行星齿轮和调速液压***，所述第一齿轮与所述增速行星齿轮的输出轴相联接。所述第二齿轮副包括相啮合的第五齿轮和第六齿轮，所述第五齿轮的一端与所述发电机相联接。所述调速液压***包括变量液压泵、变量液压马达、蓄能器和油箱。

所述发电机并网前，控制器输出变量液压泵排量控制信号给所述变量液压泵的排量执行机构，将所述变量液压泵的排量调节为最大值a。所述控制器采集安装在发电机输入轴处的第一转速传感器传递来的发电机转速信号。所述控制器根据发电机转速ω_e的大小，计算并输出变量液压马达排量控制信号给所述变量液压马达的排量执行机构，来调节所述变量液压马达的排量，控制所述发电机的转速ω_e达到并网转速。此时，将所述发电机并入电网。

所述发电机并网后，所述控制器采集安装在所述叶轮处的风速传感器传递来的风速信号，并采集安装在所述叶轮输出轴处的第二转速传感器传递来的叶轮转速信号。每个风速v都对应一个最佳叶轮转速ω_opt，使所述叶轮捕获到最大功率。在不同风速特性下，所述控制器将执行下述控制过程：

1）当所述控制器检测到风速上升时，控制器输出变量液压泵排量控制信号给所述变量液压泵的排量执行机构，将所述变量液压泵的排量调节为零。

所述控制器根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压马达的理论排量D_m，并将此理论排量D_m信号传递给变量液压马达的排量执行机构，调节变量液压马达的排量，使叶轮的转速达到最佳叶轮转速ω_opt。从而通过调节变量液压马达的排量使叶轮运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制。

2）当所述控制器检测到风速下降时，控制器输出变量液压马达排量控制信号给所述变量液压马达的排量执行机构，将所述变量液压马达的排量调节为零。

所述控制器根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压泵的理论排量D_p，并将此理论排量D_p信号传递给变量液压泵的排量执行机构，调节变量液压泵的排量，使叶轮的转速达到最佳叶轮转速ω_opt。从而通过调节变量液压泵的排量使叶轮运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制。

进一步的，所述调速行星齿轮包括齿圈、行星轮、太阳轮、行星架和第二齿轮，所述第二齿轮与所述第一齿轮相啮合，所述齿圈的输出轴与所述第五齿轮的另一端相联接。所述第一齿轮副包括相啮合的第三齿轮和第四齿轮，所述第三齿轮与所述太阳轮相联接，所述第四齿轮与所述变量液压泵的输入轴相联接，所述变量液压马达的输出轴与第六齿轮相连接。

进一步的，所述行星轮分别与齿圈和太阳轮相啮合，所述行星轮安装在行星架上并可绕其转动。所述行星架与所述第二齿轮固定联接，所述行星架与所述第二齿轮可以绕所述太阳轮和所述第三齿轮的联接轴旋转。

进一步的，所述蓄能器连接在所述变量液压泵的输出口与所述变量液压马达的输入口相连接的管路上，所述变量液压泵的输入口与所述变量液压马达的输出口均与所述油箱相连接。

进一步的，所述调速液压***还包括单向阀、截止阀、溢流阀和滤油器。所述单向阀安装在变量液压泵和变量液压马达之间，所述截止阀安装在蓄能器的出口处，所述溢流阀与所述变量液压马达的入口相连接，所述滤油器安装在油箱的出、入口处。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、可以控制风力机运行在变速恒频工作模式，提高能量利用率，便于并网运行。

2、调速液压***的柔性特性，可以减轻传动***的转矩波动；同时，在不同风况下（风速上升/下降），采用变量液压泵和变量液压马达变排量的方法控制风力机更加快速地进入变速恒频工作模式。

3、依旧拥有机械传动的高传动效率的特性，使得整体机械-液压混合传动效率维持在较高的水平。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为采用本发明一种并网型风力机控制方法的风力机工作原理示意图；

图2为不同风速下叶轮捕获功率-转速关系曲线。

具体实施方式

图1所示为采用本发明一种并网型风力机控制方法的并网型风力机工作原理示意图，该并网型风力机包括叶轮1、增速行星齿轮2、发电机3、机械液压混合传动装置4和控制器6。所述叶轮1捕获风能并将其转化为机械能，叶轮1在风的作用下旋转并带动增速行星齿轮2转动，所述增速行星齿轮2通过机械液压混合传动装置4将能量传递给发电机3，发电机3输出电能给电网。

所述机械液压混合传动装置4包括第一齿轮41、第一齿轮副42、第二齿轮副43、调速行星齿轮和调速液压***5。所述第一齿轮41与所述增速行星齿轮2的输出轴相联接。所述第一齿轮副42包括相啮合的第三齿轮421和第四齿轮422，所述第二齿轮副43包括相啮合的第五齿轮431和第六齿轮432，所述调速行星齿轮包括齿圈71、行星轮72、太阳轮73、行星架74和第二齿轮75。

所述行星轮72分别与齿圈71和太阳轮73相啮合，所述行星轮72安装在行星架74上并可绕其转动。所述行星架74与所述第二齿轮75固定联接，所述行星架74与所述第二齿轮75可以绕所述太阳轮73和所述第三齿轮421的联接轴旋转。所述第一齿轮41与所述第二齿轮75相啮合，所述第五齿轮431的一端与所述发电机3相联接，所述第五齿轮431的另一端与所述齿圈71的输出轴相联接。

所述调速液压***5包括变量液压泵51、变量液压马达52、单向阀53、蓄能器54、截止阀55、溢流阀56油箱57和滤油器58。所述变量液压泵51的输出口与所述单向阀53的输入口相连接，所述单向阀53的输出口与所述变量液压马达52的输入口相连接。所述截止阀55的一端与蓄能器54相连接，所述截止阀55的另一端连接在所述单向阀53与所述变量液压马达52相连接的管路上。所述变量液压泵51的输入口与所述变量液压马达52的输出口均与所述油箱57相连接，所述滤油器58安装在油箱57的出、入口处。所述溢流阀56与所述变量液压马达52的入口相连接。

所述第三齿轮421与所述太阳轮73相联接，所述第四齿轮422与所述变量液压泵51的输入轴相联接，所述变量液压马达52的输出轴与第六齿轮432相连接。

在叶轮处安装有风速传感器82，用于检测风速。在叶轮的输出轴处安装有第二转速传感器83，用于检测叶轮转速。发电机的输入轴处安装有第一转速传感器81，用于检测发电机转速。第一转速传感器81、风速传感器82、第二转速传感器83、变量液压泵51的排量执行机构和变量液压马达52的排量执行机构分别与控制器6进行电气连接。

下面，结合图2，阐述风力机的变速恒频控制理论，即叶轮1的最大功率跟踪控制。

根据Betz理论，风力机的叶轮从风中捕获的功率为：

式中，P为叶轮捕获功率，ρ为空气密度，S为叶轮扫截面积，v为风速，C_p为能量捕获系数。

如图2所示，不同风速（如V₁-V₄）下的叶轮1捕获功率P与叶轮转速ω的关系曲线，对应每个风速都有一个最大功率点（点A、B、C、D），连接这些曲线的最大功率点即可得到叶轮1的最大功率曲线。

在最大功率曲线的每个点上，叶轮1捕获功率的变化相对于叶轮转速ω的变化为零，此时，叶轮捕获最大功率，即：

由上式可知，通过调节叶轮转速ω，可以使得叶轮1捕获最大功率。

结合图2及风力机的变速恒频控制理论阐述本发明所述的一种并网型风力机控制方法如下：

所述发电机3并网前，控制器6输出变量液压泵51排量控制信号给所述变量液压泵51的排量执行机构，将所述变量液压泵51的排量调节为最大值a。所述控制器6采集安装在发电机3输入轴处的第一转速传感器81传递来的发电机3转速信号。所述控制器6根据发电机3转速ω_e的大小，计算并输出变量液压马达52排量控制信号给所述变量液压马达52的排量执行机构，来调节所述变量液压马达52的排量，控制所述发电机3的转速ω_e达到并网转速。此时，将所述发电机3并入电网。该过程为风力机恒频控制过程。

所述发电机3并网后，所述控制器6采集安装在所述叶轮1处的风速传感器82传递来的风速信号，并采集安装在所述叶轮1输出轴处的第二转速传感器83传递来的叶轮转速信号。每个风速v都对应一个最佳叶轮转速ω_opt，使所述叶轮1捕获到最大功率。在不同风速特性下，所述控制器6将执行下述控制过程：

1）当检测到风速上升时，控制器6输出变量液压泵51排量控制信号给所述变量液压泵51的排量执行机构，将所述变量液压泵51的排量调节为零。

所述控制器6根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器83采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压马达52的理论排量D_m，并将此理论排量D_m信号传递给变量液压马达52的排量执行机构，调节变量液压马达52的排量，使叶轮1的转速达到最佳叶轮转速ω_opt。从而通过调节变量液压马达52的排量使叶轮1运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制。

上述控制过程1）在图2中的描述如下：假设风力机运行在B点，叶轮在风速V₂下捕获最大功率。如果风速从V₂突然上升到V₁，此时风力机将运行在F点，但是由于叶轮与传动***的惯性，叶轮转速由F点上升到A点需要一段时间。为了缩短叶轮转速从F点上升到A点的时间，将变量液压泵51的排量调节为零，并通过调节变量液压马达52的排量，蓄能器54中储存的能量通过变量液压马达52释放掉，使变量液压马达52对发电机3做功，以此来减轻叶轮负载，使叶轮转速快速地上升到A点工作状态。从而缩短了在风速上升时叶轮1的变速时间，尽可能快地达到最大功率捕获状态。

2）当检测到风速下降时，控制器6输出变量液压马达52排量控制信号给所述变量液压马达52的排量执行机构，将所述变量液压马达52的排量调节为零。

所述控制器6根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器83采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压泵51的理论排量D_p，并将此理论排量D_p信号传递给变量液压泵51的排量执行机构，调节变量液压泵51的排量，使叶轮1的转速达到最佳叶轮转速ω_opt。从而通过调节变量液压泵51的排量使叶轮1运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制。

上述控制过程2）在图2中的描述如下：假设风力机运行在C点，叶轮在风速V₃下捕获最大功率。如果风速从V₃突然下降到V₄，此时风力机将运行在E点，但是由于叶轮与传动***的惯性，叶轮转速由E点下降到D点需要一段时间。为了缩短叶轮转速从E点下降到D点的时间，将变量液压马达52的排量调节为零，并通过调节变量液压泵51的排量，使叶轮对变量液压泵51做功，变量液压泵51输出能量暂时地储存在蓄能器54中，以此来增加叶轮负载，使叶轮转速快速地下降到D点工作状态。从而缩短了在风速下降时叶轮1的变速时间，尽可能快地达到最大功率捕获状态。

3）当风速不变时，控制器6输出排量控制信号给所述变量液压泵51的排量执行机构和变量液压马达52的排量执行机构，将所述变量液压泵51的排量和变量液压马达52的排量均调节为零。此时，叶轮将持续地捕获最大功率。

本发明所述的一种并网型风力机控制方法主要是通过控制机械液压混合传动装置4来实现的。机械液压混合传动装置4是机械传动装置和液压传动装置组合而成，机械液压混合传动装置4集成了机械传动装置的高效率和液压传动装置的柔性等特点，采用该机械液压混合传动装置4的并网型风力机捕获的风能中，大部分能量是通过机械传动部分传递给发电机，小部分能量是通过液压传动部分传递给发电机。在通过控制机械液压混合传动装置4实现并网型风力机变速恒频运行时，调速液压***5中的蓄能器54能够部分吸收由于风速波动引起的转矩突变，避免对机械传动部分造成较大的冲击，降低机械传动部分故障率。

Claims

1.一种并网型风力机控制方法，该并网型风力机的叶轮（1）捕获风能并将其转化为机械能，叶轮（1）在风的作用下旋转并带动增速行星齿轮（2）转动，所述增速行星齿轮（2）通过机械液压混合传动装置（4）将能量传递给发电机（3），发电机（3）输出电能给电网；所述机械液压混合传动装置（4）包括第一齿轮（41）、第一齿轮副（42）、第二齿轮副（43）、调速行星齿轮和调速液压***（5），所述第一齿轮（41）与所述增速行星齿轮（2）的输出轴相联接；所述第二齿轮副（43）包括相啮合的第五齿轮（431）和第六齿轮（432），所述第五齿轮（431）的一端与所述发电机（3）相联接；所述调速液压***（5）包括变量液压泵（51）、变量液压马达（52）、蓄能器（54）和油箱（57）；其特征在于：

所述发电机（3）并网前，控制器（6）输出变量液压泵（51）排量控制信号给所述变量液压泵（51）的排量执行机构，将所述变量液压泵（51）的排量调节为最大值a；所述控制器（6）采集安装在发电机（3）输入轴处的第一转速传感器（81）传递来的发电机（3）转速信号；所述控制器（6）根据发电机（3）转速ω_e的大小，计算并输出变量液压马达（52）排量控制信号给所述变量液压马达（52）的排量执行机构，来调节所述变量液压马达（52）的排量，控制所述发电机（3）的转速ω_e达到并网转速；此时，将所述发电机（3）并入电网；

所述发电机（3）并网后，所述控制器（6）采集安装在所述叶轮（1）处的风速传感器（82）传递来的风速信号，并采集安装在所述叶轮（1）输出轴处的第二转速传感器（83）传递来的叶轮转速信号；每个风速v都对应一个最佳叶轮转速ω_opt，使所述叶轮（1）捕获到最大功率；在不同风速特性下，所述控制器（6）将执行下述控制过程：

1）当所述控制器（6）检测到风速上升时，控制器（6）输出变量液压泵（51）排量控制信号给所述变量液压泵（51）的排量执行机构，将所述变量液压泵（51）的排量调节为零；

所述控制器（6）根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器（83）采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压马达（52）的理论排量D_m，并将此理论排量D_m信号传递给变量液压马达（52）的排量执行机构，调节变量液压马达（52）的排量，使叶轮（1）的转速达到最佳叶轮转速ω_opt；从而通过调节变量液压马达（52）的排量使叶轮（1）运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制；

2）当所述控制器（6）检测到风速下降时，控制器（6）输出变量液压马达（52）排量控制信号给所述变量液压马达（52）的排量执行机构，将所述变量液压马达（52）的排量调节为零；

所述控制器（6）根据最优尖速比λ_opt计算得到当前风速v下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第二转速传感器（83）采集到的叶轮转速ω对比，计算得到所述变量液压泵（51）的理论排量D_p，并将此理论排量D_p信号传递给变量液压泵（51）的排量执行机构，调节变量液压泵（51）的排量，使叶轮（1）的转速达到最佳叶轮转速ω_opt；从而通过调节变量液压泵（51）的排量使叶轮（1）运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制。

2.按照权利要求1所述的一种并网型风力机控制方法，其特征在于：所述调速行星齿轮包括齿圈（71）、行星轮（72）、太阳轮（73）、行星架（74）和第二齿轮（75），所述第二齿轮（75）与所述第一齿轮（41）相啮合，所述齿圈（71）的输出轴与所述第五齿轮（431）的另一端相联接；所述第一齿轮副（42）包括相啮合的第三齿轮（421）和第四齿轮（422），所述第三齿轮（421）与所述太阳轮（73）相联接，所述第四齿轮（422）与所述变量液压泵（51）的输入轴相联接，所述变量液压马达（52）的输出轴与第六齿轮（432）相连接。

3.按照权利要求2所述的一种并网型风力机控制方法，其特征在于：所述行星轮（72）分别与齿圈（71）和太阳轮（73）相啮合，所述行星轮（72）安装在行星架（74）上并可绕其转动；所述行星架（74）与所述第二齿轮（75）固定联接，所述行星架（74）与所述第二齿轮（75）可以绕所述太阳轮（73）和所述第三齿轮（421）的联接轴旋转。

4.按照权利要求2或3所述的一种并网型风力机控制方法，其特征在于：所述蓄能器（54）连接在所述变量液压泵（51）的输出口与所述变量液压马达（52）的输入口相连接的管路上，所述变量液压泵（51）的输入口与所述变量液压马达（52）的输出口均与所述油箱（57）相连接。

5.按照权利要求4所述的一种并网型风力机控制方法，其特征在于：所述调速液压***（5）还包括单向阀（53）、截止阀（55）、溢流阀（56）和滤油器（58）；所述单向阀（53）安装在变量液压泵（51）和变量液压马达（52）之间，所述截止阀（55）安装在蓄能器（54）的出口处，所述溢流阀（56）与所述变量液压马达（52）的入口相连接，所述滤油器（58）安装在油箱（57）的出、入口处。