CN103701378B - 一种风力发电机输出功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机输出功率控制技术领域，公开了一种风力发电机输出功率控制方法。该风力发电机输出功率控制方法，包括：对风力发电机的转速进行周期性地采样，在每个转速采样周期中，根据采样获得的转速值，通过风力发电机的转速—转矩曲线获取对应的转矩值，并得出风力发电机在对应转速采样周期内的输出功率；在对风力发电机的转速进行周期性地采样的过程中，在初始阶段过后的每个转速采样周期中，得出风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值，然后根据风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值、以及风力发电机的额定功率对风力发电机的输出转矩进行控制。

Description

一种风力发电机输出功率控制方法

技术领域

本发明属于风力发电机输出功率控制技术领域，特别涉及一种风力发电机输出功率控制方法。

背景技术

对于风力发电机来说，当风速快速上升至高于额定风速时，此时转速会快速升高，常规的输出功率控制方案是：风力发电机的转矩基本维持在额定转矩；变桨***快速响应以控制转速在额定转速附近，但受到变桨速率和变桨延时的制约，实际中一般风机叶片的桨距角变化速率限制在4-6°/s，若风速变化较快，桨距角变化速率有可能出现因为受限而跟踪缓慢，转速控制会出现较大波动，甚至出现超速停机。另外变桨***的频繁动作，在叶片根部产生很大的疲劳载荷，进而影响到叶片的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提出一种风力发电机输出功率控制方法。本发明能以较快的速度使风力发电机的转速回归到风力发电机的额定转速。在保证机组不长时间运行在过载状态的同时，可以减小变桨***的动作次数，进而降低叶片根部的疲劳载荷，增加叶片和变桨轴承的使用寿命。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种风力发电机输出功率控制方法，包括：对风力发电机的转速进行周期性地采样，在每个转速采样周期中，根据转速采样值，通过风力发电机的转速—转矩曲线获取对应的转矩值，将转速采样值与获取的转矩值相乘，得出风力发电机在对应转速采样周期内的输出功率；

在对风力发电机的转速进行周期性地采样的过程中，第1转速采样周期至第n转速采样周期为初始阶段，n为大于1的自然数；在初始阶段过后的每个转速采样周期中，得出风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值，然后根据风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值、以及风力发电机的额定功率对风力发电机的输出转矩进行控制。

本发明的特点和进一步改进在于：

所述风力发电机的额定功率为P_额定，在第1转速采样周期中，将风力发电机在第1转速采样周期的输出功率P₁除以n，得到风力发电机在第1转速采样周期内的输出功率的设计平均值然后根据P₁与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁；根据第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T₁与第1转速采样周期测得的转速值ω₁相乘，得到第2转速采样周期的风力发电机的参考功率P₂'；

在第i转速采样周期中，将风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率求和，i取2至n，所述设定的i个转速采样周期指第1转速采样周期至第i转速采样周期；将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率的设计平均值然后根据P_i'与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i；根据第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T_i与第i转速采样周期测得的转速值ω_i相乘，得到第i+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_i+1'；

在第j转速采样周期中，将风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率求和，j取大于n的自然数，所述设定的n个转速采样周期指第j-n+1转速采样周期至第j转速采样周期；将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值然后根据P_j'与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j；根据第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T_j与第j转速采样周期测得的转速值ω_j相乘，得到第j+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_j+1'。

在第1转速采样周期中，在得到风力发电机在第1转速采样周期内的输出功率的设计平均值之后，按照以下公式确定第1转矩修正系数dT₁：

dT₁=dT₁'×k₁

dT₁'取1，当时，k₁=1；当且P₁>P_额定时，k₁∈[0.995,1）；当且P₁=P_额定时，k₁∈(1,1.005]；当且P₁>P_额定时，k₁∈(1,1.005]；当或P₁<P_额定时，k₁∈(1,1.005]；

在确定第1转矩修正系数dT₁之后，确定第2转矩修正系数中间值dT₂'和第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁，dT₂'=dT₁，T₁=dT₁×T_e，T_e=1.05T_额定，T_额定为风力发电机的额定转矩；然后确定第2转速采样周期的风力发电机的参考功率P₂'，P₂'=T₁×ω₁；

在第i转速采样周期中，在得到风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率的设计平均值之后，按照以下公式确定第i转矩修正系数dT_i：

dT_i=dT_i'×k_i

当时，k_i=1；当且P_i'>P_额定时，k_i∈[0.995,1）；当且P_i'=P_额定时，k_i∈(1,1.005]；当且P_i'>P_额定时，k_i∈(1,1.005]；当或P_i'<P_额定时，k_i∈(1,1.005]；

在确定第i转矩修正系数dT_i之后，确定第i+1转矩修正系数中间值dT_i+1'和第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i，dT_i+1'=dT_i，T_i=dT_i×T_e；然后确定第i+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_i+1'，P_i+1'=T_i×ω_i；

在第j转速采样周期中，在得到风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值之后，按照以下公式确定第j转矩修正系数dT_j：

dT_j=dT_j'×k_j

当时，k_j=1；当且P_j'>P_额定时，k_j∈[0.995,1）；当且P_j'=P_额定时，k_j∈(1,1.005]；当且P_j'>P_额定时，k_j∈(1,1.005]；当或P_j'<P_额定时，k_j∈(1,1.005]；

在确定第j转矩修正系数dT_j之后，确定第j+1转矩修正系数中间值dT_j+1'和第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j，dT_j+1'=dT_j，T_j=dT_j×T_e；然后确定第j+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_j+1'，P_j+1'=T_j×ω_j。

在初始阶段过后的每个转速采样周期中，将转速采样值与风力发电机的额定转速作差运算，得到转速差值；以所述转速差值为依据，对风力发电机的叶片的桨距角进行PID控制；然后根据PID控制的结果，并利用变桨***对风力发电机的叶片的桨距角进行控制。

所述根据风力发电机的转矩给定值对风力发电机的转矩进行控制包括以下步骤：根据风力发电机的转矩给定值，采用直接转矩控制方法对风力发电机的输出转矩进行控制。

本发明的有益效果为：本发明可以对风力发电机的转矩给定值进行有效的限制，又能以较快的速度使风力发电机的转速回归到风力发电机的额定转速。在保证机组不长时间运行在过载状态的同时，可以减小变桨***的动作次数，进而降低叶片根部的疲劳载荷，增加叶片和变桨轴承的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的一种风力发电机输出功率控制方法的闭环控制回路示意图；

图2为本发明的风力发电机在初始阶段过后的转矩给定值的获取过程示意图；

图3为湍流风的转速时间曲线示意图；

图4为风力发电机输出功率曲线在两种控制方法下的对比示意图；

图5为风力发电机转速曲线在两种控制方法下的对比示意图；

图6为风力发电机输出转矩曲线在两种控制方法下的对比示意图；

图7为风轮叶片桨距角曲线在两种控制方法下的对比示意图；

图8为风轮叶片桨距角曲线在两种控制方法下的局部对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的一种风力发电机输出功率控制方法的闭环控制回路示意图。该风力发电机输出功率控制方法包括风力发电机转矩控制方法和风轮叶片桨距角的控制方法。其中，风力发电机转矩控制方法包括对风力发电机的转速进行周期性地采样。本发明实施例中，风力发电机的转速采样周期为0.02s。以采样得到的转速为依据，本发明的风力发电机转矩控制方法可以作出快速响应。

在每个采样周期中，根据转速采样值，并通过风力发电机的转速—转矩曲线获取对应的转矩值，风力发电机的转速—转矩曲线是已知量，通常由风力发电机的生产商提供。然后将转速采样值与获取的转矩值相乘，就可以计算出风力发电机在对应转速采样周期（即本转速采样周期）内的输出功率。例如，在某一个转速采样周期，转速采样值为a；在风力发电机的转速—转矩曲线中，与a对应的转矩值为b，则风力发电机在本转速采样周期的输出功率为a*b。

风力发电机的额定功率为P_额定（由风力发电机的生产商提供），当风力发电机启动后，在第1转速采样周期中，按照上述过程计算出风力发电机在第1转速采样周期的输出功率P₁，然后计算风力发电机在第1转速采样周期内的输出功率的设计平均值

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_1=\frac{P_1}{n}$

其中，n为大于1的自然数，例如，n取3至7。然后根据以下公式得出第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁：

T₁=dT₁×T_e

dT₁=dT₁'×k₁

T_e=1.05T_额定

dT₁'为第1转矩修正系数中间值，dT₁'取1，T_额定为风力发电机的额定转矩（通常由风力发电机的生产商提供）。当时，k₁=1；当且P₁>P_额定时，k₁=0.999；当且P₁=P_额定时，k₁=1.005；当且P₁>P_额定时，k₁=1.005；当或P₁<P_额定时，k₁=1.005。

然后，根据第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁对风力发电机的输出转矩进行控制（例如采用直接转矩控制方法）。

在确定第1转矩修正系数dT₁之后，按照以下公式计算第2转矩修正系数中间值dT₂'：

dT₂'=dT₁

计算第2转速采样周期的风力发电机的参考功率P₂'：

P₂'=T₁×ω₁。

ω₁为第1转速采样周期测得的转速。

在第i转速采样周期中，将风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率求和，i取2至n，上述设定的i个转速采样周期指第1转速采样周期至第i转速采样周期。将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率的设计平均值也就是说，可以通过下面的计算公式获得：

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_k}{n}$

P_k为风力发电机在第k转速采样周期的输出功率。然后，计算第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i：

T_i=dT_i×T_e

dT_i=dT_i'×k_i

T_e=1.05T_额定

dT_i'为第i转矩修正系数中间值，当时，k_i=1；当且P_i'>P_额定时，k_i=0.999；当且P_i'=P_额定时，k_i=1.005；当且P_i'>P_额定时，k_i=1.005；当或P_i'<P_额定时，k_i=1.005。

此时，根据第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i对风力发电机的输出转矩进行控制（例如采用直接转矩控制方法）。

在确定第i转矩修正系数dT_i之后，按照以下公式计算第i+1转矩修正系数中间值dT_i+1'：

dT_i+1'=dT_i

然后计算第i+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_i+1'：

P_i+1'=T_i×ω_i。

ω_i为第i转速采样周期测得的转速。

下面对第i转速采样周期中风力发电机的输出转矩的控制方法进行举例说明：

当n=5且i=2时，在第2转速采样周期中，风力发电机在设定的2个转速采样周期内的输出功率的设计平均值为：

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_2=\frac{\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_k}{5}$

此时，dT₂'和P₂'为已知量，按照上述计算方法，第2转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₂就可以计算出来。此时，也可以计算出第3转矩修正系数中间值dT₃'以及第3转速采样周期的风力发电机的参考功率P₃'。

当n=5且i=5时，在第5转速采样周期中，风力发电机在设定的5个转速采样周期内的输出功率的设计平均值为：

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_5=\frac{\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_k}{5}$

此时，dT₅'和P₅'为已知量，按照上述计算方法，第5转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₅就可以计算出来。此时，也可以计算出第6转矩修正系数中间值dT₆'以及第6转速采样周期的风力发电机的参考功率P₆'。

第1转速采样周期至第n转速采样周期为初始阶段。参照图2，为本发明的风力发电机在初始阶段过后的转矩给定值的获取过程示意图。在初始阶段过后，在第j转速采样周期中，将风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率求和，j取大于n的自然数，所述设定的n个转速采样周期指第j-n+1转速采样周期至第j转速采样周期；将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的j个转速采样周期内的输出功率的算术平均值也就是说，可以通过下面的计算公式获得：

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_j=\frac{\underset{m=j-n+1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_m}{n}$

P_m为风力发电机在第m转速采样周期的输出功率。然后，计算第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j：

T_j=dT_j×T_e

dT_j=dT_j'×k_j

T_e=1.05T_额定

dT_j'为第j转矩修正系数中间值，当时，k_j=1；当且P_j'>P_额定时，k_j=0.999；当且P_j'=P_额定时，k_j=1.005；当且P_j'>P_额定时，k_j=1.005；当或P_j'<P_额定时，k_j=1.005。

此时，根据第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j对风力发电机的输出转矩进行控制（例如采用直接转矩控制方法）。

在确定第j转矩修正系数dT_j之后，按照以下公式计算第j+1转矩修正系数中间值dT_j+1'：

dT_j+1'=dT_j

然后计算第j+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_j+1'：

P_j+1'=T_j×ω_j。

ω_j为第j转速采样周期测得的转速。

下面对第j转速采样周期中风力发电机的输出转矩的控制方法进行举例说明：

当n=5且j=6时，j-n+1=2；在第6转速采样周期中，风力发电机在设定的6个转速采样周期内的输出功率的算术平均值为：

${\stackrel{\&OverBar;}{P}}_6=\frac{\underset{m=2}{\overset{6}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_m}{5}$

此时，dT₆'和P₆'为已知量，按照上述计算方法，第6转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₆就可以计算出来。此时，也可以计算出第7转矩修正系数中间值dT₇'以及第7转速采样周期的风力发电机的参考功率P₇'。

结合图1，本发明的风轮叶片桨距角的控制方法包括以下过程：在初始阶段过后的每个转速采样周期中，将转速采样值与风力发电机的额定转速作差运算，得到转速差值；以所述转速差值为依据，对风力发电机的叶片的桨距角进行PID控制（此时，还需要将叶片的桨距角限制在0度至90度之间）；然后根据PID控制的结果（即叶片的桨距角的给定值），并利用变桨***对风力发电机的叶片的桨距角进行控制。

下面以一个具体实施例对本发明的一种风力发电机输出功率控制方法进行说明，在该具体实施例中，外部风力为湍流风。参照图3，为湍流风的转速曲线示意图。图3中的横轴为时间，纵轴为外部湍流风的转速。

在该具体实施例中，采用两种方法对风力发电机输出功率进行控制，一种是传统的查表控制法（通过转速—转矩曲线产生风力发电机的转矩给定值），另一中是本发明的风力发电机输出功率控制方法。参照图4，为风力发电机输出功率曲线在两种控制方法下的对比示意图。结合图3，当风速快速上升时，本发明的风力发电机输出功率控制方法能够使风力发电机输出功率快速回归至风力发电机的额定功率（2MW）。

参照图5，为风力发电机转速曲线在两种控制方法下的对比示意图。其中，图5中纵坐标的单位为转每分（rpm）。从图5中可以看出，与查表控制法相比，在本发明的风力发电机输出功率控制方法中，能够更显著地抑制风力发电机转速上升，风力发电机的转速的波动也更小，从而可以减少变桨***的频繁动作，有利于延长变桨***的使用寿命。参照图6，为风力发电机输出转矩曲线在两种控制方法下的对比示意图。在两种控制方法下，风力发电机输出转矩的变化情况基本保持一致。

参照图7，为风轮叶片桨距角曲线在两种控制方法下的对比示意图。参照图8，为风轮叶片桨距角曲线在两种控制方法下的局部对比示意图。由图7和图8可知，与查表控制法相比，在本发明的风力发电机输出功率控制方法中，风力发电机的叶片桨距角变化更平稳，从而减少了变桨***的频繁动作。

本发明可以对风力发电机的转矩给定值进行有效的限制，又能以较快的速度使风力发电机的转速回归到风力发电机的额定转速。在保证机组不长时间运行在过载状态的同时，可以减小变桨***的动作次数，进而降低叶片根部的疲劳载荷，增加叶片和变桨轴承的使用寿命。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种风力发电机输出功率控制方法，包括：对风力发电机的转速进行周期性地采样，其特征在于，在每个转速采样周期中，根据转速采样值，通过风力发电机的转速—转矩曲线获取对应的转矩值，将转速采样值与获取的转矩值相乘，得出风力发电机在对应转速采样周期内的输出功率；

在对风力发电机的转速进行周期性地采样的过程中，第1转速采样周期至第n转速采样周期为初始阶段，n为大于1的自然数；在初始阶段过后的每个转速采样周期中，得出风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值，然后根据风力发电机在前n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值、以及风力发电机的额定功率对风力发电机的输出转矩进行控制；

其中，所述风力发电机的额定功率为P_额定，在第1转速采样周期中，将风力发电机在第1转速采样周期的输出功率P₁除以n，得到风力发电机在第1转速采样周期内的输出功率的设计平均值然后根据P₁与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁；根据第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T₁与第1转速采样周期测得的转速值ω₁相乘，得到第2转速采样周期的风力发电机的参考功率P₂'；

在第i转速采样周期中，将风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率求和，i取2至n，所述设定的i个转速采样周期指第1转速采样周期至第i转速采样周期；将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率的设计平均值然后根据P_i'与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i；根据第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T_i与第i转速采样周期测得的转速值ω_i相乘，得到第i+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_i+1'；

在第j转速采样周期中，将风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率求和，j取大于n的自然数，所述设定的n个转速采样周期指第j-n+1转速采样周期至第j转速采样周期；将求和运算的结果除以n，得到风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值然后根据P_j'与P_额定的大小关系、以及与P_额定的大小关系，得出第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j；根据第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j对风力发电机的输出转矩进行控制，并将T_j与第j转速采样周期测得的转速值ω_j相乘，得到第j+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_j+1'。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机输出功率控制方法，其特征在于，在第1转速采样周期中，在得到风力发电机在第1转速采样周期内的输出功率的设计平均值之后，按照以下公式确定第1转矩修正系数dT₁：

dT₁＝dT₁'×k₁

dT₁'取1，当时，k₁＝1；当且P₁>P_额定时，k₁∈[0.995,1)；当且P₁＝P_额定时，k₁∈(1,1.005]；当且P₁>P_额定时，k₁∈(1,1.005]；当或P₁<P_额定时，k₁∈(1,1.005]；

在确定第1转矩修正系数dT₁之后，确定第2转矩修正系数中间值dT₂'和第1转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T₁，dT₂'＝dT₁，T₁＝dT₁×T_e，T_e＝1.05T_额定，T_额定为风力发电机的额定转矩；然后确定第2转速采样周期的风力发电机的参考功率P₂'，P₂'＝T₁×ω₁；

在第i转速采样周期中，在得到风力发电机在设定的i个转速采样周期内的输出功率的设计平均值之后，按照以下公式确定第i转矩修正系数dT_i：

dT_i＝dT_i'×k_i

当时，k_i＝1；当且P_i'>P_额定时，k_i∈[0.995,1)；当且P_i'＝P_额定时，k_i∈(1,1.005]；当且P_i'>P_额定时，k_i∈(1,1.005]；当或P_i'<P_额定时，k_i∈(1,1.005]；

在确定第i转矩修正系数dT_i之后，确定第i+1转矩修正系数中间值dT_i+1'和第i转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_i，dT_i+1'＝dT_i，T_i＝dT_i×T_e；然后确定第i+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_i+1'，P_i+1'＝T_i×ω_i；

在第j转速采样周期中，在得到风力发电机在设定的n个转速采样周期内的输出功率的算术平均值之后，按照以下公式确定第j转矩修正系数dT_j：

dT_j＝dT_j'×k_j

当时，k_j＝1；当且P_j'>P_额定时，k_j∈[0.995,1)；当且P_j'＝P_额定时，k_j∈(1,1.005]；当且P_j'>P_额定时，k_j∈(1,1.005]；当或P_j'<P_额定时，k_j∈(1,1.005]；

在确定第j转矩修正系数dT_j之后，确定第j+1转矩修正系数中间值dT_j+1'和第j转速采样周期的风力发电机的转矩给定值T_j，dT_j+1'＝dT_j，T_j＝dT_j×T_e；然后确定第j+1转速采样周期的风力发电机的参考功率P_j+1'，

P_j+1'＝T_j×ω_j。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机输出功率控制方法，其特征在于，在初始阶段过后的每个转速采样周期中，将转速采样值与风力发电机的额定转速作差运算，得到转速差值；以所述转速差值为依据，对风力发电机的叶片的桨距角进行PID控制；然后根据PID控制的结果，并利用变桨***对风力发电机的叶片的桨距角进行控制。

4.如权利要求1所述的一种风力发电机输出功率控制方法，其特征在于，所述根据风力发电机的转矩给定值对风力发电机的转矩进行控制包括以下步骤：根据风力发电机的转矩给定值，采用直接转矩控制方法对风力发电机的输出转矩进行控制。