CN111371354B - 风力发电机输出电流和输出功率控制方法及对应控制装置 - Google Patents

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CN111371354B CN202010330193.2A CN202010330193A CN111371354B CN 111371354 B CN111371354 B CN 111371354B CN 202010330193 A CN202010330193 A CN 202010330193A CN 111371354 B CN111371354 B CN 111371354B
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Abstract

本申请提供一种风力发电机输出电流和输出功率控制方法及对应控制装置，风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，风力发电机输出电流的控制方法包括：获取三相桥式半控整流电路的输出电流；根据获取的三相桥式半控整流电路的输出电流以及预设的限流控制算法对风力发电机输出电流进行控制。本申请的风力发电机输出电流控制方法只需获取三相桥式半控整流电路的输出电流，即可通过限流算法有效控制风力发电机输出电流，避免了风力发电机输出电流过高而损坏风力发电机和三相桥式半控整流电路。本申请简化了硬件电路，降低了设备制造成本的同时增加了产品的可靠性。

Description

风力发电机输出电流和输出功率控制方法及对应控制装置
技术领域
本发明属于新能源发电与电气技术领域，特别是涉及风力发电机输出电流的控制方法及其控制装置、风力发电机输出功率的控制方法及其装置。
背景技术
风力发电***机侧变流器用于将风力发电机输出的交流电变换为直流电，机侧变流器的电路拓扑按照组成的器件可划分为：三相桥式不控整流电路、三相桥式半控整流电路和三相桥式全控整流电路。
风力发电机在运行过程中需要对其输出电流进行控制，以防止过电流损坏风力发电机和电路中的元器件。如图1所示，针对机侧变流器为三相桥式半控整流电路的风力发电***，对风力发电机输出电流进行控制时，通常需要采样获取风力发电机侧的三相输出电流IU、IV和IW，再将三相输出电流IU、IV、IW与设定的最大电流阈值Imax进行比较，若超过最大电流阈值，则通过发送限流信号控制三相桥式半控整流电路以限制输出电流，但该方法采样数据较多，硬件电路复杂。
如图2所示，现有技术中对风力发电机输出功率的控制至少需要获取风力发电机侧输出的交流电压UU、UV、UW、和交流电流IU、IV、IW，然后依据风力发电机电压/电流-功率曲线表获得电流参考值或功率参考值，再以电流参考值或功率参考值对风力发电机的输出电流或输出功率进行控制。或者，如图3所示，获取风力发电机侧输出的交流电压UU、UV、UW、交流电流IU、IV、IW以及风力发电机的转速ω，然后根据风力发电机转速-功率曲线表对风力发电机的输出功率进行控制。但无论哪种功率控制方法，均需要采样获取风力发电机交流侧输出电压和输出电流，采样的数据繁多，硬件电路复杂，从而导致***成本较高，电路可靠性降低。
发明内容
鉴于以上现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种风力发电机输出电流和输出功率控制方法及对应的控制装置，用于解决现有小型风力发电机输出电流和输出功率控制过程中采样数据繁多，硬件电路复杂，设备制造成本高及产品可靠性较低的问题。
为实现上述目的，本申请采用以下方案：本发明提供一种风力发电机输出功率控制方法，所述风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，所述三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，所述方法包括：获取所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压；根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
于本申请一实施方式中，所述根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制，包括：根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电压和输出电流，计算风力发电机输出线电压；根据风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算风力发电机输出相电流；根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以所述电流设定值或功率设定值作为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；根据风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制。
于本申请一实施方式中，根据公式
Figure GDA0003136620820000021
计算风力发电机输出线电压：其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure GDA0003136620820000022
T为开关管周期，toff为功率开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure GDA0003136620820000023
Uw为风力发电机输出线电压。
于本申请一实施方式中，所述根据风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算出风力发电机输出相电流，包括：根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流；根据公式
Figure GDA0003136620820000031
计算风力发电机输出相电流，其中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
于本申请一实施方式中，所述根据所述风力发电机的电流参考值或功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制，包括：将所述风力发电机输出相电流与所述风力发电机的电流参考值作差得到电流误差值，将所述电流误差值进行偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号；或，将风力发电机的输出功率与所述风力发电机的功率参考值作差得到功率误差值，将所述功率误差值进行偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号。
基于相同的发明思路，本申请还公开一种风力发电机输出功率控制装置，所述风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，所述三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，所述装置包括：获取模块，用于获取所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压；功率控制模块，用于根据所述获取模块获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
于本申请一实施方式中，所述功率控制模块包括：第一计算单元，用于根据所述获取模块获取的三相桥式半控整流电路的输出电压和输出电流，计算风力发电机输出线电压；第二计算单元，用于根据所述第一计算单元输出的风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算风力发电机输出相电流；查找确定单元，用于根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以所述电流设定值或功率设定值确定为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；功率控制单元，用于根据所述查找确定单元确定的风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制。
于本申请一实施方式中，所述第一计算单元根据公式
Figure GDA0003136620820000032
计算风力发电机输出线电压：其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure GDA0003136620820000041
T为开关管周期，toff为功率开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure GDA0003136620820000042
Uw为风力发电机输出线电压。
于本申请一实施方式中，所述第二计算单元包括：第一计算子单元，用于根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算出风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流；第二计算子单元，用于根据公式
Figure GDA0003136620820000043
计算出风力发电机输出相电流，其中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
于本申请一实施方式中所述功率控制单元包括：第一减法器，用于将所述风力发电机输出相电流与所述风力发电机的电流参考值作差得到电流误差值；第一偏差调节器，用于对所述第一减法器输出的电流误差值进行偏差调节；第一PWM发生器，用于根据所述第一偏差调节器的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号；或所述功率控制单元包括：第二减法器，用于将风力发电机的输出功率与所述风力发电机的功率参考值作差得到功率误差值；第二偏差调节器，用于对所述第二减法器输出的功率误差值进行偏差调节；第二PWM发生器，用于根据所述第二偏差调节器的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号。
如上所述，本申请仅需要获取三相桥式半控整流电路输出的直流电流，再结合预设的限流控制算法即可对风力发电机输出电流进行控制，简化了硬件电路。同理，在风力发电机输出功率控制中，仅需获得三相桥式半控整流电路输出的直流电压和直流电流，再经过公式推算得到风力发电机输出的交流电压和交流电流，最后根据预设的第一功率控制算法或第二功率控制算法对当前风力发电机的输出功率进行控制，以达到风力发电机最大功率输出。相比现有技术，本申请对风力发电机的控制，避免了检测风力发电机输出的交流电流和交流电压，减小了硬件成本，同时，降低了硬件电路可能损坏带来的故障率，从而增加了产品的可靠性。
附图说明
图1为现有技术中风力发电机输出电流控制框图。
图2为现有技术中风力发电机输出功率控制框图。
图3为现有技术中另一种风力发电机输出功率控制框图。
图4为本申请实施例1提供的风力发电***的拓扑结构图。
图5为本申请实施例1提供的风力发电机输出电流控制方法的流程图。
图6为本申请实施例1提供的风力发电机输出电流控制框图。
图7为本申请实施例1提供的风力发电机输出电流采样的时序图。
图8为本申请实施例2提供的风力发电机输出电流控制装置的结构示意图。
图9为本申请实施例3提供的风力发电机输出功率控制方法的流程图。
图10为本申请实施例3提供的预设的第一功率控制算法的流程图。
图11为本申请实施例3提供的风力发电机输出功率控制框图。
图12为现有的三相桥式不控整流电路+boost电路构成的风力发电***拓扑结构图。
图13为图4的等效电路图。
图14为本申请实施例4中风力发电机输出功率控制装置的结构示意图。
图15为本申请实施例4提供的风力发电机输出功率控制装置中功率控制单元的结构示意图。
图16为本申请实施例4提供的风力发电机输出功率控制装置中另一种功率控制单元的结构示意图。
图17为本申请实施例5提供的风力发电机输出功率控制方法的流程图。
图18为本申请实施例5提供的风力发电机输出功率控制框图。
图19为本申请实施例6中风力发电机输出功率控制装置的结构示意图。
图20为本申请实施例6中转速获取单元的结构示意图。
标号说明:
S1～S2 步骤
S01～S02 步骤
S021～S024 步骤
S01’～S02’ 步骤
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
请参阅图4，为本申请给出的风力发电***的拓扑结构，风力发电***至少包括风力发电机、三相桥式半控整流电路、母线电容和负载。具体地，三相桥式半控整流电路包括三个二极管D8、D9、D10和三个功率开关管V2、V3、V4，三个二极管D8、D9、D10组成整流上半桥，三个功率开关管V2、V3、V4内各自寄生的二极管D11、D12、D13组成整流下半桥，三个二极管D8、D9、D10的正极分别与三个功率开关管V2、V3、V4的漏极连接，并同时分别连接风力发电机三相输出端U、V、W，三个功率开关管V2、V3、V4的源极均连接母线电容C3的负极端，二极管D8、D9、D10的负极均连接母线电容C3的正极。母线电容C3两端的电压即为三相桥式半控整流电路输出电压，也即直流母线电压U0。三个功率开关管D8、D9、D10的栅极用于接收PWM控制信号。
当功率开关管V2、V3和V4关断时，三个二极管D8、D9、D10与三个功率开关管V2、V3、V4内各自寄生的二极管D11、D12、D13等效为三相桥式不控整流电路，本身具有整流功能。***中的控制模块可以输出高频PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号，控制功率开关管的通断。由于功率开关管开关频率比风力发电机三相反电势频率高的多，可认为在功率开关管开关周期内各相电压保持不变，当功率开关管V2、V3、V4导通和关闭动作交替进行时，利用风力发电机绕组电感在开关管导通时储存交流电能，并在开关管断开时与发电机交流感应电动势叠加进行升压。
需要注意的是，三相桥式半控整流电路的结构还包括其它的种类，只要保证每一桥臂上有一个可控的功率开关管即可。功率开关管V2、V3、V4可以为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等具有控制关断能力的开关器件。
请参阅图5，为本实施例提供的风力发电机输出电流控制方法的流程图，控制方法包括步骤S1～S2：
S1、获取三相桥式半控整流电路的输出电流。
可选的，三相桥式半控整流电路的输出电流可以通过霍尔传感器进行采样获取。可选的，在三相桥式半控整流电路中功率开关管关断时刻对三相桥式半控整流电路的输出电流进行采样。
S2、根据获取的三相桥式半控整流电路的输出电流以及预设的限流控制算法对风力发电机输出电流进行控制。
请参阅图6，为风力发电机输出电流控制框图。预设的限流控制算法包括：将采样获取的三相桥式半控整流电路的输出电流I0与设定的最大电流阈值Imax进行比较并判断，若超过最大电流阈值，则通过发送限流信号控制三相桥式半控整流电路以限制输出电流。更加优选的，根据预设步长减小三相桥式半控整流电路中功率开关管导通的占空比，以限制风力发电机输出电流。
需要注意的是，当将功率开关管看作理想开关，开关断开的时间忽略不计，则在三相桥式半控整流电路中功率开关管关断信号发出的同时对三相桥式半控整流电路的输出电流进行采样。但是，实际中的功率开关管关断是需要微秒级延时时间的，所以，优选的，在功率开关管关断信号发出后等待预设的延迟时长后再对三相桥式半控整流电路的输出电流进行采样。
请参阅图7，为本实施例提供的一种风力发电机输出电流采样的时序图。Imax为最大电流阈值(峰值电流)，Irms为有效电流值，Imin为最小电流值，在三相桥式半控整流电路中功率开关管关断(PWM信号由高电平变为低电平)时刻对风力发电机输出电流进行采样。
优选的，预设延迟时长满足：0＜Δt≤toff，其中，Δt为预设的延迟时长，toff为功率开关管处于断态的时长。更加优选的，Δt时间要大于功率开关管完成关断动作的时间，这样才最大可能地采样得到峰值电流Imax。
实施例2
基于相同的发明思路，针对实施例1所述的风力发电机输出电流控制方法，本申请还公开一种与其对应的风力发电机输出电流控制装置，请参阅图8，采用实施例1中的风力发电***的拓扑结构，输出电流控制装置至少包括获取模块1和执行模块2。
获取模块1用于获取三相桥式半控整流电路的输出电流；执行模块2用于根据获取模块1获取的三相桥式半控整流电路的输出电流以及预设的限流控制算法对风力发电机输出电流进行控制。
具体的，获取模块1用于在三相桥式半控整流电路中功率开关管关断时刻获取三相桥式半控整流电路的输出电流，获取模块1包括但不限于霍尔传感器。
可选的，控制装置还包括定时触发器(未示出)，定时触发器用于在功率开关管关断信号发出时刻触发并进行计时，当计时时间达到预设的延迟时长时，获取模块1再获取三相桥式半控整流电路的输出电流。其中，预设的延迟时长可以设为满足：0＜Δt≤toff，Δt为预设的延迟时长，toff为功率开关管处于断态的时长。更加优选的，Δt时间大于功率开关管完成关断动作的时间。
可选的，执行模块2包括比较判断单元21和电流控制单元22。
比较判断单元21用于比较判断获取模块1获取的风力发电机的输出电流是否超过预设的限制电流值；电流控制单元22用于在比较判断单元21判断出风力发电机的输出电流超过预设的限制电流值时，根据预设步长减小三相桥式半控整流电路中功率开关管导通的占空比，以限制风力发电机输出电流。
实施例3
请参考图9-图11，基于相同发明思路，本申请还提供一种风力发电机输出功率控制方法，采用与实施例1和实施例2中相同的风力发电***的拓扑结构。
图9为风力发电机输出功率控制流程图，控制方法包括：
S01、获取三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压；
S02、根据获取的三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
请参考图10，在步骤S02中，具体包括步骤S021～S024：
S021、计算风力发电机输出线电压。
优选的，根据公式
Figure GDA0003136620820000091
计算出风力发电机输出线电压，其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure GDA0003136620820000092
T为开关管周期，toff为开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure GDA0003136620820000093
Uw为风力发电机输出线电压。
以下解释公式
Figure GDA0003136620820000094
成立的依据：
请参考图12，为常见的三相桥式不控整流电路+升压斩波电路(Boost Chopper)构成的风力发电***拓扑结构。风力发电***还包括风力发电机、滤波电容C1、母线电容C2、续流二极管D7和负载。三相桥式不控整流电路由6个二极管D1～D6组成，三相桥式不控整流电路的交流输入端连接风力发电机的三相交流输出端，三相桥式不控整流电路的直流输出经过滤波电容C1滤波后输入升压斩波电路，升压斩波电路由电感L和一个全控的功率开关管V1组成，升压斩波电路的输出端连接母线电容C2和负载。优选的，升压斩波电路的输出端还连接有续流二极管D7。三相桥式不控整流电路对风力发电机输出的三相交流电进行整流，输出直流电，直流电经过升压斩波电路升压后存储至母线电容C2或供负载消耗。
以下确定升压斩波电路输出电压(也即直流母线电压U’0)与升压输入电压U1(也即整流输出电压)之间的关系。首先假设电感L的值很大，电容C2的值也很大。当开关管V1处于导通状态时，整流输出电压U1向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时，电容C2上的电压向负载供电。因C2值很大，基本保持输出电压U’0为恒定值，设开关管V1处于导通状态的时长为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为U1*I1*ton。当功率开关管V1处于断开状态的时长为toff，则在此期间电感L释放的能量为(U’0-U1)I1*toff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即U1*I1*ton＝(U’0-U1)I1*toff，化简后得到
Figure GDA0003136620820000101
式中，T/toff≥1，升压斩波电路的输出电压U’0高于升压输入电压U1，设k’1＝T/toff表示升压比，则U'0＝k'1U1，调节其大小即可改变输出电压的大小。若将升压比的倒数记作β，即β＝1/k’1＝toff/T。则升压比的倒数β和占空比α的关系可表示为β+α＝1，则公式
Figure GDA0003136620820000102
可变形为
Figure GDA0003136620820000103
即风力发电机输出电压U1也可以由升压斩波电路中开关管的导通占空比计算得到。
以上分析中，认为开关管V1处于导通期间因电容C2的作用使得输出电压U’0不变，但实际上C2值不可能为无穷大，在此阶段向负载放电，U’0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于上式计算值，不过，在电容C2值足够大时，误差很小，基本可以忽略。
再根据整流输出电压U1计算出整流输入电压(也即风力发电机输出线电压U'w)，假设风力发电机输出三相完全对称，风力发电机输出线电压满足UUV＝UVW＝UUW＝U'w。对于电容滤波的三相桥式不控整流电路，整流输入端电压与整流输出端电压满足关系：U1＝k'2U'W，也即：
Figure GDA0003136620820000111
其中，k'2为常数，k'2的取值范围为
Figure GDA0003136620820000112
作为示例，k'2可取均值1.38。所以，只要测得直流母线电压U’0，再结合k1和k2即可计算得到风力发电机输出线电压U'w。
而对于本申请中由三相桥式半控整流电路构成的风力发电***中，三相桥式半控整流电路既有整流又有升压功能。图13为图4中风力发电***拓扑结构的等效电路。风力发电机输出的三相交流电压可等效为交流电压源US,风力发电机内部绕组电感等效为LS，三个二极管D8、D9、D10以及寄生二极管D11、D12、D13组成的三相桥式不控整流电路可等效为一个整流二极管D13，功率开关管V2、V3、V4等效为一个开关管V5。
由于三相桥式半控整流电路输出的直流母线电压U0为已知，则由上述对三相桥式不控整流电路+升压斩波电路的分析可得：
Figure GDA0003136620820000113
其中，k1为升压比，k1＝T/toff，T为开关周期，toff为开关关断的时间。
综上所述，可以看出：无论先计算整流输入还是先计算升压输入，得到风力发电机输出线电压的计算公式都是一样的。所以，可以把整流电路和升压电路看作一个整流升压模块，始终满足关系
Figure GDA0003136620820000114
S022、根据风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算出风力发电机输出相电流。
优选的，所述根据风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算出风力发电机输出相电流，包括以下步骤：根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算出风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流；在忽略电路以及元器件等效电阻热量损耗的情况下，根据能量守恒原理，由公式
Figure GDA0003136620820000121
计算出风力发电机输出相电流，式中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
S023、根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以电流设定值或功率设定值作为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值。
该步骤具体包括：根据风力发电机输出线电压Uw，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值I*或功率设定值P*，并以电流设定值或功率设定值作为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值。
需要注意的是，风力发电机功率曲线的表示形式有多种，例如可以表示为风力发电机转速与输出功率的关系、风力发电机输出电压与输出功率的关系、风力发电机输出电流与输出电压的关系或者风力发电机的转速与输出电流的关系等，各种功率曲线之间可以互相切换。
S024、根据风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制。
请参考图11，该步骤可具体包括：将风力发电机输出相电流Iw与风力发电机的输出电流参考值I*作差得到电流误差值，将电流误差值进行PI偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号；或，将风力发电机的输出功率Pw与风力发电机的输出功率参考值P*作差得到功率误差值，将功率误差值进行偏差调节，并输出PWM控制信号，PWM控制信号用于控制三相桥式半控整流电路中的功率开关管，从而控制风力发电机的输出功率。
在该实施例中，偏差调节包括比例积分调节((Proportional Integral Control，PI)或比例积分微分调节(Proportional Integral Differential Control，PID)。
为了保证风力发电机运行过程中的安全，本申请的风力发电机输出功率控制方法中还包括：当检测到直流母线电压大于预设的卸荷电压时，控制风力发电***进行卸荷；当检测到直流母线电压大于预设的最大电压阈值时，控制风力发电***进行刹车制动。
实施例4
请参阅图14，针对实施例3所述的风力发电机输出功率控制方法，本发明还公开一种对应的风力发电机输出功率控制装置，风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，控制装置包括获取模块10和功率控制模块20。
获取模块10用于获取三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压，获取模块10包括但不限于霍尔传感器；功率控制模块20用于根据数据获取模块10获取的三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
在本实施例中，功率控制模块20进一步包括第一计算单元201、第二计算单元202、查找确定单元203和功率控制单元204。其中，第一计算单元201用于根据数据获取模块10获取的三相桥式半控整流电路的输出电压和输出电流，计算风力发电机输出线电压；第二计算单元202用于根据第一计算单元201输出的风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算风力发电机输出相电流；查找确定单元203，用于根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以电流设定值或功率设定值确定为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；功率控制单元204用于根据查找确定单元203确定的风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制。
可选的，第一计算单元201根据公式
Figure GDA0003136620820000141
计算风力发电机输出线电压：其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure GDA0003136620820000142
T为开关管周期，toff为功率开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure GDA0003136620820000143
Uw为风力发电机输出线电压。
在该实施例中，第二计算单元202包括第一计算子单元2021和第二计算子单元2022。第一计算子单元2021用于根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算出风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流。第二计算子单元2022用于根据公式
Figure GDA0003136620820000144
计算出风力发电机输出相电流，其中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
请参阅图15，功率控制单元204可以包括第一减法器2041、第一偏差调节器2042和第一PWM发生器2043。其中，第一减法器2041用于将风力发电机输出相电流与风力发电机的电流参考值作差得到电流误差值；第一偏差调节器2042用于对第一减法器2041输出的电流误差值进行偏差调节；第一PWM发生器2043用于根据第一偏差调节器2042的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号。
请参阅图16，在其他实施例中，功率控制单元204可以包括第二减法器2044、第二偏差调节器2045和第二PWM发生器2046。其中，第二减法器2044用于将风力发电机的输出功率与风力发电机的功率参考值作差得到功率误差值；第二偏差调节器2045用于对第二减法器2044输出的功率误差值进行偏差调节；第二PWM发生器2046，用于根据第二偏差调节器2045的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号。
实施例5
基于相同的发明思想，该实施例公开了另一种风力发电机输出功率控制方法，适用于和实施例1相同的风力发电***的拓扑结构中，请参阅图17，风力发电机输出功率控制方法包括：
S01’、获取三相桥式半控整流电路的输出电流、输出电压以及风力发电机的转速。
作为示例，获取风力发电机的转速包括：首先，获取风力发电机输出电压的频率；然后，根据风力发电机输出电压的频率计算出风力发电机的转速。其中，风力发电机输出电压的频率与风力发电机的转速满足以下关系：
Figure GDA0003136620820000151
ω为风力发电机的转速，f为风力发电机输出线电压的频率，p为风力发电机的磁极对数。
S02’、根据获取的三相桥式半控整流电路的输出电流、输出电压、风力发电机的转速以及预设的第二功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
请参阅图18，对风力发电机输出功率进行控制具体可以包括：
查找获取的风力发电机的转速ω在风力发电机功率曲线表上对应的功率设定值P*，并以功率设定值作为风力发电机的功率参考值对风力发电机的输出功率进行偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号。
这里需要说明的是，获得风力发电机的输出电压，即可根据电压与转速的关系计算出转速ω。以永磁同步风力发电机为例，风力发电机输出电压、频率、转速之间有如下对应关系：U＝2NBlrω；其中，U为风力发电机的输出电压(风力发电机电枢绕组的感应电势)，N为线圈匝数，B为导体所处的磁通密度，单位为T，l为切割磁感应线的导体线圈的有效长度，单位为m，r为导体线圈的旋转半径，单位为m，ω为风力发电机转速，单位为rad/s。
查找该转速ω在风力发电机功率曲线表上对应的功率设定值P*，并以所述功率设定值P*作为输出功率参考值对风力发电机的输出功率P进行偏差调节，并输出PWM控制信号，所述PWM控制信号用于控制三相桥式半控整流电路中的功率开关管，从而控制风力发电机的输出功率。
实施例6
请参阅图19，针对实施例5所述的风力发电机输出功率控制方法，本实施例公开一种风力发电机输出功率控制装置，装置包括获取模块10’和功率控制模块20’。具体地，获取模块10’用于获取所述三相桥式半控整流电路的输出电流、输出电压以及风力发电机的转速；功率控制模块20’用于根据所述数据获取模块10’获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流、输出电压、风力发电机的转速以及预设的第二功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制。
作为示例，功率控制模块20’可以包括查找确定单元201’和功率控制单元202’，其中，查找确定单元201’，用于根据风力发电机获取模块10’获取的风力发电机的转速，查找该转速在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以电流设定值或功率设定值作为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；功率控制单元202’，用于根据查找确定单元201’确定的风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制。
作为示例，获取模块10’包括获取三相桥式半控整流电路输出电流的部件、获取三相桥式半控整流电路输出电压的部件，以及获取风力发电机的转速的部件。其中，获取三相桥式半控整流电路输出电流和输出电压的部件可以包括但不限于霍尔传感器。
请参阅图20，获取风力发电机转速的部件为转速获取单元，转速获取单元至少包括：光耦合器101’、信号处理器102’和转速计算单元103’。光耦合器101’的输入端连接风力发电机输出三相电压中的任意两相，用于将风力发电机输出的交流电压信号转换为矩形脉冲信号；信号处理器102’的输入端连接光耦合器101’的输出端，用于处理矩形脉冲信号以得到风力发电机输出的交流电压的频率；转速计算单元103’用于根据风力发电机输出的交流电压的频率计算得到风力发电机的转速，并满足以下关系：
Figure GDA0003136620820000161
其中，ω为风力发电机的转速，f为风力发电机输出线电压的频率，p为风力发电机的磁极对数。
综上所述，本申请仅需要获取三相桥式半控整流电路输出的直流电流，再结合预设的限流控制算法即可实现对风力发电机输出电流的控制，简化了硬件电路，防止电流过高烧坏风力发电机和三相桥式半控整流电路。同时，在风力发电机输出功率控制中，仅需获得三相桥式半控整流电路输出的直流电压和直流电流，再经过公式推算得到风力发电机输出的交流电压和交流电流，最后根据预设的第一功率控制算法或预设的第二功率控制算法对当前风力发电机的输出功率进行控制，以达到风力发电机最大功率输出。相比现有技术，本申请对风力发电机的控制，避免了检测风力发电机输出的交流电流和/或交流电压，减小了硬件成本，同时，降低了硬件电路可能损坏带来的故障率，从而增加了产品的可靠性。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种风力发电机输出功率控制方法，其特征在于，所述风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，所述三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，所述方法包括：
获取所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压；
根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制；所述根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制，包括：
根据获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电压和输出电流，计算风力发电机输出线电压；
根据风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算风力发电机输出相电流；
根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以所述电流设定值或功率设定值作为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；
根据风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制；根据以下公式计算风力发电机输出线电压：
Figure FDA0003136620810000011
其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure FDA0003136620810000012
T为开关管周期，toff为功率开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure FDA0003136620810000013
Uw为风力发电机输出线电压。
2.根据权利要求1所述的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输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算出风力发电机输出相电流，包括：
根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流；
根据公式
Figure FDA0003136620810000021
计算风力发电机输出相电流，其中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
3.根据权利要求1所述的风力发电机输出功率控制方法，其特征在于，所述根据所述风力发电机的电流参考值或功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制，包括：
将所述风力发电机输出相电流与所述风力发电机的电流参考值作差得到电流误差值，将所述电流误差值进行偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号；或，
将风力发电机的输出功率与所述风力发电机的功率参考值作差得到功率误差值，将所述功率误差值进行偏差调节，获得用于控制风力发电机的PWM控制信号。
4.一种风力发电机输出功率控制装置，其特征在于，所述风力发电机的三相输出端连接三相桥式半控整流电路，所述三相桥式半控整流电路中功率开关管的导通和关断由PWM信号控制，所述装置包括：
获取模块，用于获取所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压；功率控制模块，用于根据所述获取模块获取的所述三相桥式半控整流电路的输出电流和输出电压以及预设的第一功率控制算法对风力发电机输出功率进行控制；
所述功率控制模块包括：
第一计算单元，用于根据所述获取模块获取的三相桥式半控整流电路的输出电压和输出电流，计算风力发电机输出线电压；
第二计算单元，用于根据所述第一计算单元输出的风力发电机输出线电压和三相桥式半控整流电路输出功率，计算风力发电机输出相电流；
查找确定单元，用于根据风力发电机输出线电压，查找该电压在风力发电机功率曲线表上对应的电流设定值或功率设定值，并以所述电流设定值或功率设定值确定为风力发电机的输出电流参考值或输出功率参考值；
功率控制单元，用于根据所述查找确定单元确定的风力发电机输出电流参考值或输出功率参考值对风力发电机的输出功率进行控制；
所述第一计算单元根据以下公式计算风力发电机输出线电压：
Figure FDA0003136620810000031
其中，U0为三相桥式半控整流电路输出电压，k1为升压比，
Figure FDA0003136620810000032
T为开关管周期，toff为功率开关管处于断态的时长，k2为常数，且k2的取值范围为
Figure FDA0003136620810000033
Uw为风力发电机输出线电压。
5.根据权利要求4所述的风力发电机输出功率控制装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：
第一计算子单元，用于根据公式Pw＝P0＝U0*I0计算出风力发电机输出功率，其中，Pw为风力发电机输出功率，P0为三相桥式半控整流电路输出功率，U0和I0分别为采样获得的三相桥式半控整流电路输出电压和输出电流；
第二计算子单元，用于根据公式
Figure FDA0003136620810000034
计算出风力发电机输出相电流，其中，Uw为风力发电机输出线电压,Iw为风力发电机输出相电流。
6.根据权利要求4所述的风力发电机输出功率控制装置，其特征在于，所述功率控制单元包括：
第一减法器，用于将所述风力发电机输出相电流与所述风力发电机的电流参考值作差得到电流误差值；
第一偏差调节器，用于对所述第一减法器输出的电流误差值进行偏差调节；
第一PWM发生器，用于根据所述第一偏差调节器的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号；
或所述功率控制单元包括：
第二减法器，用于将风力发电机的输出功率与所述风力发电机的功率参考值作差得到功率误差值；
第二偏差调节器，用于对所述第二减法器输出的功率误差值进行偏差调节；
第二PWM发生器，用于根据所述第二偏差调节器的输出结果，产生用于控制风力发电机的PWM控制信号。
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