一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统

摘要

本发明公开了一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，它包括：测量滤波电路、独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路、三相锁相电路、基于三相锁相的实时功率计算电路、给定功率电路。本发明中的控制系统为一套全风速下，按给定功率控制的功率控制系统，经各个部分的协调运作可实现强风速下按给定功率控制输出，弱风速下按给定功率或最大风功率追踪的控制，有利于系统并网运行，有利于永磁风电系统和其他具有贮能装置的发电系统一起参与系统调频，从而实现永磁风电系统的功率平滑输出。

权利要求

1.一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，其特征是包括：测量滤波电路、独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路、三相锁相电路、基于三相锁相的实时功率计算电路、给定功率电路；

所述的三相锁相电路的输出端包含有两种信号，即三相交流电压的频率信号和相位信号；所述的基于三相锁相的实时功率计算电路的输出端包含实时有功功率信号输出端和实时无功功率信号输出端；所述的给定功率电路的输出端包含给定有功功率信号输出端和给定无功功率信号输出端；

所述测量滤波电路包括风速测量电路、转子相位测量电路、转子转速测量电路、三相定子电流测量电路、电容器两端直流电压测量电路、流入电网的三相电流测量电路和电网节点的三相电压测量电路；其中，测量滤波电路中的风速测量电路的输入端连接到永磁风力发电机组上的风速测量传感器上，转子相位测量电路的输入端连接到永磁发电机的转子位置传感器上，转子转速测量电路的输入端连接到永磁发电机的转子转速测量传感器上，三相定子电流测量电路的输入端连接到永磁发电机的定子电流测量传感器上，电容器两端直流电压测量电路的输入端连接到直流电压测量传感器上，流入电网的三相电流测量电路的输入端连接到流入电网的三相电流测量传感器上，电网节点的三相电压测量电路的输入端连接到电网节点的三相电压测量传感器上；风速测量电路的输出端与独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接；转子相位测量电路、转子转速测量电路和三相定子电流测量电路的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接；电容器两端直流电压测量电路的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路及电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；流入电网的三相电流测量电路和电网节点的三相电压测量电路的输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路及实时功率计算电路连接；电网节点的三相电压测量电路的输出端还连接到三相锁相电路；三相锁相电路的输出端连接到电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路；

实时功率计算电路的实时有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接，它的实时无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；给定功率电路的给定有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路、AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接，其给定无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路它们的输出端分别与永磁风力发电机组的风涡轮的桨距角控制执行机构、三相可控PWM桥式整流器的PWM脉冲输入端和三相可控PWM桥式逆变器PWM脉冲输入端连接。

2.根据权利要求1所述的永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，其特征是所述独立变桨功率控制电路包括控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路、第一受风速控制的双联双掷切换开关、叶片桨距角驱动电路，其中控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路及风速测量电路它们的输出端与第一受风速控制的双联双掷切换开关连接，第一受风速控制的双联双掷切换开关的另一端与叶片桨距角驱动电路连接，叶片桨距角驱动电路的输出端与风涡轮连接，实时功率计算电路的实时有功功率信号输出端与给定功率电路的给定有功功率信号输出端分别与控制桨距角的功率PI电路连接，控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路、风速测量电路的输出端与第一受风速控制的双联双掷切换开关连接，第一受风速控制的双联双掷切换开关的输出端与叶片桨距角驱动电路连接，叶片桨距角驱动电路与叶片的浆距角执行机构连接。

3.根据权利要求2所述的永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，其特征是所述永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路包括：第一三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、第一二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路、第一二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路、第一三相PWM脉冲发生器、按给定功率控制的外环PI功率控制电路、依据风速计算最优转速电路、受最优转速限制的转速中环PI控制电路、第二受风速控制的双联双掷切换开关、额定转速电路、额定转速中环PI控制电路，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路的输入端与测量滤波电路中的转子相位测量电路和三相定子电流测量电路的输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、测量滤波电路中的转子转速测量电路及第二受风速控制的双联双掷切换开关的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路、测量滤波电路中的转子相位测量电路、电容器两端直流电压测量电路的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输出端与三相可控PWM桥式整流器连接；按给定功率控制的外环PI功率控制电路的输入端与实时功率计算电路的实时有功功率信号输出端、给定功率电路的给定有功功率信号输出端连接；依据风速计算最优转速电路的输入端与测量滤波电路中的风速测量电路的输出端连接；受最优转速限制的转速中环PI控制电路的输入端与测量滤波电路中的转子转速测量电路、按给定功率控制的外环PI功率控制电路、依据风速计算最优转速电路的输出端连接；第二受风速控制的双联双掷切换开关的输入端与测量滤波电路中的风速测量电路、额定转速中环PI控制电路、受最优转速限制的转速中环PI控制电路的输出端连接；额定转速中环PI控制电路的输入端与测量滤波电路中的转子转速测量电路、额定转速电路的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，其特征是所述电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路包括：第二三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、第二二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路、第二二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路、第二三相PWM脉冲发生器、电容端直流电压的给定值电路、电容端电压PI控制电路、无功功率PI控制电路，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路的输入端与测量滤波电路中流入电网的三相电流测量电路、电网节点的三相电压测量电路以及三相锁相电路的三相电压的频率信号和相位信号的输出端连接；电容端电压PI控制电路的输入端与测量滤波电路中电容器两端直流电压测量电路的电压信号及电容端直流电压的给定值电路的输出端连接；无功功率PI控制电路的输入端与功率计算电路中的实时无功功率信号输出端及给定功率电路中的给定无功功率信号输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、三相锁相电路中的三相交流电压的频率信号、电容端电压PI控制电路及无功功率PI控制电路它们的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路、三相锁相电路中的三相电压的频率信号和相位信号以及电容器两端直流电压测量电路的电压信号的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输出端连接，输出端与三相可控PWM桥式逆变器的PWM脉冲输入端连接。

说明书

一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统

技术领域

[0001] 本发明属于新能源分布式发电技术中的永磁风力发电系统领域，具体涉及一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统。

背景技术

[0002] 随着风电技术与产业的迅速发展，风能源供电不断地增加，欧洲与美国均计划在未来三十年后，使风能源供应电能占到整个电力工业发电量比例的20%以上。在这样一种背景下，风力发电系统参与系统频率、有功功率的调节、机组经济调度、以及电力市场运作，必将成为发展趋势，而按给定功率控制风力发电系统的输出功率是这些操作的关键技术。另一方面，由于风能源是随机的，间歇的，输出功率的波动性比较大，因此，把给定功率值设定在基于预测的、风能源的平均功率值上或小于平均值，进行按给定功率的控制输出，有助于平滑风力发电系统输出功率的波动，起到削峰平谷的作用，进而有助于整个电力系统的安全稳定运行。

[0003] 风力发电系统是一类有着各种类型的、复杂的能量转换系统。变速永磁风力发电系统因其具有能量转换效率高、系统可靠性高、并网功率控制灵活、风涡轮机组简单因而机械故障率低（不含或只含一二级齿轮变速箱）、故障穿越能力强等优点，成为了世界风力发电领域重要的研究和发展方向

[0004] 目前，国内外众多学者对变速永磁风力发电系统的核心控制部分做了广泛而又深入的研究，研究的重点在于风力发电机组的转速控制和基于转速控制的最大风功率追踪的控制。但是，采用最大功率追踪的功率控制方法，在全风况情况下，由于风能源的随机性，间歇性，将导致风力发电系统输出功率的波动性大，对电网的影响大。近年来，已有学者提出了带贮能装置的恒定功率控制的控制思路，并运用于带有贮能装置的双馈风力发电机组的功率控制系统中，如文献[1]中描述（[1]Liyan Qu, Wei Qiao. Constant Power Control of DFIG Wind Turbines With Supercapacitor Energy Storage[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（1）：359-367），其原理是当风功率不足的时候，利用贮能装置补偿风力发电系统额定功率输出的不足，从而实现恒定额定功率输出的功率平滑输出。在这种方法中，风力发电系统仍然采用的是按最大功率追踪的功率控制方法，这样，一方面，导致用于功率补偿的贮能装置的输出功率的波动性较大，不利于贮能装置的安全，稳定运行；另一方面，这种带贮能装置的恒定功率控制的风力发电系统仍然无法实现按给定功率的控制，因而无法参与系统频率、有功功率的调节、机组经济调度、以及电力市场运作。由此可知，实现风力发电系统按给定功率的功率控制是非常必要的。

发明内容

[0005] 为此，本发明的目的在于提供一种永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统，以实现永磁风电系统的功率平滑输出，实现永磁风力发电机组的经济调度、以及电力市场运作等功能。

[0006] 实现本发明目的采用的技术方案是：永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统包括：测量滤波电路、独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路、三相锁相电路、基于三相锁相的实时功率计算电路、给定功率电路；

[0007] 所述的三相锁相电路的输出端包含有两种信号，即三相交流电压的频率信号和相位信号；所述的基于三相锁相的实时功率计算电路的输出端包含实时有功功率信号输出端和实时无功功率信号输出端；所述的给定功率电路的输出端包含给定有功功率信号输出端和给定无功功率信号输出端；

[0008] 所述测量滤波电路包括风速测量电路、转子相位测量电路、转子转速测量电路、三相定子电流测量电路、电容器两端直流电压测量电路、流入电网的三相电流测量电路和电网节点的三相电压测量电路；其中，测量滤波电路中的风速测量电路的输入端连接到永磁风力发电机组上的风速测量传感器上，转子相位测量电路的输入端连接到永磁发电机的转子位置传感器上，转子转速测量电路的输入端连接到永磁发电机的转子转速测量传感器上，三相定子电流测量电路的输入端连接到永磁发电机的定子电流测量传感器上，电容器两端直流电压测量电路的输入端连接到直流电压测量传感器上，流入电网的三相电流测量电路的输入端连接到流入电网的三相电流测量传感器上，电网节点的三相电压测量电路的输入端连接到电网节点的三相电压测量传感器上；风速测量电路的输出端与独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接；转子相位测量电路、转子转速测量电路和三相定子电流测量电路的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接；电容器两端直流电压测量电路的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路及电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；流入电网的三相电流测量电路和电网节点的三相电压测量电路的输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路及实时功率计算电路连接；电网节点的三相电压测量电路的输出端还连接到三相锁相电路；三相锁相电路的输出端连接到电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路；实时功率计算电路的实时有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接，它的实时无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；给定功率电路的给定有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路、AC-DC桥式整流器的功率控制电路连接，其给定无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路连接；独立变桨功率控制电路、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路它们的输出端分别与永磁风力发电机组的风涡轮的桨距角控制执行机构、三相可控PWM桥式整流器的PWM脉冲输入端和三相可控PWM桥式逆变器PWM脉冲输入端连接。

[0009] 所述独立变桨功率控制电路包括控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路、受风速控制的双联双掷切换开关、叶片桨距角驱动电路，其中控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路及风速测量电路它们的输出端与受风速控制的双联双掷切换开关连接，受风速控制的双联双掷切换开关的另一端与叶片桨距角驱动电路连接，叶片桨距角驱动电路的输出端与风涡轮连接，功率计算电路的实时有功功率信号输出端与给定功率电路的给定有功功率信号输出端分别与控制桨距角的功率PI电路连接，控制桨距角的功率PI电路、桨距角置零控制电路、风速测量电路的输出端与受风速控制的双联双掷切换开关连接，受风速控制的双联双掷切换开关的输出端与叶片桨距角驱动电路连接，叶片桨距角驱动电路与叶片的浆距角执行机构连接。

[0010] 所述永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路包括：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路、二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路、三相PWM脉冲发生器、按给定功率控制的外环PI功率控制电路、依据风速计算最优转速电路、受最优转速限制的转速中环PI控制电路、受风速控制的双联双掷切换开关、额定转速电路、额定转速中环PI控制电路，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路的输入端与测量滤波电路中的转子相位测量电路和三相定子电流测量电路的输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、测量滤波电路中的转子转速测量电路及受风速控制的双联双掷切换开关的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路、测量滤波电路中的转子相位测量电路、电容器两端直流电压测量电路的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输出端与三相可控PWM桥式整流器连接；按给定功率控制的外环PI功率控制电路的输入端与实时功率计算电路的实时有功功率信号输出端、给定功率电路的给定有功功率信号输出端连接；依据风速计算最优转速电路的输入端与测量滤波电路中的风速测量电路的输出端连接；受最优转速限制的转速中环PI控制电路的输入端与测量滤波电路中的转子转速测量电路、按给定功率控制的外环PI功率控制电路、依据风速计算最优转速电路的输出端连接；受风速控制的双联双掷切换开关的输入端与测量滤波电路中的风速测量电路、额定转速中环PI控制电路、受最优转速限制的转速中环PI控制电路的输出端连接；额定转速中环PI控制电路的输入端与测量滤波电路中的转子转速测量电路、额定转速电路的输出端连接。

[0011] 所述电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路包括：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路、二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路、三相PWM脉冲发生器、电容端直流电压的给定值电路、电容端电压PI控制电路、无功功率PI控制电路，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路的输入端与测量滤波电路中流入电网的三相电流测量电路、电网节点的三相电压测量电路以及三相锁相电路的三相电压的频率信号和相位信号的输出端连接；电容端电压PI控制电路的输入端与测量滤波电路中电容器两端直流电压测量电路的电压信号及电容端直流电压的给定值电路的输出端连接；无功功率PI控制电路的输入端与功率计算电路中的实时无功功率信号输出端及给定功率电路中的给定无功功率信号输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路、三相锁相电路中的三相交流电压的频率信号、电容端电压PI控制电路及无功功率PI控制电路它们的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路、三相锁相电路中的三相电压的频率信号和相位信号以及电容器两端直流电压测量电路的电压信号的输出端连接；三相PWM脉冲发生器的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路的输出端连接，输出端与三相可控PWM桥式逆变器的PWM脉冲输入端连接。

[0012] 本发明中的控制系统为一套全风速下，按给定功率控制的功率控制系统，经各个部分的协调运作可实现强风速下按给定功率控制输出，弱风速下按给定功率或最大风功率追踪的控制，有利于系统并网运行，有利于永磁风电系统和其他具有贮能装置的发电系统一起参与系统调频，从而实现永磁风电系统的功率平滑输出，实现永磁风力发电机组的经济调度、以及电力市场运作等功能。

[0013] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

[0014] 图1 是本发明永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统的结构框图。

[0015] 图2 是本发明中独立变桨功率控制电路的结构框图。

[0016] 图3是本发明中永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路的结构框图。

[0017] 图4 是本发明中电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路的结构框图。

[0018] 图5是风力发电机组输出功率的标么值随叶片角速度的变化曲线。

具体实施方式

[0019] 如图1所示，永磁风力发电机组包括风涡轮的叶片，风涡轮通过轮毂和永磁发电机的转子直接相连或通过简单的变速箱相连（本例中选择直接相连），永磁发电机的三相定子线圈和三相可控PWM桥式整流器交流侧相连，三相可控PWM桥式整流器的直流侧与一个电容器相并联，然后并联到三相可控PWM桥式逆变器的直流侧，三相可控PWM桥式逆变器的交流侧经过一个三相电感滤波器接入电网。本发明的永磁风力发电机组全风况下按给定功率控制的系统包括：测量滤波电路4、独立变桨功率控制电路1、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3、三相锁相电路5、基于三相锁相的实时功率计算电路6、给定功率电路7；所述的三相锁相电路5的输出端包含有两种信号，即三相交流电压的频率信号和相位信号；所述的基于三相锁相的实时功率计算电路6的输出端包含实时有功功率信号输出端和实时无功功率信号输出端；所述的给定功率电路7的输出端包含给定有功功率信号输出端和给定无功功率信号输出端；所述测量滤波电路4包括风速测量电路41、转子相位测量电路42、转子转速测量电路43、三相定子电流测量电路44、电容器两端直流电压测量电路45、流入电网的三相电流测量电路46和电网节点的三相电压测量电路47；其中，测量滤波电路4中的风速测量电路41的输入端连接到永磁风力发电机组上的风速测量传感器上，转子相位测量电路42的输入端连接到永磁发电机的转子位置传感器上，转子转速测量电路43的输入端连接到永磁发电机的转子转速测量传感器上，三相定子电流测量电路44的输入端连接到永磁发电机的定子电流测量传感器上，电容器两端直流电压测量电路45的输入端连接到直流电压测量传感器上，流入电网的三相电流测量电路46的输入端连接到流入电网的三相电流测量传感器上，电网节点的三相电压测量电路47的输入端连接到电网节点的三相电压测量传感器上；风速测量电路41的输出端与独立变桨功率控制电路1、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2连接；转子相位测量电路42、转子转速测量电路43和三相定子电流测量电路44的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2连接；电容器两端直流电压测量电路45的输出端与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2及电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3连接；流入电网的三相电流测量电路46和电网节点的三相电压测量电路47的输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3及实时功率计算电路6连接；电网节点的三相电压测量电路47的输出端还连接到三相锁相电路
5；三相锁相电路5的频率信号和相位信号的输出端连接到电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3；实时功率计算电路6的实时有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路1、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2连接，它的实时无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3连接；给定功率电路7的给定有功功率信号输出端与独立变桨功率控制电路1、AC-DC桥式整流器的功率控制电路2连接，其给定无功功率信号输出端与电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3连接；独立变桨功率控制电路1、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2、电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3它们的输出端分别与永磁风力发电机组的风涡轮的桨距角控制执行机构、三相可控PWM桥式整流器的PWM脉冲输入端和三相可控PWM桥式逆变器PWM脉冲输入端连接。

[0020] 独立变桨功率控制电路1的结构图如图2中的虚框所示，包括控制桨距角的功率PI电路11、桨距角置零控制电路12、受风速控制的双联双掷切换开关13、叶片桨距角驱动电路14，其中控制桨距角的功率PI电路11、桨距角置零控制电路12及风速测量电路41它们的输出端与受风速控制的双联双掷切换开关13连接，受风速控制的双联双掷切换开关13的另一端与叶片桨距角驱动电路14连接，叶片桨距角驱动电路14的输出端与风涡轮连接，功率计算电路6的实时有功功率信号输出端与给定功率电路7的给定有功功率信号输出端分别与控制桨距角的功率PI电路11连接，控制桨距角的功率PI电路11、桨距角置零控制电路12、风速测量电路41的输出端与受风速控制的双联双掷切换开关13连接，受风速控制的双联双掷切换开关13的输出端与叶片桨距角驱动电路14连接，叶片桨距角驱动电路14与叶片的浆距角执行机构连接。

[0021] 永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2的电路结构如图3中右侧的虚框所示，包括：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路21、二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22、二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路23、三相PWM脉冲发生器24、按给定功率控制的外环PI功率控制电路25、依据风速计算最优转速电路26、受最优转速限制的转速中环PI控制电路27、受风速控制的双联双掷切换开关28、额定转速电路29、额定转速中环PI控制电路20，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路21的输入端与测量滤波电路4中的转子相位测量电路42和三相定子电流测量电路44的输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路21、测量滤波电路4中的转子转速测量电路43及受风速控制的双联双掷切换开关28的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路23的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22、测量滤波电路4中的转子相位测量电路42、电容器两端直流电压测量电路45的输出端连接；三相PWM脉冲发生器24的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路23的输出端连接；三相PWM脉冲发生器
24的输出端与三相可控PWM桥式整流器连接；按给定功率控制的外环PI功率控制电路25的输入端与实时功率计算电路6的实时有功功率信号输出端、给定功率电路7的给定有功功率信号输出端连接；依据风速计算最优转速电路26的输入端与测量滤波电路4中的风速测量电路41的输出端连接；受最优转速限制的转速中环PI控制电路27的输入端与测量滤波电路4中的转子转速测量电路43、按给定功率控制的外环PI功率控制电路25、依据风速计算最优转速电路26的输出端连接；受风速控制的双联双掷切换开关28的输入端与测量滤波电路4中的风速测量电路41、额定转速中环PI控制电路20、受最优转速限制的转速中环PI控制电路27的输出端连接；额定转速中环PI控制电路20的输入端与测量滤波电路
4中的转子转速测量电路43、额定转速电路29的输出端连接。

[0022] 电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3的电路结构如图4中右侧的虚框所示，整体电路与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2有许多相类似，包括：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路31、二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路32、二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路33、三相PWM脉冲发生器34、电容端直流电压的给定值电路35、电容端电压PI控制电路36、无功功率PI控制电路37，其中：三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路
31的输入端与测量滤波电路4中流入电网的三相电流测量电路46、电网节点的三相电压测量电路47以及三相锁相电路5的三相交流电压的频率信号和相位信号的输出端连接；电容端电压PI控制电路36的输入端与测量滤波电路4中电容器两端直流电压测量电路45的电压信号及电容端直流电压的给定值电路35的输出端连接；无功功率PI控制电路37的输入端与功率计算电路6中的实时无功功率信号输出端及给定功率电路7中的给定无功功率信号输出端连接；二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路32的输入端与三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路31、三相锁相电路5中的三相交流电压的频率信号（是否也包括相位信号？）、电容端电压PI控制电路36及无功功率PI控制电路
37它们的输出端连接；二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路33的输入端与二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路32、三相锁相电路5中的三相交流电压的频率信号和相位信号的输出端以及电容器两端直流电压测量电路45的电压信号的输出端连接；三相PWM脉冲发生器34的输入端与二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路33的输出端连接，输出端与三相可控PWM桥式逆变器的PWM脉冲输入端连接。

[0023] 工作原理：见图1，测量滤波电路4中的流入电网的三相电流测量电路46和电网节点的三相电压测量电路47分别测量三相可控PWM桥式逆变器输送到电网上的三相电流信号和三相电压信号，经基于三相锁相的功率计算电路6，计算出输送到电网上的实时功率信号，其中的实时有功功率信号和给定功率电路7中的给定有功功率信号以及来自风速测量电路41的风速信号，一起送至独立变桨功率控制电路1；实时有功功率信号与给定有功功率信号被送入控制桨距角的功率PI电路11中，其差值经PI运算后送至受风速控制的双联双掷切换开关13，风速信号控制切换开关13，当风速信号大于额定风速时，切换开关13选择功率PI电路11，实现强风速下，按给定功率的控制。当风速信号低于额定风速时，切换开关13选择桨距角置零控制电路12，实现弱风速下，尽可能多地吸取风能的控制（参见图2）。

[0024] 见图1、3，测量滤波电路4中的风速测量电路41、转子相位测量电路42、转子转速测量电路43、三相定子电流测量电路44、电容器两端直流电压测量电路45，分别把测量所得的风速信号、永磁发电机的转子相位信号、转子转速信号、三相定子电流信号、整流器直流侧电容两端的直流电压信号，以及基于三相锁相的功率计算电路6计算出的实时有功功率信号和给定功率电路7的给定有功功率信号，送至与永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器连接的功率控制电路2中，其中，三相定子电流信号和转子相位信号经过三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路21，把定子三相abc交流电流信号转换为二相dq直流电流信号，再和给定的二相dq电流值以及转子转速信号一起，经过二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22，计算出控制三相定子电流达到给定值，AC-DC桥式整流器交流侧所需要的二相dq直流电压值，此值和转子相位信号以及整流器直流侧电容两端的直流电压信号一起，再经过二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路23，转换成AC-DC桥式整流器交流侧所需要的三相abc交流电压值，最后把此三相电压值作为参考电压值，送至三相PWM脉冲发生器24，产生相应的控制永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的PWM控制脉冲信号。上述电路构成永磁发电机三相定子电流的二相dq电流按给定值的内环电流PI控制，因为d轴电流分量代表着三相定子电流的无功分量，q轴电流分量代表着三相定子电流的有功分量，而有功电流分量又代表着电磁力矩的大小，从而实现了对永磁发电机无功电流和电磁力矩的控制。本发明中，为提高永磁发电机的电磁利用率，把无功电流分量也就是d轴电流分量控制为零，只进行电磁力矩也就是q轴电流分量按给定值的控制。

[0025] 功率计算电路6的实时功率信号和给定功率电路7的有功功率给定值接至按给定功率控制的外环PI功率控制电路25，其输出作为受最优转速限制的转速中环PI控制电路27的转速给定值，从而实现通过转速来控制功率的目的，最优转速则是由依据风速计算最优转速电路26中预置的数学公式计算得到。给定的额定转速电路29送至额定转速中环PI控制电路20，受最优转速限制的转速中环PI控制电路27和额定转速中环PI控制电路20的输出端，均接至受风速控制的双联双掷切换开关28，当强风速时，风速测量电路41的风速信号控制切换开关28选择额定转速中环PI控制电路20，其输出端作为二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22的给定q轴电流值，通过对内环q轴电流的控制，实现对永磁发电机的电磁力矩的控制，从而实现包含有额定转速中环PI控制电路20、二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22的基于双环PI控制的永磁发电机额定转速的控制。
当弱风速时，风速信号控制切换开关28选择受最优转速限制的转速中环PI控制电路27，同样，通过对内环二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22的给定q轴电流值的控制，实现包含有按给定功率控制的外环PI功率控制电路25、受最优转速限制的转速中环PI控制电路27和二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22的基于三环PI控制的永磁发电机按给定功率的控制。因为功率的控制是基于既控制了风力发电机组的转速又控制了永磁发电机的电磁力矩的基础上进行的，因此能实现全风况下稳健的功率控制。

[0026] 见图1、4，测量滤波电路4中的电容器两端直流电压测量电路45、流入电网的三相电流测量电路46和电网节点的三相电压测量电路47分别测量出直流侧电容两端的直流电压信号、输送至电网的三相电流信号、电网节点上的三相电压信号，其中：直流电压信号和三相电流信号被送入电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3中；三相电压信号还经过三相锁相电路5分别取三相电压信号的频率信号和相位信号，这两种信号也被送入电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3中；三相电压信号和三相电流信号还被送入基于三相锁相的实时功率计算电路6中，计算所得的实时功率信号中的实时有功功率信号被送入独立变桨功率控制电路1、永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2、它的实时无功功率信号被送入电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3。

[0027] 在电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3中，三相电流信号、三相电压信号以及来自三相锁相电路5的三相电压信号的频率信号和相位信号接至三相静止abc坐标转换为二相旋转dq坐标的转换电路31，把三相交流abc电压电流信号转换为二相dq轴直流电压电流信号，再和三相电压信号的频率信号以及来自电容端直流电压PI控制电路36和无功功率PI控制电路37所给定的二相dq轴直流电流信号一起，经过二相dq电流的基于前馈解耦的内环电流PI控制电路32，计算出dq轴直流电流信号达到给定值所需要的DC-AC桥式逆变器交流侧的二相dq直流电压值，再和三相锁相电路5的三相电压信号的频率信号和相位信号以及整流器直流侧电容两端的直流电压信号一起，经过二相旋转dq坐标转换为三相静止abc坐标的反坐标转换电路33，把二相dq直流电压值转换成三相abc交流电压值，作为三相交流参考电压值送至三相PWM脉冲发生器34，产生控制三相电流信号达到所需要的给定电流值所对应的PWM脉冲信号。上述电路实现的是电网侧DC-AC桥式逆变器二相dq轴电流的内环PI控制，由于内环d轴电流代表着桥式逆变器转换功率的有功功率分量，内环q轴电流代表着桥式逆变器转换功率的无功功率分量，因此，调节d轴电流的给定值，能实现有功功率的控制，进而实现恒定桥式逆变器直流侧电容器两端直流电压的控制；调节q轴电流的给定值，能实现输送至电网的无功功率的控制。

[0028] 测量滤波电路4中的电容器两端直流电压测量电路45测量得到的电容器两端直流电压值和电容端直流电压的给定值35接至电容端直流电压PI控制电路36中，其输出作为前馈解耦的内环电流PI控制电路32的d轴电流的给定值，因为d轴电流代表着输送至电网的有功功率的大小，从而能实现调节输送至电网的有功功率来恒定桥式逆变器直流侧电容两端电压的目的。实时功率计算电路6中的实时无功功率信号和给定功率电路7中的给定无功功率信号被接至无功功率PI控制电路37，其输出作为前馈解耦的内环电流PI控制电路32的q轴电流的给定值，因为q轴电流直接代表着输送至电网的无功功率的大小，所以能控制输送至电网的无功功率。

[0029] 上述系统中的所有单元电路均采用现有技术，具体电路在此不再赘述。

[0030] 本发明中用于全风况下，永磁风力发电机组按给定功率控制的功率控制系统的控制方法，包括如下步骤：

[0031] 首先设定在某一风速下，当桨距角为零且所对应的风力发电机组被控制在额定转速的情况下，输出的电磁功率为额定功率，此时所对应的某一风速，定义为额定风速；以额定风速为界，根据实测的风速信号值，分两种情况进行控制：

[0032] 1）当风速测量电路41所测得的风速信号在额定风速以上时，独立变桨功率控制电路1中的风涡轮叶片桨距角驱动电路14通过一个受风速控制的双联双掷切换开关13选择按给定有功功率控制桨距角的功率PI电路11，通过调节桨距角的大小来控制风能转换为机械能的大小，从而实现按给定有功功率的控制；同时，永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2中的二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22通过一个受风速控制的双联双掷切换开关28选择额定转速中环PI控制电路20，构成外环为转速控制，内环为有功电流q轴分量的控制，实现额定转速的双环PI控制。

[0033] 2）风速测量电路41所测得的风速信号在额定风速以下时，独立变桨功率控制电路1中的风涡轮叶片桨距角驱动电路14通过一个受风速控制的双联双掷切换开关13选择桨距角置零控制电路12，控制桨距角为零，从而尽可能多地控制风能转换为机械能；同时，永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2中的二相dq电流的基于前馈解耦的内环PI控制电路22通过一个受风速控制的双联双掷切换开关28选择受最优转速限制的转速中环PI控制电路27以及按给定功率控制的外环PI功率控制电路25，构成外环为功率控制，中环为受最优转速限制的转速控制，内环为dq轴电流控制的基于三环PI控制的功率控制电路，实现弱风速时按给定功率控制永磁风力发电系统功率输出的目的。此时，又分为两种情况：

[0034] a) 当风功率充足时，也就是能吸收的最大风功率大于给定功率的时候，通过前述的三环PI控制的功率控制电路，转速被控制在最优转速范围内对应于给定功率的对应转速值上，实现按给定功率的控制输出。这样，能有效的抑制一部分由于风功率的随机性和间歇性所引起的对电网的功率波峰扰动的影响。

[0035] b) 当风功率不足时，即使吸取最大的风功率，都会小于给定功率，永磁风力发电机的AC-DC桥式整流器的功率控制电路2中的三环PI控制的功率控制电路的按给定功率控制的外环PI功率控制电路25的输出，会始终使受最优转速限制的转速中环PI控制电路27的给定值增加，从而控制转速增加。如果不限制转速的增加，转速将超过最优转速，增大到一个不可再增加的最高转速值上，此时，依据图5所示的输出功率的标么值随叶片角速度的变化曲线，对应的输出功率肯定会低于最优转速所对应的最大输出功率值，造成在风功率不足的时候，向下凹的功率波动更大。因此，为了减弱这种向下凹的波动，本发明的方法在于利用前述基于三环PI控制的功率控制电路既控制转速、又控制电磁力矩的特点，限制转速在该风速所对应的最优转速范围内，当风功率不足的时候，转速被限定在最优转速值上，自动实现最大风功率的追踪，从而减弱了由于不是最大风功率追踪而引起的更大幅度向下凹的功率波动。

[0036] 3）最优转速的确定是利用依据风速计算最优转速电路26中的预置计算公式得来的。依据式计算得到最优转速，式中，为特定风涡轮机组所具有的最优叶尖速比，为风涡轮叶片半径；也可以依据风力发电运行经验所得到的最优转速与风速的拟合函数关系式，计算出最优转速。

[0037] 4）前述整个控制过程中，电网侧DC-AC桥式逆变器的功率控制电路3中的电容端直流电压的给定值35和电容器两端直流电压测量电路45测量得到的电容器两端直流电压值，通过电容端直流电压PI控制电路36以及前馈解耦的内环电流PI控制电路32，实现调节输送至电网的有功功率的大小，恒定电容器两端直流电压的双环PI控制，从而始终保持电容器两端的直流电压为一个恒定值；实时功率计算电路6中的实时无功功率信号和给定功率电路7中的给定无功功率信号则通过无功功率PI控制电路37以及前馈解耦的内环电流PI控制电路32，控制输送至电网的无功功率，实现基于双环PI控制的按给定无功功率控制的目的。