一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法

摘要

本发明涉及一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，当电网电压跌落时，转速控制器实现变量马达摆角控制，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵的转速，以此将剩余功率存储到风轮；当风轮储存能量达到设定值时，功率控制器控制比例节流阀开度，将系统多余能量转化为热能。系统中可控变量包括比例节流阀控制信号和变量马达斜盘摆角控制信号。本发明采用双变量控制策略，控制系统具有两个被控变量，两者协调控制；提出了两控制变量协调控制方法及能量分配方案；增加比例节流单元，使整个系统响应加快，同时系统多一个可调参数，使控制更加灵活。

权利要求

1.一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，实现该控制方法的液压系统硬件配置包括风轮(1)、第一转速转矩传感器(2)、定量泵(3)、高压管路(4)、第一单向阀(5)、第一压力传感器(6)、比例节流阀(7)、第二压力传感器(8)、流量传感器(9)、安全阀(10)、变量马达(11)、第二转速转矩传感器(12)、发电机(13)、多功能仪表(14)、电网(15)、补油泵(16)、溢流阀(17)、油箱(18)、第二单向阀(19)、低压管路(20)、风速传感器(21)、功率控制器(22)和转速控制器(23)；

风轮(1)直接与定量泵(3)同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器(2)，风轮附近安装风速传感器(21)；定量泵(3)进油口从低压管路(20)吸油，压油口通过高压管路(4)输出高压油，高压管路(4)上串联比例节流阀(7)，并在比例节流阀(7)前后的高压管路(4)上分别布置第一压力传感器(6)、第二压力传感器(8)和流量传感器(9)；安全阀(10)跨接在高压管路(4)和低压管路(20)之间，防止高压管路(4)过载；变量马达(11)吸油口与高压管路(4)相连，其排油口与低压管路(20)相连，变量马达(11)同轴驱动发电机(13)发电，输入电能到电网(15)，变量马达(11)与发电机(13)连接轴上安装第二转速转矩传感器(12)，并在电网(15)与发电机(13)之间安装多功能仪表(14)；补油泵(16)吸油口与油箱(18)相连，其压油口分别连接第一单向阀(5)和第二单向阀(19)，进而通过高低压力管路为系统补油，溢流阀(17)跨接在补油泵压油口与油箱(18)之间，用于设定补油泵出口压力；功率控制器(22)输入端连接第一转矩传感器(2)、第一压力传感器(6)、第二压力传感器(8)、多功能仪表(14)和风速传感器(21)，其输出端连接比例节流阀(7)；转速控制器(23)输入端连接流量传感器(9)、第二转速转矩传感器(12)和多功能仪表(14)，其输出端连接变量马达(11)；

其特征在于：该控制方法包括如下内容：

当电网电压跌落时，首先转速控制器(23)控制变量马达(11)摆角：转速控制器(23)通过第二转速转矩传感器(12)采集发电机转速，流量传感器(9)采集节流后流量，多功能仪表(14)采集电网频率，然后转速控制器(23)输出控制信号，实现变量马达(11)摆角控制，增大变量马达(11)的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵(3)的转速，以此将剩余功率存储到风轮；

当风轮储存能量达到设定值时，功率控制器(22)控制比例节流阀(7)：首先功率控制器(22)通过风速传感器(21)采集风速，第一转速转矩传感器(2)采集风轮转速，第一压力传感器(6)采集节流前压力、第二压力传感器(8)采集节流后压力、多功能仪表(14)采集发电机功率，然后功率控制器(22)输出控制信号，控制比例节流阀开度，将系统多余能量转化为热能；

通过比例节流阀和变量马达摆角的协同控制，最终实现对液压系统与发电机瞬态特性进行控制，并对系统中多余能量实施合理分配，从而实现低电压穿越。

说明书

一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于风力发电技术领域，涉及液压型风力发电机的主传动系统，用液压传动设备以及液压控制系统代替传统的齿轮箱传动系统和直驱式传动系统，特别涉及一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法。

背景技术

[0002] 风能资源是清洁的可再生能源，不消耗任何燃料，也不产生二氧化碳，不污染环境。风力发电是新能源技术最成熟、最具规模开发条件和极具商业化发展前景的发电方式之一。世界上很多国家，尤其是发达国家，已意识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方而的重要性，对风电的开发给予了高度重视。

[0003] 从风力机产生到现在，风力机传动系统经历了齿轮箱式、直驱式及近几年刚出现的液压型三种传动形式。

[0004] 目前，齿轮箱式风力发电机组由于出现时间长，技术相对成熟，应用广泛。其主要包括风轮、齿轮箱、发电机、整流器及逆变器等部分，齿轮箱为其关键零部件，输入为风轮的低转速，输出为发电机的高转速，两者具有稳定的增速比。目前齿轮箱式风力发电机组的发电机一般采用双馈异步发电机，风力发电机组通过控制整流、递变系统实现变速恒频。

[0005] 直驱式风力发电机组省略齿轮箱，风轮与发电机直接连接，发电机通过整流器、逆变器等与电网相连。由于风轮转速较低，要求直接连接的发电机能够在低转速下正常运行，发电机极数较多，体积大，重量大，并且实现变频恒速的电子控制方法复杂。

[0006] 液压型风力发电机组采用定量泵-变量马达闭式液压回路，风轮与定量泵连接，变量马达与发电机连接，采用液压系统代替齿轮箱，将风轮与发电机的刚性连接转化为柔性连接，在风速较大及风速波动剧烈情况下，有良好的阻尼缓冲作用，有效延长机组寿命。综合检测分析风轮转速、风速及定量泵出口流量，控制变量马达的摆角，使马达始终运转在
1500r/min，4极同步发电机输送到电网的电能频率为50Hz，满足电网频率要求。

[0007] 与其他风力发电机一样，液压型风力发电机组需要具备低电压穿越能力，即当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。

[0008] 我国对风电机组和风电场低电压穿越过程提出了明确要求：1)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；2)风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。对于目前尚不具备低电压穿越能力且已投运的风电场，应积极开展机组改造工作，以具备低电压穿越能力；3)对故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后快速恢复，以至少10％额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。

[0009] 目前，液压型风力发电机组低电压穿越控制技术发展状况：

[0010] 中国专利CN200980136335.3中，挪威ChapDrive公司研发的涡轮机速度控制系统，采用定量泵-变量马达闭式液压系统，控制系统采用涡轮机转子旋转速度反馈控制环和压力反馈控制环，分别通过转速信号和压力信号设定变量马达排量，有效的实现低电压穿越控制。而其控制变量只有马达摆角，可调参数较少，控制不够灵活。

[0011] 欧洲专利EP2481917A1A中，挪威ChapDrive公司提出了一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统。该系统包括控制单元和一个跨接在高压管路和低压管路之间的流量控制阀，电网的电压被发送到控制单元，流量控制阀从控制单元中接收信号，进而控制高压管路到低压管路的油液流动，最终实现低电压穿越。该方法存在变量马达摆角和流量控制阀两个控制变量，控制更加灵活，但未对控制过程中两控制变量协调控制方法及能量分配方案进行阐述。

发明内容

[0012] 本发明的目的是提供一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，用于电网出现故障导致电网电压暂态跌落时对系统进行控制。该控制方法具备传统液压型风力发电机组传动灵活、可靠性高的优点，同时避免了其控制变量单一的缺点。

[0013] 为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0014] 一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，实现该控制方法的液压系统硬件配置包括风轮1、第一转速转矩传感器2、定量泵3、高压管路4、第一单向阀5、第一压力传感器6、比例节流阀7、第二压力传感器8、流量传感器9、安全阀10、变量马达11、第二转速转矩传感器12、发电机13、多功能仪表14、电网15、补油泵16、溢流阀17、油箱18、第二单向阀19、低压管路20、风速传感器21、功率控制器22和转速控制器23等元件和装置;

[0015] 风轮1直接与定量泵3同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器2，风轮附近安装风速传感器21；定量泵3进油口从低压管路20吸油，压油口通过高压管路4输出高压油，高压管路4上串联比例节流阀7，并在比例节流阀7前后的高压管路4上分别布置第一压力传感器6、第二压力传感器8和流量传感器9；安全阀10跨接在高压管路4和低压管路20之间，防止高压管路4过载；变量马达11吸油口与高压管路4相连，其排油口与低压管路20相连，变量马达11同轴驱动发电机13发电，输入电能到电网15，变量马达11与发电机13连接轴上安装第二转速转矩传感器12，并在电网15与发电机13之间安装多功能仪表14；补油泵16吸油口与油箱18相连，其压油口分别连接第一单向阀5和第二单向阀19，进而通过高低压力管路为系统补油，溢流阀17跨接在补油泵压油口与油箱18之间，用于设定补油泵出口压力；功率控制器22输入端连接转矩传感器2、第一压力传感器6、第二压力传感器8、多功能仪表14和风速传感器21，其输出端连接比例节流阀7；转速控制器23输入端连接流量传感器9、第二转速转矩传感器12和多功能仪表14，其输出端连接变量马达11；

[0016] 控制方法包括如下内容：

[0017] 当电网电压跌落时，首先转速控制器23控制变量马达11摆角：转速控制器23通过第二转速转矩传感器12采集发电机13转速，流量传感器9采集节流后流量，多功能仪表14采集电网频率，然后转速控制器23输出控制信号，实现变量马达11摆角控制，增大变量马达11的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵3的转速，以此将剩余功率存储到风轮1；

[0018] 当风轮1储存能量达到设定值时，功率控制器22控制比例节流阀7：首先功率控制器22通过风速传感器21采集风速，第一转速转矩传感器2采集风轮转速，第一压力传感器6采集节流前压力、第二压力传感器8采集节流后压力、多功能仪表14采集发电机13功率，然后功率传感器22输出控制信号，控制比例节流阀7开度，将系统多余能量转化为热能；

[0019] 通过比例节流阀7和变量马达11摆角的协同控制，最终实现对液压系统与发电机13瞬态特性进行控制，并对系统中多余能量实施合理分配，从而实现低电压穿越。

[0020] 本发明是由定量泵变量马达回路上功率控制的比例节流阀和闭式定量泵变量马达速度控制系统二部分组成，使整套系统有两个可控制变量：比例节流阀7和变量马达11摆角。

[0021] 本发明在电网出现故障导致电网电压暂态跌落时，对液压系统与发电机瞬态特性进行控制，并对系统中多余能量实施合理分配。液压系统与发电机瞬态控制具体方法为：当电网出现故障导致电网电压暂态跌落时，通过控制变量马达摆角，实现变量马达与发电机的动态转矩匹配，保证发电机并网运行，最终实现低电压穿越。能量分配原则为变量马达摆角控制优先，在保证风轮能量储存限度的前提下，将系统中的多余能量储存到风轮，同时对风速进行预测，为风轮转速提升预留能量空间，最后设定风轮能量储存值，当风轮储存能量达到设定值时比例节流阀作用，将系统中剩余的能量转化为热能。

[0022] 由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

[0023] 1）具有两个被控变量，两者互相协调，控制更加灵活，避免了单一控制对象的局限性，便于低电压穿越过程中同时实现功率控制和转速控制，确保低电压穿越控制过程中的快速性和可靠性；

[0024] 2）提出了两控制变量协调控制方法及能量分配方案，便于两个被控量的具体协调控制以及控制过程中能量的分配；

[0025] 3）在液压型风力发电机组低电压穿越控制系统中增加比例节流阀，使整个系统响应加快，同时系统多一个可调参数，使控制更加灵活。

附图说明

[0026] 图1表示本发明的液压原理及硬件配置系统图；

[0027] 图2表示本发明的控制系统原理图；

[0028] 图3表示本发明的控制程序图；

[0029] 图4表示本发明的能量转化图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0031] 一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，实现该控制方法的液压系统如图1所示，其硬件配置包括风轮1、第一转速转矩传感器2、定量泵3、高压管路4、第一单向阀
5、第一压力传感器6、比例节流阀7、第二压力传感器8、流量传感器9、安全阀10、变量马达
11、第二转速转矩传感器12、发电机13、多功能仪表14、电网15、补油泵16、溢流阀17、油箱
18、第二单向阀19、低压管路20、风速传感器21、功率控制器22、转速控制器23;

[0032] 风轮1直接与定量泵3同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器2，风轮附近安装风速传感器21；定量泵3进油口从低压管路20吸油，压油口通过高压管路4输出高压油，高压管路4上串联比例节流阀7，并在比例节流阀7前后的高压管路4上分别布置第一压力传感器6、第二压力传感器8和流量传感器9；安全阀10跨接在高压管路4和低压管路20之间，防止高压管路4过载；变量马达11吸油口与高压管路4相连，其排油口与低压管路20相连，变量马达11同轴驱动发电机13发电，输入电能到电网15，变量马达11与发电机13连接轴上安装第二转速转矩传感器12，并在电网15与发电机13之间安装多功能仪表14；补油泵16吸油口与油箱18相连，其压油口分别连接第一单向阀5和第二单向阀19，进而通过高低压力管路为系统补油，溢流阀17跨接在补油泵压油口与油箱18之间，用于设定补油泵出口压力；功率控制器22输入端连接转矩传感器2、第一压力传感器6、第二压力传感器8、多功能仪表14和风速传感器21，其输出端连接比例节流阀7；转速控制器23输入端连接流量传感器9、第二转速转矩传感器12和多功能仪表14，其输出端连接变量马达11；

[0033] 当电网电压跌落时，通过上述液压系统及硬件配置，调整变量马达11摆角和比例节流阀7开口度，将系统中的多余能量一方面以动能形式储存到风轮1，一方面通过节流转化为热能，以实现低电压穿越。

[0034] 图2所示是本发明的控制系统原理图。风力机风轮1在风力作用下驱动定量泵3将风能转化为液压能，经过比例节流阀7控制传递到变量马达11，与变量马达11直接连接的发电机13将电能输入电网15。具体控制过程如下：

[0035] 转速控制器23控制变量马达11摆角：首先转速控制器23通过第二转速转矩传感器12采集发电机13转速，流量传感器9采集节流后流量，多功能仪表14采集电网频率，然后转速控制器23输出控制信号，实现变量马达11摆角控制，增大变量马达11的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵3的转速，以此将剩余功率存储到风轮1。

[0036] 当风轮1储存能量达到设定值时，功率控制器22控制比例节流阀7：首先功率控制器22通过风速传感器21采集风速，第一转速转矩传感器2采集风轮1转速，第一压力传感器6采集节流前压力、第二压力传感器8采集节流后压力、多功能仪表14采集发电机13功率，然后功率传感器22输出控制信号，控制比例节流阀7开度，将系统多余能量转化为热能。

[0037] 图3所示是本发明的控制程序图。当电网电压跌落时，首先转速控制器23控制变量马达11摆角：转速控制器23通过第二速转矩传感器12采集发电机13转速，流量传感器9采集节流后流量，多功能仪表14采集电网频率，然后转速控制器23输出控制信号，实现变量马达11摆角控制，增大变量马达11的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵3的转速，以此将剩余功率存储到风轮1。

[0038] 进一步当风轮1储存能量达到设定值时，功率控制器22控制比例节流阀7：首先功率控制器22通过风速传感器21采集风速，第一转速转矩传感器2采集风轮1转速，第一压力传感器6采集节流前压力、第二压力传感器8采集节流后压力、多功能仪表14采集发电机13功率，然后功率传感器22输出控制信号，控制比例节流阀7开度，将系统多余能量转化为热能。

[0039] 通过比例节流阀7和变量马达11摆角的协同控制，最终实现对液压系统与发电机13瞬态特性进行控制，并对系统中多余能量实施合理分配，从而实现低电压穿越。

[0040] 图4所示是本发明的能量转化图。当电网电压跌落时，发电机13输出的电磁功率下降，而变量马达11输出功率保持不变，此时变量马达11和发电机13转速瞬时提高，产生剩余能量，若不加以控制，各参数都会达到安全设定值而导致风力发电机组脱网运行。本发明采用比例节流阀7与变量马达11摆角双重控制手段实现低电压穿越。一方面，比例节流阀7作用将剩余能量转化为节流损耗；一方面，调整变量马达11摆角，增大变量马达11的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵3的转速，以此将剩余功率存储到风轮1，使风轮1加速旋转达到将剩余功率储存于风轮1的目的。最终降低系统输出的有功功率，抑制目标转速波动，使发电机13稳定在同步转速。当电网电压恢复到额定电压的90%时，再次调节比例节流阀7和变量马达11摆角，实现发电机13发电功率的10%/s额定功率的速度回升，完成风电机组低电压穿越功能。

[0041] 本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。