一种用于风力发电机组的转速控制方法

摘要

本发明的目的是提供一种用于风力发电机组的转速控制方法，该风力发电机组在区间[Wrate，Wrate+ΔW]下工作在恒转速区，Wrate为额定风速，ΔW为风速增量。本发明提供的转速控制方法有以下三大功能：1、无变桨机构的风力发电机组在不损失机组效率的前提下，有效的实现风轮转速控制；2、带变桨机构的风力发电机组，可以大大的降低不易检修、维护的变桨机构动作频次，降低变桨机构因机械疲劳而损坏的可能性，延长变桨机构的维护周期。3、自适应功能，根据历史数据，自动调整参数，使之与系统特性相适应。

权利要求

1.一种用于风力发电机组的转速控制方法，该风力发电机组在区间[Wrate,Wrate+△W]下工作在恒转速区，Wrate为额定风速，△W为风速增量，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、检测风速，实时判断风速是否小于Wrate，若是，则进入步骤2，若不是，则进入步骤3；

步骤2、计算当前风速下最大Cp对应的期望转速Rs，其中，Cp为风能利用系数，是叶尖速比λ的函数，λ＝ωR/V，ω为风轮角速度，即转速，R为风轮半径，V为风速，进入步骤4；

步骤3、实时判断风速是否小于Wrate+△W，若是，将期望转速Rs设定为额定转速Rrate，进入步骤4，若不是，将期望转速Rs设定为根据风速计算出的额定功率所需的最小转速；

步骤4、计算转速调整量△Rs，△Rs＝Rs-Rpm，式中，Rpm为实际风轮转速，进入步骤5；

步骤5、判断转速调整量△Rs是否大于控制精度a，若是，则根据转速调整量△Rs计算泄荷占空比，若不是，则返回步骤1。

说明书

一种用于风力发电机组的转速控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用定桨距风力发电机组和变桨距风力发电机组的转速控制方法，增强风力发电机组控制器与变流器的协作能力，通过母线泄荷脉宽调制，实现对风力发电机组风轮转速的控制。

背景技术

[0002] 风电是资源潜力大、技术基本成熟的可再生能源。近年来，全球资源环境约束加剧，气候变化日趋明显，风电越来越受到世界各国的高度重视，并在各国的共同努力下得到了快速发展。我国可开发利用的风能资源十分丰富，在国家政策措施的推动下，经过十年的发展，我国的风电产业从粗放式的数量扩张，向提高质量、降低成本的方向转变，风电产业进入稳定持续增长的新阶段。

[0003] 当前的主流机型以变桨距变速机组为主，该机组不仅实现了额定风速以下的最大功率跟踪控制，提高了机组的风能利用效率，还可以通过调节桨距角，方便地实现额定风速以上恒功率运行。桨距角调节过程中，叶片与轮毂连接的轴承需要承受更大的应力，容易出现机械疲劳损坏。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是：不通过调节桨距角，很好地实现风力发电机组的转速控制。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种用于风力发电机组的转速控制方法，该风力发电机组在区间[Wrate,Wrate+△W]下工作在恒转速区，Wrate为额定风速，△W为风速增量，其特征在于，包括以下步骤：

[0006] 步骤1、检测风速，实时判断风速是否小于Wrate，若是，则进入步骤2，若不是，则进入步骤3；

[0007] 步骤2、计算当前风速下最大Cp对应的期望转速Rs，其中，Cp为风能利用系数，是叶尖速比λ的函数，λ＝ωR/V，ω为风轮角速度，即转速，R为风轮半径，V为风速，进入步骤4；

[0008] 步骤3、实时判断风速是否小于Wrate+△W，若是，将期望转速Rs设定为额定转速Rrate，进入步骤4，若不是，将期望转速Rs设定为根据风速计算出的额定功率所需的最小转速；

[0009] 步骤4、计算转速调整量△Rs，△Rs＝Rs-Rpm，式中，Rpm为实际风轮转速，进入步骤5；

[0010] 步骤5、判断转速调整量△Rs是否大于控制精度a，若是，则根据转速调整量△Rs计算泄荷占空比，若不是，则返回步骤1。

[0011] 本发明提供的转速控制方法有以下三大功能：1、无变桨机构的风力发电机组在不损失机组效率的前提下，有效的实现风轮转速控制；2、带变桨机构的风力发电机组，可以大大的降低不易检修、维护的变桨机构动作频次，降低变桨机构因机械疲劳而损坏的可能性，延长变桨机构的维护周期。3、自适应功能，根据历史数据，自动调整参数，使之与系统特性相适应。

[0012] 本发明提供的基于转矩与风轮转速间的关系，控制风轮转矩的设计方法具有如下有益的效果：

[0013] 1)应用范围广，适用于所有类型风力发电机组；

[0014] 2)控制方法简单可靠易实施，适用于风力发电机组不同的运行状态：启动过程、风轮空转、并网运行；

[0015] 3)所有测量过程均利用风力发电机组原有组件，无需额外更加元器件，不需增加硬件成本；

[0016] 4)与风轮桨距角控制风轮转速方法完美兼容，一同使用大大的提高了系统的安全性与稳定性。

附图说明

[0017] 图1为Cp与λ关系图；

[0018] 图2为机组工作状态；

[0019] 图3为本发明的流程图。

具体实施方式

[0020] 为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

[0021] 根据风能定律，风力机输出的气动转矩Tm＝0.5ρπR3CTV2，式中，R为风轮半径，V为风速，ρ为空气密度，CT仅为风力发电机组叶尖速比λ的函数，λ＝ωR/V，ω为风轮旋转的角速度。风力发电机组传动系统的数学模型为：Tm–Te–Bωg＝Jdωg/dt，式中，Te为发电机的电磁转矩，B为系统的等效转动粘滞系数，ωg为发电机旋转的角速度，J为系统的等效转动惯量(系统特性)。根据上述关系可知，风轮角加速度α＝dωg/dt＝(Tm–Te–Bωg)/J，适当调节发电机的电磁转矩Te，可以控制风轮角加速度，即控制风轮转速。

[0022] 本发明提出一种PWM泄荷的控制方法，根据需要增加发电机的电磁转矩。

[0023] 风轮从风中捕捉的风能Pwind＝(1/2)*Cp*ρ*Acosθ*V3，式中，Pwind为风轮吸收的风能，Cp为风能利用系数，ρ为空气密度，A为风轮面积，θ为迎风角度，V为风速。桨距角不变时，风轮利用系数Cp仅为叶尖速比λ的函数，Cp与λ关系如图1所示。

[0024] 如图2所示，机组工作在小于额定风速的风速下，通过调节发电机的电磁转矩，调节风力发电机组的转速，以最大Cp值对应的转速运行；机组工作在额定风速下，以额定转速下额定功率运行；机组工作在大于额定风速的风速下，通过调节发电机的电磁转矩，降低风力发电机组的转速，从而降低机组的叶尖速比。使机组进入低叶尖速比的失速区，以恒功率运行。

[0025] 结合图3，本发明提供的一种用于风力发电机组的转速控制方法包括以下步骤，其中，风力发电机组在区间[Wrate,Wrate+△W]下工作在恒转速区，Wrate为额定风速，△W为风速增量：

[0026] 步骤1、检测风速，实时判断风速是否小于Wrate，若是，则进入步骤2，若不是，则进入步骤3；

[0027] 步骤2、计算当前风速下最大Cp对应的期望转速Rs，其中，Cp为风能利用系数，是叶尖速比λ的函数，λ＝ωR/V，ω为风轮角速度，即转速，R为风轮半径，V为风速，进入步骤4；

[0028] 步骤3、实时判断风速是否小于Wrate+△W，若是，将期望转速Rs设定为额定转速Rrate，进入步骤4，若不是，将期望转速Rs设定为根据风速计算出的额定功率所需的最小转速；

[0029] 步骤4、计算转速调整量△Rs，△Rs＝Rs-Rpm，式中，Rpm为实际风轮转速，进入步骤5；

[0030] 步骤5、判断转速调整量△Rs是否大于控制精度a，若是，则根据转速调整量△Rs计算泄荷占空比，若不是，则返回步骤1。