一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统

摘要

本发明公开了一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统，该方法包括：采集变速风电机组的发电机的电压信号及电流信号，并计算得出发电机输出的电磁转矩；采集变速风电机组的转速信息；根据电磁转矩及转速信息，结合变速风电机组的惯量数据，计算得出气动转矩估计量；计算气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值，并通过低通滤波器根据差值构建转矩附加值，最终得到转矩控制给定值。该系统包括：电压传感器、电流传感器、转速传感器、电磁转矩计算系统、气动转矩估计量计算系统、低通滤波器、转矩附加值构建系统及转矩控制给定值计算系统。本发明考虑了平滑输出功率在电网敏感功率段波动的电网友好目标，同时兼顾了发电量提升。

权利要求

1.一种变速风电机组的分频控制方法，其特征在于，包括：S11：采集变速风电机组的发电机的电压信号以及电流信号，并根据所述电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；采集变速风电机组的转速信息；

S12：根据所述电磁转矩以及转速信息，结合所述变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；

S13：计算所述气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值，并通过低通滤波器根据所述差值构建转矩附加值，最终得到转矩控制给定值；

所述S13中的转矩附加值为：

其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比； 为气动转矩估计量；

所述S13中的低通滤波器为一阶低通滤波器，即 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。

2.根据权利要求1所述的变速风电机组的分频控制方法，其特征在于，所述S12中气动转矩估计量的计算公式为：其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

3.根据权利要求1所述的变速风电机组的分频控制方法，其特征在于，所述S13中的转矩控制给定值的计算公式为：

4.一种变速风电机组的分频控制系统，其特征在于，包括：电压传感器、电流传感器、转速传感器、电磁转矩计算系统、气动转矩估计量计算系统、低通滤波器、转矩附加值构建系统以及转矩控制给定值计算系统；其中，所述电压传感器用于采集变速风电机组的发电机的电压信号；

所述电流传感器用于采集变速风电机组的发电机的电流信号；

所述转速传感器用于采集变速风电机组的发电机的转速信息；

所述电磁转矩计算系统用于根据所述电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；

所述气动转矩估计量计算系统用于根据所述电磁转矩以及转速信息，结合所述变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；

所述转矩附加值构建系统用于根据所述气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值通过所述低通滤波器构建转矩附加值；

所述转矩控制给定值计算系统用于根据所述转矩附加值计算转矩控制给定值；

所述转矩附加值为：

其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比； 为气动转矩估计量；

所述低通滤波器为一阶低通滤波器，即 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。

5.根据权利要求4所述的变速风电机组的分频控制系统，其特征在于，所述气动转矩估计量计算系统中气动转矩估计量的计算公式为：其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

6.根据权利要求4所述的变速风电机组的分频控制系统，其特征在于，所述转矩控制给定值计算系统中的转矩控制给定值的计算公式为：

说明书

一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源发电技术领域，特别涉及一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统。

背景技术

[0002] 在额定风速以下，变速风电机组大多通过最优转矩控制(OTC,optimal torque control)控制转速，实现风机变速运行段的最大功率跟踪，即让机组转速跟踪变化的风速，使得机组叶尖速比处于最优。由于大型风电机组惯量巨大，因此这种控制方法下转速跟踪的时间常数大，使得机组转速在动态过程中很难跟踪上变化的风速，造成机组叶尖速比偏离最优值，损失发电量。但是带来的好处是转矩波动和功率波动均较小。为了提高发电量有学者提出改进的转矩控制，在最优转矩控制的基础上附加一个转矩附加值，增大风机气动转矩和发电机电磁转矩的转矩差，来加快机组转速的动态跟踪过程，提高发电量。

[0003] 这种改进的最优转矩控制的核心在于如何确定合适的转矩附加值，已有的技术研究中通过机组转速微分的比例量或对气动转矩的估计量构造转矩附加值，导致转矩控制量对风速或转速的变动过于敏感，尤其是当风速波动频率较高时，机组输出的功率波动很大，造成对电网的不利影响，不符合电网友好的并网要求。为了平滑功率波动，一些技术采用了储能装置或通过变桨控制降功率运行，前者会增加系统的成本，而后者又会损失发电量，和提高发电量的经济性目标产生矛盾。

[0004] 因此，急需提供一种既能降低成本，又不损失发电量的变速风电机组的控制方法及控制系统。

发明内容

[0005] 本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种变速风电机组的分频控制方法及控制系统，综合考虑了自然风的能量频谱和电网对功率波动敏感频段，最大程度的优化了利用自然风中能量和抑制功率波动的综合目标。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

[0007] 本发明提供一种变速风电机组的分频控制方法，其包括：

[0008] S11：采集变速风电机组的发电机的电压信号以及电流信号，并根据所述电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；采集变速风电机组的转速信息；

[0009] S12：根据所述电磁转矩以及转速信息，结合所述变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；

[0010] S13：计算所述气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值，并通过低通滤波器根据所述差值构建转矩附加值，最终得到转矩控制给定值。

[0011] 较佳地，所述步骤S12中气动转矩估计量的计算公式为：

[0012]

[0013] 其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

[0014] 较佳地，所述步骤S13中的低通滤波器为一阶低通滤波器，即 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。一阶滤波器结构简单，采用一阶滤波器有利于简化控制系统设计和分析。

[0015] 较佳地，所述步骤S13中的转矩附加值为：

[0016] 其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比。

[0017] 较佳地，所述步骤S13中的转矩控制给定值的计算公式为：

[0018]

[0019] 本发明还提供一种变速风电机组的分频控制系统，其包括：电压传感器、电流传感器、转速传感器、电磁转矩计算系统、气动转矩估计量计算系统、低通滤波器、转矩附加值构建系统以及转矩控制给定值计算系统；其中，

[0020] 所述电压传感器用于采集变速风电机组的发电机的电压信号；

[0021] 所述电流传感器用于采集变速风电机组的发电机的电流信号；

[0022] 所述转速传感器用于采集变速风电机组的发电机的转速信息；

[0023] 所述电磁转矩计算系统用于根据所述电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；

[0024] 所述气动转矩估计量计算系统用于根据所述电磁转矩以及转速信息，结合所述变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；

[0025] 所述转矩附加值构建系统用于根据所述气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值通过所述低通滤波器构建转矩附加值；

[0026] 所述转矩控制给定值计算系统用于根据所述转矩附加值计算转矩控制给定值。

[0027] 较佳地，所述气动转矩估计量计算系统中气动转矩估计量的计算公式为：

[0028]

[0029] 其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

[0030] 较佳地，所述低通滤波器为一阶低通滤波器，即

[0031] 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。

[0032] 较佳地，所述转矩附加值构建系统中的转矩附加值为：

[0033] 其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比。

[0034] 较佳地，所述转矩控制给定值计算系统中的转矩控制给定值的计算公式为：

[0035]

[0036] 相较于现有技术，本发明具有以下优点：

[0037] (1)本发明的变速风电机组的分频控制方法及控制系统，综合考虑了自然风的能量频谱和电网对功率波动敏感频段，合理设置了滤波器参数，最大程度的优化了利用自然风中能量和抑制功率波动的综合目标；

[0038] (2)本发明的变速风电机组的分频控制方法及控制系统，在最优转矩控制的基础上确定合适的转矩附加值形式，使得机组转速对富含能量的中低频风速波动跟踪能力增强，提高发电量；同时确定合适的分频控制方法，抑制机组功率对所含能量较少的高频风速波动进行响应；

[0039] (3)本发明的变速风电机组的分频控制方法及控制系统，采用风机气动转矩估计值和理论最优转矩值作差后引入电磁转矩控制，变化量幅度相对稳定，避免造成发电机转矩剧烈波动；

[0040] (4)本发明的变速风电机组的分频控制方法及控制系统，采用了低通滤波器，通过参数设置，减弱了转矩控制对高频风速波动的响应，有效地抑制了不必要的输出功率波动；且本发明仅采用简单形式的低通滤波器来进行平滑功率波动，成本较低，控制策略简单。

[0041] 当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

[0042] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

[0043] 图1为本发明的实施例的变速风电机组的分频控制方法的流程图；

[0044] 图2为本发明的实施例的变速风电机组的分频控制系统的结构示意图；

[0045] 图3为本发明的较佳实施例的变速风电机组的分频控制系统的结构图。

[0046] 标号说明：1-电压传感器，2-电流传感器，3-转速传感器，4-电磁转矩计算系统，5-气动转矩估计量计算系统，6-低通滤波器，7-转矩附加值构建系统，8-转矩控制给定值计算系统。

具体实施方式

[0047] 下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0048] 如图1所示为本发明一实施例的变速风电机组的分频控制方法的流程图。

[0049] 请参考图1，本实施例的变速风电机组的分频控制方法包括以下步骤：

[0050] S11：采集变速风电机组的发电机的电压信号以及电流信号，并根据电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；采集变速风电机组的转速信息；

[0051] S12：根据电磁转矩以及转速信息，结合变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；

[0052] S13：计算气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值，并通过低通滤波器根据差值构建转矩附加值，最终得到转矩控制给定值。

[0053] 具体地，一实施例中，步骤S12中气动转矩估计量的计算公式为：

[0054]

[0055] 其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

[0056] 一实施例中，步骤S13中的低通滤波器为一阶低通滤波器，即 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。

[0057] 一实施例中，步骤S13中的转矩附加值为：

[0058] 其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比。

[0059] 一实施例中，步骤S13中的转矩控制给定值的计算公式为：

[0060]

[0061] 如图2所示为本发明一实施例的变速风电机组的分频控制系统的结构示意图。

[0062] 请参考图2，本实施例的变速风电机组的分频控制系统包括：电压传感器1、电流传感器2、转速传感器3、电磁转矩计算系统4、气动转矩估计量计算系统5、低通滤波器6、转矩附加值构建系统7以及转矩控制给定值计算系统8。其中，电压传感器1用于采集变速风电机组的发电机的电压信号；电流传感器2用于采集变速风电机组的发电机的电流信号；转速传感器3用于采集变速风电机组的发电机的转速信息；电磁转矩计算系统4用于根据电压信号以及电流信号计算得出发电机输出的电磁转矩；气动转矩估计量计算系统5用于根据电磁转矩以及转速信息，结合变速风电机组的惯量数据，通过转子运动学方程，计算得出气动转矩估计量；转矩附加值构建系统7用于根据气动转矩估计量与理论最优控制转矩的差值通过低通滤波器6构建转矩附加值；转矩控制给定值计算系统8用于根据转矩附加值计算转矩控制给定值。

[0063] 图3为本发明的一较佳实施例的变速风电机组的分频控制系统的结构图。具体地，气动转矩估计量计算系统中气动转矩估计量的计算公式为：

[0064]

[0065] 其中，Te为电磁转矩，ω为转速信息，Jsum为惯量数据。

[0066] 低通滤波器为一阶低通滤波器，即 其中，M为比例常数，T为滤波器时间常数。

[0067] 转矩附加值构建系统中的转矩附加值为： 其中，kopt为最优转矩控制系数， ρ为空气密度，R为风力机叶片的旋转半径，Cpmax为最优风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比。

[0068] 转矩控制给定值计算系统中的转矩控制给定值的计算公式为：

[0069]

[0070] 此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。