低额定风速风力发电系统的功率控制方法
阅读：1021发布：2020-11-08
专利汇可以提供低额定风速风力发电系统的功率控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种低额定 风 速 风 力 发电系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下4个部分：1)在风速小于 切入风速 时，风机处于停止状态，输出功率为零；2)在风速高于切入风速且低于额定风速时，风机处于最大 风能 追踪状态，输出功率与风速成三次方函数关系；3)在风速高于额定风速且低于 切出风速 时，风机处于限额定功率运行状态，发电功率保持在额定功率以下 波动 ；4)在风速大于切出风速时，风机处于停止状态，输出功率为零。本发明的低额定风速风力发电系统的功率控制方法，可以实现低额定风速风力发电系统安全、可靠、高效的运行，不出现超速、过载、飞车事故。，下面是低额定风速风力发电系统的功率控制方法专利的具体信息内容。
低额定风速风力发电系统的功率控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种风力发电系统的控制系统，尤其是涉及一种低额定风速风力发电控制系统。
背景技术
[0002] 风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽，用之不竭的，在其转换为电能的过程中，不产生任何有害气体和废料，不污染环境，具有就地取材不需要运输等特点，因此受到世界各国政府的广泛重视，几乎所有的发达国家均将风能的开发利用列入本国21世纪最重要的任务。除在财政上予以大力支持外，还制定了相应的法律和法规扶持风能的开发利用。中国具有丰富的风能资源，可开发利用的地区占全国总面积的76％，在风电场的开发利用、并网型风力发电机组的商业化开发及离网型风力发电机组应用推广方面有长足的发展。特别是在解决常规电网外无电地区农牧渔民用电方面走在世界的前列，生产能力、保有量和年产量都居世界第一。
[0003] 当前国内外对于风能的开发仍把目光主要集中在高风速的风能资源丰富的地区。通过建立大型的风力发电场、研制MW级风电机组、并网运行发电，实现高效低成本的风电能转换。但是，上述地区仅占我国总面积的8％，且主要分布在经济较不发达的内陆地区。
而我国其它低风速地区同样蕴含着巨大的风能资源，却并不适合继续采用建立风电场的大规模的风电开发模式，且适用于高风速区的成熟先进的风电技术也很难平行推广至低风速地区。而低额定风速风力发电系统的控制系统的设计难点在于：
而我国其它低风速地区同样蕴含着巨大的风能资源，却并不适合继续采用建立风电场的大规模的风电开发模式，且适用于高风速区的成熟先进的风电技术也很难平行推广至低风速地区。而低额定风速风力发电系统的控制系统的设计难点在于：
[0004] 1)低风速地区的风能功率密度低，需要以更高的效率捕获转换不太丰富的风能。这就对风电机组各组成部分的性能、它们之间的配合以及整机系统的优化控制提出了更为严格的要求。
[0005] 2)低额定风速风力发电系统更加关注在大部分低风速时段内风机能够高效率工作，因此采用大尺寸叶片配合小容量电气设备的整体设计思想(相对于高额定风速风力发电系统而言)。这使得在时而出现的高风速条件下，风机容易出现“大马拉小车”的危险状况，即电能变换容量不能匹配机械功率输入。
[0006] 3)考虑到单位容量的造价成本，低额定风速风力发电系统一般不采用失速型叶片或变桨距叶片。这使得风机在大于额定风速条件下很难迅速减少叶轮风能的输入，容易导致风机超速、超功率运行，甚至风车事故。
[0007] 4)由于采用大尺寸叶片的设计思想，低额定风速风力发电系统的机舱较重，只能采用电动偏航方式，而很难采用尾舵偏航方式。此外，由于不采用先进的变桨距技术，还需要偏航控制通过叶轮偏侧对风抑制叶轮风能的输入。这对偏航控制又提出了较高的要求。
[0008] 综上所述，低额定风速风力发电控制系统设计的关键问题在于，在不借助变桨距机构或失速叶片的前提条件下，既要保证风机在低于额定风速区间内能够高效率的转化风能，又要确保在高于额定风速时能够安全可靠的不间断运行，不超速，不过载，不出现飞车事故。
发明内容
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种低额定风速风力发电系统的功率控制方法，可以实现低额定风速风力发电系统安全、可靠、高效的运行。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明提供一种低额定风速风力发电系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下4个方面：
[0011] 1)在风速小于切入风速时，风机处于停止状态，输出功率为零；
[0012] 2)在风速高于切入风速且低于额定风速时，风机处于最大风能追踪状态，输出功率与风速成三次方函数关系，即
[0013] P(ω)＝k1ω3，
[0016] 4)在风速大于切出风速时，风机处于停止状态，输出功率为零。
[0018] 图1低额定风速风力发电系统的设计风速-功率曲线；
[0019] 图2功率控制的原理框图；
[0020] 图3λ-Cp示意曲线；
[0021] 图4最佳转速-功率曲线示意图；
[0022] 图5大斜率功率曲线抑制功率的示意图；
[0024] 图7永磁发电机负载实验原理图；
[0025] 图8不同转速条件下的直流电压-机械功率曲线簇；
[0026] 图9由转速-功率点映射为直流电压-功率点。
具体实施方式
[0027] 功率控制的设计
[0028] 功率控制单元通过调整并网逆变器的逆变功率，改变叶轮的转速和风能利用系数，实现对风机输出功率的控制。
[0029] 图2给出了功率控制的原理框图，首先根据测量的直流电压VDC和预设电压-功率曲线，计算得到当前直流电压对应的参考逆变功率Pe.R。再通过PID控制器将逆变器的逆变功率Pe调节至期望值Pe.R。需要注意的是，风机通过预设电压-功率曲线实现功率控制，而不是常见的转速-功率曲线。对于带载的永磁发电机，转速和直流电压具有近似线性的关系，利用直流电压替代转速完全可行。
[0030] 功率控制的重点在于预设功率曲线，为了在不同的运行状态下实现完全不同的控制策略，电压-功率曲线的合理设置极为关键。该曲线的设置分为如下3个步骤：
[0031] 1)最大风能追踪状态下的转速-功率曲线
[0032] 在最大风能追踪状态下，功率控制需实现最大功率点跟踪(MPPT)控制，实现最大效率的捕获风能。此时，需要叶轮的转速能够追踪风速波动，保证叶轮尽可能运行于最佳叶尖速比λopt及其附近。根据贝茨理论，叶轮转化的机械功率为
[0033]
[0034] 其中，ρ为空气密度，D为叶轮直径，v为风速，Cp为风能利用系数，λ为叶尖速比。Cp与λ的函数关系示意图如图10所示。
[0035] 由图3可见，λ-Cp曲线呈现抛物线形式。其中，Cp最大值对应的λ为最佳λ，记为λopt。根据λ-Cp曲线，可以得到一簇对应于不同风速的叶轮转速-机械功率关系曲线，如图4所示。进一步地，把每一条曲线上对应于λopt的最大功率点连成曲线，即可得到最佳转速-功率曲线Popt(ω)，3
[0036] Popt(ω)＝k1ω，
[0037] 其中，A为叶轮扫风面积，R为叶轮半径， 最佳风能利用系数。
[0038] 2)限额定功率状态下的转速-功率曲线设置
[0039] 限额定功率状态下，功率控制需要抑制叶轮转速随风速的提高，通过降低叶轮的叶尖速比λ和风能利用系数Cp，使风机的输出功率维持在额定功率附近波动，不会因大风而超功率运行。为了能够抑制叶轮转速随风速的提高，限额定功率状态下的发电机电磁转矩随风速、转速的变化应较最大风能追踪状态时剧烈，对应的转速-功率曲线的斜率应足够大。
[0040] 如图5所示，如果在高于额定风速区间内继续应用最佳转速-功率曲线，则风机在9m/s风速下将要承受22.0KW的机械功率输入，远超过10KW额定功率；如果应用图中实线所示的较陡的转速-功率曲线，则在同样的大风速下，风机的输入机械功率被抑制在极限功率13KW附近。
[0041] 3)电压-功率曲线的实验获取
[0042] 直流电压便于测量，且量测的灵敏度和精确度都高于转速信号。所以，实际应用中宜采用直流电压代替转速来实时确定风机的逆变功率。为此，需要通过永磁发电机负载实验，获得发电机转速与直流电压的函数关系，并把转速-功率曲线映射为电压-功率曲线P(VDC)。
[0043] 通过上述3个步骤，可以获得预设电压-功率曲线，其示意图如图6所示。该条功率曲线分为两段，第一段对应于最大风速追踪状态，功率与直流电压近似满足3次函数关系；第二段对应于限额定功率状态，为斜率很大的直线段。
[0044] 功率控制的实施
[0045] 在已投运的低额定风速风力发电系统中，功率控制单元的硬件实现由采购的风机并网逆变器完成。由合肥阳光电源有限公司生产的WG**K3系列风机逆变器提供起始逆变电压、最大逆变电压设置，以及该电压区间内的10个均分电压点的功率设置。通过这10个电压-功率点的设置，可使逆变器的电压-功率运行特性分段逼近预设电压-功率曲线。
[0046] 功率控制单元实施的主要工作是合理设置电压-功率曲线。关于最大风能追踪状态和限额定功率状态下的转速-功率曲线设定已在设计部分中中描述，在此不再赘述。下面将介绍如何通过永磁发电机负载实验确定转速和直流电压的函数关系，从而最终确定电压-功率曲线。
[0047] 永磁发电机负载实验的原理构成如图7所示。实验系统中，变频器和三相感应电动机组成转速可调的原动机部分。同时，需要对机械部分的转速、转矩、输入机械功率和电气直流部分的电压、电流、输出电功率进行实时测量和计算。实验步骤如下：
[0048] 步骤1：确定起始逆变电压对应的起始转速。调节原动机转速直到发电机的空载直流电压达到起始逆变电压为止，记录下起始转速；
[0049] 步骤2：在起始转速到125％额定转速和零功率到125％额定功率的二维区间内，以10％额定转速和10％额定功率为递增步长。在每个转速和逆变功率条件下，测量直流电压VDC、直流电流IDC、发电机输入扭矩Tm和发电机转速ω，计算发电机输出电功率Pe、发电机输入机械功率Pm，并填入表1；
[0050]
[0051]
[0052] 表1不同转速和功率条件下的永磁发电机实验数据
[0053] 步骤3：根据表1数据，利用最小二乘法线性，线性拟合出不同转速ωi条件下直流电压-机械功率的线性关系，
[0054] ω＝ωi，
[0055] 如图8所示。其中，a和b为拟合参数；
[0056] 步骤4：根据 曲线簇，将理论计算得到的转速-功率曲线中的若干离散i点(ωi，Pm(ωi))映射为(VDC，Pm(ωi))，如图9中Δ所示；
i
i
[0057] 步骤5：利用最小二乘法，对若干离散点(VDC，Pm(ωi))进行三次函数曲线拟合，即[0058]
[0059] Pm(VDC)即为预设电压-功率曲线。
[0060] 通过永磁发电机负载实验，我们可以获得在确定转速和确定机械功率条件下，永磁发电机的机端直流电压。从而找到发电机转速与直流电压的函数关系VDC＝f(Pm，ω)，并获得拟合的电压-功率曲线P(VDC)。
[0061] 除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
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