[发明专利]定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种保证定桨距变速风力发电机组在额定风速以上时稳定工作且输出功率恒定的机组控制方法。

背景技术

风能是一种可再生能源，近几年风能的开发与利用得到了广泛的关注，如何最大程度地利用风能成为风力发电技术的一个研究热点。由于风具有随机性，无论风向还是风速都在不断变化，所以风机产生的能量也是时刻变化的，这就要求对风力发电机组进行控制，使其在额定风速以下时进行最大风能跟踪，在额定风速以上时保证机组输出功率恒定，另外在提高风能利用效率的同时保证机组的安全和可靠性。

目前风机功率调节技术分为定桨距失速控制和变桨距控制。采用定桨距失速功率调节的机组在运行时风机桨叶迎风角度不能随风速变化，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。在《风力发电机组的控制技术第2版》(叶杭冶，机械工业出版社，2007年2月，第35页)一书中详细分析了定桨距风轮叶片的失速调节原理。该方式具有结构简单、故障率低的优点，其缺点是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率反而有所下降，定桨距失速型机组输出功率特性曲线如附图1所示。

变桨距控制的基本原理是在高风速区，通过增加桨叶节距角β以减小风能利用系数C_P，从而将机组功率稳定在额定值附近。变桨距机组与定桨距失速型机组相比具有在额定风速以上输出功率平稳的特点，附图2所示为变桨距机组输出功率特性曲线。变桨距控制的缺点是需要增加复杂的变桨距执行机构和变桨距控制系统，这无疑增加了机组的制造和维护成本，同时降低了系统的可靠性。专利《基于最大能量捕获的大型风力机控制方法》(中国，2007年10月17日，200710041115.5)提出了一种基于风速检测的风力机控制方法，其在额定风速以上时采用变桨距调节技术，但该专利并未具体给出控制器是如何调节桨叶节距变化以达到输出功率恒定的。目前国内对变桨距功率调节技术的研究尚处于起步阶段，核心技术仍被其他先进国家所掌握。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明所述的定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法，其特征在于当实际风速v大于额定风速使风力机工作点进入失速区时，所述控制方法包括如下环节：

1)将定桨距风力机的参考转速ω^*与机组实际转速反馈ω_f作差得到转速误差信号Δω；

2)将1)所述的转速误差信号Δω经过变速控制器G_ω(s)得到发电机电磁转矩参考信号T′_e；

3)将定桨距风力机的实际气动转矩T_m作为扰动信号与转速反馈信号ω_f经过扰动观测器得到定桨距风力机气动转矩观测值

4)将2)所述的发电机电磁转矩参考信号T′_e与3)所述的定桨距风力机气动转矩观测值相加得到发电机转矩给定值T_e^*；

5)将4)所述的发电机转矩给定值T_e^*经过转矩内环Φ_T(s)得到实际的发电机电磁转矩T_e，重复步骤1至步骤5控制发电机电磁转矩使发电机组在额定风速以上输出功率恒定且能稳定运行于失速区。

本发明能够对定桨距机组施加有效控制，在全程令其转速随风速变化，从而提高了风能利用效率，改善了定桨距机组在额定风速以上输出功率特性差的缺点，同时解决了当机组工作点位于力矩不稳定区时的稳定性问题，保证其不会因外界扰动而飞车或是停机。与变桨距风力发电机组相比，该系统取消了变桨距机构与变桨距控制器，具有结构简单、成本低廉、稳定可靠的特点。本发明对促进我国多元化风电产业的发展具有积极意义。

附图说明

附图1是定桨距失速型机组输出功率特性曲线；

附图2是变桨距机组输出功率特性曲线；

附图3是风力机C_T(λ)、C_P(λ)特性曲线；

附图4是扰动观测器(DOB)基本思想框图；

附图5是基于扰动观测器的定桨距变速风力发电机组控制系统框图；

附图6是发电机转速参考-风速特性曲线；

附图7是定桨距变速风力发电机组系统组成框图；

附图8是定子侧PWM变换器；

附图9是发电机电流(转矩)内环。