[发明专利]一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电机的控制策略，用于兆瓦级变桨距风力发电机组控制系统中， 实现转矩控制策略和变桨距控制策略之间的平滑过渡，为一种兆瓦级风力发电机组联合 控制策略。

背景技术

最近几年风力发电行业在国内得到的迅速发展，机械部件如齿轮箱、发电机、轮毂 等基本上实现的了国内生产，然而整机设计技术以及控制系统基本靠国外引进，国内还 只是实现了机组的装配工作。国外风电企业给国内的控制技术设置了很大的壁垒，为了 打破国外垄断局面，也有一些研发机构和企业开始研发自主的风力发电机组控制系统， 然而在变桨距控制和转矩控制的切换控制策略大都采用开关切换方式。

变速变桨距风力发电机组的控制目标是低风速时获取最大能量，高风速时保持功率 恒定，低风速和高风速指相对额定风速而言风速的高低，主要通过三个阶段实现：在额 定风速以下时，调节风力发电机电磁转矩来跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，因此 也可看作最大功率点跟踪控制(Max.Power Pointer Tracking，MPPT)；在高于额定风速 时，主要通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力机组保持在额定 值附近发电，并使系统载荷最小化；在额定点实现转矩控制策略和变桨距控制策略之间 的过渡。但由于风的不确定性，当风速达到额定点时其不可能始终维持在额定风速点， 对于变速变桨距风力发电机组来说，风速在额定点的浮动变化会使得机组在额定以上的 控制策略和额定以下的控制策略之间不停切换，如果单纯的采用生硬的开关切换方式， 将会导致变桨距执行机构、传动系统以及变流器发电机的载荷冲击，并且会出现功率频 繁跌落，从而对电网造成不利影响，降低机械设备寿命。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有变速变桨距风力发电机组的转矩控制与变桨距控制的 切换方式会导致变桨距执行机构、传动系统以及变流器发电机的载荷冲击，并且会出现 功率频繁跌落，对电网造成不利影响，降低机械设备寿命。

本发明的技术方案为：一种兆瓦级风力发电机组联合控制策略，当风力发电机所处 风速在额定风速上下浮动时，转矩控制策略和变桨距控制策略同时保持运行状态，转矩 控制策略由转矩PID控制器实现，变桨距控制策略由变桨距PID控制器实现，风轮转 速和设定转速输入转矩PID控制器，输出转矩指令；变桨距PID控制器的输入偏差包 括风轮转速偏差和转矩偏差，转矩偏差由测量转矩和转矩指令得到，加以变换系数k后 与风轮转速偏差生成联合偏差，所述联合偏差与测量的桨距角共同输入变桨距PID控制 器，输出变桨距指令，所述变换系数k用于量纲转换和偏差调整。

在风轮转速尚未到达转速额定点时，转矩偏差始终为负值，转矩PID控制器处于调 节输出状态，变桨距PID控制器饱和在下限输出值，输出饱和在最佳桨距角的位置；等 到风轮转速不断接近转速额定点，转矩指令随之达到最大值，转矩偏差为零，将转矩限 制在最大值，如果风速再度增加，超过额定风速时，风轮转速上升，风轮转速偏差变为 正值，则此时联合偏差为正值，转矩PID控制器饱和在上限输出值，变桨距PID控制 器处于调节输出状态；当风速由额定风速以上下降到额定风速以下时，联合偏差随之转 为负值，此时转矩PID控制器处于调节输出状态，变桨距PID控制器饱和在下限输出 值；实现变桨距PID控制器和转矩PID控制器之间的无扰动切换；风瞬间暂停时转矩 仍保持在额定值，此时风轮动能保持功率在额定功率，防止在额定风速附近功率的频繁 波动。

进一步的，联合偏差经过偏差增益器输入变桨距PID控制器，测量的桨距角通过桨 距角增益器输入变桨距PID控制器，偏差增益器根据联合偏差调整变桨距PID控制器 的增益系数；桨距角增益器根据当前测量的桨距角度调整变桨距PID控制器的增益系 数。

根据已知风力发电机系统的有效模型，风速低于额定风速时利用间接转速控制策 略，根据风速和风轮转速情况计算出发电机电磁转矩指令，间接控制风轮转速寻找最大 功率点，控制发电机电磁转矩，从而控制风轮转速，跟踪最佳功率系数；风速高于额定 风速时根据实际输出功率偏差，通过变桨距系统控制桨距角，降低功率系数，限制能量 获取。