[发明专利]一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置和方法

权利要求书

1.一种补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置，其特征在于：包括风力发电机组、变桨距机构、参数检测模块、主控制器、过压保护模块和变频控制器；

所述变桨距机构包括变桨电机，电动推杆和变距轴，变桨电机通过电动推杆和变距轴连接桨叶根部偏心盘；

所述过压保护模块包括DSP、电压互感器、电流互感器、RS232接口、RJ45接口、调理单元、主控器、存储器、网络接口芯片、网络接口驱动芯片和端口隔离器件；

风轮通过主轴与齿轮箱连接，齿轮箱通过联轴器与发电机相连，参数检测模块的输入端分别通过温度传感器、测量桨距角的绝对值编码器和测量发电机转速的增量式编码器与齿轮箱、变桨电机和发电机连接，风轮通过码盘和接近开关与参数检测模块输入端相连，以测量风轮转速，参数检测模块的输出端通过I/O模块和交换机与主控制器的输入端相连，主控制器的输出端通过交换机分别与变桨距机构的输入端和变频控制器的输入端相连，变频控制器的输出端分别连接转子侧变流器和电网侧变流器的输入端，转子侧交流器的输出端连接发电机的转子，电网侧输出端与变压器相连，输入三相电网。

2.根据权利要求1所述的补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置，其特征在于：所述过压保护模块的连接如下：电压互感器和电流互感器的输入端接至三相电网，电压互感器和电流互感器输出端接至调理单元输入端，调理单元输出端接至DSP的A/D转换端口，DSP外接网络接口芯片和RS232接口，网络接口芯片连接网络接口驱动芯片输入端，网络接口芯片外接有存储器，网络接口驱动芯片输出端连接端口隔离器件，主控器经RJ45接口接至隔离器件。

3.采用权利要求1所述的补偿风力发电机组转矩调节滞后的控制装置的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：设置主控制器的初始参数，包括低速轴最高转速、高速轴最高转速、齿轮箱最高和最低温度、发电机运行最低和最高温度；

步骤2：测量当前至少3分钟的平均风速v，判断平均风速v与切入风速v_in的大小；若v＜v_in，则不启动；若v＞v_in，则开启风力发电机，此时测量发电机转速，若发电机转速大于发电机并网所需的最小转速，则风电机组并网运行，执行步骤3；反之，不并网，继续空转运行；

步骤3：测量发电机转速，若发电机转速在一分钟内持续大于额定转速，则进行变桨动作，否则，进行步骤4；

步骤4：根据风力发电机特性，主控制器给出指令使风力发电机组运行在最佳叶尖速比下，以获得最大输出功率，计算公式如下：

P_max＝K_optω³

Kopt=0.5πρR5Cpmaxλopt3G3]]>

P_max为获得的最大输出功率，ω为发电机转速，K_opt为最优模式增益，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，G为齿轮箱变比，C_pmax为在最佳叶尖速比下的风能利用系数，最佳叶尖速比和最佳风能利用系数是通过风力发电机组设计前期叶片的特性计算的，这两个参数由组成叶片的翼型决定；

步骤5：计算发电机转矩给定，调整发电机转矩，改变风轮转速；

由于风的无规则波动，引起风轮转速的变化，此变化通过齿轮箱传递到发电机，机组主控制器通过风力发电机转速计算发电机转矩给定，由发电机控制执行机构调整发电机转矩，改变风轮转速，转矩给定方程为：

Tg*=0.5CpmaxρπR5ωr2/(nλopt3)]]>

为发电机给定转矩，ω_r为风轮转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，n为齿轮箱变比；

步骤6：设置动态前馈控制的补偿条件，实现干扰全补偿；

G_ff(s)为动态前馈控制的传递函数，补偿条件如下：

Gff(s)=GPD(s)GPC(s)]]>

其中，G_PD(s)为扰动通道传递函数，G_PC(s)为控制通道传递函数；

由于风电系统的非线性和时变性，将控制通道传递函数及扰动通道传递函数简化处理成含有二阶环节并附加纯滞后的形式如下：

GPD(s)=KPD(TPD1s+1)(TPD2s+1)e-τPDs]]>

GPC(s)=KPC(TPC1s+1)(TPC2s+1)e-τPCs]]>

其中K_PD，K_PC为静态反馈系数，T_PD1、T_PD2、T_PC1、T_PC2为滞后环节的时间常数，τ_PD，τ_PC为时间常数，s为复频率；

经处理后，动态前馈控制的最终形式如下：

Gff(s)=-Kd(T1ds+1)(T1d′s+1)(T2ds+1)(T2d′s+1)]]>

其中K_d为静态反馈系数，T_1d、T′_1d为超前环节的时间常数，T_2d，T′_2d为滞后环节的时间常数，由于上式含有超前滞后环节，因此对时间超前和滞后具有补偿作用；

步骤7：当发电机的励磁转矩增加或减小时，加入阻尼器以减少载荷冲击对机组传动链的影响；

阻尼器产生的附加转矩为：K_ζ为增益，ζ为阻尼比，ω为传动链振动模态附近的频率，τ为补偿相位的时间常数；

步骤8、经补偿后的风电机组输出稳定的功率至电网。