[发明专利]一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型风电机组的控制方法，特别是涉及一种大型风电机组变桨距控制与转矩控制的解耦控制方法

背景技术

随着风电的规模化应用，发电企业及电网运营商在功率曲线、电网友好性、机组寿命以及优化设计等多个方面对风电机组整机控制系统提出了更为严格的要求。现有的风机整机控制系统主要采取转矩控制和变桨距控制相结合的控制方法，在风电机组的功率小于额定功率时，主要采用转矩控制方法，利用转矩控制器给出转矩命令，间接调节风机的转速跟随风速变化实现最优叶尖速比，捕获最大的风能。当风速超过风力发电机额定风速的时候，风力发电机的转速和功率已经达到额定值，转矩控制转化为变桨距控制，通过改变桨叶节距角来改变叶片攻角，限制风轮吸收的能量，维持风机的转矩与转速，使风力机组处于额定值附近发电。同时还需要一种能够在转矩控制器与变桨距控制器之间实现切换过渡的控制策略。

目前，风电机组在额定以下和额定以上两种控制策略之间的切换主要有两种方法，一种是采用单纯的开关转换方式，利用发电机的功率作为判断依据，当风机的功率小于额定功率时采用转矩控制策略，当风机的功率大于额定功率时采用变桨距控制策略。另外一种方法是在使用PID（比例、积分、微分）控制算法的基础上采用积分器饱和的方法以及一个桨距动作的标识变量来完成两种控制策略的切换过程：桨距控制与转矩控制都采用PID（比例、积分、微分）控制器，在额定状态以下时桨距PID控制器的积分项饱和，桨距角输出指令限制在最小桨距角，转矩控制器起作用而桨距控制器不起作用；在额定状态以上时，转矩PID控制器的积分项饱和，转矩输出指令限制在额定转矩，桨距控制器起作用而转矩控制器不起作用；当桨距控制器起作用、桨距角大于某个设定值的时候，桨距动作的标识量被设置，这个设置的标识量用来限制转矩的取值，防止在桨距动作的过程中转矩的不正常跌落。

对于风速处于额定风速上下不断波动的工况，采用单纯开关转换的控制策略，由于风速的不断变化，风力发电机将会在转矩控制和变桨距控制两种控制方法之间频繁切换，增加了系统各个部件的疲劳载荷，降低了风力机组的使用寿命。同时切换的过程没有任何控制上的平滑措施，导致风机关键零部件在切换过程中的载荷冲击增大，影响了风机部件的寿命；同时加大了风机对电网的冲击，影响了电能质量，增加了电网的安全隐患。

采用积分器饱和外加辅助变量的方法来实现桨距控制器与转矩控制器切换过程的控制策略，当风速处于额定风速附近上下不断波动时，桨距控制器与转矩控制器仍然会同时作用，达不到解耦的目的，导致风机运行状态的不稳定；当积分器处于过饱和状态时会导致桨距执行器或者转矩执行器不动作，而当转速变化过快时又可能会导致执行器的误动作；同时辅助变量的加入也会导致控制切换的不平滑。这些缺点都会影响风机运行的稳定性，增加风机的载荷冲击与疲劳载荷，提高了风机的成本，影响了风机的使用寿命。

经检索：

申请号为201210009371.7的发明公开一种兆瓦级风力机组的控制方法、控制系统及兆瓦级风力机组，该控制方法中首先检测风力发电机当前状态的功率，只有控制器判断该风力发电机当前状态的功率大于预设极限功率值，并且风力发电机在高于预设时间时，风力发电机的控制方法才会由转矩控制方法变换至变桨距控制方法，除此外一直采用响应比较快的转矩控制方法进行控制；该控制方法不仅满足一般工况下风力发电机的控制需求，而且有效解决了在风速处于额定风速上下波动且波动较小工况下，两种控制方法频繁转换的现象，减少变桨系统的疲劳强度，提高风力机组各部件的使用寿命，并且对于极端升降阵风工况，可以解决风轮超速和极限载荷较大的问题。

申请号为201010250626.X的发明提供了一种风力发电机组的功率控制方法，其包括双PID转矩计算控制步骤之间转换时，加入滞环。本发明所述的风力发电机组的功率控制方法在现有风力发电机硬件的基础上，通过结合风力发电机组的运行参数信息，如转速、功率、转矩、风速、变桨角度等，在一套新的控制算法的处理下，将原来的功率波动较大，修改为风力发电机在运行风速范围内，转矩和功率变化相对较缓，减小风力发电机的闪变大小，可实现更佳的控制效果。