[发明专利]一种失速型风力发电机组的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三叶片定桨距失速型风力发电机组的控制方法。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到国内外的重视和发展，而如何突破现有技术，最大程度地将风能转换成电能是风力发电技术上永恒的追求。目前市场上还存在着一批三叶片定桨距失速型的风力发电机组，与现在主流的变速变桨距风力发电机组相比，这类机组在运行过程中的桨叶节距角和转速都是固定不变的，这就使得风速-功率曲线上只有一点具有最大风能利用系数，此外由于叶片的特性在高风速下又很快进入了失速状态，导致定桨距失速型机组在捕获风能的能力上较差，业主很难获得较好的经济效益。

图1所示是定桨距失速型机组的典型输出风速-功率曲线。

图2所示是定桨距失速型机组的风速-功率曲线和风速-风能利用系数曲线，可见功率曲线上只有一点能够捕获最大风能利用系数。

图3所示是现有定桨距失速型机组的典型拓扑图，发电机通过一套软并网装置与电网相连接，不具备调节转速的功能。

定桨距失速型机组的桨叶与轮毂之间属于刚性联接，桨距角固定不变。专利《一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法》中，提出根据风电机组的理论模型得到不同桨距角下的理论C_p-λ曲线簇，根据分析得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论C_p-λ最大的桨距角，在风力发电机组实际运行的过程中，由所测的风速或者功率控制机组的桨距角实现风能捕获的最优。专利ZL200910033556.X《定桨距变速风力发电机组在失速区的功率控制方法》中，提出在额定风速以上时通过调节转速实现机组输出功率恒定的目的，另外利用转矩观测的方式得到风机气动转矩观测值，将此值以前馈校正的方式引入机组控制系统中，从而保证机组工作在额定风速以上时的稳定性。以上专利分别是通过调节机组在不同风速下的桨距角或者设计一种新的失速区的功率控制方法来提升机组的发电性能。

发明内容

本发明目的是针对定桨距失速型机组在额定风速以下只有一个风速点能够达到最大风能利用系数，在额定风速以上无法主动控制发电机转矩的缺陷，提出一种提高定桨距失速型机组发电效率的控制方法。

本发明通过在塔基增加全功率变流器，与控制系统配合，由定速定桨型控制转变为变速定桨型控制，可以使得风电机组在低风速段较宽的转速范围内均可实现最大风能利用系数，以及在高风速下可以对风电机组主动控制。本发明对于提升机组的发电效率有很好的经济性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

应用本发明的定桨距失速型风力发电机组包括叶轮，增速箱，发电机，全功率变流器，控制系统，以及塔筒。

风轮在风力的推动下产生旋转，实现了风能向机械能的转换，旋转的风轮通过齿轮箱驱动发电机旋转，在控制系统的控制下，通过变流器系统实现发电机的并网及电能的输出，完成机械能向电能的转换。

所述的全功率变流器安装在塔筒底部，一端连接至发电机，另外一端连接至箱式变压器。

所述的全功率变流器与控制系统之间采用CAN通讯方式，能够执行控制系统发送的转矩指令及控制指令，也能向控制系统发送相关信息。

所述的发电机与全功率变流器相连。

控制系统的控制目标是在额定风速以下，通过对转速的控制来跟踪最佳风速-C_p曲线以捕获最大风能，由原来的定速控制改变为变速控制，由原来只有一个风速点能达到机组设计的最大风能利用系数，改变为在较宽的转速范围内均可达到设计的最大风能利用系数。额定风速以上叶片自身存在的失速特性无法改变，但对于发电机由原来的自主控制，改变为对转矩的主动控制，可以解决失速型机组在额定风速以上最易发生的功率超限或者转速超限问题。

本发明控制方法的步骤为：

1)由定桨距失速型风力发电机组的风速-功率曲线，计算出风速-C_p曲线，并将风速-C_p曲线上的最大值记录为C_pmax。

式中，C_p为风能利用系数，P为功率，ρ为空气密度，S为风轮扫风面积，v为风速。

2)控制系统在额定风速以下能够实现最大风能利用系数追踪阶段的风速下限记为v₁，风速上限记为v₂。

3)计算出v₁～v₂风速段对应的功率，功率的计算方式如下式(2)所示：