[发明专利]一种用于小型风力发电机的转速控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，具体涉及一种风力机转速控制方法及应用此方法进行转速控制的装置。

背景技术

现有的风力发电机，主要结构形式有水平轴风力机及垂直轴风力机两种。因其重量轻，结构简单，成本较低获得较为广泛的使用。但目前市场上小型风力发电机发展的一个主要问题是应对大风特别是台风时叶片的强度及安全保护措施不足，安全性能差，这其中最主要的原因就是风机在大风下运行时严重超速，从而导致机组损坏、叶片断裂，严重时危害人身财产安全。

目前，出于成本及结构设计考虑，可用于小型风力发电机的超速保护措施非常有限，电磁刹车、液压刹车、风速测量保护系统等成本偏高的保护手段几乎都不会出现在小型风机上，常规的主要依靠偏尾、被动失速控制来控制转速，但这些手段都只能在较大的范围内控制转速，控制精度非常有限，频繁超速仍不可避免；而且偏尾是机械结构，大风时的频繁动作、撞击将严重加大其疲劳强度，也必将影响风机的整体寿命。实践表明，长期大风下运行的机器偏尾机构提前失效的机器不在少数。

目前这种小型风机容易超速，大风下易损坏的现状严重地阻碍了小型风力机的推广，短生命周期也间接增加了系统成本。针对目前小型风力机的发展现状，在有限的成本上需要一种可靠性高、控制稳定精确的转速控制手段，做到风机长期在额定转速内安全运行，从而减小机械强度要求，延长风机系统寿命，从而进一步的降低系统成本。

常规的小型风力发电系统的电能利用模式如图1所示，当风力驱动风轮叶片旋转来捕获风能，旋转的叶片带动发电机输出电能，由于小型风机通常都采用永磁发电机，发的电为三相低频交流电，此后三相交流电接入控制系统，通常经由三相不控整流桥整流为直流电，通过泄荷控制模块限制最大的输出电压后输出，输出电能的利用根据不同的应用场合主要分为和并网和离网两种；在并网应用中，并网逆变器按照设定的电压功率曲线进行功率输出，以实现风机运行的最大功率跟踪；在离网应用模式下，在大多数情况下，为直接给电池充电，工作模式为恒压工作，即整个风机运行系统的工作点由当前的电池电压决定，当电池充满时，能量由泄荷控制模块通过泄荷器直接泄放掉，此时的工作电压为蓄电池充满时的电压，当然，也有部分离网应用时是通过DC-DC变换模块变换后给电池充电，这样风机的工作点就不受电池当前电压的限制，其工作模式与并网应用一样，是按照预先设定的电压功率曲线运行。

以上所述的小型风力机在离网系统或并网系统应用控制中，风机的工作点为当前电池电压或预设的电压功率曲线点，这种工作模式在额定风速以内一般是没有问题的，此时风机的运行转速也能控制在预先设计的范围内。但当风速超过额定风速时，以上的运行模式下就会出现频繁的超速，然后依靠偏尾机构来减速，然后再超速，再减速，以此往复，此时风机承受着巨大的冲击，叶片、塔架、偏尾机构均承受了巨大的机械负荷，直接影响了寿命。

小型风力机在大风下超速的根本原因在于，控制系统没有一种有效的功率调节手段将转速维持在某个合理的范围内；图2为永磁发电机典型的电压功率曲线(横坐标为整流后的直流电压，纵坐标为电机的输出功率，每一条曲线代表一个转速)，从图中可以看到，如果将控制器的输出电压限制在某个值，此时对应的转速不是唯一的，只要风能持续增加，转速将会持续上升以致超速。所以常规的这种电压控制模式(恒压工作或电压功率曲线)必将在大风下出现超速，一旦超速，失速控制也就失效了。根据图2可知，若想实现恒速运行，则必须实现电压功率的非单调运行，即如图中的PS1曲线(并网模式的电压功率曲线)、PS2(电池恒压工作曲线)；当风机运行达到设定的控制目标转速时，即需要实现恒转速运行控制，即当风能功率上升时，发电机输出的电压要出现下降，只有这样，发电机的输入输出工作点才有可能在当前转速下达到均衡，稳定在某设定转速上。很显然，前述常规的小型风力发电系统的控制无法实现这一要求：电池电压无法任意改变，更不可能在功率增加时迅速降低电压以配合风机工作；电压功率曲线控制模式也是预先设定好的，有其正常的工作电压区间，太低的直流电压下其无法正常工作，也就无法达到转速的恒定控制的目的了。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于小型风力发电机的转速控制方法及装置，以在有限的成本下解决风机工作电压点的匹配问题，实现风机在大风下的稳定转速控制。