一種失速型風力發(fā)電機組的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三葉片定槳距失速型風力發(fā)電機組的控制方法。
【背景技術】
[0002] 風能作為一種清潔的可再生能源越來越受到國內(nèi)外的重視和發(fā)展，而如何突破現(xiàn) 有技術，最大程度地將風能轉換成電能是風力發(fā)電技術上永恒的追求。目前市場上還存在 著一批三葉片定槳距失速型的風力發(fā)電機組，與現(xiàn)在主流的變速變槳距風力發(fā)電機組相 比，這類機組在運行過程中的槳葉節(jié)距角和轉速都是固定不變的，這就使得風速-功率曲 線上只有一點具有最大風能利用系數(shù)，此外由于葉片的特性在高風速下又很快進入了失速 狀態(tài)，導致定槳距失速型機組在捕獲風能的能力上較差，業(yè)主很難獲得較好的經(jīng)濟效益。
[0003] 圖1所示是定槳距失速型機組的典型輸出風速-功率曲線。
[0004] 圖2所示是定槳距失速型機組的風速-功率曲線和風速-風能利用系數(shù)曲線，可 見功率曲線上只有一點能夠捕獲最大風能利用系數(shù)。
[0005] 圖3所示是現(xiàn)有定槳距失速型機組的典型拓撲圖，發(fā)電機通過一套軟并網(wǎng)裝置與 電網(wǎng)相連接，不具備調(diào)節(jié)轉速的功能。
[0006] 定槳距失速型機組的槳葉與輪轂之間屬于剛性聯(lián)接，槳距角固定不變。專利《一種 提高風力發(fā)電機組風能捕獲的控制方法》中，提出根據(jù)風電機組的理論模型得到不同槳距 角下的理論Cp_ λ曲線簇，根據(jù)分析得到不同風速下或者不同功率下使得風力發(fā)電機組理 論Cp-X最大的槳距角，在風力發(fā)電機組實際運行的過程中，由所測的風速或者功率控制機 組的槳距角實現(xiàn)風能捕獲的最優(yōu)。專利ZL200910033556. X《定槳距變速風力發(fā)電機組在失 速區(qū)的功率控制方法》中，提出在額定風速以上時通過調(diào)節(jié)轉速實現(xiàn)機組輸出功率恒定的 目的，另外利用轉矩觀測的方式得到風機氣動轉矩觀測值，將此值以前饋校正的方式引入 機組控制系統(tǒng)中，從而保證機組工作在額定風速以上時的穩(wěn)定性。以上專利分別是通過調(diào) 節(jié)機組在不同風速下的槳距角或者設計一種新的失速區(qū)的功率控制方法來提升機組的發(fā) 電性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是針對定槳距失速型機組在額定風速以下只有一個風速點能夠達到 最大風能利用系數(shù)，在額定風速以上無法主動控制發(fā)電機轉矩的缺陷，提出一種提高定槳 距失速型機組發(fā)電效率的控制方法。
[0008] 本發(fā)明通過在塔基增加全功率變流器，與控制系統(tǒng)配合，由定速定槳型控制轉變 為變速定槳型控制，可以使得風電機組在低風速段較寬的轉速范圍內(nèi)均可實現(xiàn)最大風能利 用系數(shù)，以及在高風速下可以對風電機組主動控制。本發(fā)明對于提升機組的發(fā)電效率有很 好的經(jīng)濟性。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0010] 應用本發(fā)明的定槳距失速型風力發(fā)電機組包括葉輪，增速箱，發(fā)電機，全功率變流 器，控制系統(tǒng)，以及塔筒。
[0011] 風輪在風力的推動下產(chǎn)生旋轉，實現(xiàn)了風能向機械能的轉換，旋轉的風輪通過齒 輪箱驅(qū)動發(fā)電機旋轉，在控制系統(tǒng)的控制下，通過變流器系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)電機的并網(wǎng)及電能的 輸出，完成機械能向電能的轉換。
[0012] 所述的全功率變流器安裝在塔筒底部，一端連接至發(fā)電機，另外一端連接至箱式 變壓器。
[0013] 所述的全功率變流器與控制系統(tǒng)之間采用CAN通訊方式，能夠執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)送 的轉矩指令及控制指令，也能向控制系統(tǒng)發(fā)送相關信息。
[0014] 所述的發(fā)電機與全功率變流器相連。
[0015] 控制系統(tǒng)的控制目標是在額定風速以下，通過對轉速的控制來跟蹤最佳風速_CP曲線以捕獲最大風能，由原來的定速控制改變?yōu)樽兯倏刂?，由原來只有一個風速點能達到 機組設計的最大風能利用系數(shù)，改變?yōu)樵谳^寬的轉速范圍內(nèi)均可達到設計的最大風能利用 系數(shù)。額定風速以上葉片自身存在的失速特性無法改變，但對于發(fā)電機由原來的自主控制， 改變?yōu)閷D矩的主動控制，可以解決失速型機組在額定風速以上最易發(fā)生的功率超限或者 轉速超限問題。
[0016] 本發(fā)明控制方法的步驟為：
[0017] 1)由定槳距失速型風力發(fā)電機組的風速-功率曲線，計算出風速-cp曲線，并將風 速-cp曲線上的最大值記錄為c p_。
[0019] 式中，Cp為風能利用系數(shù)，P為功率，P為空氣密度，S為風輪掃風面積，v為風速。
[0020] 2)控制系統(tǒng)在額定風速以下能夠?qū)崿F(xiàn)最大風能利用系數(shù)追蹤階段的風速下限記 為Vi，風速上限記為v2。
[0021] 3)計算出Vl~v2風速段對應的功率，功率的計算方式如下式⑵所示：
[0023] Vl~v 2風速段可以通過對轉速的控制來跟蹤最佳風速-C p曲線，以捕獲最大風能 利用系數(shù)Cp_，而Vl~v2以外風速段由于受到發(fā)電機性能和葉片失速特性的限制，風速-功 率曲線與失速型機組原風速-功率曲線相同，故額定風速以下的Vl~v2風速段是本發(fā)明發(fā) 電能力提升的階段。
[0024] 4)當風速為v2時，發(fā)電機轉速可達到額定轉速ω p由此計算出Vl~￥2風速段的 轉速-轉矩比例系數(shù)Κ_:
[0026] 為發(fā)電機額定轉速。
[0027] 5)由步驟3)計算出的功率Ρ和步驟4)計算出的比例系數(shù)，共同計算在Vl~ v2風速段任意風速下的發(fā)電機轉速ω :
[0029] 6)在v 2風速段，由步驟4)計算出的比例系數(shù)K _和步驟5)計算出的轉速 ω共同計算出任意轉速下需要控制的發(fā)電機轉矩Τ:
[0031] Τ為發(fā)電機轉矩。
[0032] 7)對于Vl~v2以外的風速段，計算出需要控制的發(fā)電機轉矩Τ:
[0034] 由以上過程即可得出定速定槳型風電機組在增加全功率變流器后，通過計算得到 變速定槳型控制方式下的風速-功率曲線以及轉速-轉矩控制曲線。
[0035] 本發(fā)明的效果：
[0036] (1)額定風速以下的Vl~v2風速段是可實現(xiàn)變速控制捕獲最大風能利用系數(shù)，提 高發(fā)電效率的階段，而額定風速以上通過控制系統(tǒng)對發(fā)電機轉矩的主動控制，可以避免以 前易發(fā)生的功率超限或者轉速超限問題。
[0037] (2)利用定速定槳控制的風速-功率曲線和變速定槳控制的風速-功率曲線，對輪 轂高度處不同參考風速下的頻率分布可計算出年發(fā)電量的估算值，以年平均風速5m/s為 例，在變速定槳控制下的年發(fā)電量較定速定槳控制下的年發(fā)電量可提升6. 5 %左右，可以為 業(yè)主帶來非?？捎^的經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0038] 圖1是定槳距失速型機組的典型輸出風速-功率曲線；
[0039] 圖2是定速定槳控制方式下的風速-功率曲線與風速-風能利用系數(shù)曲線；
[0040] 圖3是定槳距失速型機組的典型拓撲結構；
[0041] 圖4是改進后變速定槳控制機組的拓撲結構；
[0042] 圖5是變速定槳控制方式下的風速-功率曲線與風速-風能利用系數(shù)曲線；
[0043] 圖6是變速定槳控制與定速定槳控制風速-功率曲線對比圖；
[0044] 圖7是變速定槳控制與定速定槳控制轉速轉矩曲線對比圖；
[0045] 圖8是年平均風速5m/s的風電場風速瑞利分布圖。
【具體實施方式】
[0046] 以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0047] 本發(fā)明通過在塔基增加全功率變流器，以及與控制系統(tǒng)的配合，完成