專利名稱：風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法、控制器及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法、控制器及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電相關(guān)控制技術(shù)的不斷進步，變速變槳技術(shù)已十分成熟，變速變槳風(fēng)力發(fā)電機組以其高效的風(fēng)能利用率和較大的單機容量等諸多優(yōu)勢成為目前主要的裝機類型。變速變槳風(fēng)電機組在低風(fēng)速(額定風(fēng)速以下)時，主控系統(tǒng)將葉片的槳距角調(diào)整到最優(yōu)(或最小)，通過控制發(fā)電機電磁扭矩來調(diào)整葉輪轉(zhuǎn)速，使風(fēng)機工作在最優(yōu)葉尖速比狀態(tài)下，以實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，即所謂的變速技術(shù)；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速到達額定轉(zhuǎn)速之后，不能隨著風(fēng)速的增加而增加，這就需要通過增加發(fā)電機電磁扭矩來使葉輪轉(zhuǎn)速保持在額定附近，風(fēng)電機組進入恒轉(zhuǎn)速區(qū)域。當(dāng)風(fēng)速增大到額定風(fēng)速時，扭矩到達額定，發(fā)電機同時到達額定功率，此時，如果風(fēng)速繼續(xù)增大則主控系統(tǒng)會增大槳距角以減少捕獲的風(fēng)能，即所謂的變槳技術(shù)，保證發(fā)電機組不過載，進入恒功率運行階段。這種從恒轉(zhuǎn)速到恒功率的轉(zhuǎn)換即為扭矩控制器作用域向變槳控制器作用域的切換。在風(fēng)電機組實際運行過程中，由于湍流和陣風(fēng)的存在，風(fēng)速時刻在波動，扭矩控制器和變槳控制器都處于工作狀態(tài)，確保風(fēng)電機組運行在正確的工作點。此外，在額定風(fēng)速附近，風(fēng)電機組不斷的在扭矩控制器和變槳控制器之間頻繁切換，而且切換的時刻是扭矩達到額定，對轉(zhuǎn)速波動的阻尼較小，槳距角仍在最優(yōu)附近，捕獲風(fēng)能的能力較強，風(fēng)速的波動會造成轉(zhuǎn)速和功率較大的波動，影響電網(wǎng)負載的穩(wěn)定。因此，如何保證兩個同時運行的控制器只在該起作用的區(qū)域獲得控制權(quán)，不相互干擾且切換順暢，即實現(xiàn)兩者的解耦就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法及裝置，使實際運行過程中風(fēng)電機組的扭矩控制器和變槳控制器只在合適的區(qū)域獲得控制權(quán)，切換平滑順暢，避免互干擾，共同控制風(fēng)電機組按照設(shè)計的工作點運行，安全高效的將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電倉泛。為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法在扭矩控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域，首先，計算變槳控制偏置值，計算公式為PBias =Fm*PitchSpdFactor*SpeedSetpo int，其中，PBias為變槳控制偏置值，PitchSpdFactor為變槳轉(zhuǎn)速偏置因子，SpeedSetpoint為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，F(xiàn)pit = (Tmax-Tfac)/Tmax, Tmax為扭矩最大值，Tfac為扭矩實際值，之后，將變槳控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值調(diào)整為SpeedSetpo int+PBias并計算輸出相應(yīng)的槳距角給定值；在變槳控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域，首先計算扭矩控制偏置值，計算公式為TBias =FVorq氺TorqSpdFactor氺SpeedSetpo int,其中，Peias為變槳控制偏置值，PitchSpdFactor為變槳轉(zhuǎn)速偏置因子，SpeedSetpoint為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，F(xiàn)pit = (Tmax-Tfac)/Tmax, Tmax為扭矩最大值，Tfac為扭矩實際值，之后，將扭矩控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值調(diào)整為SpeedSetpo int_TBias并計算輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。此外，本發(fā)明還提供一種風(fēng)電機組扭矩與變槳解耦控制器，包括變槳偏置區(qū)域計算模塊，用于計算變槳控制偏置值；變槳控制器，用于根據(jù)變槳偏置區(qū)域計算模塊求得的計算變槳控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的槳距角給定值；扭矩偏 置區(qū)域計算模塊，用于計算扭矩控制偏置值；扭矩控制器，用于根據(jù)扭矩偏置區(qū)域計算模塊求得的扭矩控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。最后，本發(fā)明還提供了一種風(fēng)電機組扭矩與變槳解耦控制系統(tǒng)，其包括上述的解耦控制器；根據(jù)解耦控制器輸出的槳距角給定值控制葉輪槳距角的變槳系統(tǒng)；向解耦控制器反饋扭矩實際值，并根據(jù)解耦控制器輸出電磁扭矩給定值控制發(fā)電機扭矩的變流器；安裝在葉輪上，并向解耦控制器反饋槳角實際位置的槳角位置傳感器；安裝在發(fā)電機上，并向解耦控制器反饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果I、有效的實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組扭矩控制器和變槳控制器的解耦，既提高了兩個控制器在各自作用域內(nèi)的性能又避免它們之間相互干擾控制效果，使變速變槳風(fēng)電機組的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。2、能夠根據(jù)發(fā)電機組當(dāng)前的工作狀態(tài)動態(tài)調(diào)整扭矩控制器和變槳控制器作用或切換的區(qū)域，避免根據(jù)固定條件下強制切換兩個控制器造成的發(fā)電機轉(zhuǎn)速和功率劇烈波動，確保整機運行的安全和平穩(wěn)。3、扭矩控制器和變槳控制器的解耦保證了在風(fēng)電機組運行的某一時刻只有一個控制器在起作用，方便了一些較為復(fù)雜和先進的控制算法在風(fēng)電機組的控制過程中的應(yīng)用和調(diào)試。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖I是變速變槳風(fēng)電機組運行過程中發(fā)電機扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線。圖2是變速變槳風(fēng)電機組運行過程中槳距角與風(fēng)速之間的關(guān)系曲線。圖3是本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制系統(tǒng)的組成示意圖。
具體實施例方式請參閱附圖I和附圖2所示，該曲線描述了發(fā)電機扭矩、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速以及槳距角之間的關(guān)系，結(jié)合變速變槳機組工作點的設(shè)置原則，可以劃分清楚扭矩和變槳控制器各自應(yīng)該起主導(dǎo)作用的區(qū)域，同時根據(jù)這些區(qū)域的特點確定選取發(fā)電機轉(zhuǎn)速，電磁扭矩實際值和扭矩最大值計算變槳控制偏置區(qū)域，選取發(fā)電機轉(zhuǎn)速，槳距角實際值和槳距角最小值計算變槳偏置區(qū)域。請參閱附圖3所示，本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制系統(tǒng)，主要包括解耦控制器(圖中所示的PLC控制器)、變槳系統(tǒng)、變流器、槳角位置傳感器以及轉(zhuǎn)速傳感器。其中，解耦控制器為本發(fā)明特別設(shè)計，變槳系統(tǒng)根據(jù)解耦控制器輸出的槳距角給定值控制葉輪槳距角，變流器向解耦控制器反饋扭矩實際值，同時根據(jù)解耦控制器輸出電磁扭矩給定值控制發(fā)電機扭矩，槳角位置傳感器安裝在葉輪上，并向解耦控制器反饋槳角實際位置，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在發(fā)電機上，并向解耦控制器反饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速。本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制器主要包括變槳偏置區(qū)域計算模塊、變槳控制器、扭矩偏置區(qū)域計算模塊和扭矩控制器。
其中，在風(fēng)電機組原PLC控制器基礎(chǔ)上增設(shè)的變槳偏置區(qū)域計算模塊，是用于計算變槳控制偏置值，旨在控制發(fā)電機電磁扭矩以跟蹤最優(yōu)風(fēng)能利用曲線期間提高變槳控制器內(nèi)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，使得變槳控制器輸出的槳距角給定值保持在最優(yōu)(或最小)槳距角處，從而保證風(fēng)力發(fā)電機組的氣動系統(tǒng)能夠工作在最大可能捕獲風(fēng)能的狀態(tài)，提高整機的風(fēng)能利用率。而變槳控制器，則根據(jù)變槳偏置區(qū)域計算模塊求得的計算變槳控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的槳距角給定值。同時增設(shè)的扭矩偏置區(qū)域計算模塊，用于計算扭矩控制偏置值，旨在變槳系統(tǒng)工作期間降低扭矩控制器內(nèi)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，使得扭矩控制器輸出的給定值保持在額定扭矩，從而保證在需要變槳的區(qū)域內(nèi)扭矩控制器基本不調(diào)整扭矩給定值，不干擾變槳控制器的控制效果。而扭矩控制器，則根據(jù)扭矩偏置區(qū)域計算模塊求得的扭矩控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。以下結(jié)合本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制方法，來具體說明上述模塊的具體工作流程。在扭矩控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域，變槳偏置區(qū)域計算模塊首先根據(jù)變流器提供的扭矩實際值Tfa。，計算出Tfa。和扭矩最大值Tmax間的差值(Tmax-Tfac)，再計算出該差值與最大值的比值Fm= (Tmax-Tfae)/Tmax，F(xiàn)m乘以變槳轉(zhuǎn)速偏置因子PitchSpdFactor，再乘以發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速SpeedSetpoint即可得到變槳控制偏置值PBias,即PBias = FPit*PitchSpdFactor*SpeedSetpointo常用變槳控制器的輸入為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速Mspeed與額定轉(zhuǎn)速SpeedSetpoint的差值，在引入了變槳控制偏置值后，變槳控制器的輸入調(diào)整為MSpeed-(SpeedSetp0int+PBias)。在達到額定扭矩之前，即使發(fā)電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)到了額定SpeedSetpoint，變槳控制器的輸入仍為負值或零，其輸出也必為負值或零，變槳系統(tǒng)不動作，保證槳距角穩(wěn)定在最小或最優(yōu)槳距角處，不干擾扭矩控制器的控制效果。在變槳控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域內(nèi)，扭矩偏置區(qū)域計算模塊將首先根據(jù)槳角位置傳感器反饋的槳距角實際值PitchFact,計算PitchFact與最小(或最優(yōu))槳距角PitchMin之間的差值，并把該差值除以變槳限界因數(shù)PitchMargin得到系數(shù)Florq= (PitchFact-PitchMin) /Pitchmargin該系數(shù)乘以扭矩轉(zhuǎn)速偏置因子TorqueSpdFactor,再乘以發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速SpeedSetpoint即可得到扭矩控制偏置計算結(jié)果TBias,即Teias = FTorq*TorqSpdFactor*SpeedSetpo int。常用扭矩控制器的輸入為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速Mspeed與額定轉(zhuǎn)速SpeedSetpoint的差值，在引入了扭矩偏置區(qū)域計算模塊后，扭矩控制器的輸入調(diào)整為Mspeed- (SpeedSetpoint-Teias)。在實際槳距角大于最小(或最優(yōu))槳距角之后，即變槳系統(tǒng)開始動作之后，扭矩控制器輸出保持在額定或最大，不通過調(diào)節(jié)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，不干擾變槳控制器的控制效果。
上述變槳轉(zhuǎn)速偏置因子PitchSpdFactor和扭矩轉(zhuǎn)速偏置因子TorqueSpdFactor為風(fēng)電機組的固有常數(shù)，不同因子的機組之間，扭矩和變槳控制器切換的區(qū)域大小或切換的位置不同。本發(fā)明可實現(xiàn)在風(fēng)電機組的工作區(qū)域內(nèi)只有一種控制器起主導(dǎo)作用，有效實現(xiàn)扭矩和變槳控制器的解耦和順暢切換，硬件改動小，易于實現(xiàn)，且對風(fēng)電機組的安全不會有任何的影響。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法，其特征在于 在扭矩控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域，首先，計算變槳控制偏置值，計算公式為PBias =Fm*PitchSpdFactor*SpeedSetpo int， 其中，PBias為變槳控制偏置值，PitchSpdFactor為變槳轉(zhuǎn)速偏置因子，SpeedSetpoint為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，F(xiàn)pit = (Tmax-Tfac)/Tmax, Tmax為扭矩最大值，Tfac為扭矩實際值， 之后，將變槳控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值調(diào)整為SpeedSetpo int+PBias并計算輸出相應(yīng)的槳距角給定值； 在變槳控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域，首先計算扭矩控制偏置值，計算公式為TBias =Fiorq氺TorqSpdFactor氺SpeedSetpo int, 其中，PBias為變槳控制偏置值，PitchSpdFactor為變槳轉(zhuǎn)速偏置因子，SpeedSetpoint為發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，F(xiàn)pit = (Tmax-Tfac)/Tmax, Tmax為扭矩最大值，Tfac為扭矩實際值， 之后，將扭矩控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值調(diào)整為SpeedSetpo int_TBias并計算輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。
2.一種風(fēng)電機組扭矩與變槳解耦控制器，其特征在于包括 變槳偏置區(qū)域計算模塊，用于計算變槳控制偏置值； 變槳控制器，用于根據(jù)變槳偏置區(qū)域計算模塊求得的計算變槳控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的槳距角給定值； 扭矩偏置區(qū)域計算模塊，用于計算扭矩控制偏置值； 扭矩控制器，用于根據(jù)扭矩偏置區(qū)域計算模塊求得的扭矩控制偏置值，調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值，并計算輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。
3.一種風(fēng)電機組扭矩與變槳解耦控制系統(tǒng)，其特征在于包括 權(quán)利要求2所述的解耦控制器； 根據(jù)解耦控制器輸出的槳距角給定值控制葉輪槳距角的變槳系統(tǒng)； 向解耦控制器反饋扭矩實際值，并根據(jù)解耦控制器輸出電磁扭矩給定值控制發(fā)電機扭矩的變流器； 安裝在葉輪上，并向解耦控制器反饋槳角實際位置的槳角位置傳感器； 安裝在發(fā)電機上，并向解耦控制器反饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電機組扭矩與變槳解耦控制的方法、控制器及系統(tǒng)，該方法在扭矩控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域計算變槳控制偏置值，調(diào)整變槳控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值并輸出相應(yīng)的槳距角給定值；在變槳控制器起主導(dǎo)作用的區(qū)域計算扭矩控制偏置值，調(diào)整扭矩控制器的發(fā)電機轉(zhuǎn)速參考設(shè)定值并輸出相應(yīng)的電磁扭矩給定值。該控制器包括變槳偏置區(qū)域計算模塊、變槳控制器、扭矩偏置區(qū)域計算模塊和扭矩控制器。該系統(tǒng)包括上述解耦控制器、變槳系統(tǒng)、變流器、槳角位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器。本發(fā)明實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機組扭矩控制器和變槳控制器的解耦，提高了兩個控制器在各自作用域內(nèi)的性能，避免相互干擾控制效果，使變速變槳風(fēng)電機組的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。
文檔編號H02P9/06GK102777320SQ201210277908
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者劉國君, 張會廣, 潘磊, 王建明, 紀(jì)國瑞 申請人:國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司