一种定桨距风力发电机的失速控制方法与流程

本发明涉及定桨距风力发电机的失速控制方法，属于风力发电机的控制方法技术领域。

背景技术：

目前小型风力发电机单位功率成本较高，多为定桨距设计，且没有风速采样装置，控制方式较简单，大风时风力发电机易超速，风力发电机组损坏率高。

比较常见的风力发电机的控制系统如图1所示，包括风力发电机、控制单元、泄荷装置、电压变换设备。风力发电机的风轮捕获风能，旋转的叶片带动发电机输出电能，以交流电的形式输出。控制单元至少包含AC/DC转换及风力发电机失速控制算法功能。泄荷装置为消耗风力发电机的能量，辅助施加发电机的电磁转矩装置。电压变换设备为DC/DC离网应用设备或DC/AC并网应用设备，能够依据设置的转速-功率曲线、电压-功率曲线或实时的模拟、数字通信信号进行动态的调整输出功率。

部分具有失速控制功能的设备其控制方法中仅仅是根据发电机的转矩是否达到最大转矩这一个变量来决定是否降低转速，而忽略了泄荷装置所承受的发热功率，其缺点是泄荷装置容量配置较大，发热严重，尤其在离网应用中很多时候负载需求功率远小于风力发电机的额定功率，大部分能量消耗在泄荷装置上，这样既加大了风力发电机的机械损耗，并且对泄荷装置长时间过载能力有很高的要求，故在实际定浆距风力机组运行中往往出现由于泄荷装置的过热损坏而造成了整个机组的飞车、叶片折断等类似事故发生，其解决办法只能是进一步加大泄荷装置的容量，成本大幅增加。

在已知的风力发电机组中，其保护方式主要是通过泄荷装置进行限压泄荷，限压点是比风力发电机的额定输出电压稍高的值，在失速控制中其泄荷电压点保持不变，故很难在不同的转速下对发电机均施加到最大扭矩，为了在控制过程中能够对发电机施加到最大扭矩，大多是在发电机输出端增加升压控制电路来实现，无疑增加了设备成本。

另外部分具有被动失速的风力发电机组，虽然能够较早的进入失速区域，但大多存在输出功率损失较大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种减小泄荷装置的容量，降低风力机输出功率损失的失速控制方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种定桨距风力发电机的失速控制方法，该失速控制方法在定桨距风力发电机的限转速运行阶段及限功率运行阶段介入，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、给定定桨距风力发电机的最大转矩、最大泄荷功率、最大转速、最小转速；

步骤2、实时采集定桨距风力发电机的当前输出电压、当前输出电流、当前转速，并计算当前泄荷功率和当前转矩；

步骤3、判断当前转矩是否大于最大转矩，若是，则降低目标转速后进入步骤6，若否，则进入步骤4；

步骤4、判断当前泄荷功率是否大于最大泄荷功率，若是，则降低目标转速后进入步骤6，若否，则进入步骤5；

步骤5、判断当前泄荷功率是否大于零，若是，则维持目标转速不变后进入步骤6，若否，则增大目标转速后进入步骤6；

步骤6、判断目标转速是否大于最大转速，若是，则将新的目标转速确定为最大转速后进入步骤8，若否，则进入步骤7；

步骤7、判断最大转速是否小于最小转速，若是，则将新的目标转速确定为最小转速，若否，则将新的目标转速确定为当前的目标转速后进入步骤8；

步骤8、确定电压变换设备根据实时转速-功率曲线跟踪输出，当进入限功率运行阶段，进入步骤9；

步骤9、判断当前转速是否大于新的目标转速，若是，则降低泄荷电压点后进入步骤11，若否，则进入步骤10；

步骤10、判断当前转速是否小于新的目标转速，若是，则提高泄荷电压点后进入步骤11，若否，则保持泄荷电压点不变后进入步骤11；

步骤11、判断泄荷电压点是否大于最大泄荷功率对应的泄荷电压点，若是，则将泄荷电压点设置为最大泄荷功率对应的泄荷电压点，进入步骤13，若否，进入步骤12；

步骤12、判断泄荷电压点是否小于当前定桨距风力发电机转速输出最大功率时对应的电压点，若是，则将泄荷电压点设置为当前定桨距风力发电机转速输出最大功率时对应的电压点，进入步骤13，若否，则保持泄荷电压点进入步骤13：

步骤13、依据泄荷电压点进行泄荷，同时返回步骤9，以实时调整泄荷电压点。

本发明提供的控制方法能够适应并网和离网等不同的负载需求在，无需采样风速数据，该控制方法能够显著减小定桨距风力发电机组配套泄荷装置的容量，同时电气回路中无须增加升压控制电路，又具有额定风速以上风力机输出功率损失较小等优点。在控制过程中能够动态调整不同的叶尖速比和风能利用系数，使发电机系统的可靠性显著提高。

附图说明

图1为风力发电机的控制系统示意图；

图2a为典型定浆距风力发电机以风速为参考的转速和转矩特性图；

图2b为典型定浆距风力发电机以风速为参考的最佳功率曲线；

图3为本发明的流程图；

图4为永磁发电机不同转速下电压-功率曲线及电压变换设备输出功率偏移曲线图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图2a及图2b所示，是典型定浆距风力发电机以风速为参考的转速和转矩特性图，以及最佳功率曲线(横坐标为风轮转速，纵坐标为发电机扭矩)。

风力发电机在不同风速和不同负载下运行在不同的阶段：

1)最佳功率跟踪阶段：在低风速下，风力发电机运行在图2a中的曲线BCD(BD’)段，BC段是依据默认的功率曲线输出功率。CD(并网运行或离网运行负载较大时C和D在D’点重合，如图2b所示)段是电压变换设备最大需求功率小于发电机的额定输出功率，在CD段随风速的增大发电机转速急剧上升至设定的最大转速点Nmax。

2)限转速运行阶段：超出额定风速，泄荷装置消耗功率较小，图2a、2b中的DE段为恒转速运行阶段，通过动态调整泄荷电压点，稳定风轮转速在设置的最大转速点Nmax运行。该阶段叶尖速比λ及风能利用系数Cp略微减小，泄荷装置的稳态功率在0～DE段范围内。

3)限功率运行阶段：超出额定风速，若泄荷装置消耗功率超出设定值后(未达到风力机最大转矩时)，如图2a、2b所示进入EFD限功率阶段。如图2a，若风速为10m/S恒定(如图2b，若风速为13m/S恒定)，则将风轮转速调整至N1时，发电机输出功率仅仅满足负载需求功率，泄荷功率将降为0。该阶段在N1和Nmax之间动态调整发电机的目标转速，一旦确定目标转速再通过调解泄荷电压点的方法，来稳定风轮转速在目标转速点。该阶段叶尖速比λ及风能利用系数Cp将进一步偏离最佳值，但泄荷装置的稳态功率仍在0～DE段范围内。

在最佳功率跟踪阶段，失速控制不介入，只需DC/DC(DC/AC)电压变换设备按照默认的功率曲线输出功率即可；在限转速及限功率运行阶段失速控制将介入其中，但限转速运行阶段目标转速为给定的最大值，该阶段仅通过调整泄荷电压点来控制风轮转速在设定的最大值；在限功率运行阶段首先是依据泄荷功率和转矩来进行目标转速的调整，功率曲线的偏移，然后通过调整泄荷电压点来使风轮转速稳定在目标转速点。具体的控制流程如图3所示，包括以下步骤：

步骤1、给定定桨距风力发电机的最大转矩、最大泄荷功率、最大转速、最小转速；

步骤2、实时采集定桨距风力发电机的当前输出电压、当前输出电流、当前转速，并计算当前泄荷功率和当前转矩；

步骤3、判断当前转矩是否大于最大转矩，若是，则降低目标转速后进入步骤6，若否，则进入步骤4；

步骤4、判断当前泄荷功率是否大于最大泄荷功率，若是，则降低目标转速后进入步骤6，若否，则进入步骤5；

步骤5、判断当前泄荷功率是否大于零，若是，则维持目标转速不变后进入步骤6，若否，则增大目标转速后进入步骤6；

步骤6、判断目标转速是否大于最大转速，若是，则将新的目标转速确定为最大转速后进入步骤8，若否，则进入步骤7；

步骤7、判断最大转速是否小于最小转速，若是，则将新的目标转速确定为最小转速，若否，则将新的目标转速确定为当前的目标转速后进入步骤8；

步骤8、确定电压变换设备根据实时转速-功率曲线跟踪输出，当进入限功率运行阶段，进入步骤9；

步骤9、判断当前转速是否大于新的目标转速，若是，则降低泄荷电压点后进入步骤11，若否，则进入步骤10；

步骤10、判断当前转速是否小于新的目标转速，若是，则提高泄荷电压点后进入步骤11，若否，则保持泄荷电压点不变后进入步骤11；

步骤11、判断泄荷电压点是否大于最大泄荷功率对应的泄荷电压点，若是，则将泄荷电压点设置为最大泄荷功率对应的泄荷电压点，进入步骤13，若否，进入步骤12；

步骤12、判断泄荷电压点是否小于当前定桨距风力发电机转速输出最大功率时对应的电压点，若是，则将泄荷电压点设置为当前定桨距风力发电机转速输出最大功率时对应的电压点，进入步骤13，若否，则保持泄荷电压点进入步骤13；

步骤13、依据泄荷电压点进行泄荷，同时返回步骤9，以实时调整泄荷电压点。

本发明的创新点在于：

1、目标转速的调整不仅仅是参考风力发电机的当前转矩是否大于给定最大转矩，而且参考了当前泄荷功率的大小是否大于给定的最大泄荷功率。如图2a、2b所示，DE段为泄荷装置所承受的功率，在风速进一步增大时，泄荷功率超出DE段临界点，尽管发电机转矩小于的给定最大转矩H-I-J线，仍然会对目标转速进行调整，方向为N1至Nmax之间，目标是使稳态泄荷功率满足大于0，小于设定的最大泄荷功率值。

2、恒转速控制的实施手段是对泄荷电压点进行实时调整，解决了常规恒定电压点泄荷方式无法有效地对风力发电机在不同转速下施加最大转矩的问题。如图4所示，若当前目标转速为N1，其泄荷电压点将在Umax和U1之间进行动态调整，Umax为设定的最高泄荷电压点，U1是风力发电机在转速为N1时对其施加最大反向扭矩所对应的电压点。

3、为了保证在失速控制中电压变换设备的功率需求，采用功率曲线偏移的方式避免电压变换设备的输出功率的损失。如图4所示，假设当前电压变换设备的需求功率为Pdc-dc，若当前转速为N1，目标转速为N2以下，则将电压变换设备的功率曲线AB线更改为ab线；若当前转速为N1，目标转速为N1至N2之间的某一值如N3，则将电压变换设备的功率曲线AB线将变化为A’B’线。