一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统

本发明属于风力发电系统控制领域，具体是一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统。

背景技术：

1、风能是一种清洁能源，因其无污染、可再生的优点，被广泛开发和利用。但是，由于风具有不确定性，难以预测等特点，所以风能的利用率较低。最大化风能的获取，必须根据实况风速，动态调整风电系统的最大输出功率，但目前风力发电机的控制系统存在功能单一、精度不足和制造成本高等问题，很难达到风能的高效利用，严重影响风电技术的发展。

2、目前，针对上述问题的解决技术方案是，通过参数化功率调控器，耦合原电机控制系统，动态调整系统的输出转矩，进而使风力发电系统的最大输出功率实时变化，实现风能利用效率最大化。但由于参数化功率调控器中有一项参数为气动系数，其随叶距角和叶尖速比呈非线性变化，很难获取真实值。而现有功率调控器在设计之初未考虑该系数，或者默认其为已知值，这无疑使控制器的输出参数不准确，无法动态调整风电系统的最大输出功率。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，通过融入真实气动系数的功率调控模块对控制系统进行优化，确保控制系统反应迅速、输出精确，为今后风机系统的状态检测和故障诊断提供技术支持。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，包括风机叶片信息收集模块、气动系数计算模块、功率调控模块、上位机模块，功率调控模块包括相连的转矩调节单元、控制单元，风机叶片信息收集模块与气动系数计算模块连接，上位机模块、气动系数计算模块分别与转矩调节单元连接；

4、风机叶片信息收集模块，用于识别风机叶片的几何形状数据；

5、气动系数计算模块，用于根据风机叶片的几何形状数据计算得到相应的实际气动系数；

6、上位机模块，用于输入风机功率改变需求量信息；

7、转矩调节单元，基于实际气动系数、风机电机转速信息、风机功率改变需求量信息计算得到实际风机所需转矩；

8、控制单元，基于实时风机所需转矩调整风机转矩。

9、作为优选方案,气动系数计算模块根据风机叶片的几何形状数据计算得到相应的实际气动系数的具体方法为，将识别到的风机叶片几何形状切分为多个翼型截面薄片，将翼型截面形状与已知叶片库的截面形状进行比较，选取最接近的一组数据生成实际气动系数。

10、作为优选方案,功率调控模块还包括相连的判断单元、电机转速调节单元，判断单元、电机转速调节单元分别与转矩调节单元连接；

11、判断单元，用于判断转矩调节单元计算得到的实时风机所需转矩是否超过风机转矩可调节范围；

12、电机转速调节单元，用于在计算得到的实时风机所需转矩超过风机转矩可调节范围时，对电机转速进行补偿，以得到补偿后电机转速；

13、转矩调节单元，还基于实时气动系数、补偿后电机转速信息、风机功率改变需求量信息计算得到补偿后实时风机所需转矩。

14、作为优选方案,电机转速补偿的计算方法如下：

15、当转矩调节单元计算得到的实时风机所需转矩超过风机转矩可调节范围时，电机转速调节单元根据功率改变需求量、原电机转矩、由积分增益和比例增益决定的浆距控制器△β来计算一个电机转速变化量△ω；

16、通过根据实际气动系数计算得到的增益补偿系数kgs，对浆距控制器△β计算得到的电机转速变化量△ω进行优化，以得到优化后的电机转速变化量△ω'；

17、根据电机转速变化量△ω'、原电机转速ω得到补偿后电机转速ω0，将补偿后的电机转速ω0输入转矩调节单元，以计算得到补偿后的实时风机所需转矩。

18、作为优选方案，电机转速变化量△ω的计算公式为：

19、△ω＝kp+(kikp)/s，

20、其中，kp为比例增益，ki为积分增益，s为积分增益因子。

21、作为优选方案，增益补偿系数kgs的计算公式为：

22、

23、优化后的电机转速变化量△ω'计算公式为：

24、△ω'＝△ω×kgs，

25、即：

26、

27、其中，为根据实际气动系数所计算得到的风速，ωrated为系统额定转速，ω为原电机转速。

28、作为优选方案，系统还包括风机驱动模拟试验模块，风机驱动模拟试验模块包括电机传动单元、模拟试验路径；电机传动单元分别与控制单元、转矩调节单元连接，模拟试验路径与上位机模块连接；

29、电机传动单元，用于接收控制单元输出的补偿后的实时风机所需转矩进行工作，同时将电机转速信号回传至转矩调节单元以形成反馈控制；

30、模拟试验路径，用于接收电机传动模块传输的补偿后的实时风机所需转矩以模拟实际工况下风机电机在接收补偿后的实时风机所需转矩后在实际工况下的实际工作情况，并根据风机电机的实际工作情况获取实际功率，将实际功率传输至上位机模块；

31、上位机模块，用于根据人为输入的风机功率改变需求量信息、实际功率以验证补偿后的实时风机所需转矩的准确性。

32、作为优选方案，模拟试验路径包括轴承模拟试验路径、齿轮模拟试验路径，轴承模拟试验路径用于模拟轴承类风机的实际工作情况，齿轮模拟试验路径用于模拟齿轮类风机的实际工作情况。

33、作为优选方案，上位机模块，用于根据人为输入的风机功率改变需求量信息、实际功率的差值验证补偿后的实时风机所需转矩的准确性。

34、作为优选方案，风机叶片信息收集模块采用激光雷达扫描识别风机叶片的几何形状数据。

35、本发明的有益效果是：

36、1、本发明通过风机叶片信息收集模块，识别得到风机叶片的几何形状数据，根据风机叶片的几何形状数据计算得到相应的实际气动系数，控制单元输出的转矩融入实际气动系数，使输出的转矩更精确，达到的控制效果更精确。

37、2、本发明设置融合真实气动系数的转矩调节单元，通过设置电机转速调节单元，在转矩调节单元计算得到的实时风机所需转矩超过风机转矩可调节范围时，对电机转速进行补偿，以得到满足功率改变需求所需的补偿后的实时风机所需转矩，使控制单元反应迅速，输出的转矩更加精确，增强系统的控制能力，同时改造成本低。

38、3、本发明的风机驱动模拟试验模块对控制单元输出的补偿后的实时风机所需转矩进行模拟试验，模拟试验路径将试验中的实际工作转矩传输至上位机模块，上位机模块通过比较根据人为输入的风机功率改变需求量信息、实际功率的差值，验证控制单元最后输出的补偿后的实时风机所需转矩的准确性，同时还为后续不同工况下的系统状态监测和故障诊断提供了技术支持。

39、4、本发明可实现人为输入的风机功率改变需求量信息、实际功率的误差在3％以内。

技术特征：

1.一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，包括风机叶片信息收集模块、气动系数计算模块、功率调控模块、上位机模块，功率调控模块包括相连的转矩调节单元、控制单元，风机叶片信息收集模块与气动系数计算模块连接，上位机模块、气动系数计算模块分别与转矩调节单元连接；

2.根据权利要求1所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于,气动系数计算模块根据风机叶片的几何形状数据计算得到相应的实际气动系数的具体方法为，将识别到的风机叶片几何形状切分为多个翼型截面薄片，将翼型截面形状与已知叶片库的截面形状进行比较，选取最接近的一组数据生成实际气动系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于,功率调控模块还包括相连的判断单元、电机转速调节单元，判断单元、电机转速调节单元分别与转矩调节单元连接；

4.根据权利要求3所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于,电机转速补偿的计算方法如下：

5.根据权利要求4所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，电机转速变化量△ω的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，增益补偿系数kgs的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，系统还包括风机驱动模拟试验模块，风机驱动模拟试验模块包括电机传动单元、模拟试验路径；电机传动单元分别与控制单元、转矩调节单元连接，模拟试验路径与上位机模块连接；

8.根据权利要求7所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，模拟试验路径包括轴承模拟试验路径、齿轮模拟试验路径，轴承模拟试验路径用于模拟轴承类风机的实际工作情况，齿轮模拟试验路径用于模拟齿轮类风机的实际工作情况。

9.根据权利要求7所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，上位机模块，用于根据人为输入的风机功率改变需求量信息、实际功率的差值验证补偿后的实时风机所需转矩的准确性。

10.根据权利要求1所述的一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，其特征在于，风机叶片信息收集模块采用激光雷达扫描识别风机叶片的几何形状数据。

技术总结
本发明属于风力发电系统控制领域，公开一种基于实际气动系数的风机转矩调控系统，包括风机叶片信息收集模块、气动系数计算模块、功率调控模块、上位机模块，功率调控模块包括相连的转矩调节单元、控制单元，风机叶片信息收集模块与气动系数计算模块连接，上位机模块、气动系数计算模块分别与转矩调节单元连接；风机叶片信息收集模块用于识别风机叶片的几何形状数据；气动系数计算模块用于根据风机叶片的几何形状数据计算得到相应的实际气动系数；上位机模块，用于输入风机功率改变需求量信息；转矩调节单元基于实际气动系数、风机电机转速信息、风机功率改变需求量信息计算得到实际风机所需转矩；控制单元基于实时风机所需转矩调整风机转矩。

技术研发人员：傅雷,马建慧,张弈坤,胥芳,张立彬
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12