一种应用于供暖负载的离网型风电机组的功率控制方法

摘要

一种应用于供暖负载的离网型风电机组的功率控制方法。当主控发送启动指令后，变流器采集三相定子电压，通过定子电压计算出电励磁同步发电机转速。依据风电机组最佳转速功率曲线，构造出转速一定子电压有效值曲线，根据所采用的定子电压闭环的控制策略，调节变流器输出励磁电流的大小，在一定转速下维持发电机定子电压有效值达到给定。定子电压经变流器内的二极管整流桥整流后转换为直流电压，在直流端连接固定电阻负载，通过电阻消耗功率实现加热的功能。本发明按照最佳叶尖速比控制，实现在固定负载情况下机组效率最高，将风电机组的功率控制转换为对同步发电机的励磁控制，简化了变流器的设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种离网型风电机组的功率控制方法。

背景技术

大功率风力发电有并网型与离网型两种机组。并网型风电机组多采用变速恒频风电机 组，这种机组发电机转速可以在一个较大范围内运行，实现风电机组的最佳叶尖速比控制。 该机组通过变流器实现在变速情况下馈入电网电能的恒频。变流器主要起到变频与能量管理 的功能。在离网型机组中，由于输出电能不馈入电网，其能量直接加在负载之上，如何通过 变流器的控制实现风电机组的最佳叶尖速比控制，最大限度的吸收风能是设计的重点。

由于我国独特的地理条件和丰富的风能资源，因此离网型风力发电系统在我国有广阔的 发展前景，这对我国的环保事业、能源结构的调整，减少对不可再生能源的依赖有很大的意 义。随着风电机组制造成本的降低，发电效率的提高，离网型风力发电发展前景十分巨大， 应用领域更加广大。

采用电励磁同步发电机的全功率变流器机组在目前风电机组中得到了广泛应用。电励磁 同步发电机可以通过调节励磁电流来调节定子侧电压输出幅值，控制较为灵活，特别适用于 为固定阻值的供暖负载。

目前的现有技术对离网型风电机组的能量管理多体现在通过蓄电池实现，所能实现的机 组的功率等级较小。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种适用于大功率风电机组的功率控制方 法。本发明不需要采用蓄电池，通过变流器对定子电压的控制，实现风电机组的最佳叶尖速 比控制，保持机组以最大的效率输出功率，对于风电机组，其功率外特性与并网型风电机组 一致。

本发明采用电压传感器采集风电机组电励磁同步发电机定子电压，由变流器采用软件锁 相环的方法计算出定子电压频率和有效值，并根据同步发电机极对数计算出实际发电机转 速；变流器控制器根据风电机组最佳转速-功率曲线，构造出发电机转速-定子电压有效值 曲线。本发明控制采用定子电压闭环的控制策略，通过调节变流器输出励磁电流的大小，在 转速运行范围内控制发电机定子电压依据转速-定子电压有效值曲线变化。发电机定子电压 经变流器内的二极管整流后转换为直流，在变流器的直流端连接固定电阻负载，通过固定电 阻负载消耗功率实现供暖加热的功能。本发明中的功率控制方法包括以下步骤：

(1)当接收到风电机组主控启动指令后，变流器控制器通过电压互感器采集发电机定 子电压，由变流器控制器计算出定子电压角速度ω，定子电压有效值U_m，并根据发电机极 对数p，依据公式(2)计算发电机转速n；

n＝60ω/2pπ   (2)

(2)根据给定的转速-功率(n-P)曲线，由发电机转速n、机组功率P、直流侧电阻 R，依据式(3)构造转速-定子电压有效值曲线；依据所述的转速-定子电压有效值曲线， 设定发电机定子电压有效值给定U_sref；

$U=\sqrt{P*R}/1.35---\left(3\right)$

(3)采用定子电压闭环的控制策略，将U_sref减U_m，所得差值经PI调节器后输出发电 机励磁电流给定；将励磁电流给定减实际励磁电流I_re，所得差值经PI调节器后输出调试电 压，该调试电压与控制三角波进行比较，输出PWM调制波，控制变流器电励磁单元绝缘栅双 极晶体管IGBT的导通和关断，从而控制发电机定子电压达到给定值U_sref；

(4)所述的定子电压经变流器的二极管整流桥后转换为直流电压，变流器直流电压幅 值为定子电压幅值的1.35倍；

(5)将变流器直流侧电压加载在直流负载上，实现功率输出。

本发明按照最佳叶尖速比控制，实现在固定直流负载情况下机组效率最高，将风电机组 的功率控制转换为对同步发电机的励磁控制，简化了变流器的设计。

附图说明

图1离网型风电机组系统结构图；

图2离网型风电机组变流器拓扑图；

图3离网型风电机组变流器功率控制流程图；

图4离网型风电机组变流器软件锁相环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明的应用对象离网型电励磁同步风力发电机组。如图1所示，风吹动 叶轮旋转，叶轮带动电励磁同步发电机旋转。当风速达到启动风速后，由主控系统006向变 流器003发送启动指令，变流器控制发电机输出电能，供给用户直流负载。当风速超过额定 风速后，变桨距系统005调节叶片桨距角，屏蔽掉多余的风能。

图2所示为本发明实现功率控制的变流器硬件载体。如图2所示，发电机定子输出经交 流开关14后连接于变流器二极管整流桥011，在整流桥直流侧并联薄膜电容，稳定整流桥直 流侧电压，整流桥直流侧输出加直流负载电阻。和整流桥连接的直流开关017作为保护使用， 正常情况下闭合，当需要对直流负载进行检修时手动断开。

外部市电230V电源经UPS后，通过隔离变压器016连接于变流器电励磁单元012。

变流器控制器013采集发电机两个定子线电压，通过软件算法计算出定子电压频率及有 效值，根据频率计算出发电机转速，依据转速-电压曲线得到发电机定子电压有效值给定； 变流器控制器经过闭环调节算法后输出PWM脉宽波，控制变流器电励磁单元012中IGBT015 的导通关断，从而调节励磁电流输出大小，进而控制发电机输出定子电压达到给定。

本发明的风电机组功率控制方法当接收到主控启动指令后执行，算法流程图如图3所示。 变流器控制器基于TI公司DSP设计，具有高速运算功能。

步骤1：变流器控制器采集发电机定子电压。通过图4所示离网型风电机组变流器软件 锁相环计算定子电压有效值U_m及角频率ω。

步骤2：变流器根据发电机转速根据转速-电压曲线计算定子电压给定U_sref。

步骤3：定子电压给定U_sref与步骤1检查到的定子电压有效值U_m做差，经PI调节器后 输出励磁电流给定。

步骤4：励磁电流给定与实际检测到的励磁电流I_re做差，其偏差经PI调节器后输出调 制电压，经三角波比较后输出PMW。

步骤5：PWM控制变流器电励磁单元IGBT斩波，控制实际励磁电流达到给定，从而调节 发电机定子电压达到给定。

步骤6：定子输出能量经二极管整流桥后供给直流负载。

当风速增加，风电机组输入功率增加时，发电机转速升高，依据转速电压曲线，发电机 输出定子电压有效值升高，直流侧能量增加，重新达到功率平衡。