一种自适应密度的风电机组转矩‑转速控制方法

摘要

本发明提供了一种基于大气密度变化实时调整风电机组桨距设定值的方法，在分析机组转矩与大气密度之间联系的基础上，建立二者之间的映射关系，在大气密度发生明显变化时，调整转矩设定值，改变了机组设计阶段确定的基准转矩‑转速运行曲线对大气环境变化缺乏自适应、自调节能力的现状。本发明将密度变化导入转矩控制环节设定值的整定计算部分，将转矩由原来是转速的单值函数变为转速、密度的函数，从而将转矩‑转速运行曲线由原来的一条变为一簇；新方法使机组具备了对环境很好的适应性，在季节和湿度变化导致密度发生变化时，机组均能自动调整转矩设定值，改善了机组运行功率曲线，在机组最佳叶尖速比运行段能较好地实现控制策略。

说明书

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及风电机组运行控制设计领域，具体涉及到一种自适应密度的风电机组转矩-转速控制方法。

背景技术

风电是目前技术比较成熟、实用化程度较高、商业开发价值和市场竞争力较强的能源利用形式，近些年获得长足发展，根据国家能源局统计数据，截至2014年底，中国风电累计并网装机容量接近1亿千瓦。随着规模的快速增长，行业内对机组运行性能的关注也逐步升温，相关研究已经展开，发现了一些诸如机组运行效率达不到设计值，同等风速下出力长期较保证功率偏低，额定功率对应的风速高于设计额定风速；控制策略对密度适应性差、转矩调节不能很好地匹配叶轮等机械部件的调节特性等等问题。

通过分析，发现发电机组控制策略设定不当是其中的主要原因。目前主流的变速恒频双馈机组整个运行曲线可分为四个工作区，分别是第一段升速并网、第二段C_p最优(最佳叶尖速比)、第三段转速恒定、第四段功率恒定，上述机组效率偏低的情况主要以第二个运行阶段为主。所谓最佳叶尖速比运行段是指机组通过控制电磁转矩(以下简称转矩)，调节叶轮转速，实现对最大风能捕捉系数的连续跟踪。但在工程应用中，由于精确测量风速有一定难度，实际上通过计算和仿真，确定出设计条件下，机组运行于最佳叶尖速比区段时，机组转速与转矩的对应关系，形成转矩-转速运行曲线，机组围绕该运行曲线进行调节。但是机组的实际运行环境千差万别，在时空上均存在较大差异，空气温度、压力、湿度时时刻刻都在发生变化，致使机组往往运行在非最优曲线附近，造成一定的能量损失。

发明内容

本发明提出一种自适应空气密度的机组转矩-转速控制方法，将转矩-转速运行曲线由原来的一条变为一簇，解决的是机组转矩控制环设定值无法准确响应大气参数变化的问题，使得机组在不同的空气密度下，运行在不同的转矩-转速曲线上。即根据所处环境不同，自适应地调节转矩设定值，实现最优工况发电。

本发明提出的机组转矩-转速控制方法，包括以下步骤：

S1：研究并确立机组捕捉机械功与发电机组转矩之间的关系；

S2：研究分析计算机组基准转矩-转速运行曲线对应的基准空气密度及其设定工况大气参数(包括温度、压力、湿度)；

S3：确定机组转矩控制环节设定值与大气密度之间的关系；

S4：根据实测大气温度、压力、湿度进行大气密度计算，再根据实际大气密度进行转矩设定值的调节。

本发明分析机组转矩与大气密度的关系，根据实测大气密度实时调整机组转矩控制设定值，提高机组对环境的适应能力，实现机组自适应调节转矩-转速运行曲线，充分利用变速机组对最佳叶尖速比的跟踪优势，实现功率的最大转化。

所述风电机组捕捉机械功是指风力机部分捕获的功率，风力机包括叶片、轮毂、主轴等部件及其相应的调节机构，其吸收的机械能大小与对风和变桨有关，在不考虑机组对风偏差的情况下，机组转速与叶片来风合流角有关。

所述机组基准转矩-转速运行曲线是指机组在设计环境下，在机组并网转速至额定转速段(即最佳叶尖速比段)，为实现机组最佳叶尖速比和最优风能捕捉系数，在机组设计阶段，将机组转矩与最佳转速的对应关系拟合为一条曲线，该条曲线上运行时机组维持在最佳叶尖速比，当来风发生变化风轮转速偏离最佳曲线时，机组调整发电机转矩，使得转速回归到最佳曲线。

所述机组转矩是指与机组转子相连的变流器将励磁电流馈入转子绕组，形成交变磁场，转子在原动机输入下带动磁场旋转，进而在定子绕组中形成感应电流，在定子绕组中形成与转子机械转矩作用方向相反的转矩。机械功与转矩之间的关系可用下列公式表示，风力机捕捉的机械功为：

用机械转矩和转矩可表示为：

P＝T_m·ω_m＝T_e·ω_e(2)

其中，T_m表机械转矩、ω_m表低速轴转速，T_e表发电机电磁转矩、ω_e表发电机转速，且N为齿轮箱变比。

所述基准转矩-转速运行曲线对应的基准空气密度及其设计工况大气参数是指在机组进行运行控制设计时，所对应的大气环境，以温度、压力、湿度表示其对应的密度为：

其中，ρ₀表大气密度、T₀表大气温度(绝对温度)、B₀表大气压力、Φ表相对湿度、R₀表干燥空气气体常数(287.05J/kg·K)、R_w表水蒸汽气体常数(461.5J/kg·K)，P_w表蒸汽压力，表达式为：

当处于设计工况大气运行时，机组在基准转矩-转速曲线上根据转速变化调整转矩设定值时，机组获得最优捕捉效率，同等输入风速下最大电磁功率输出。

所述机组转矩控制环节设定值与大气密度之间的关系是指，当大气密度发生变化时，转矩控制目标设定值跟随密度变化的关系式：

在机组物理属性不发生变化、同样的风速输入情况下，将转矩设定值T_e^ref由原来的只是发电机转速ω_e单值函数变为与ω_e、大气密度ρ都有关系的函数。

所述实测大气温度、压力等参数进行转矩设定是指，根据公式(4)对实际大气密度进行计算，进而根据公式(5)进行转矩整定值的计算。

本发明提供了一种基于大气密度变化实时调整风电机组桨距设定值的方法，在分析机组转矩与大气密度之间联系的基础上，建立二者之间的映射关系，在大气密度发生明显变化时，调整转矩设定值，改变了机组设计阶段确定的基准转矩-转速运行曲线对大气环境变化缺乏自适应、自调节能力的现状。本发明将密度变化导入转矩控制环节设定值的整定计算部分，将转矩由原来是转速的单值函数变为转速、密度的函数，从而将转矩-转速运行曲线由原来的一条变为一簇。新方法使机组具备了对环境很好的适应性，在季节和湿度变化导致密度发生变化时，机组均能自动调整转矩设定值，改善了机组运行功率曲线，在机组最佳叶尖速比运行段能较好地实现控制策略。

本发明在场级大气监测装置、场级监控系统、机组主控PLC之间建立了联系，大气监测装置将满足控制精度和采样周期要求的大气压力、湿度等参数输入监控系统，同时机组控制器将机组点位处的环境温度输入监控系统，根据温度、压力、湿度等参数，监控系统可计算出大气实测密度再输入机组主控PLC，PLC依据实测密度参照基准转矩-转速运行曲线整定电磁转矩设定值，实现调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的步骤示意图。

图2为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1图2所示，首先选择实施技术改造的风场和机组，风场应有测量大气压力、湿度的传感器，测量精度和周期满足控制要求，且该传感器能对物理量进行模数转换，测量装置有相应的通讯装置和接口，具备将变量上传至其他平台，与其他系统进行信息交互的通道。实施改造机组的叶片、齿轮箱等大部件没有质量缺陷，各子系统(如测风装置、变桨偏航系统等)运行正常，机组主控系统通讯接口开放。

收集机组设计功率曲线、基准转矩-转速运行曲线及其对应的大气参数(含：大气温度、压力、密度、湿度)。

大气压力表、湿度计采样频率满足主控系统控制周期要求，利用场级监控建立大气测量装置与机组PLC通讯的媒介，调通监控系统至大气测量装置、实施机组PLC的通讯接口。

以一定频率采集大气压力、湿度，将实施机组自测的环境温度输入监控系统，监控系统根据压力、温度、湿度参数计算大气实时密度，输入机组PLC控制器。

利用主控系统PLC组态软件，编辑主控程序源代码，将转矩控制设定值由跟踪转速变化变为跟踪转速和密度变化，从而将转矩-转速运行曲线由原来的一条变成一簇，在确定转速下，机组根据实测大气密度在一定区间内进行设定值整定。机组主控单元将计算好的转矩设定值输入变流器控制器，变流器控制器接收到转矩整定值后与当前转矩进行比较计算出下一个调节周期内的励磁电流调节值，实现转矩调整。由于大气环境变化频繁，加之转速的变化也呈现较强的随机波动性，因此导致转矩的调整也必然较为频繁，在实际工程应用中，设立了调节死区，避免变流器持续频繁动作，影响调节效果。

实施例一：

宁夏某风场冬夏两季温度相差30℃，不考虑湿度的情况下典型日的密度分别为0.937kg/m³和1.04kg/m³，密度相差11％，根据机组运行原理，转矩设定值也应等比例提高11％，有功功率也相应提高。机组原始转矩-转速运行曲线参照的大气参数是设计工况大气参数，与冬夏两季大气实际参数有很大出入，冬季空气密度较大，机组不能适当提高转矩设定值，导致捕捉功率有很大损失；夏季空气密度偏小，机组转矩设定不当，转速偏离最优叶尖速比，捕捉效率偏低。为准确反应大气环境变化对机组运行控制的影响，有必要对机组控制进行改造。

该风场建有测风塔，分别对不同高度处的风速、风向进行测量，能对温度、气压、湿度进行监测，并将测量、监测结果存入塔体的数据记录仪中，但该记录仪无法将数据实时导入场级监控系统，同时场级监控系统也无法计算大气实时密度，并将此密度输入机组PLC。因此需首先对大气监测装置、场级监控系统、机组PLC之间的通讯进行改造，对通讯协议进行统一和转换，确保数据传输速度、准确度满足控制环节要求；在场级监控系统中加入空气密度换算算法，改造机组PLC主控程序，建立密度与机组转矩设定环节之间的联系。

初期将空气密度引起的转矩设定值变化按照四段“台阶”的形式分段变化，“台阶”内的转矩设定值不发生变化，当密度变动幅值超过“台阶”时，可根据变化幅度按比例调整转矩设定值。在实际运行中，大气监测装置以ms级的采样频率将大气压力、湿度等参数采集过滤后送出场级监控系统，机组控制器将机位处的大气温度采样后也送入场级监控系统，场级监控系统经过密度换算后，将此密度再送回机组主控，控制器接收到大气实测密度开始转矩整定，实现转速调节。

排除机组发生故障等特殊情况，在正常发电状态下，同等风速输入，统计测试阶段发电量，发现改造后的机组发电量均高于改造前。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。