永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法

摘要

本发明提供了一种永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法，属于发电机控制技术领域，包括：检测当前风速和永磁直驱风力发电机组的实时功率、转速、桨距角的值；通过当前风速、实时功率、转速、桨距角的值，利用等效风速法计算得到轮毂中心正面接受的风速即等效平均风速；根据等效平均风速和永磁直驱风力发电机组额定风速的关系控制永磁直驱风力发电机组的功率输出，具体控制方法分三种情况：1)当前风速低于额定风速，采用最大功率跟踪控制；2)当前风速超过额定风速，采用恒转速控制；3)当前风速超过额定风速，采用恒功率控制。该方法解决了永磁直驱风力发电机组变桨系统桨距角频繁动作导致的故障率高问题，功率输出更加稳定。

说明书

技术领域

本发明属于发电机控制技术领域，具体涉及一种永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法。

背景技术

变桨距控制是最常见的控制永磁直驱风力发电机组吸收风能的方法，通过调节桨距角实现额定风速以上的恒功率运行。但是，变桨调节使桨距角频繁动作导致风力发电机组故障率相对较高。定桨距失速调节主要依赖于叶片独特的翼型结构，由于失速是一个非常复杂的气动过程，对于不稳定的风况，很难精确计算出失速效果，所以很少用在MW级以上的大型风力发电机的控制上。

为了解决以上问题，针对永磁直驱风力发电机组提出了取失速和变桨混合控制方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法，包括以下步骤：

步骤1：检测当前风速和永磁直驱风力发电机组的实时功率、转速、桨距角的值；

步骤2：通过所述当前风速、永磁直驱风力发电机组的实时功率、转速、桨距角的值，利用等效风速法计算得到轮毂中心正面接受的风速即等效平均风速；

步骤3：根据计算出的所述等效平均风速计算永磁直驱风力发电机组的最优转速n，并根据所述等效平均风速和永磁直驱风力发电机组额定风速的关系控制永磁直驱风力发电机组的功率输出，具体控制方法分为以下三种情况：

1)最大功率跟踪控制：如果当前风速低于永磁直驱风力发电机组额定风速，则桨距角一直维持在0°，永磁直驱风力发电机组实际从风中吸收的能量公式为：

式中，ρ-空气密度，kg/m³；R-风轮半径，m；C_P-风能利用系数；v-等效平均风速，m/s；

风能利用系数C_P仅为叶尖速比λ的函数，叶尖速比λ＝ωR/v，其中，ω-风轮角速度，rad/s，根据计算出的最优转速和测得的机组转速的差值来通过力矩调节永磁直驱风力发电机组的功率输出，实现最大功率跟踪；

2)恒转速控制：如果当前风速超过永磁直驱风力发电机组额定风速，且功率未达到永磁直驱风力发电机组额定功率，此时永磁直驱风力发电机组以额定转速恒转速运行，根据额定转速和实际转速差值来调节永磁直驱风力发电机组的功率输出，功率一直增加直到达到额定功率附近；

3)恒功率控制：如果当前风速超过永磁直驱风力发电机组额定风速，且功率达到永磁直驱风力发电机组额定功率，此时调节永磁直驱风力发电机组叶片使得桨距角向攻角增大的方向转过2-5°，进入失速状态，结合PID控制算法调节桨距角维持恒定功率输出。

优选地，所述结合PID控制算法调节桨距角维持恒定功率输出的过程为：

桨距角PID控制采用增量式PID方程：

其中，K_p，K_i，K_d是经验常数，

根据

e(t)＝AngleDemand(t)-CurrentAngle(t)(3)

式中，PitchAngle指最终的桨距角控制量；AngleDemand指永磁直驱风力发电机组当前风速下的桨距角需求；CurrentAngle指当前反馈桨距角；e(t)为反馈桨距角和输入桨距角需求之差值，仿真过程赋值给K_p，K_i，K_d对桨距角进行PID控制。

优选地，所述最优转速

式中，R-风轮半径，m；λ-叶尖速比，v-等效平均风速，m/s。

本发明提供的永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法具有以下有益效果：

(1)解决了永磁直驱风力发电机组变桨系统桨距角频繁动作导致的故障率高问题，功率输出更加稳定；

(2)对永磁直驱风力发电机组采取失速和变桨混合控制方法是将定桨距失速调节与变桨距调节两种控制方法进行有机结合，充分吸收了被动失速和变桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨距调节，在额定风速以上时，调节桨距角向攻角增大的方向转过一定角度，进入失速状态，桨距角仅需要微调就可以维持恒定功率输出，减小桨距角变化范围；

(3)该混合控制方法的桨距角变化范围和变化速率均明显小于变桨控制方法桨距角，有效降低风力发电机组变桨机构的故障率，并且该混合控制方法的转速、功率输出曲线和变桨控制方法输出结果相比更平稳，误差明显小于变桨控制；

(4)该控制方法还可以应用于叶片具有失速特性的永磁直驱风力发电机组控制系统。

附图说明

图1为本发明实施例提供的永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法的控制流程图；

图2为本发明实施例最大功率跟踪控制框图；

图3为本发明实施例恒转速控制框图；

图4为本发明实施例恒功率控制框图；

图5为本发明实施例1提供的永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法平均风速为5m/s的仿真曲线；

图6为本发明实施例1平均风速为13m/s的仿真曲线；

图7为本发明实施例1平均风速为21m/s的仿真曲线；

图8(a)为本发明实施例1平均风速为13m/s的桨距角仿真曲线；

图8(b)为本发明实施例1平均风速为13m/s的功率仿真曲线；

图9(a)为本发明实施例1平均风速为21m/s的桨距角仿真曲线；

图9(b)为本发明实施例1平均风速为21m/s的功率仿真曲线；

图10为等效平均风速法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。

本发明提供了一种永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法，本实施例中的风机失速指叶片的一种运行状态。当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因凸面的弯曲而使气流加速，压力较低，凹面相比平缓面，气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。桨叶的失速性能是指在最大升力系数附近的性能。随着风速增加，叶片攻角增大，升力系数也在增大，当达到额定功角后，升力系数开始减小，阻力系数增大，从而造成叶片失速，限制功率的增加。

因此，对于变桨距风力发电机组，当机组输出功率达到额定功率，调整风机叶片向桨距角减小的方向转动一个角度，相应的功角增大，使叶片失速效应加深，从而限制风能的捕获，维持功率稳定。

本实施例中的失速和变桨混合控制就是指通过改变桨距角主动产生失速，目的也是限制功率捕获。最大功率跟踪和恒转速过程功率还没达到额定功率，不需要限制能量捕获。只有在恒功率控制阶段，通过混合控制方法来限制功率输出，主要控制过程是恒功率阶段，下面说明本实施例提供了一种永磁直驱风力发电机组失速和变桨混合控制方法的控制过程。

如图1所示，包括以下步骤：

S1：检测当前风速和永磁直驱风力发电机组的实时功率、转速、桨距角的值；

S2：通过当前风速、永磁直驱风力发电机组的实时功率、转速、桨距角的值，利用等效风速法计算得到轮毂中心正面接受的风速即等效平均风速；

这里所用到的等效平均风速法的计算过程如下所述，

风力发电机组能量守恒公式为：式中，ρ-空气密度，kg/m3；R-风轮半径，m；C_P-风能利用系数；v-等效平均风速，m/s；P-发电机功率，W；J-转动惯量，kg·m2；-风轮角加速度，rad/s2；η₁-总机械功率，可通过实验测得；η₂-总电效率，可通过实验测得。

在上式中，叶尖速比和风速的关系式为λ＝ωR/v，空气密度ρ、风轮半径R、转动惯量J、η₁、η₂是已知的，功率P和角速度ω可实际测得，C_P(λ,θ)为叶尖速比λ和桨距角θ的函数，可以通过查找-15°到0°C_P曲面测出，只有风速v未知，所以可以将能量守恒公式看作风速v未知的一元一次方程，求解方程。

如图10所示，等效平均风速程序实现步骤如下：

(1)初始化：通过传感器读取输出功率、桨距角等用于计算的数值，计算用于编程的其他数值，令λ＝0.1；

(2)构建函数设定误差ε。

(3)在-15°到0°C_P曲面数据库中利用线性插值法得到C_P值。将所得C_P值带入(2)中查看函数值是否满足设定误差ε。

(4)若满足误差，根据λ＝ωR/v计算得出等效风速；若不满足误差要求，λ＝λ+0.1，重新采集输出功率、桨距角、转速等数据，重复步骤(3)进行计算。

这个方法主要是用来计算等效风速，从而计算出叶尖速比和风能利用系数C_P，然后在曲面数据库查找桨距角，进行变距。可以理解成仿真曲线里的风速已知(由于风速在时刻变化，所以等效风速也不同，导致桨距角也在时刻变化)，它和扭矩(扭矩在仿真软件里有给定范围，根据转速不同扭矩也在时刻变化控制风力发电机组)和桨距角共同作用，影响转速和功率输出。而转速和功率又在影响扭矩和桨距角，它们是一个控制回路。

S3：根据计算出的等效平均风速计算永磁直驱风力发电机组的最优转速n，并根据等效平均风速和永磁直驱风力发电机组额定风速的关系控制永磁直驱风力发电机组的功率输出，最优转速式中，R-风轮半径，m；λ-叶尖速比，v-等效平均风速，m/s，具体控制方法分为以下三种情况：

1)最大功率跟踪控制：如果当前风速低于永磁直驱风力发电机组额定风速，则桨距角一直维持在0°，永磁直驱风力发电机组实际从风中吸收的能量公式为：

式中，ρ-空气密度，kg/m³；R-风轮半径，m；C_P-风能利用系数；v-等效平均风速，m/s；

风能利用系数C_P仅为叶尖速比λ的函数，叶尖速比λ＝ωR/v，其中，ω-风轮角速度，rad/s，根据计算出的最优转速和测得的机组转速的差值来通过力矩调节永磁直驱风力发电机组的功率输出，实现最大功率跟踪；

具体如图2所示，根据等效风速法计算出等效风速，此时等效风速低于风力发电机组额定风速，根据计算出的等效风速得出此时的最佳转速，和实际转速的差值通过力矩调节来控制风力发电机组功率输出；

2)恒转速控制：如果当前风速超过永磁直驱风力发电机组额定风速，且功率未达到永磁直驱风力发电机组额定功率，此时永磁直驱风力发电机组以额定转速恒转速运行，根据额定转速和实际转速差值来调节永磁直驱风力发电机组的功率输出，功率一直增加直到达到额定功率附近；

具体如图3所示，根据等效风速法计算出等效风速，此时等效风速高于风力发电机组额定风速，若此时风力发电机组输出功率低于额定功率，则维持风力发电机组以额定转速恒转速运行，和实际转速的差值通过力矩调节控制风力发电机组功率输出；

3)恒功率控制：如果当前风速超过永磁直驱风力发电机组额定风速，且功率达到永磁直驱风力发电机组额定功率，此时调节永磁直驱风力发电机组叶片使得桨距角向攻角增大的方向转过一定角度，本实施例中的角度为3-5°，进入失速状态，结合PID控制算法调节桨距角维持恒定功率输出。

具体如图4所示，当风速超过额定风速且功率达到额定功率附近时，在负15度到0度Cp曲面查找桨距角，结合PID控制，调节永磁直驱风力发电机组叶片使得桨距角向攻角增大的方向转过一定角度(即桨距角减少的方向)，本实施例中的角度为3-5°，进入失速状态。结合力矩调节回路，维持恒功率运行。

结合PID控制算法调节桨距角维持恒定功率输出的过程为：

桨距角PID控制采用增量式PID方程：

其中，K_p，K_i，K_d是经验常数，

其中，

根据

e(t)＝AngleDemand(t)-CurrentAngle(t)(3)

式中，PitchAngle指最终的桨距角控制量；AngleDemand指永磁直驱风力发电机组当前风速下的桨距角需求，是通过等效风速法计算出叶尖速比和风能利用系数，然后在曲面数据库查找桨距角所得到；CurrentAngle指当前反馈桨距角，在仿真过程中CurrentAngle通过实际测得到；e(t)为反馈桨距角和输入桨距角需求之差值，仿真过程赋值给K_p，K_i，K_d对桨距角进行PID控制。根据(3)式计算出e(t)，利用e(t)和CurrentAngle得到AngleDemand，然后利用K_p，K_i，K_d的值根据公式(1)计算出将AngleDemand和代入公式(2)计算出PitchAngle。

实施例1

下面以60kW永磁直驱风力发电机组为例，采用仿真的方式对上述控制方法进行验证。仿真软件使用GH Bladed软件，它是一款整合的计算仿真工具，适用于陆上和海上的多种尺寸和型式的水平轴风机，进行设计和认证所需的性能和载荷计算。

首选，依据60kW永磁直驱风力发电机组真实数据建立模型，根据以上控制方法，在VC++6.0的环境中编写DLL动态链接库文件，在GH Bladed软件外部控制器进行仿真计算。

其次，设置仿真参数：通讯时间0.02s(即每0.02s进行一次数据交换)，仿真时间为600s，仿真过程使用根据IEC-61400-1标准定义的3D湍流风，选择风力发电机组额定风速为9m/s，仿真时选择平均风速为5m/s、13m/s和21m/s的3D湍流风，通过机组扭矩、桨距角、转速、功率输出曲线来验证控制方法的有效性和可行性。

(1)失速和变桨混合控制方法

最大功率跟踪控制验证：此时当前风速低于发电机组额定风速，采取平均风速是5m/s的3D湍流风，图5为该风况下的仿真输出曲线，可以看出风力发电机组功率输出符合最大功率跟踪，桨距角维持在0°。

恒转速控制验证：此时当前风速高于发电机组额定风速，采取平均风速是13m/s的3D湍流风，图6为该风况下的仿真输出曲线。

恒功率控制验证：此时当前风速高于发电机组额定风速，采取平均风速是21m/s的3D湍流风，图7为该风况下的仿真输出曲线。

由图6和图7的仿真曲线可以看出，当前风速超出额定风速后，对风力发电机组采取失速和变桨混合控制方法能够使风力发电机组功率输出维持在60kW功率附近，维持风力发电机组稳定运行。

(2)失速和变桨混合控制与变桨控制仿真结果对比

由于在低于额定风速时，变桨控制和混合控制的目的都是使风力发电机组尽可能吸收多的风能，进行最大功率跟踪，所以两种控制方法仿真输出曲线相同。高于额定风速时，图8是平均风速为13m/s时的变桨控制方法和混合控制方法得到的桨距角(图8a)和功率(图8b)仿真曲线对比，图9平均风速为21m/s时的变桨控制方法和混合控制方法得到的桨距角(图9a)和功率(图9b)仿真曲线对比。通过对比曲线能够明显看出混合控制方法的优势，变桨控制方法虽然可以使机组输出功率维持在60kW附近，但波动较大。桨距角变化范围为0°到35°，而失速和变桨混合控制方法的控制更为平稳、效果更好，能够使风力发电机组的输出功率稳定在60kW附近，桨距角变化范围为-12°到0°并且混合控制方法的桨距角变化范围更小，更稳定。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。