專利名稱：基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的控制方法，具體地說，涉及一種基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種可再生能源，近年來，風(fēng)能開發(fā)與利用已廣泛受到高度重視。風(fēng)力發(fā)電主要目的是盡最大可能的利用風(fēng)能，但風(fēng)是一種矢量，具有隨機(jī)性，無論是風(fēng)向還是風(fēng)速總是在不斷地變化，所以產(chǎn)生的能量也是時刻變化的，這就要求對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制，確保風(fēng)力機(jī)始終輸出最大功率，提高風(fēng)能的利用效率同時保證風(fēng)力機(jī)的安全性和可靠性。
現(xiàn)有技術(shù)中，有人提出采用失速功率調(diào)節(jié)方式，失速功率調(diào)節(jié)方式機(jī)組的葉片在發(fā)電時迎風(fēng)角度不能隨風(fēng)速變化，功率調(diào)節(jié)通過葉片自身的失速特性實現(xiàn)。這種方式有結(jié)構(gòu)簡單、故障概率低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能受到葉片失速性能的限制，在風(fēng)速超過額定值時發(fā)電功率反而有所下降。另一個缺點(diǎn)是葉片形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量大，不適宜于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。還有人提出采用采用變速恒頻功率調(diào)節(jié)方式，雖然可以有效地克服上述缺點(diǎn)，但是當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，由于受旋轉(zhuǎn)部件的機(jī)械強(qiáng)度限制和電力電子器件的功率限制，控制效果也不是很理想。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Perales等在《Proc.of The 25th AnnualConference of the IEEE》(美國電氣電子工程師協(xié)會第25屆年會論文集)(1999年，第2卷，第614--618頁)上發(fā)表的“Fuzzy logic control of a variablespeed，variable pitch wind turbine”(變速變槳距風(fēng)力機(jī)模糊邏輯控制)，該文中提出了一種變速變槳距風(fēng)力機(jī)模糊邏輯控制方法，具體方法為基于捕獲最大風(fēng)能原則，通過檢測發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，并根據(jù)轉(zhuǎn)速和輸出功率的變化來控制風(fēng)力機(jī)的尖速比，尋找最大輸出功率值點(diǎn)，但是該方法由于同時對轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行控制，控制量較多，很難實際當(dāng)中應(yīng)用。檢索中還發(fā)現(xiàn)，Prats等在《Proc.of The 33th Power Electronics Specialists Conference》(第33屆國際電力電子特別年會論文集)(2002年，第1卷，第101--105頁)上發(fā)表的“A new fuzzy logic controller to improve the captured wind energy in areal 800kW variable speed-variable pitch wind turbine”(一種新型適用于改善800kw變速-變槳風(fēng)機(jī)提高捕獲風(fēng)能的模糊邏輯控制器)，該文中設(shè)計了一種模糊控制器，提出了針對風(fēng)速的變化采用不同的控制策略的思想，但是變槳距控制時控制輸入量還是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而不是發(fā)電機(jī)功率，控制效果也不是很理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，使其在低風(fēng)速采用變速控制方法，高風(fēng)速采用變槳距控制方法，這樣即使風(fēng)速時刻在變化，風(fēng)力機(jī)也能保持最大功率輸出。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明方法為當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用變速控制方法，追蹤最佳功率曲線，獲得最大功率；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用變槳距控制方法，調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變。
所述的變速控制方法，是指當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得尖速比λ＝ωR/v維持最佳值不變，同時保持槳葉槳距角為0°，使得風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線，具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，式中v為風(fēng)速，ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。
所述的變槳距控制方法，是指當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，根據(jù)功率傳感器測得的發(fā)電機(jī)功率信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變。
所述的轉(zhuǎn)速傳感器，其中磁電式測量元件(音輪)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸一起在磁場中旋轉(zhuǎn)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)時由于電磁感應(yīng)從線圈中輸出連續(xù)的脈沖信號，從而將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢l率的脈沖信號，由公式n＝60f/z可以很方便地從脈沖頻率計算出轉(zhuǎn)速，式中n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，z為音輪的齒數(shù)，f為脈沖的頻率值。
所述的功率傳感器采用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器，分別檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流，從而實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)功率的檢測?；魻栯娏鱾鞲衅饔糜跍y量直、交流脈沖和混合型電流，霍爾電壓傳感器主要用于測量直流、交流和脈沖電壓。
本發(fā)明采用變速-變槳距的風(fēng)力機(jī)最大能量捕獲控制方法，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用變速控制方法；風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用變槳距控制方法，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，初始化控制系統(tǒng)并判斷風(fēng)速大小，當(dāng)風(fēng)速大于切入風(fēng)速且小于額定風(fēng)速時，進(jìn)行變速控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速追蹤最佳功率曲線變化，獲得最佳風(fēng)能系數(shù)從而捕獲最大功率；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，此時變速控制器停止工作，變槳距控制器開始工作，根據(jù)功率傳感器測得的功率信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變；若風(fēng)速變得小于額定風(fēng)速，此時變槳距控制器停止工作，變速控制器又開始工作；若風(fēng)速大于切出風(fēng)速或低于切入風(fēng)速，此時風(fēng)力機(jī)剎車后停止工作，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切出電網(wǎng)；若風(fēng)速大于切入風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)開始工作。本發(fā)明從大型風(fēng)力機(jī)功率控制的角度，根據(jù)風(fēng)速實際變化的大小，采用變速-變槳距控制方法。
大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速儀測得的風(fēng)速信號，經(jīng)過風(fēng)力機(jī)變速或變槳距控制器(DSP控制器)發(fā)出控制指令，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作，從而控制發(fā)電機(jī)輸出功率的變化。
本發(fā)明能夠滿足大型、并網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)功率控制要求。風(fēng)力機(jī)變速運(yùn)行時其運(yùn)行速度能夠在一個較寬的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)，可以做到使風(fēng)力機(jī)維持或接近在最佳葉尖速比下運(yùn)行，從而使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能系數(shù)值達(dá)到或接近最佳值，有試驗數(shù)據(jù)表明，在平均風(fēng)速6.7m/s時，變速風(fēng)電機(jī)組要比恒速風(fēng)電機(jī)組多捕獲15％的風(fēng)能。變槳距運(yùn)行時通過液壓變距機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，可以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劇烈的轉(zhuǎn)矩起伏，減小所有部件的機(jī)械應(yīng)力，這為減輕部件質(zhì)量或研制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提供了有力的保證。另外可實現(xiàn)發(fā)電機(jī)低起伏的平滑的電功率輸出，優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量的同時減小發(fā)電機(jī)溫度變化。本發(fā)明在低風(fēng)速、額定風(fēng)速、高風(fēng)速下，風(fēng)電機(jī)組都具有很好的工作特性，對于盡最大可能地利用風(fēng)能且保證風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定性和可靠性，具有積極意義。


圖1為本發(fā)明控制流程2為本發(fā)明控制系統(tǒng)框3為本發(fā)明變速控制時最佳風(fēng)能系數(shù)4為本發(fā)明風(fēng)速變化時最大功率控制示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例具體實施流程如下a.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，初始化控制系統(tǒng)，槳距角β＝0，并判斷風(fēng)速大小；b.當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)不動作。
c.在風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，進(jìn)行變速控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，通過齒輪箱調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω，并和給定值ω*相比較構(gòu)成一個閉環(huán)反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，由圖3知此時風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線變化，獲得最佳風(fēng)能系數(shù)CP-max＝CP(λopt，0)，從而捕獲最大功率Pt=12ρπR2CP(λopt,0)v3.]]>d.當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，此時變速控制器停止工作，變槳距控制器開始工作，根據(jù)功率傳感器測得的功率信號P和功率給定值P*相比較，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，獲得變化的CP(λ，β)，構(gòu)成一個閉環(huán)反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，保持額定功率不變。
e.當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)液壓剎車機(jī)構(gòu)開始動作，風(fēng)力機(jī)停止工作，風(fēng)電機(jī)組切出電網(wǎng)。
該圖中V為風(fēng)速，P為功率，P*為功率給定值λ為尖速比，λOPT為最優(yōu)尖速比，ω為風(fēng)輪角速度，ω*為風(fēng)輪角速度給定值，n為齒輪箱傳動比，R為風(fēng)輪半徑，β為槳距角，CP為風(fēng)能系數(shù)。
如圖2所示，風(fēng)力機(jī)最大功率捕獲控制框圖，其中控制器由變速控制器和變槳距控制器組成，風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，轉(zhuǎn)速信號經(jīng)轉(zhuǎn)速傳感器輸入變速控制器，最終完成對大型風(fēng)力機(jī)的最優(yōu)功率的追蹤控制，這里轉(zhuǎn)速傳感器型號為上海歐丹儀器電子有限公司生產(chǎn)的OD9011高靈敏度、高抗干擾性的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，測量范圍為0.3HZ～10KHZ，工作電壓5～24V，使用溫度-30℃～+150℃，輸出的波型近似方波，輸出信號幅值大小與轉(zhuǎn)速成正比。風(fēng)速大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，此時變速控制器停止工作，變槳距控制器開始工作，功率信號經(jīng)功率傳感器輸入變槳距控制器，最終完成對大型風(fēng)力機(jī)的額定功率的控制。這里功率傳感器分別采用霍爾電流傳感器和電壓傳感器檢測電流和電壓值，便獲得了發(fā)電機(jī)的輸出功率。電流傳感器型號為瑞士萊姆公司(LEM)生產(chǎn)的LA28-NP，原邊額定有效值電流為25mA，采用±15V電源供電，精度為±0.5％，原邊電流測量范圍為0～±36A。電壓傳感器的型號為瑞士萊姆公司(LEM)生產(chǎn)的LV28-P，原邊額定有效值電流為10mA，副邊額定有效值電流為25mA，采用±15V電源供電，精度為±0.6％，原邊電流測量范圍為0～±14mA。
如圖3所示，風(fēng)力機(jī)風(fēng)能系數(shù)CP(λ，β)變化和風(fēng)機(jī)尖速比λ和槳距角β有關(guān)。槳距角β越大，風(fēng)力機(jī)風(fēng)能系數(shù)越??；在槳距角β＝0，風(fēng)機(jī)尖速比λ＝λopt處，風(fēng)力機(jī)風(fēng)能系數(shù)CP(λ，β)有最大值CP-max，所以在變速控制過程中，只要使得槳距角保持0°不變，風(fēng)機(jī)尖速比λ＝ωR/v值保持λopt不變，風(fēng)力機(jī)在整個變速過程中風(fēng)能系數(shù)都能取最大值CP-max，即實現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線。
如圖4所示，風(fēng)速低于切入風(fēng)速vi，風(fēng)力機(jī)停止轉(zhuǎn)動沒有工作；風(fēng)速大于切入風(fēng)速vi，風(fēng)力機(jī)開始工作，在風(fēng)速大于切入風(fēng)速vi小于額定風(fēng)速vr時，采用變速控制，實現(xiàn)對最優(yōu)功率曲線的追蹤，獲得最大功率；當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速vr小于切出風(fēng)速vo時，采用變槳距控制，通過調(diào)節(jié)槳距角使得機(jī)組輸出功率維持額定功率Pr不變；當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速vo，風(fēng)力機(jī)啟動剎車機(jī)構(gòu)，風(fēng)力機(jī)停止工作。
權(quán)利要求
1.一種基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征在于，當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用變速控制方法，追蹤最佳功率曲線，獲得最大功率；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用變槳距控制方法，調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的變速控制方法，是指當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，使得尖速比λ＝ωR/v維持最佳值不變，同時保持槳葉槳距角為0°，使得風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線，具有最高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，式中v為風(fēng)速，ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，R為風(fēng)輪半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的轉(zhuǎn)速傳感器，其中磁電式測量元件與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸一起在磁場中旋轉(zhuǎn)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電磁感應(yīng)從線圈中輸出連續(xù)的脈沖信號，從而將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，由公式n＝60f/z從脈沖信號的頻率計算出轉(zhuǎn)速，式中n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，z為音輪的齒數(shù)，f為脈沖的頻率值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的轉(zhuǎn)速傳感器為磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，測量范圍為0.3HZ～10KHZ，工作電壓5～24V，使用溫度-30℃～+150℃，輸出的波型近似方波，輸出信號幅值大小與轉(zhuǎn)速成正比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的變槳距控制方法，是指當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，根據(jù)功率傳感器測得的發(fā)電機(jī)功率信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作來調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的功率傳感器采用霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器，分別檢測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流，從而實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)功率的檢測，霍爾電流傳感器測量直、交流脈沖和混合型電流，霍爾電壓傳感器測量直流、交流和脈沖電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的電流傳感器，其原邊額定有效值電流為25mA，采用±15V電源供電，精度為±0.5％，原邊電流測量范圍為0～±36A。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，所述的電壓傳感器，其原邊額定有效值電流為10mA，副邊額定有效值電流為25mA，采用±15V電源供電，精度為±0.6％，原邊電流測量范圍為0～±14mA。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于最大能量捕獲的大型風(fēng)力機(jī)控制方法，其特征是，具體步驟如下a.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后，初始化控制系統(tǒng)，槳距角β＝0，并判斷風(fēng)速大小；b.當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)不動作；c.在風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，進(jìn)行變速控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器測得的轉(zhuǎn)速信號，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，通過齒輪箱調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω，并和給定值ω*相比較構(gòu)成一個閉環(huán)反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，此時風(fēng)力機(jī)追蹤最佳功率曲線變化，獲得最佳風(fēng)能系數(shù)CP-max＝CP(λopt，0)，從而捕獲最大功率Pt=12ρπR2CP(λopt,0)v3,]]>其中，V為風(fēng)速，P為功率，P*為功率給定值λ為尖速比，λOPT為最優(yōu)尖速比，ω為風(fēng)輪角速度，ω*為風(fēng)輪角速度給定值，n為齒輪箱傳動比，R為風(fēng)輪半徑，β為槳距角，CP為風(fēng)能系數(shù)；d.當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速小于切出風(fēng)速，此時變速控制器停止工作，變槳距控制器開始工作，根據(jù)功率傳感器測得的功率信號P和功率給定值P*相比較，由DSP控制器發(fā)出驅(qū)動信號，使得液壓變槳距機(jī)構(gòu)動作調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，獲得變化的CP(λ，β)，構(gòu)成一個閉環(huán)反饋?zhàn)詣涌刂葡到y(tǒng)，保持額定功率不變；e.當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)液壓剎車機(jī)構(gòu)開始動作，風(fēng)力機(jī)停止工作，風(fēng)電機(jī)組切出電網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的最大能量捕獲的風(fēng)力機(jī)輸出功率控制方法，當(dāng)風(fēng)速在切入風(fēng)速和額定風(fēng)速之間變化時，采用變速控制方法，追蹤最佳功率曲線，獲得最大功率；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間變化時，采用變槳距控制方法，調(diào)節(jié)槳葉槳距角的變化，保持額定功率不變。本發(fā)明能根據(jù)風(fēng)速的大小選用不同的控制方法，實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大功率的輸出，提高了發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用效率同時保證了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。
文檔編號F03D7/00GK101054951SQ20071004111
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者孔屹剛, 王志新 申請人:上海交通大學(xué)