一种变速变桨风力机功率优化控制方法

摘要

本发明涉及一种变速变桨风力机功率优化控制方法。其是在整个设计风速范围内对变速变桨风力机进行控制，当风力机在切入风速与额定风速之间运行时，采用变速控制方式，此时通过调整发电机电磁转矩，使风力机在最佳效率C_P max下运行。当风力机在高于额定风速之上运行时，变桨控制器投入使用，通过调节桨距角使最大功率输出限制在额定值；此时的转矩控制器为变增益控制器，其根据不同风况对应的转速值，设置不同的增益；极大减弱了由于阵风等的影响使风力机在短时间内产生很大功率输出的现象；其次在额定风附近对变桨控制器设置切换规则，避免了变桨控制器在额定风附近的频繁切换。本发明延长了齿轮箱的寿命，保证了风力机在恶劣环境下的运行。

主权项

一种变速变桨风力机功率优化控制方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1：当风力机组投入使用后，初始化控制系统，开始检测机前风速大小；步骤2：当风力机运行时的风速未达到切入风速时，发电机转矩为0，风力机不输出功率；步骤3：当风力机运行时的风速在切入风速与额定风速之间变化时，转矩控制器投入运行，其中转矩控制器为变速控制器；变桨角θ保持不变，转矩控制器应使得功率输出P跟踪上最大功率输出P_max，风力机在切入风速与额定风速之间变化时的最大功率输出P_max为：$P_{max}=\frac{1}{2}{C}_{P_{max}}(\theta ,\lambda ){\mathrm{\rho \pi r}}^2{v}^3=M_g{\omega }_g---\left(1\right)$P_max表示风力机的最大功率输出，W；ρ为空气密度，kg/m³；r为风轮半径，m；v为风速，m/s；θ为变桨角度，rad；M_g为发电机转矩，kN·m；ω_g为发电机转速，rad/s；ω_g＝nω_t，ω_t为风轮角速度，rad/s；为风能利用系数；λ为叶尖速比，风力机在风速为切入风速与额定风速之间变化时，维持最大功率时的发电机转矩M_g为：$M_g=K_{opt}{\omega }_g^2---\left(2\right)$其中，步骤4：当风力机运行时的风速在大于额定风速小于切出风速时，转矩控制器与变桨控制器同时投入使用，其中转矩控制器为变增益控制器，变桨控制器为PID控制器；对于相应的发电机转矩对应一个修正因子ξ：$\xi =(1+\frac{0.9·{\omega }_r}{{\omega }_{\max }-{\omega }_r})-\frac{0.9}{{\omega }_{max}-{\omega }_r}·\omega ;$其中，ω为发电机实际转速，ω_r为发电机的额定转速，ω_max为发电机的最大转速；此时的发电机转矩M_g为：$M_g={\mathrm{\xi K}}_{opt}{\omega }_g^2---\left(3\right)$最大功率输出表达式为：$P_{max}=M_g·{\omega }_g={\mathrm{\xi K}}_{opt}{\omega }_g^3---\left(4\right)$步骤5：当风力机运行时的风速大于切出风速时，风力机刹车机构开始动作，风力机停止运行，风电机组切出电网。