并网变速恒频风力发电机组运行控制方法

摘要

并网型变速恒频风力发电机组的运行控制方法包括主动偏航控制策略、并网控制策略、低风速下最大能量追踪控制策略、高风速下恒功率控制策略：包括主动偏航控制、并网控制、低风速下最大能量追踪控制、高风速下恒功率控制。风速仪和风向标测得风速和风向信息，产生偏航偏差信号，驱动偏航电动机根据偏航方向和角度执行左右偏航，并限制偏航速率，同时根据电缆缠绕传感器测得机舱转向圈数执行安全解缆动作，保证机组快速、准确、安全实现风轮对风。各控制策略从起动到并网发电，按照机组的要求和外界条件协调工作，保证风电机组的安全高效运行。

主权项

1.一种并网型变速恒频风力发电机组运行控制方法，其特征在于该方法包括主动偏航控制策略、并网控制策略、低风速下最大能量追踪控制策略、高风速下恒功率控制策略：所述主动偏航控制策略包括以下步骤：A1.风速传感器测得10min内平均风速大于3m/s，风轮开始对风；A2.判断风轮是否完成对风，即判断|V|＞|V₀|是否成立，其中V是风向标传感器获得的偏航误差信号，V₀为偏航设定值；当判别为否，则风力机完成对风，偏航电动机停止，偏航刹车投入；当判别为是，则延迟10s，释放偏航刹车，1s后起动偏航电动机；A3.判断风轮偏航方向，即判断V＜0是否成立：当判别为否，则偏航电动机驱动机舱按顺指针方向偏航调向；当判别为是，则偏航电动机驱动机舱按逆指针方向偏航调向；A4.电缆缠绕传感器检测电缆缠绕圈数：A41.判断电缆缠绕圈数是否在顺时针1.8圈到逆时针1.8圈之间：当判断为是，则返回步骤A2继续判断是否需要对风；当判断为否，则转入步骤A42；A42.判断电缆缠绕至顺时针或逆时针1.8圈-3.8圈之间：当判断为是，则判断机组是否处于发电状态：当判断为是，则不执行解缠绕，返回步骤A2继续判断是否需要对风；当判断为否，则执行解缠绕，完成后返回步骤A1；当判断为否，则转入步骤A43；A43.判断电缆缠绕顺时针或逆时针方向缠绕是否达到3.8圈：当判断为是，则机组由运行状态切换到暂停状态，机组自动解除电缆缠绕，完成后返回步骤A1；当判断为否，则返回步骤A2继续判断是否需要对风；所述并网控制策略包括以下步骤：B1.判别发电机转速是否达到并网转速，即判别ω_e≥ω₀是否成立，其中，ω_e为发电机转速，ω₀为最低同步转速；当判别为否，则风力发电机继续空转运行升速；当判别为是，则自动转入步骤B2，执行风力发电机空载并网控制策略；B2.检测三相电网电压u_a，u_b，u_c，通过式1式进行三相/二相旋转变换：式1得到二相同步速旋转坐标系d-q下电压矢量u_d，u_q，θ＝ω₁t，ω₁为同步角速度，t为时间，采用定子磁场定向，将d轴定在双馈发电机定子磁链方向，磁场定向后的坐标系为m-t坐标系，相应的下标d改为m，q改为t，通过式2得到电网电压空间矢量的幅值u_s和相角θ_u：$\left\{\begin{array}{c}{u}_s=\sqrt{u_m^2+u_t^2}\\ {\theta }_u=2\mathrm{arc}{\tan }^{-1}\frac{u_t}{u_s+u_m}\end{array}\right.$式2进而根据式3得到定子参考磁链ψ₁^*和相角θ_s：式3B3.根据定子参考磁链ψ₁^*，由(4)式计算得到转子m轴电流参考分量i_m2^*$i_{m2}^{*}=-\frac{{\psi }_1^{*}}{L_m}$式4L_m为发电机定、转子的互感系数，实际并网过程中磁场定向的误差存在，使得转子t轴电流参考分量i_t2^*不为零，转子电流与电压之间关系满足式5：$\left\{\begin{array}{c}{u}_{m2}=u_{m2}^{\prime }+\Delta u_{m2}=(R_2+L_{2}p)i_{m2}-{\omega }_s{L}_2{i}_{t2}\\ u_{t2}=u_{t2}^{\prime }+\Delta u_{t2}=(R_2+L_{2}p)i_{t2}+{\omega }_s{L}_2{i}_{m2}\end{array}\right.$式5u_m2、u_t2分别为转子实际电压分量，i_m2、i_t2为转子实际电流分量，u′_m2＝(R₂+L₂p)i_m2、u′_t2＝(R₂+L₂p)i_t2是分别与i_m2、i_t2具有一阶微分关系的电压分量，Δu_m2＝-ω_sL₂i_t2、Δu_t2＝ω_sL₂i_m2为电压补偿分量，R₂为转子绕组电阻，L₂为转子等效自感，ω_s为转差角速度，p为微分算子，通过关系式5实现对转子电流闭环控制，即对转子的励磁控制，转子m、t轴电流参考分量i_m2^*、i_t2^*与实际电流分量i_m2、i_t2的偏差经控制器调节后加上补偿分量，得到转子m、t轴电压参考分量u_m2^*、u_t2^*，再经过式6坐标变换：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\alpha 2}^{*}\\ u_{\beta 2}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos ({\theta }_s-{\theta }_r)& -\sin ({\theta }_s-{\theta }_r)\\ \sin ({\theta }_s-{\theta }_r)& \cos ({\theta }_s-{\theta }_r)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{m2}^{*}\\ u_{t2}^{*}\end{array}\right]$式6得到转子电压在α₂-β₂坐标上的分量u_α2^*、u_β2^*，其中α₂-β₂坐标以ω_r角速度相对于定子绕组逆时针旋转，θ_r＝ω_rt，根据u_α2^*、u_β2^*进行电压空间矢量脉宽调制，产生发电机侧变换器的驱动信号，实现双馈发电机的空载并网控制：当转速发生变化时，通过闭环控制，转子被施以频率可变的交流励磁；当转速达到同步速时，ω_s＝0，对转子进行直流励磁；B4.通过B3转子电流的控制，使得发电机定子电压频率不受转速变化而影响，而与电网电压频率一致，获得额定的定子磁链和满足并网条件的定子电压，稳定后起动合闸并网开关，风力发电机并网运行；所述低风速下最大能量追踪控制策略包括以下步骤：C1.当发电机转速小于额定转速时，风力发电机组采用给定的功率-转速曲线控制，该曲线由关系式7描述：$P_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\mathrm{\rho \pi }{C}_{p\max }{\left(\frac{\mathrm{\omega R}}{{\lambda }_{\mathrm{opt}}}\right)}^3{R}^2$式7ρ为空气密度，R为风轮半径，ω为风轮转速，P_opt为最佳运行功率，由最大功率系数C_pmax和最佳叶尖速比λ_opt决定，其给定参考值由发电机转速反馈算出，并随转速变化，控制发电机转速，使输出功率跟踪P_opt曲线；C2.采用间接速度控制策略，转矩和转速的平方关系式8：$T_e^{*}=K_{\mathrm{opt}}{\omega }^2$式8T_e^*为转矩期望值，K_opt是具有最佳功率系数的比例系数，而根据B3中定子磁场定向方法，发电机电磁转矩为：T_e＝-n_pL_mi_m1i_t2    式9n_p为极对数，按关系式9调节转子t轴电流分量i_t2就可以实现对发电机转矩T_e的控制，使其跟踪T_e^*，来实现发电机转速控制；C3.当发电机转速达到额定转速时，风力发电机组采用恒转速控制方式，同样通过调节转子t轴电流分量i_t2，控制发电机转矩T_e恒定，在风速继续增大的情况下，保持转速稳定在额定转速不变；所述高风速下恒功率控制策略包括以下步骤：采用变桨距控制方法，通过转速计测出风力机速度被反馈与参照速度相比得出转速偏差，作为变桨距控制器的输入量，控制器根据偏差发出桨叶节距改变量命令，参考节距角加上该变化量作为新的节距角要求输入桨距角调节器，调节器根据新的节距角要求调节风力机桨叶节距，使得在高风速下功率系数值迅速降低，限制发电机转速升高，保持发电机输出功率不变；按照机组运行要求各控制策略协调运行。