專利名稱：一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法
技術領域：
本發明涉及一種風力發電機組控制方法，特別是涉及一種帶有可變速比齒輪箱調速前端的風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法。
背景技術：
隨著并網風電場規模及風電機組容量在電網中所占比例的不斷增大，為了實現大規模風電場可靠并網并保持電力系統穩定，電網對風電機組的并網要求將會越來越嚴苛。 這些要求包括低電壓穿越、電壓波形畸變、機組無功功率的支撐能力等。目前國內風電市場最主要的并網機型就是雙饋式及直驅式風力發電機組，而這兩種風電機組雖然采取了一些附加保護措施，但在滿足上述要求上特別是實際應用方面仍存在難以克服的困難，目前尚無完整有效的解決方案，這嚴重影響了風力發電作為重要可再生能源的進一步開發利用。目前，國內外已經開始研制帶有前端調速裝置的新一代電網友好型風電機組，該類型風電機組前端帶有調速裝置對風機進行調速，傳動鏈末端采用傳統的同步發電機直接并網，此舉能充分利用同步發電機比較成熟的勵磁控制策略，并且在在電網故障時通過施加強力磁增加勵磁電流來支撐電網電壓，增加風電機組應對電網故障的能力。該類電網友好型風電機組中，調速裝置可以是液力耦合、電磁耦合或者可變速比齒輪箱中的一種。其中，可變速比齒箱是在傳統風電機組固定速比的增速齒輪箱輸出端增加一級行星差動調速機構構成的機械調速機構，通過調速電機對差動調速機構進行連續調速控制，可實現可變速比齒輪箱的連續無級調速和機組安全穩定運行控制。在沒有調速前端的風電機組，如雙饋式風電機組中，在達到額定功率之前，風速變化時，風輪轉速亦發生變化，因此發電機轉速也相應變化，此時通過實時檢測發電機轉速， 并根據實測的轉速調節發電機轉矩，即可使發電機運行在最佳功率曲線上；而對于友好型風電機組例如帶有可變速比齒箱調速前端的風電機組，風輪轉速、調速電機轉速和同步發電機轉速具有一一對應的關系，在風電機組并網后，同步發電機一直以同步轉速運行，當風速變化時，在調速電機動作之前，風輪轉速并不發生任何變化，這使得調速電機沒有調速依據，即轉速無法作為整個風電機組變速恒頻調節的觸發條件。由此可見，如何能實現帶有可變速比齒輪箱調速前端的風力發電機組變速恒頻調節，滿足變速型風力發電機組的運行要求，實現風電機組的可靠運行，提高并網運行穩定性的新的風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，實屬當前本領域的重要研究課題之一。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法， 使其可將轉矩作為帶有可變速比齒輪箱調速前端的風力發電機組變速恒頻調節的觸發條件，滿足變速型風力發電機組的運行要求，實現風電機組的可靠運行，提高并網運行穩定性。為解決上述技術問題，本發明一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，包括以下步驟:A.當風速變化時，風輪轉矩發生變化，調速電機軸的機械轉矩也發生相應變化；B.在調速電機接到新的調速指令前，改變調速電機轉矩電流進而改變調速電機電磁轉矩，以應對變化的調速電機機械轉矩；C.當調速電機的轉矩電流變化到一定程度時，計算其相應的電磁轉矩，并確定與該電磁轉矩對應的最佳轉速值；D.將步驟C確定的最佳轉速值作為新的給定值對調速電機進行速度調節；E.當風輪達到額定轉速時，調速電機停止工作。作為本發明的一種改進，步驟C中所述的確定與該轉矩對應的最佳轉速值，是通過查取調速電機最佳功率運行轉速-轉矩曲線確定。所述的步驟B中改變調速電機的轉矩電流、步驟C中計算相應的轉矩、以及步驟D 中調速電機的速度調節，均由變頻器完成。步驟E中所述的調速電機停止工作，是通過制動器鉗制調速電機的輸出軸實現。采用這樣的設計后，本發明無需對帶有差動齒箱調速前端的風電機組進行硬件上的任何改動，而只需將變速恒頻控制的調速依據由發電機轉速改為調速電機轉矩即可，并且滿足了變速型風力發電機組的運行要求，實現了風電機組的可靠運行，提高了并網運行穩定性，從而適于推廣應用。
具體實施例方式本發明風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，是將轉矩作為調節依據對風電機組進行變速恒頻控制。風電機組并網后，風輪、調速電機以及同步發電機的轉速及轉矩都是具有一一對應關系的，并且可變速比齒箱輸出軸及同步發電機都被電網頻率鎖定而以同步轉速旋轉， 因此風輪及調速電機的轉速也是恒定的。當風速發生變化時，風輪轉速并不發生變化，僅有風輪轉矩發生變化，因此調速電機軸的機械轉矩也發生相應變化，由此造成調速電機轉速發生變化或有變化的趨勢。為了維持調速電機的轉速，可改變調速電機的轉矩電流，進而改變調速電機的電磁轉矩，以平衡已變化的調速電機機械轉矩。當調速電機的轉矩電流變化到一定程度時，計算其相應的電磁轉矩，并確定與該電磁轉矩對應的最佳轉速值。將上述獲取的最佳轉速值作為新的給定值，對調速電機進行速度調節，以應對變化的風速，使風力發電機運行在最佳轉速點上，實現最大風能捕獲。當風輪達到額定轉速時，調速電機停止工作。以下以風速變大的情況舉例說明本發明的具體實施過程。假設并網后調速電機的電磁轉矩為 ；，其負載機械轉矩為Tm，且有Te = Tm，轉速為 η ；同步發電機的轉速、轉矩分別為叫、T1 ；風輪上的轉速及轉矩分別η2、Τ2。當風速變大時，由于此時同步發電機轉速被電網頻率牽制，一直為Ii1 = 1500rpm, 因此風輪轉速并不會發生變化仍為n2，而風輪輸出轉矩變為T2' > T2，相應的調速電機機械轉矩變為Tm' > Tffl0而此刻調速電機的調速目標仍為n，因此變頻器會增大調速電機的轉矩電流i，相應的增大其電磁轉矩為IV > Ty以平衡增大的機械轉矩Tm'，達到轉速控制的目的。
當調速電機轉矩電流變化到一定范圍，如Δ > δ時，即可通過變頻器根據此時的轉矩電流i ’ = i+Δ i計算出此時的調速電機轉矩T/，并根據T/查取事先得到的調速電機最佳功率運行轉速-轉矩曲線，得到新的轉速值η'。將η'作為新的給定值通過變頻器轉速閉環控制對調速電機進行速度調節。如果風速持續增大，則按上述方法一直對調速電機的轉速進行調節，以此不斷改變可變速比齒箱的變速比，使同步發電機一直運行在同步轉速的情況下完成整個風電機組的變速恒頻控制，直到風輪轉速達到額定轉速時，調速電機輸出軸被制動器鉗制不轉，此時可變速比齒箱就相當于一個固定速比的傳統齒箱。至此，該風電機組切入風速以上、額定轉速以下的最大風能追蹤控制過程結束。在風速變小的情況下，該調節過程類似。其中，調速電機最優轉速-轉矩曲線是通過對整個風電機組的最佳功率曲線折算而來，可以通過對調速電機實測獲取，也可以測取發電機或風力機相關數據，然后根據調速電機、風力機和同步發電機三者之間的關系計算獲取。調速電機轉矩電流的變化范圍的S 可通過事先估算結合多次試驗試湊獲取。本發明提供了一種帶有齒箱調速前端的風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，其以調速電機轉矩作為變速恒頻調速的依據，利用調速電機轉矩電流，通過變頻器計算得到調速電機轉矩，查取事先根據最優功率曲線得到的調速電機轉矩-轉速曲線，獲取新的轉速值，并以此作為變頻器轉速控制的給定值對調速電機進行調速控制，使得風電機組在同步發電機一直以同步轉速旋轉的情況下完成變速恒頻控制，實現了并網后的最大風能捕獲，并且提高了風力發電機組的并網運行穩定性。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，本領域技術人員利用上述揭示的技術內容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，其特征在于包括以下步驟A.當風速變化時，風輪轉矩發生變化，調速電機軸的機械轉矩也發生相應變化；B.在調速電機接到新的調速指令前，改變調速電機轉矩電流，進而改變調速電機電磁轉矩，以應對變化的調速電機機械轉矩；C.當調速電機的轉矩電流變化到一定程度時，計算其相應的電磁轉矩，并確定與該電磁轉矩對應的最佳轉速值；D.將步驟C確定的最佳轉速值作為新的給定值對調速電機進行速度調節；E.當風輪達到額定轉速時，調速電機停止工作。
2.根據權利要求1所述的一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，其特征在于步驟C中所述的確定與該轉矩對應的最佳轉速值，是通過查取調速電機最佳功率運行轉速-轉矩曲線確定。
3.根據權利要求1所述的一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，其特征在于所述的步驟B中改變調速電機的轉矩電流、步驟C中計算相應的轉矩、以及步驟D中調速電機的速度調節，均由變頻器完成。
4.根據權利要求1所述的一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，其特征在于步驟E中所述的調速電機停止工作，是通過制動器鉗制調速電機的輸出軸實現。
全文摘要
本發明是關于一種風力發電機組并網后的變速恒頻控制方法，包括以下步驟當風速變化時，風輪轉矩發生變化，調速電機軸的機械轉矩也發生相應變化；改變調速電機的轉矩電流，從而改變調速電機的電磁轉矩，使其與調速電機的機械轉矩相平衡；當調速電機的轉矩電流變化到一定程度時，計算其相應的電磁轉矩，并確定與該電磁轉矩對應的最佳轉速值；將此最佳轉速值作為新的給定值對調速電機進行速度調節；當風輪達到額定轉速時，調速電機停止工作。本發明只需將變速恒頻控制的調速依據由發電機轉速改為調速電機轉矩，滿足了電網友好型風力發電機組的變速恒頻運行要求，實現了風電機組的可靠運行，提高了并網運行穩定性，從而適于推廣應用。
文檔編號H02P27/06GK102361427SQ201110259248
公開日2012年2月22日 申請日期2011年9月2日 優先權日2011年9月2日
發明者張凱, 潘磊, 紀國瑞 申請人:國電聯合動力技術有限公司