本發(fā)明涉及定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的失速控制方法，屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單位功率成本較高，多為定槳距設(shè)計，且沒有風(fēng)速采樣裝置，控制方式較簡單，大風(fēng)時風(fēng)力發(fā)電機(jī)易超速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組損壞率高。

比較常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)如圖1所示，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、控制單元、泄荷裝置、電壓變換設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪捕獲風(fēng)能，旋轉(zhuǎn)的葉片帶動發(fā)電機(jī)輸出電能，以交流電的形式輸出?？刂茊卧辽侔珹C/DC轉(zhuǎn)換及風(fēng)力發(fā)電機(jī)失速控制算法功能。泄荷裝置為消耗風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量，輔助施加發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩裝置。電壓變換設(shè)備為DC/DC離網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備或DC/AC并網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備，能夠依據(jù)設(shè)置的轉(zhuǎn)速-功率曲線、電壓-功率曲線或?qū)崟r的模擬、數(shù)字通信信號進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整輸出功率。

部分具有失速控制功能的設(shè)備其控制方法中僅僅是根據(jù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是否達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩這一個變量來決定是否降低轉(zhuǎn)速，而忽略了泄荷裝置所承受的發(fā)熱功率，其缺點是泄荷裝置容量配置較大，發(fā)熱嚴(yán)重，尤其在離網(wǎng)應(yīng)用中很多時候負(fù)載需求功率遠(yuǎn)小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，大部分能量消耗在泄荷裝置上，這樣既加大了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械損耗，并且對泄荷裝置長時間過載能力有很高的要求，故在實際定漿距風(fēng)力機(jī)組運行中往往出現(xiàn)由于泄荷裝置的過熱損壞而造成了整個機(jī)組的飛車、葉片折斷等類似事故發(fā)生，其解決辦法只能是進(jìn)一步加大泄荷裝置的容量，成本大幅增加。

在已知的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，其保護(hù)方式主要是通過泄荷裝置進(jìn)行限壓泄荷，限壓點是比風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出電壓稍高的值，在失速控制中其泄荷電壓點保持不變，故很難在不同的轉(zhuǎn)速下對發(fā)電機(jī)均施加到最大扭矩，為了在控制過程中能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)施加到最大扭矩，大多是在發(fā)電機(jī)輸出端增加升壓控制電路來實現(xiàn)，無疑增加了設(shè)備成本。

另外部分具有被動失速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，雖然能夠較早的進(jìn)入失速區(qū)域，但大多存在輸出功率損失較大的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種減小泄荷裝置的容量，降低風(fēng)力機(jī)輸出功率損失的失速控制方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的失速控制方法，該失速控制方法在定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的限轉(zhuǎn)速運行階段及限功率運行階段介入，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、給定定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最大泄荷功率、最大轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速；

步驟2、實時采集定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的當(dāng)前輸出電壓、當(dāng)前輸出電流、當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并計算當(dāng)前泄荷功率和當(dāng)前轉(zhuǎn)矩；

步驟3、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)矩是否大于最大轉(zhuǎn)矩，若是，則降低目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6，若否，則進(jìn)入步驟4；

步驟4、判斷當(dāng)前泄荷功率是否大于最大泄荷功率，若是，則降低目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6，若否，則進(jìn)入步驟5；

步驟5、判斷當(dāng)前泄荷功率是否大于零，若是，則維持目標(biāo)轉(zhuǎn)速不變后進(jìn)入步驟6，若否，則增大目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6；

步驟6、判斷目標(biāo)轉(zhuǎn)速是否大于最大轉(zhuǎn)速，若是，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為最大轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟8，若否，則進(jìn)入步驟7；

步驟7、判斷最大轉(zhuǎn)速是否小于最小轉(zhuǎn)速，若是，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為最小轉(zhuǎn)速，若否，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為當(dāng)前的目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟8；

步驟8、確定電壓變換設(shè)備根據(jù)實時轉(zhuǎn)速-功率曲線跟蹤輸出，當(dāng)進(jìn)入限功率運行階段，進(jìn)入步驟9；

步驟9、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否大于新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，若是，則降低泄荷電壓點后進(jìn)入步驟11，若否，則進(jìn)入步驟10；

步驟10、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否小于新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，若是，則提高泄荷電壓點后進(jìn)入步驟11，若否，則保持泄荷電壓點不變后進(jìn)入步驟11；

步驟11、判斷泄荷電壓點是否大于最大泄荷功率對應(yīng)的泄荷電壓點，若是，則將泄荷電壓點設(shè)置為最大泄荷功率對應(yīng)的泄荷電壓點，進(jìn)入步驟13，若否，進(jìn)入步驟12；

步驟12、判斷泄荷電壓點是否小于當(dāng)前定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大功率時對應(yīng)的電壓點，若是，則將泄荷電壓點設(shè)置為當(dāng)前定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大功率時對應(yīng)的電壓點，進(jìn)入步驟13，若否，則保持泄荷電壓點進(jìn)入步驟13：

步驟13、依據(jù)泄荷電壓點進(jìn)行泄荷，同時返回步驟9，以實時調(diào)整泄荷電壓點。

本發(fā)明提供的控制方法能夠適應(yīng)并網(wǎng)和離網(wǎng)等不同的負(fù)載需求在，無需采樣風(fēng)速數(shù)據(jù)，該控制方法能夠顯著減小定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套泄荷裝置的容量，同時電氣回路中無須增加升壓控制電路，又具有額定風(fēng)速以上風(fēng)力機(jī)輸出功率損失較小等優(yōu)點。在控制過程中能夠動態(tài)調(diào)整不同的葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)，使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的可靠性顯著提高。

附圖說明

圖1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)示意圖；

圖2a為典型定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)速為參考的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性圖；

圖2b為典型定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)速為參考的最佳功率曲線；

圖3為本發(fā)明的流程圖；

圖4為永磁發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下電壓-功率曲線及電壓變換設(shè)備輸出功率偏移曲線圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。

如圖2a及圖2b所示，是典型定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)速為參考的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩特性圖，以及最佳功率曲線(橫坐標(biāo)為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為發(fā)電機(jī)扭矩)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速和不同負(fù)載下運行在不同的階段：

1)最佳功率跟蹤階段：在低風(fēng)速下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行在圖2a中的曲線BCD(BD’)段，BC段是依據(jù)默認(rèn)的功率曲線輸出功率。CD(并網(wǎng)運行或離網(wǎng)運行負(fù)載較大時C和D在D’點重合，如圖2b所示)段是電壓變換設(shè)備最大需求功率小于發(fā)電機(jī)的額定輸出功率，在CD段隨風(fēng)速的增大發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速急劇上升至設(shè)定的最大轉(zhuǎn)速點Nmax。

2)限轉(zhuǎn)速運行階段：超出額定風(fēng)速，泄荷裝置消耗功率較小，圖2a、2b中的DE段為恒轉(zhuǎn)速運行階段，通過動態(tài)調(diào)整泄荷電壓點，穩(wěn)定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在設(shè)置的最大轉(zhuǎn)速點Nmax運行。該階段葉尖速比λ及風(fēng)能利用系數(shù)Cp略微減小，泄荷裝置的穩(wěn)態(tài)功率在0～DE段范圍內(nèi)。

3)限功率運行階段：超出額定風(fēng)速，若泄荷裝置消耗功率超出設(shè)定值后(未達(dá)到風(fēng)力機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時)，如圖2a、2b所示進(jìn)入EFD限功率階段。如圖2a，若風(fēng)速為10m/S恒定(如圖2b，若風(fēng)速為13m/S恒定)，則將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)整至N1時，發(fā)電機(jī)輸出功率僅僅滿足負(fù)載需求功率，泄荷功率將降為0。該階段在N1和Nmax之間動態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，一旦確定目標(biāo)轉(zhuǎn)速再通過調(diào)解泄荷電壓點的方法，來穩(wěn)定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在目標(biāo)轉(zhuǎn)速點。該階段葉尖速比λ及風(fēng)能利用系數(shù)Cp將進(jìn)一步偏離最佳值，但泄荷裝置的穩(wěn)態(tài)功率仍在0～DE段范圍內(nèi)。

在最佳功率跟蹤階段，失速控制不介入，只需DC/DC(DC/AC)電壓變換設(shè)備按照默認(rèn)的功率曲線輸出功率即可；在限轉(zhuǎn)速及限功率運行階段失速控制將介入其中，但限轉(zhuǎn)速運行階段目標(biāo)轉(zhuǎn)速為給定的最大值，該階段僅通過調(diào)整泄荷電壓點來控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在設(shè)定的最大值；在限功率運行階段首先是依據(jù)泄荷功率和轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行目標(biāo)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，功率曲線的偏移，然后通過調(diào)整泄荷電壓點來使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速點。具體的控制流程如圖3所示，包括以下步驟：

步驟1、給定定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、最大泄荷功率、最大轉(zhuǎn)速、最小轉(zhuǎn)速；

步驟2、實時采集定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的當(dāng)前輸出電壓、當(dāng)前輸出電流、當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并計算當(dāng)前泄荷功率和當(dāng)前轉(zhuǎn)矩；

步驟3、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)矩是否大于最大轉(zhuǎn)矩，若是，則降低目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6，若否，則進(jìn)入步驟4；

步驟4、判斷當(dāng)前泄荷功率是否大于最大泄荷功率，若是，則降低目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6，若否，則進(jìn)入步驟5；

步驟5、判斷當(dāng)前泄荷功率是否大于零，若是，則維持目標(biāo)轉(zhuǎn)速不變后進(jìn)入步驟6，若否，則增大目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟6；

步驟6、判斷目標(biāo)轉(zhuǎn)速是否大于最大轉(zhuǎn)速，若是，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為最大轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟8，若否，則進(jìn)入步驟7；

步驟7、判斷最大轉(zhuǎn)速是否小于最小轉(zhuǎn)速，若是，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為最小轉(zhuǎn)速，若否，則將新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速確定為當(dāng)前的目標(biāo)轉(zhuǎn)速后進(jìn)入步驟8；

步驟8、確定電壓變換設(shè)備根據(jù)實時轉(zhuǎn)速-功率曲線跟蹤輸出，當(dāng)進(jìn)入限功率運行階段，進(jìn)入步驟9；

步驟9、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否大于新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，若是，則降低泄荷電壓點后進(jìn)入步驟11，若否，則進(jìn)入步驟10；

步驟10、判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否小于新的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，若是，則提高泄荷電壓點后進(jìn)入步驟11，若否，則保持泄荷電壓點不變后進(jìn)入步驟11；

步驟11、判斷泄荷電壓點是否大于最大泄荷功率對應(yīng)的泄荷電壓點，若是，則將泄荷電壓點設(shè)置為最大泄荷功率對應(yīng)的泄荷電壓點，進(jìn)入步驟13，若否，進(jìn)入步驟12；

步驟12、判斷泄荷電壓點是否小于當(dāng)前定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大功率時對應(yīng)的電壓點，若是，則將泄荷電壓點設(shè)置為當(dāng)前定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大功率時對應(yīng)的電壓點，進(jìn)入步驟13，若否，則保持泄荷電壓點進(jìn)入步驟13；

步驟13、依據(jù)泄荷電壓點進(jìn)行泄荷，同時返回步驟9，以實時調(diào)整泄荷電壓點。

本發(fā)明的創(chuàng)新點在于：

1、目標(biāo)轉(zhuǎn)速的調(diào)整不僅僅是參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)矩是否大于給定最大轉(zhuǎn)矩，而且參考了當(dāng)前泄荷功率的大小是否大于給定的最大泄荷功率。如圖2a、2b所示，DE段為泄荷裝置所承受的功率，在風(fēng)速進(jìn)一步增大時，泄荷功率超出DE段臨界點，盡管發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于的給定最大轉(zhuǎn)矩H-I-J線，仍然會對目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，方向為N1至Nmax之間，目標(biāo)是使穩(wěn)態(tài)泄荷功率滿足大于0，小于設(shè)定的最大泄荷功率值。

2、恒轉(zhuǎn)速控制的實施手段是對泄荷電壓點進(jìn)行實時調(diào)整，解決了常規(guī)恒定電壓點泄荷方式無法有效地對風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下施加最大轉(zhuǎn)矩的問題。如圖4所示，若當(dāng)前目標(biāo)轉(zhuǎn)速為N1，其泄荷電壓點將在Umax和U1之間進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，Umax為設(shè)定的最高泄荷電壓點，U1是風(fēng)力發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為N1時對其施加最大反向扭矩所對應(yīng)的電壓點。

3、為了保證在失速控制中電壓變換設(shè)備的功率需求，采用功率曲線偏移的方式避免電壓變換設(shè)備的輸出功率的損失。如圖4所示，假設(shè)當(dāng)前電壓變換設(shè)備的需求功率為Pdc-dc，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速為N1，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為N2以下，則將電壓變換設(shè)備的功率曲線AB線更改為ab線；若當(dāng)前轉(zhuǎn)速為N1，目標(biāo)轉(zhuǎn)速為N1至N2之間的某一值如N3，則將電壓變換設(shè)備的功率曲線AB線將變化為A’B’線。