專利名稱：一種應(yīng)用于供暖負載的離網(wǎng)型風(fēng)電機組的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離網(wǎng)型風(fēng)電機組的功率控制方法。
背景技術(shù)：
大功率風(fēng)力發(fā)電有并網(wǎng)型與離網(wǎng)型兩種機組。并網(wǎng)型風(fēng)電機組多采用變速恒頻風(fēng)電機組，這種機組發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以在一個較大范圍內(nèi)運行，實現(xiàn)風(fēng)電機組的最佳葉尖速比控制。該機組通過變流器實現(xiàn)在變速情況下饋入電網(wǎng)電能的恒頻。變流器主要起到變頻與能量管理的功能。在離網(wǎng)型機組中，由于輸出電能不饋入電網(wǎng)，其能量直接加在負載之上， 如何通過變流器的控制實現(xiàn)風(fēng)電機組的最佳葉尖速比控制，最大限度的吸收風(fēng)能是設(shè)計的 ^^點ο由于我國獨特的地理條件和豐富的風(fēng)能資源，因此離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在我國有廣闊的發(fā)展前景，這對我國的環(huán)保事業(yè)、能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少對不可再生能源的依賴有很大的意義。隨著風(fēng)電機組制造成本的降低，發(fā)電效率的提高，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景十分巨大，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣大。采用電勵磁同步發(fā)電機的全功率變流器機組在目前風(fēng)電機組中得到了廣泛應(yīng)用。 電勵磁同步發(fā)電機可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)定子側(cè)電壓輸出幅值，控制較為靈活，特別適用于為固定阻值的供暖負載。目前的現(xiàn)有技術(shù)對離網(wǎng)型風(fēng)電機組的能量管理多體現(xiàn)在通過蓄電池實現(xiàn)，所能實現(xiàn)的機組的功率等級較小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種適用于大功率風(fēng)電機組的功率控制方法。本發(fā)明不需要采用蓄電池，通過變流器對定子電壓的控制，實現(xiàn)風(fēng)電機組的最佳葉尖速比控制，保持機組以最大的效率輸出功率，對于風(fēng)電機組，其功率外特性與并網(wǎng)型風(fēng)電
機組一致。本發(fā)明采用電壓傳感器采集風(fēng)電機組電勵磁同步發(fā)電機定子電壓，由變流器采用軟件鎖相環(huán)的方法計算出定子電壓頻率和有效值，并根據(jù)同步發(fā)電機極對數(shù)計算出實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速；變流器控制器根據(jù)風(fēng)電機組最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線，構(gòu)造出發(fā)電機轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線。本發(fā)明控制采用定子電壓閉環(huán)的控制策略，通過調(diào)節(jié)變流器輸出勵磁電流的大小，在轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)控制發(fā)電機定子電壓依據(jù)轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線變化。發(fā)電機定子電壓經(jīng)變流器內(nèi)的二極管整流后轉(zhuǎn)換為直流，在變流器的直流端連接固定電阻負載，通過固定電阻負載消耗功率實現(xiàn)供暖加熱的功能。本發(fā)明中的功率控制方法包括以下步驟(1)當接收到風(fēng)電機組主控啟動指令后，變流器控制器通過電壓互感器采集發(fā)電機定子電壓，由變流器控制器計算出定子電壓角速度ω，定子電壓有效值Um，并根據(jù)發(fā)電機極對數(shù)P，依據(jù)公式( 計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速η;CN 102545757 A
η = 60 ω/2ρ π (2)(2)根據(jù)給定的轉(zhuǎn)速-功率(n-P)曲線，由發(fā)電機轉(zhuǎn)速η、機組功率P、直流側(cè)電阻 R，依據(jù)式C3)構(gòu)造轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線；依據(jù)所述的轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線，設(shè)定發(fā)電機定子電壓有效值給定Usref ；U =(3)(3)采用定子電壓閉環(huán)的控制策略，將隊&減扎，所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出發(fā)電機勵磁電流給定；將勵磁電流給定減實際勵磁電流Iw所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出調(diào)試電壓，該調(diào)試電壓與控制三角波進行比較，輸出PWM調(diào)制波，控制變流器電勵磁單元絕緣柵雙極晶體管IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制發(fā)電機定子電壓達到給定值U_f ；(4)所述的定子電壓經(jīng)變流器的二極管整流橋后轉(zhuǎn)換為直流電壓，變流器直流電壓幅值為定子電壓幅值的1. 35倍；(5)將變流器直流側(cè)電壓加載在直流負載上，實現(xiàn)功率輸出。本發(fā)明按照最佳葉尖速比控制，實現(xiàn)在固定直流負載情況下機組效率最高，將風(fēng)電機組的功率控制轉(zhuǎn)換為對同步發(fā)電機的勵磁控制，簡化了變流器的設(shè)計。


圖1離網(wǎng)型風(fēng)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2離網(wǎng)型風(fēng)電機組變流器拓撲圖；圖3離網(wǎng)型風(fēng)電機組變流器功率控制流程圖；圖4離網(wǎng)型風(fēng)電機組變流器軟件鎖相環(huán)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明的應(yīng)用對象離網(wǎng)型電勵磁同步風(fēng)力發(fā)電機組。如圖1所示，風(fēng)吹動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動電勵磁同步發(fā)電機旋轉(zhuǎn)。當風(fēng)速達到啟動風(fēng)速后，由主控系統(tǒng)006 向變流器003發(fā)送啟動指令，變流器控制發(fā)電機輸出電能，供給用戶直流負載。當風(fēng)速超過額定風(fēng)速后，變槳距系統(tǒng)005調(diào)節(jié)葉片槳距角，屏蔽掉多余的風(fēng)能。圖2所示為本發(fā)明實現(xiàn)功率控制的變流器硬件載體。如圖2所示，發(fā)電機定子輸出經(jīng)交流開關(guān)14后連接于變流器二極管整流橋011，在整流橋直流側(cè)并聯(lián)薄膜電容，穩(wěn)定整流橋直流側(cè)電壓，整流橋直流側(cè)輸出加直流負載電阻。和整流橋連接的直流開關(guān)017作為保護使用，正常情況下閉合，當需要對直流負載進行檢修時手動斷開。外部市電230V電源經(jīng)UPS后，通過隔離變壓器016連接于變流器電勵磁單元012。變流器控制器013采集發(fā)電機兩個定子線電壓，通過軟件算法計算出定子電壓頻率及有效值，根據(jù)頻率計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速，依據(jù)轉(zhuǎn)速-電壓曲線得到發(fā)電機定子電壓有效值給定；變流器控制器經(jīng)過閉環(huán)調(diào)節(jié)算法后輸出PWM脈寬波，控制變流器電勵磁單元012中 IGBT015的導(dǎo)通關(guān)斷，從而調(diào)節(jié)勵磁電流輸出大小，進而控制發(fā)電機輸出定子電壓達到給定。本發(fā)明的風(fēng)電機組功率控制方法當接收到主控啟動指令后執(zhí)行，算法流程圖如圖3所示。變流器控制器基于TI公司DSP設(shè)計，具有高速運算功能。步驟1 變流器控制器采集發(fā)電機定子電壓。通過圖4所示離網(wǎng)型風(fēng)電機組變流器軟件鎖相環(huán)計算定子電壓有效值Um及角頻率ω。步驟2 變流器根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速根據(jù)轉(zhuǎn)速-電壓曲線計算定子電壓給定Usref。步驟3 定子電壓給定Usref與步驟1檢查到的定子電壓有效值Um做差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出勵磁電流給定。步驟4 勵磁電流給定與實際檢測到的勵磁電流Im做差，其偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出調(diào)制電壓，經(jīng)三角波比較后輸出PMW。步驟5 =PWM控制變流器電勵磁單元IGBT斬波，控制實際勵磁電流達到給定，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機定子電壓達到給定。步驟6 定子輸出能量經(jīng)二極管整流橋后供給直流負載。當風(fēng)速增加，風(fēng)電機組輸入功率增加時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，依據(jù)轉(zhuǎn)速電壓曲線，發(fā)電機輸出定子電壓有效值升高，直流側(cè)能量增加，重新達到功率平衡。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于供暖負載的離網(wǎng)型風(fēng)電機組的功率控制方法，其特征在于，所述的功率控制方法為根據(jù)定子電壓傳感器采集到的三相定子電壓，由變流器計算出定子電壓頻率， 根據(jù)發(fā)電機極對數(shù)計算出發(fā)電機轉(zhuǎn)速；所述變流器根據(jù)風(fēng)電機組最佳轉(zhuǎn)速-功率曲線，構(gòu)造出發(fā)電機轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線，然后采用定子電壓閉環(huán)的控制策略，調(diào)節(jié)所述變流器輸出勵磁電流的大小，在轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)控制發(fā)電機定子電壓依據(jù)所述的轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線變化；發(fā)電機定子電壓經(jīng)變流器內(nèi)的二極管整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，在變流器的直流端連接固定電阻負載，通過固定電阻負載消耗功率實現(xiàn)供暖加熱功能。
2.按照權(quán)利要求1所述的離網(wǎng)型風(fēng)電機組的功率控制方法，其特征在于，所述的功率控制方法包括以下步驟(1)當接收到風(fēng)電機組主控啟動指令后，變流器控制器通過電壓互感器采集發(fā)電機定子電壓，由變流器控制器計算出定子電壓角速度ω，定子電壓有效值Um，并根據(jù)發(fā)電機極對數(shù)P，依據(jù)公式(1)計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速η;η = 60ω/2Ρπ(1)(2)依據(jù)所述的轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線，設(shè)定發(fā)電機定子電壓有效值給定；(3)采用定子電壓閉環(huán)控制策略；將定子電壓給定減步驟(1)中的定子電壓有效值Um， 所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出發(fā)電機勵磁電流給定；將勵磁電流給定減實際勵磁電流，所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后輸出調(diào)試電壓，所述的調(diào)試電壓與控制三角波進行比較，輸出PWM波形， 控制變流器電勵磁單元的絕緣柵雙極晶體管IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制發(fā)電機定子電壓達到給定值；(4)所述的定子電壓經(jīng)變流器的二極管整流橋整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，變流器直流電壓幅值為定子電壓幅值的1. 35倍；(5)將變流器直流側(cè)電壓加載在所述的固定電阻負載上，實現(xiàn)功率輸出。
全文摘要
一種應(yīng)用于供暖負載的離網(wǎng)型風(fēng)電機組的功率控制方法。當主控發(fā)送啟動指令后，變流器采集三相定子電壓，通過定子電壓計算出電勵磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速。依據(jù)風(fēng)電機組最佳轉(zhuǎn)速功率曲線，構(gòu)造出轉(zhuǎn)速一定子電壓有效值曲線，根據(jù)所采用的定子電壓閉環(huán)的控制策略，調(diào)節(jié)變流器輸出勵磁電流的大小，在一定轉(zhuǎn)速下維持發(fā)電機定子電壓有效值達到給定。定子電壓經(jīng)變流器內(nèi)的二極管整流橋整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，在直流端連接固定電阻負載，通過電阻消耗功率實現(xiàn)加熱的功能。本發(fā)明按照最佳葉尖速比控制，實現(xiàn)在固定負載情況下機組效率最高，將風(fēng)電機組的功率控制轉(zhuǎn)換為對同步發(fā)電機的勵磁控制，簡化了變流器的設(shè)計。
文檔編號H02P9/14GK102545757SQ201110413448
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月10日
發(fā)明者李海東, 林資旭, 谷海濤, 趙斌, 趙棟利 申請人:北京科諾偉業(yè)科技有限公司