一種自適應密度的風電機組轉矩?轉速控制方法與流程

本發明屬于風力發電領域，涉及風電機組運行控制設計領域，具體涉及到一種自適應密度的風電機組轉矩-轉速控制方法。

背景技術：

風電是目前技術比較成熟、實用化程度較高、商業開發價值和市場競爭力較強的能源利用形式，近些年獲得長足發展，根據國家能源局統計數據，截至2014年底，中國風電累計并網裝機容量接近1億千瓦。隨著規模的快速增長，行業內對機組運行性能的關注也逐步升溫，相關研究已經展開，發現了一些諸如機組運行效率達不到設計值，同等風速下出力長期較保證功率偏低，額定功率對應的風速高于設計額定風速；控制策略對密度適應性差、轉矩調節不能很好地匹配葉輪等機械部件的調節特性等等問題。

通過分析，發現發電機組控制策略設定不當是其中的主要原因。目前主流的變速恒頻雙饋機組整個運行曲線可分為四個工作區，分別是第一段升速并網、第二段cp最優(最佳葉尖速比)、第三段轉速恒定、第四段功率恒定，上述機組效率偏低的情況主要以第二個運行階段為主。所謂最佳葉尖速比運行段是指機組通過控制電磁轉矩(以下簡稱轉矩)，調節葉輪轉速，實現對最大風能捕捉系數的連續跟蹤。但在工程應用中，由于精確測量風速有一定難度，實際上通過計算和仿真，確定出設計條件下，機組運行于最佳葉尖速比區段時，機組轉速與轉矩的對應關系，形成轉矩-轉速運行曲線，機組圍繞該運行曲線進行調節。但是機組的實際運行環境千差萬別，在時空上均存在較大差異，空氣溫度、壓力、濕度時時刻刻都在發生變化，致使機組往往運行在非最優曲線附近，造成一定的能量損失。

技術實現要素：

本發明提出一種自適應空氣密度的機組轉矩-轉速控制方法，將轉矩-轉速運行曲線由原來的一條變為一簇，解決的是機組轉矩控制環設定值無法準確響應大氣參數變化的問題，使得機組在不同的空氣密度下，運行在不同的轉矩-轉速曲線上。即根據所處環境不同，自適應地調節轉矩設定值，實現最優工況發電。

本發明提出的機組轉矩-轉速控制方法，包括以下步驟：

s1：研究并確立機組捕捉機械功與發電機組轉矩之間的關系；

s2：研究分析計算機組基準轉矩-轉速運行曲線對應的基準空氣密度及其設定工況大氣參數(包括溫度、壓力、濕度)；

s3：確定機組轉矩控制環節設定值與大氣密度之間的關系；

s4：根據實測大氣溫度、壓力、濕度進行大氣密度計算，再根據實際大氣密度進行轉矩設定值的調節。

本發明分析機組轉矩與大氣密度的關系，根據實測大氣密度實時調整機組轉矩控制設定值，提高機組對環境的適應能力，實現機組自適應調節轉矩-轉速運行曲線，充分利用變速機組對最佳葉尖速比的跟蹤優勢，實現功率的最大轉化。

所述風電機組捕捉機械功是指風力機部分捕獲的功率，風力機包括葉片、輪轂、主軸等部件及其相應的調節機構，其吸收的機械能大小與對風和變槳有關，在不考慮機組對風偏差的情況下，機組轉速與葉片來風合流角有關。

所述機組基準轉矩-轉速運行曲線是指機組在設計環境下，在機組并網轉速至額定轉速段(即最佳葉尖速比段)，為實現機組最佳葉尖速比和最優風能捕捉系數，在機組設計階段，將機組轉矩與最佳轉速的對應關系擬合為一條曲線，該條曲線上運行時機組維持在最佳葉尖速比，當來風發生變化風輪轉速偏離最佳曲線時，機組調整發電機轉矩，使得轉速回歸到最佳曲線。

所述機組轉矩是指與機組轉子相連的變流器將勵磁電流饋入轉子繞組，形成交變磁場，轉子在原動機輸入下帶動磁場旋轉，進而在定子繞組中形成感應電流，在定子繞組中形成與轉子機械轉矩作用方向相反的轉矩。機械功與轉矩之間的關系可用下列公式表示，風力機捕捉的機械功為：

用機械轉矩和轉矩可表示為：

p＝tm·ωm＝te·ωe(2)

其中，tm表機械轉矩、ωm表低速軸轉速，te表發電機電磁轉矩、ωe表發電機轉速，且n為齒輪箱變比。

所述基準轉矩-轉速運行曲線對應的基準空氣密度及其設計工況大氣參數是指在機組進行運行控制設計時，所對應的大氣環境，以溫度、壓力、濕度表示其對應的密度為：

其中，ρ0表大氣密度、t0表大氣溫度(絕對溫度)、b0表大氣壓力、φ表相對濕度、r0表干燥空氣氣體常數(287.05j/kg·k)、rw表水蒸汽氣體常數(461.5j/kg·k)，pw表蒸汽壓力，表達式為：

當處于設計工況大氣運行時，機組在基準轉矩-轉速曲線上根據轉速變化調整轉矩設定值時，機組獲得最優捕捉效率，同等輸入風速下最大電磁功率輸出。

所述機組轉矩控制環節設定值與大氣密度之間的關系是指，當大氣密度發生變化時，轉矩控制目標設定值跟隨密度變化的關系式：

在機組物理屬性不發生變化、同樣的風速輸入情況下，將轉矩設定值te^ref由原來的只是發電機轉速ωe單值函數變為與ωe、大氣密度ρ都有關系的函數。

所述實測大氣溫度、壓力等參數進行轉矩設定是指，根據公式(4)對實際大氣密度進行計算，進而根據公式(5)進行轉矩整定值的計算。

本發明提供了一種基于大氣密度變化實時調整風電機組槳距設定值的方法，在分析機組轉矩與大氣密度之間聯系的基礎上，建立二者之間的映射關系，在大氣密度發生明顯變化時，調整轉矩設定值，改變了機組設計階段確定的基準轉矩-轉速運行曲線對大氣環境變化缺乏自適應、自調節能力的現狀。本發明將密度變化導入轉矩控制環節設定值的整定計算部分，將轉矩由原來是轉速的單值函數變為轉速、密度的函數，從而將轉矩-轉速運行曲線由原來的一條變為一簇。新方法使機組具備了對環境很好的適應性，在季節和濕度變化導致密度發生變化時，機組均能自動調整轉矩設定值，改善了機組運行功率曲線，在機組最佳葉尖速比運行段能較好地實現控制策略。

本發明在場級大氣監測裝置、場級監控系統、機組主控plc之間建立了聯系，大氣監測裝置將滿足控制精度和采樣周期要求的大氣壓力、濕度等參數輸入監控系統，同時機組控制器將機組點位處的環境溫度輸入監控系統，根據溫度、壓力、濕度等參數，監控系統可計算出大氣實測密度再輸入機組主控plc，plc依據實測密度參照基準轉矩-轉速運行曲線整定電磁轉矩設定值，實現調節。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明的步驟示意圖。

圖2為本發明的流程示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明并不局限于以下實施例。

實施例1：

如圖1圖2所示，首先選擇實施技術改造的風場和機組，風場應有測量大氣壓力、濕度的傳感器，測量精度和周期滿足控制要求，且該傳感器能對物理量進行模數轉換，測量裝置有相應的通訊裝置和接口，具備將變量上傳至其他平臺，與其他系統進行信息交互的通道。實施改造機組的葉片、齒輪箱等大部件沒有質量缺陷，各子系統(如測風裝置、變槳偏航系統等)運行正常，機組主控系統通訊接口開放。

收集機組設計功率曲線、基準轉矩-轉速運行曲線及其對應的大氣參數(含：大氣溫度、壓力、密度、濕度)。

大氣壓力表、濕度計采樣頻率滿足主控系統控制周期要求，利用場級監控建立大氣測量裝置與機組plc通訊的媒介，調通監控系統至大氣測量裝置、實施機組plc的通訊接口。

以一定頻率采集大氣壓力、濕度，將實施機組自測的環境溫度輸入監控系統，監控系統根據壓力、溫度、濕度參數計算大氣實時密度，輸入機組plc控制器。

利用主控系統plc組態軟件，編輯主控程序源代碼，將轉矩控制設定值由跟蹤轉速變化變為跟蹤轉速和密度變化，從而將轉矩-轉速運行曲線由原來的一條變成一簇，在確定轉速下，機組根據實測大氣密度在一定區間內進行設定值整定。機組主控單元將計算好的轉矩設定值輸入變流器控制器，變流器控制器接收到轉矩整定值后與當前轉矩進行比較計算出下一個調節周期內的勵磁電流調節值，實現轉矩調整。由于大氣環境變化頻繁，加之轉速的變化也呈現較強的隨機波動性，因此導致轉矩的調整也必然較為頻繁，在實際工程應用中，設立了調節死區，避免變流器持續頻繁動作，影響調節效果。

實施例一：

寧夏某風場冬夏兩季溫度相差30℃，不考慮濕度的情況下典型日的密度分別為0.937kg/m³和1.04kg/m³，密度相差11％，根據機組運行原理，轉矩設定值也應等比例提高11％，有功功率也相應提高。機組原始轉矩-轉速運行曲線參照的大氣參數是設計工況大氣參數，與冬夏兩季大氣實際參數有很大出入，冬季空氣密度較大，機組不能適當提高轉矩設定值，導致捕捉功率有很大損失；夏季空氣密度偏小，機組轉矩設定不當，轉速偏離最優葉尖速比，捕捉效率偏低。為準確反應大氣環境變化對機組運行控制的影響，有必要對機組控制進行改造。

該風場建有測風塔，分別對不同高度處的風速、風向進行測量，能對溫度、氣壓、濕度進行監測，并將測量、監測結果存入塔體的數據記錄儀中，但該記錄儀無法將數據實時導入場級監控系統，同時場級監控系統也無法計算大氣實時密度，并將此密度輸入機組plc。因此需首先對大氣監測裝置、場級監控系統、機組plc之間的通訊進行改造，對通訊協議進行統一和轉換，確保數據傳輸速度、準確度滿足控制環節要求；在場級監控系統中加入空氣密度換算算法，改造機組plc主控程序，建立密度與機組轉矩設定環節之間的聯系。

初期將空氣密度引起的轉矩設定值變化按照四段“臺階”的形式分段變化，“臺階”內的轉矩設定值不發生變化，當密度變動幅值超過“臺階”時，可根據變化幅度按比例調整轉矩設定值。在實際運行中，大氣監測裝置以ms級的采樣頻率將大氣壓力、濕度等參數采集過濾后送出場級監控系統，機組控制器將機位處的大氣溫度采樣后也送入場級監控系統，場級監控系統經過密度換算后，將此密度再送回機組主控，控制器接收到大氣實測密度開始轉矩整定，實現轉速調節。

排除機組發生故障等特殊情況，在正常發電狀態下，同等風速輸入，統計測試階段發電量，發現改造后的機組發電量均高于改造前。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發明專利構思所述的構造、特征及原理所做的等效或簡單變化，均包括于本發明專利的保護范圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。