[发明专利]基于最大能量捕获的大型风力机控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种风力发电技术领域的控制方法，具体地说，涉及一种基于最大能量捕获的大型风力机控制方法。

背景技术

风能是一种可再生能源，近年来，风能开发与利用已广泛受到高度重视。风力发电主要目的是尽最大可能的利用风能，但风是一种矢量，具有随机性，无论是风向还是风速总是在不断地变化，所以产生的能量也是时刻变化的，这就要求对风力发电机组进行控制，确保风力机始终输出最大功率，提高风能的利用效率同时保证风力机的安全性和可靠性。

现有技术中，有人提出采用失速功率调节方式，失速功率调节方式机组的叶片在发电时迎风角度不能随风速变化，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率低的优点，其缺点主要是风力发电机组的性能受到叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率反而有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，使风轮转动惯量大，不适宜于大型风力发电机组。还有人提出采用采用变速恒频功率调节方式，虽然可以有效地克服上述缺点，但是当风速超过额定风速时，由于受旋转部件的机械强度限制和电力电子器件的功率限制，控制效果也不是很理想。

经对现有技术的文献检索发现，Perales等在《Proc.of The 25th AnnualConference of the IEEE》(美国电气电子工程师协会第25届年会论文集)(1999年，第2卷，第614--618页)上发表的“Fuzzy logic control of a variablespeed，variable pitch wind turbine”(变速变桨距风力机模糊逻辑控制)，该文中提出了一种变速变桨距风力机模糊逻辑控制方法，具体方法为：基于捕获最大风能原则，通过检测发电机的转速和输出功率，并根据转速和输出功率的变化来控制风力机的尖速比，寻找最大输出功率值点，但是该方法由于同时对转速和功率进行控制，控制量较多，很难实际当中应用。检索中还发现，Prats等在《Proc.of The 33th Power Electronics Specialists Conference》(第33届国际电力电子特别年会论文集)(2002年，第1卷，第101--105页)上发表的“A new fuzzy logic controller to improve the captured wind energy in areal 800kW variable speed-variable pitch wind turbine”(一种新型适用于改善800kw变速-变桨风机提高捕获风能的模糊逻辑控制器)，该文中设计了一种模糊控制器，提出了针对风速的变化采用不同的控制策略的思想，但是变桨距控制时控制输入量还是发电机转速，而不是发电机功率，控制效果也不是很理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于最大能量捕获的大型风力机控制方法，使其在低风速采用变速控制方法，高风速采用变桨距控制方法，这样即使风速时刻在变化，风力机也能保持最大功率输出。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法为：当风速在切入风速和额定风速之间变化时，采用变速控制方法，追踪最佳功率曲线，获得最大功率；当风速在额定风速和切出风速之间变化时，采用变桨距控制方法，调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

所述的变速控制方法，是指：当风速在切入风速和额定风速之间变化时，根据转速传感器测得的转速信号，由DSP控制器发出驱动信号，控制发电机转速变化，使得尖速比λ＝ωR/v维持最佳值不变，同时保持桨叶桨距角为0°，使得风力机追踪最佳功率曲线，具有最高的风能转换效率，式中：v为风速，ω为风轮旋转角速度，R为风轮半径。

所述的变桨距控制方法，是指：当风速在额定风速和切出风速之间变化时，根据功率传感器测得的发电机功率信号，由DSP控制器发出驱动信号，使得液压变桨距机构动作来调节桨叶桨距角的变化，保持额定功率不变。

所述的转速传感器，其中磁电式测量元件(音轮)与发电机转轴一起在磁场中旋转，连续旋转时由于电磁感应从线圈中输出连续的脉冲信号，从而将发电机的转速转变为具有一定频率的脉冲信号，由公式n＝60f/z可以很方便地从脉冲频率计算出转速，式中n为发电机转速，z为音轮的齿数，f为脉冲的频率值。

所述的功率传感器采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，分别检测发电机转子侧的电压和电流，从而实现对发电机功率的检测。霍尔电流传感器用于测量直、交流脉冲和混合型电流，霍尔电压传感器主要用于测量直流、交流和脉冲电压。