專利名稱：一種基于pi調節的風力發電機優化控制系統及控制方法
技術領域：
本發明屬于新能源發電領域，涉及智能電網中的風力發電技術、新能源開發技術，尤其涉及一種基于PI調節的風力發電機優化控制系統及控制方法。
背景技術：
風力發電在電力系統中所占的比重日益增加，我國風力資源豐富的地區多分布于電網相對薄弱的中西部，大量風電機組的并網給現有電力系統的正常運行帶來極大的挑戰。偏航系統是風力發電機組特有的控制系統，主要由偏航測量、偏航驅動傳動部分、紐纜保護裝置三大部分組成，主要實現兩個功能，一是使機艙跟蹤變化穩定的風向，二是由于偏航的作用導致機艙內部電纜發生纏繞而自動解除纏繞。風機的變槳作業可分為兩種工況，即正常運行時的連續變槳和停止狀態下的全順槳。風機開始啟動時槳葉由90°向0°方向轉動以及并網發電時槳葉在0°附近的調節都屬于連續變槳。液壓變槳系統的連續變槳過程是由液壓比例閥控制液壓油的流量大小來進行位置和速度控制。當風機停機或緊急情況時，為了迅速停止風機，槳葉將快速轉動到90°，一是讓風向與槳葉平行，使槳葉失去迎風面；二是利用槳葉橫向拍打空氣來進行制動，以達到迅速停機的目的,這個過程叫做全順槳。液壓變槳系統由電動液壓泵作為工作動力，液壓油作為傳遞介質，電磁閥作為控制單元，通過將油缸活塞桿的徑向運動變為槳葉的圓周運動來實現槳葉的變槳距。由于風能的能量密度低、隨即性和不穩定性等特點，給大型風力發電機組的控制技術問題帶來困難。
發明內容
本發明為了解決風力發電過程中風能能量密度低、隨即性和不穩定性等問題，提供了一種在風力發電機中采用偏航系統和變槳距控制系統共同實現風機的控制方法。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案。一種基于PI調節的風力發電機優化控制系統，包括控制器、鎖存器、RAM、EPROM、風向標、傳感器、偏航系統和變槳距機構，控制器通過鎖存器與RAM連接，控制器還直接與RAM連接；控制器通過鎖存器與EPROM連接，控制器還直接與EPROM連接；控制器與風向標連接，風向標測量風速和風向；控制器與兩個傳感器連接，兩個傳感器分別用于測量風輪角度和葉片轉速；控制器分別與偏航系統和變槳距機構連接；所述控制器采用PI控制器。一種基于PI調節的風力發電機優化控制方法，該方法依據風向和風速大小對風機進行控制，(I)當風速小于額定風速時，只啟動偏航系統，偏航系統自動調整風機迎風方向，使風機獲得最大風能；(2)當風速大于額定風速時，同時啟動偏航系統和變槳距機構，變槳距機構調整風葉的槳距角，使其始終維持在最大功率處運行；(3)當風速過大或出現緊急情況時，緊急停機，使風葉與風向方向平行，以保護風機。所述第(2)種情況下，變槳距機構的控制采用PI控制方法，進行閉環控制。輸入為發電機功率誤差值ε ;控制器采用PI調節器，定義為:a = Kp ε+Kt ε，其中Kp為比例環節，Kt為積分環節，ε = Ρ _Ρ，為發電機額定功率，P為風機的功率，α'為風輪的實時槳距角。所述第(I)種情況下，偏航系統控制方法為:首先設置風輪迎風面法向的基準方向、(設置為。。),風輪迎風面法向為Q1，風向為θ 2 ( Θ P Θ 2均為順時針方向上與基準方向的角度差)，閾值Λ Θ。風輪迎風面法向初始方向Q1 = Qtl，當Q2-Q1SAe時，偏航系統驅動風輪順時針旋轉I θ2_θιΙ ;當Θ時，偏航系統驅動風輪逆時針旋轉I Q2-Q1U旋轉完畢后，修改，使Q1= θ2。本發明采用風向標獲取風向和風速，并將實時的信息傳給控制器，控制器據此對系統的偏航系統和槳距角機構進行控制。偏航系統控制電動機使風輪方向始終保持與風向—致。偏航系統動力源采用三相異步電動機，執行機構采用齒輪結構，傳動裝置設計為液壓系統。當風向與風輪軸線偏離一個角度時，控制系統經過一段時間確認后，控制偏航電動機將風輪調整到與風向一致的方位。
當風速超過設置的額定風速(即風機功率超過額定功率)時，啟動變槳距機構，變槳距機構可以采用液壓裝置。當風速過大(一般超過50m/s)或出現緊急情況時，變槳距機構迅速旋轉風葉使風葉與風向平行，風機停止工作，以保護風機。本發明的有益效果:本發明不僅實現了風能的最大利用，還提高了輸出電能的穩定性，保證了分布式電源并網的電能質量，控制過程簡單、過渡平緩，具有良好的應用前景。
圖1是本發明的系統結構原理圖。圖2是本發明風速由小變大時的控制流程圖。圖3是本發明的偏航系統控制流程圖。圖4是本發明的變槳距控制流程圖。其中，1、PI控制器；2、第一鎖存器；3、RAM ;4、第二鎖存器；5、EPROM ;6、風向標；7、第一傳感器；8、第二傳感器；9、偏航系統；10、變槳距機構。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。如圖1所示，一種基于PI調節的風力發電機優化控制系統，包括PI控制器1、第一鎖存器2、RAM3、第二鎖存器4、EPR0M5、風向標6、第一傳感器7、第二傳感器8、偏航系統9和變槳距機構10。PI控制器I通過第一鎖存器2與RAM3連接，PI控制器I還直接與RAM3連接；PI控制器I通過第二鎖存器4與EPR0M5連接，PI控制器I還直接與EPR0M5連接；PI控制器I與風向標6連接,風向標6測量風速和風向；PI控制器I分別與第一傳感器7、第二傳感器8連接，第一傳感器7、第二傳感器8分別用于測量風輪角度和葉片轉速；PI控制器I分別與偏航系統9和變槳距機構10連接。本實施例基于80C592芯片作為PI控制器1，PI控制器I輸入包括風速、風向、風輪角度、葉片轉速等，輸出包括偏航電機的旋轉角度、需要變換的槳距角等。如圖2所示，風速由小變大時，風力發電機的控制流程為，當風速小于額定風速時，只啟動偏航系統9 ;當風速大于額定風速時，同時啟動偏航系統9和變槳距機構10 ;當風速過大時，采用緊急停機策略，使風葉與風向方向平行，以保護風機。如圖3所示，偏航系統控制算法流程為，首先設置風輪迎風面法向的基準方向Qtl(設置為0° ),風輪迎風面法向為Q1，風向為Θ 2 ( Θ P Θ 2均為順時針方向上與基準方向的角度差)，閾值Λ Θ。風輪迎風面法向初始方向Θ i = Θ ^，當Q2-Q1SAe時，偏航系統9驅動風輪順時針旋轉I Θ2_θι1 ;當Θ時，偏航系統9驅動風輪逆時針旋轉Q2-Q1U旋轉完畢后，修改，使Q1 = θ2。設風機的功率為P，則
權利要求
1.一種基于PI調節的風力發電機優化控制系統，其特征是，包括控制器、鎖存器、RAM、EPROM、風向標、傳感器、偏航系統和變槳距機構，控制器通過鎖存器與RAM連接，控制器還直接與RAM連接；控制器通過鎖存器與EPROM連接，控制器還直接與EPROM連接；控制器與風向標連接，風向標測量風速和風向；控制器與兩個傳感器連接，兩個傳感器分別用于測量風輪角度和葉片轉速；控制器分別與偏航系統和變槳距機構連接；所述控制器采用PI控制器。
2.如權利要求1所述的基于PI調節的風力發電機優化控制系統，其特征是，偏航系統中，動力源采用三相異步電動機，執行機構采用齒輪結構，傳動裝置設計為液壓系統。
3.如權利要求1所述的基于PI調節的風力發電機優化控制系統，其特征是，變槳距機構采用液壓裝置。
4.如權利要求1 所述的基于PI調節的風力發電機優化控制系統的控制方法，該方法依據風向和風速大小對風機進行控制，其特征是，(I)當風速小于額定風速時，只啟動偏航系統，偏航系統自動調整風機迎風方向；(2)當風速大于額定風速時，同時啟動偏航系統和變槳距機構，變槳距機構調整風葉的槳距角；(3)當風速過大或出現緊急情況時，緊急停機，使風葉與風向方向平行；所述第(2)種情況下，變槳距機構的控制采用PI控制方法，進行閉環控制；輸入為發電機功率誤差值ε ;控制器采用PI調節器，定義為:a =Kp ε+Kt ε，其中Kp為比例環節，Kt為積分環節，ε =P額定_Ρ，Ρ額定為發電機額定功率，P為風機的功率，α '為風輪的實時槳距角。
5.如權利要求4所述的基于PI調節的風力發電機優化控制系統的控制方法，其特征是，所述第(I)種情況下，偏航系統控制方法為:首先設置風輪迎風面法向的基準方向Qtl,θ(!設置為0° ,風輪迎風面法向為Q1，風向為θ2，Θ ^ Θ 2均為順時針方向上與基準方向的角度差，閾值Λ Θ ;風輪迎風面法向初始方向Q1 = Qtl，當Q2-Q1SAe時，偏航系統驅動風輪順時針旋轉I Θ；τθι1 ;當Θ時，偏航系統驅動風輪逆時針旋轉 Q2-Q1 ;旋轉完畢后，修改91值，使Q1= θ2。
全文摘要
本發明公開了一種基于PI調節的風力發電機優化控制系統及控制方法，將風力發電機偏航系統與變槳距控制系統相結合，采用統一的控制方法。在風速較小時，偏航系統自動調整風機迎風方向，使風機獲得最大風能；當風速超過額定風速時，變漿距控制系統啟動，調整風葉的槳距角，使其始終維持在最大功率處運行。
文檔編號F03D7/00GK103195651SQ201310076608
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優先權日2013年3月11日
發明者錢慶林, 張文豪, 朱鈺冬, 許磊, 金立軍, 劉宗杰, 陳俊佑, 蔣苗苗, 周科, 馬健 申請人:山東電力集團公司濟寧供電公司, 國家電網公司