[发明专利]定桨距变速永磁同步风力发电机组无风速转速传感器全风速控制策略

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对采用永磁同步发电机的定桨距变速风力发电机组的全风速范围内的主控制系统，实现了机组在低风速区(额定风速以下)的最大功率跟踪控制、高风速区(额定风速以上)的恒功率控制以及两种运行模式之间的恒转速软过渡过程。 

技术背景

风能作为发展最为迅速的可再生能源，已经成为应对能源危机和环境污染的重要手段，是当前国内外研究的重点和热点。虽然风力发电机组(以下简称风电机组)正逐渐朝着大功率、变桨距变速的方向发展，兆瓦级以上的风电机组几乎都采用了这结构。但是中小型风电机组由于技术成熟、成本低廉、可采用定桨距直驱结构，可靠性高以及安装方便，可就近用电用户安装等特殊优点，已经成为偏远地区和欠发达地区用电用户的主要用电来源。且目前随着石油、天然气等传统能源日益枯竭，传统能源价格飞涨，中小型风电机组的应用越来越广泛。根据美国风能协会2010年的调查数据显示，在美国，功率等级在100kW以下的小型风电机组安装容量达到了100MW，相比2009年增加了15％。而全球的小型风电机组的装机容量也有10％的增长。所以，中小型风力发电机组仍然具有长期的研究价值和发展前景。 

大型风力发电机组常采用变桨距结构，当风速超过额定风速时，控制系统通过改变桨距角来减小风能利用系数，从而减小机组捕获的功率，达到机组额定风速以上的恒功率运行的目的。相比之下，小中型风力发电机组因功率等级较低(通常在100kW以下)，通常采用定桨距永磁直驱结构以提高发电效率和节约控制成本。因桨距角固定不变，使得机组在额定风速以上的恒功率运行控 制变得非常困难，国内外还鲜有报道相关的控制策略。故此，开发一套控制可靠、成本低廉、适用于中小型定桨距永磁直驱风力发电机组的控制系统具有迫切性。 

发明内容：

本发明内容说明如下： 

附图1所示是本发明采用的定桨距永磁同步变速风力发电机组结构与控制系统框图。图中由于储能终端采用了大容量的储能设备，输出电压V₀基本恒定。输出功率的变化通过改变输出电流来实现(如果储能终端替换为逆变器并网的形式，本发明所述的控制策略仍然适用)。附图2为本发明中采用的风力发电机组气动特性曲线。 

风速变化时，附图1中所示机组在最大功率跟踪运行、恒转速运行和恒功率运行时直流母线电压和电流关系分析如下： 

1、在额定风速以下时，为了提高机组发电效率，需要根据风速调整机组的转速，使机组按照最佳叶尖速比运行。风力机捕获的气动功率P_r可按下式计算： 

Pr=12ρπR2·Cp(λ)·v3---(1)]]>

式中，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速，对定桨距风力机，风能利用系数C_p(λ)只为叶尖速比λ的函数。当机组运行于最大功率跟踪(MPPT)模式时，有：