一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种低速直驱风电机组电气传动系统效率控制方法，步骤包括：1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型；2)执行控制时，输入初始功率控制目标风电机组运行；3)调节发电机定子电压、发电机运行转速，使得按照发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。本发明专利技术具有实现方法简单、所需成本低、能够在全功率运行范围内实现高效率发电，且控制效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及低速直驱风电机组控制
，尤其涉及一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法。
技术介绍
目前，风电机组关键技术指标为发电性能和可靠性，而发电性能作为风电机组运营商最为关心的指标，直接影响风电机组的市场前景。低速直驱风电机组(Direct-drivewindturbine，DDWT)是一种由风轮直接驱动发电机运行的风电机组，其发电机通过全功率变流器直接与电网连接。对于低速直驱风电机组而言，因为是由风轮直接驱动发电机，省去了齿轮箱和高速联轴器、其运行时的传动损耗主要为电气传动系统损耗，为此，降低电气传动系统的损耗、提高其运行效率对整个风电机组的发电效率具有积极的作用。现有技术中，对低速直驱风电机组电气传动系统通常是基于最优转速对发电机效率进行控制，即发电机转速根据风速大小跟踪最优转速点运行，在发电机额定转速以下，采用恒磁通控制方式来实现对发电机电磁转矩的控制，在额定转速以上，采用弱磁控制方式来对发电机电磁转矩进行控制。对于上述现有的控制方式，在风电机组处于小风阶段时，由于风轮输入至发电机的机械功率较小，电气传动系统的损耗占总功率的比例较大，同时，在小风阶段，风电机组实际转速与最优转速的偏差对发电机输入的机械功率影响不大，为此，在现有的控制方式下，只以风电机组最优转速跟踪(发电机输入机械功率最优)为控制目标，而忽略电气传动系统的电气效率最优控制，导致风电机组在小风阶段整体效率并不高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种实现方法简单、所需成本低、能够在全功率运行范围内实现高效率发电，且控制效率高的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，步骤包括：1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，所述总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型。2)执行控制时，输入初始输入功率控制目标风电机组运行；3)调节所述发电机定子电压、发电机运行转速，使得按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照所述总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1)中总损耗模型建立的具体步骤为：1.1)基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流发电机电压频率，建立发电机损耗子模型，以及根据由所述发电机定子电压、发电机运行转速转换得到的发电机定子电流和变流器载波频率，建立变流器损耗子模型；1.2)根据发电机损耗子模型、变流器损耗子模型按下式建立得到所述总损耗模型；PTloss＝fg(U,I,f,ω)+fc(I,fc)其中，PTloss为风电机组电气传动系统的总损耗，fg(U,I,f,ω)为发电机损耗子模型，fc(I,fc)为变流器损耗子模型，U为发电机定子电压，I为发电机定子电流，f为发电机电压频率，ω为发电机运行转速,fc为变流器载波频率。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1.1)中发电机损耗子模型具体基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率，由铁耗、铜耗、机械损耗以及杂散损耗共同建立得到。作为本专利技术的进一步改进，所述铁耗计算表达式为：PFeloss＝B2·σH·f+B2·σE·d2·f2其中，PFeloss为铁耗，B为发电机铁芯磁密，σH为发电机铁芯磁滞损耗系数，f为发电机电压频率，σE为发电机铁芯涡流损耗系数，d为冲片厚度。所述铜耗Pculoss计算表达式为：Pculoss＝I2·Rs其中，I为发电机定子电流，Rs为发电机定子电阻。所述机械损耗计算表达式为：Pmloss＝Kb·ωm+Kw·ω2m其中，Pmloss为机械损耗，ωm为发电机运行转速，Kb为轴承摩擦损耗系数，Kw为风摩损耗系数。所述杂散损耗计算表达式为：Psloss=0.005·p2pn]]>其中，p为发电机实际功率，pn为发电机额定功率。作为本专利技术的进一步改进，所述变流器损耗子模型具体建立步骤为：基于发电机定子电流和变流器载波频率，由IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、反向并联二极管通态损耗以及反向并联二极管反向恢复损耗共同建立得到。作为本专利技术的进一步改进，所述IGBT通态损耗计算表达式为：PICloss=12·D·T·(2·2π·I·a+I2·b)]]>其中，D·T为IGBT的周期导通时间，a、b为IGBT通态电压系数。所述IGBT开关损耗计算表达式为：PISloss=12·fc·(Eon+Eoff)]]>其中，fc为变流器载波频率，Eon为IGBT开通能量损耗，Eoff为关断能量损耗。所述反向并联二极管通态损耗计算表达式为：PDCloss=12·(1-D·T)·(2·2π·I·c+I2·d)]]>其中，c、d为反向并联二极管通态电压系数。所述反向并联二极管反向恢复损耗计算表达式为：PDSloss=12·fc·Er]]>其中，Er为反向并联二极管恢复开关能量损耗。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤2)中输入的初始输入功率，具体根据风电机组最优风能跟踪控制方式确定得到。作为本专利技术的进一步改进，步骤3)的具体步骤为：3.1)由所述初始输入功率得到所述发电机定子电压、发电机运行转速的初始值，并按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗作为目标发电机损耗，以及按照所述总损耗模型计算得到的总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.2)；3.2)增加调整所述发电机定子电压的值，并按照所述发电机损耗子模型计算发电机损耗，得到调整后发电机损耗；判断所述调整后发电机损耗是否小于目标发电机损耗，如果是，由调整后发电机损耗作为目标发电机损耗，返回执行步骤3.2)；否则转入执行步骤3.3)；3.3)按照所述总损耗模型计算当前总损耗，并判断当前总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由当前总损耗作为目标总损耗，转入执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；3.4)增加调整所述发电机运行转速的值，并按照所述总损耗模型计算总损耗，得到调整后总损耗；判断调整后总损耗是否小于目标总损耗，如果是，由调整后总损耗作为目标损耗值，返回执行步骤3.4)；否则转入执行步骤3.5)；3.5)由当前发电机定子电压、发电机运行转速作为最优控制参数输出，并控制目标风电机组运行。作为本专利技术的进一步改进，步骤3.2)中具体按照定步长增加所述发电机定子电压的值，所述步骤3.4)中具体按照定步长增加所述发电机运行转速的值；或所述步骤3.2)中具体由预先设定步长表通过查表增加所述发电机定子电压的值，所述步骤3.4)中具体按照预先设定步长表通过查表增加所述发电机运行转速的值。作为本专利技术的进一步改进，步骤3.2)中具体根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，步骤包括：1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，所述总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型；2)执行控制时，输入初始输入功率控制目标风电机组运行；3)调节所述发电机定子电压、所述发电机运行转速，使得按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照所述总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。

【技术特征摘要】
1.一种低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，步骤包括：1)预先建立风电机组电气传动系统的总损耗模型，所述总损耗模型包括基于发电机定子电压以及发电机运行转速所分别建立的发电机损耗子模型和变流器损耗子模型；2)执行控制时，输入初始输入功率控制目标风电机组运行；3)调节所述发电机定子电压、所述发电机运行转速，使得按照所述发电机损耗子模型计算得到的发电机损耗最小，且按照所述总损耗模型计算得到的总损耗最小，以控制目标风电机组按照最小总损耗运行。2.根据权利要求1所述的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，所述步骤1)中总损耗模型建立的具体步骤为：1.1)基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流发电机电压频率，建立发电机损耗子模型，以及根据由所述发电机定子电压、发电机运行转速转换得到的发电机定子电流和变流器载波频率，建立变流器损耗子模型；1.2)根据所述发电机损耗子模型、变流器损耗子模型按下式建立得到所述总损耗模型，所述总损耗模型表示为：PTloss＝fg(U,I,f,ω)+fc(I,fc)其中，PTloss为风电机组电气传动系统的总损耗，fg(U,I,f,ω)为发电机损耗子模型，fc(I,fc)为变流器损耗子模型，U为发电机定子电压，I为发电机定子电流，f为发电机电压频率，ω为发电机运行转速，fc为变流器载波频率。3.根据权利要求2所述的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，步骤1.1)中所述发电机损耗子模型具体基于发电机定子电压、发电机运行转速以及发电机定子电流、发电机电压频率，由铁耗、铜耗、机械损耗以及杂散损耗共同建立得到。4.根据权利要求3所述的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，所述铁耗计算表达式为：PFeloss＝B2·σH·f+B2·σE·d2·f2其中，PFeloss为铁耗，B为发电机铁芯磁密，σH为发电机铁芯磁滞损耗系数，f为发电机电压频率，σE为发电机铁芯涡流损耗系数，d为冲片厚度；所述铜耗Pculoss计算表达式为：Pculoss＝I2·Rs其中，I为发电机定子电流，Rs为发电机定子电阻；所述机械损耗计算表达式为：Pmloss＝Kb·ωm+Kw·ω2m其中，Pmloss为机械损耗，ωm为发电机运行转速，Kb为轴承摩擦损耗系数，Kw为风摩损耗系数；所述杂散损耗计算表达式为：Psloss=0.005·p2pn]]>其中，p为发电机实际功率，pn为发电机额定功率。5.根据权利要求4所述的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，所述变流器损耗子模型具体建立步骤为：基于发电机定子电流和变流器载波频率，由IGBT通态损耗、IGBT开关损耗、反向并联二极管通态损耗以及反向并联二极管反向恢复损耗共同建立得到。6.根据权利要求5所述的低速直驱风电机组电气传动系统效率最优控制方法，其特征在于，所述IGBT通态损耗计算表达式为：PICloos=12·D·T·(2·2π·I&CenterD...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐建平，李音泉，许力伟，阮向艳，王靛，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43