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一種低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法與流程

文檔序號:12750458閱讀:368來源:國知局
一種低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法與流程

本發(fā)明涉及低速直驅(qū)風電機組控制技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法。



背景技術(shù):

目前,風電機組關(guān)鍵技術(shù)指標為發(fā)電性能和可靠性,而發(fā)電性能作為風電機組運營商最為關(guān)心的指標,直接影響風電機組的市場前景。低速直驅(qū)風電機組(Direct-drive windturbine,DDWT)是一種由風輪直接驅(qū)動發(fā)電機運行的風電機組,其發(fā)電機通過全功率變流器直接與電網(wǎng)連接。對于低速直驅(qū)風電機組而言,因為是由風輪直接驅(qū)動發(fā)電機,省去了齒輪箱和高速聯(lián)軸器、其運行時的傳動損耗主要為電氣傳動系統(tǒng)損耗,為此,降低電氣傳動系統(tǒng)的損耗、提高其運行效率對整個風電機組的發(fā)電效率具有積極的作用。

現(xiàn)有技術(shù)中,對低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)通常是基于最優(yōu)轉(zhuǎn)速對發(fā)電機效率進行控制,即發(fā)電機轉(zhuǎn)速根據(jù)風速大小跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速點運行,在發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速以下,采用恒磁通控制方式來實現(xiàn)對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制,在額定轉(zhuǎn)速以上,采用弱磁控制方式來對發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩進行控制。對于上述現(xiàn)有的控制方式,在風電機組處于小風階段時,由于風輪輸入至發(fā)電機的機械功率較小,電氣傳動系統(tǒng)的損耗占總功率的比例較大,同時,在小風階段,風電機組實際轉(zhuǎn)速與最優(yōu)轉(zhuǎn)速的偏差對發(fā)電機輸入的機械功率影響不大,為此,在現(xiàn)有的控制方式下,只以風電機組最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤(發(fā)電機輸入機械功率最優(yōu))為控制目標,而忽略電氣傳動系統(tǒng)的電氣效率最優(yōu)控制,導致風電機組在小風階段整體效率并不高。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種實現(xiàn)方法簡單、所需成本低、能夠在全功率運行范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率發(fā)電,且控制效率高的低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法。

為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:

一種低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,步驟包括:

1)預先建立風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗模型,所述總損耗模型包括基于發(fā)電機定子電壓以及發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速所分別建立的發(fā)電機損耗子模型和變流器損耗子模型。

2)執(zhí)行控制時,輸入初始輸入功率控制目標風電機組運行;

3)調(diào)節(jié)所述發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,使得按照所述發(fā)電機損耗子模型計算得到的發(fā)電機損耗最小,且按照所述總損耗模型計算得到的總損耗最小,以控制目標風電機組按照最小總損耗運行。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述步驟1)中總損耗模型建立的具體步驟為:

1.1)基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流發(fā)電機電壓頻率,建立發(fā)電機損耗子模型,以及根據(jù)由所述發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換得到的發(fā)電機定子電流和變流器載波頻率,建立變流器損耗子模型;

1.2)根據(jù)發(fā)電機損耗子模型、變流器損耗子模型按下式建立得到所述總損耗模型;

PTloss=fg(U,I,f,ω)+fc(I,fc)

其中,PTloss為風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗,fg(U,I,f,ω)為發(fā)電機損耗子模型,fc(I,fc)為變流器損耗子模型,U為發(fā)電機定子電壓,I為發(fā)電機定子電流,f為發(fā)電機電壓頻率,ω為發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,fc為變流器載波頻率。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述步驟1.1)中發(fā)電機損耗子模型具體基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率,由鐵耗、銅耗、機械損耗以及雜散損耗共同建立得到。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述鐵耗計算表達式為:

PFeloss=B2·σH·f+B2·σE·d2·f2

其中,PFeloss為鐵耗,B為發(fā)電機鐵芯磁密,σH為發(fā)電機鐵芯磁滯損耗系數(shù),f為發(fā)電機電壓頻率,σE為發(fā)電機鐵芯渦流損耗系數(shù),d為沖片厚度。

所述銅耗Pculoss計算表達式為:

Pculoss=I2·Rs

其中,I為發(fā)電機定子電流,Rs為發(fā)電機定子電阻。

所述機械損耗計算表達式為:

Pmloss=Kb·ωm+Kw·ω2m

其中,Pmloss為機械損耗,ωm為發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,Kb為軸承摩擦損耗系數(shù),Kw為風摩損耗系數(shù)。

所述雜散損耗計算表達式為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.005</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>p</mi> <mi>n</mi> </msub> </mfrac> </mrow>

其中,p為發(fā)電機實際功率,pn為發(fā)電機額定功率。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述變流器損耗子模型具體建立步驟為:基于發(fā)電機定子電流和變流器載波頻率,由IGBT通態(tài)損耗、IGBT開關(guān)損耗、反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗以及反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗共同建立得到。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述IGBT通態(tài)損耗計算表達式為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>C</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>D</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>T</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mrow> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>I</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>a</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,D·T為IGBT的周期導通時間,a、b為IGBT通態(tài)電壓系數(shù)。

所述IGBT開關(guān)損耗計算表達式為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>S</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,fc為變流器載波頻率,Eon為IGBT開通能量損耗,Eoff為關(guān)斷能量損耗。

所述反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗計算表達式為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mrow> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>I</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,c、d為反向并聯(lián)二極管通態(tài)電壓系數(shù)。

所述反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗計算表達式為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>S</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow>

其中,Er為反向并聯(lián)二極管恢復開關(guān)能量損耗。

作為本發(fā)明的進一步改進,所述步驟2)中輸入的初始輸入功率,具體根據(jù)風電機組最優(yōu)風能跟蹤控制方式確定得到。

作為本發(fā)明的進一步改進,步驟3)的具體步驟為:

3.1)由所述初始輸入功率得到所述發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的初始值,并按照所述發(fā)電機損耗子模型計算得到的發(fā)電機損耗作為目標發(fā)電機損耗,以及按照所述總損耗模型計算得到的總損耗作為目標總損耗,轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.2);

3.2)增加調(diào)整所述發(fā)電機定子電壓的值,并按照所述發(fā)電機損耗子模型計算發(fā)電機損耗,得到調(diào)整后發(fā)電機損耗;判斷所述調(diào)整后發(fā)電機損耗是否小于目標發(fā)電機損耗,如果是,由調(diào)整后發(fā)電機損耗作為目標發(fā)電機損耗,返回執(zhí)行步驟3.2);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.3);

3.3)按照所述總損耗模型計算當前總損耗,并判斷當前總損耗是否小于目標總損耗,如果是,由當前總損耗作為目標總損耗,轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.4);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.5);

3.4)增加調(diào)整所述發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值,并按照所述總損耗模型計算總損耗,得到調(diào)整后總損耗;判斷調(diào)整后總損耗是否小于目標總損耗,如果是,由調(diào)整后總損耗作為目標損耗值,返回執(zhí)行步驟3.4);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.5);

3.5)由當前發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速作為最優(yōu)控制參數(shù)輸出,并控制目標風電機組運行。

作為本發(fā)明的進一步改進,步驟3.2)中具體按照定步長增加所述發(fā)電機定子電壓的值,所述步驟3.4)中具體按照定步長增加所述發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值;或所述步驟3.2)中具體由預先設(shè)定步長表通過查表增加所述發(fā)電機定子電壓的值,所述步驟3.4)中具體按照預先設(shè)定步長表通過查表增加所述發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值。

作為本發(fā)明的進一步改進,步驟3.2)中具體根據(jù)相鄰兩次調(diào)整得到的調(diào)整后發(fā)電機損耗之間的差值確定增加所述發(fā)電機定子電壓的值,所述步驟3.4)中具體根據(jù)相鄰兩次調(diào)整得到的調(diào)整后總損耗之間的差值確定增加所述發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的優(yōu)點在于:

1)本發(fā)明低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,通過建立包括發(fā)電機及變流器損耗的風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗模型,以總損耗最小為控制目標實現(xiàn)風電機組的控制,充分考慮了低速直驅(qū)風電發(fā)動機組在各個功率階段電氣傳動系統(tǒng)的損耗,有效減小了小風階段電氣傳動系統(tǒng)損耗對發(fā)電效率的影響,能夠在全功率運行范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率發(fā)電,解決了傳統(tǒng)控制方式中因不考慮電氣傳動系統(tǒng)損耗造成風電機組整體效率不高的問題;

2)本發(fā)明低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,通過控制電氣傳動鏈總損耗最小,可以有效降低風電機組的損耗,從而進一步降低發(fā)電機、變流器的冷卻系統(tǒng)成本;

3)本發(fā)明低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,進一步基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率作為關(guān)聯(lián)變量建立風電機組發(fā)電機損耗子模型,以及基于發(fā)電機定子電流、變流器載波頻率作為關(guān)聯(lián)變量建立變流器損耗子模型,能夠準確表征發(fā)電機損耗、變流器損耗,從而依據(jù)發(fā)電機損耗、變流器損耗實現(xiàn)風電機組效率的精確控制;

4)本發(fā)明低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,進一步通過在風電機組最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤控制基礎(chǔ)上以總損耗最小實現(xiàn)最優(yōu)控制,滿足最優(yōu)轉(zhuǎn)速,同時考慮電氣傳動系統(tǒng)損耗,因而能夠既兼顧最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤控制方式,又能在全功率運行范圍內(nèi)實現(xiàn)電氣傳動系統(tǒng)總損耗值最小。

附圖說明

圖1是本實施例低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法的實現(xiàn)流程示意圖。

圖2是本實施例所建立的鐵耗模型與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖3是本實施例所建立的銅耗模型與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖4是本實施例所建立的機械損耗模型與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖5是本實施例所建立的雜散模型與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖6是本實施例所建立的IGBT通態(tài)損耗與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖7是本實施例所建立的IGBT開關(guān)損耗與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖8是本實施例所建立的反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗與關(guān)聯(lián)變量的關(guān)系示意圖。

圖9是本實施例所建立的反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗與關(guān)聯(lián)變量的示意圖。

圖10是本發(fā)明具體實施例中實現(xiàn)電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制的實現(xiàn)流程示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體優(yōu)選的實施例對本發(fā)明作進一步描述,但并不因此而限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示,本實施例低速直驅(qū)風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,步驟包括:

1)預先建立風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗模型,總損耗模型包括基于發(fā)電機定子電壓以及發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速所分別建立的發(fā)電機損耗子模型和變流器損耗子模型;

2)執(zhí)行控制時,輸入初始功率控制目標風電機組運行;

3)調(diào)節(jié)發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,使得按照發(fā)電機損耗子模型計算得到的發(fā)電機損耗最小,且按照總損耗模型計算得到的總損耗最小,以控制目標風電機組按照最小總損耗運行。

由于風電機組在小功率階段,發(fā)電機的損耗主要以鐵耗為主,而在大功率階段,發(fā)電機的損耗主要以銅耗為主,而變流器的損耗主要以開關(guān)損耗為主,即風電機組在小功率、大功率階段,發(fā)電機的損耗、變流器的損耗程度不同,因而對于發(fā)電效率的影響不同。本實施例通過建立包括發(fā)電機及變流器損耗的風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗模型,以總損耗最小為控制目標實現(xiàn)風電機組的控制,充分考慮了低速直驅(qū)風電發(fā)動機組在各個功率階段電氣傳動系統(tǒng)的損耗,有效減小了小風階段電氣傳動系統(tǒng)損耗對發(fā)電效率的影響,能夠在全功率運行范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率發(fā)電,解決了傳統(tǒng)控制方式中因不考慮電氣傳動系統(tǒng)損耗造成風電機組整體效率不高的問題。

本實施例中,步驟1)中電氣傳動系統(tǒng)總損耗模型具體為:

1.1)基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率,建立發(fā)電機損耗子模型,以及根據(jù)由所述發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換得到的發(fā)電機定子電流和變流器載波頻率,建立變流器損耗子模型;

1.2)根據(jù)發(fā)電機損耗子模型、變流器損耗子模型按下式建立得到總損耗模型;

PTloss=fg(U,I,f,ω)+fc(I,fc) (1)

其中,PTloss為風電機組電氣傳動系統(tǒng)的總損耗,fg(U,I,f,ω)為發(fā)電機損耗子模型,fc(I,fc)為變流器損耗子模型,U為發(fā)電機定子電壓,I為發(fā)電機定子電流,f為發(fā)電機電壓頻率,ω為發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,fc為變流器載波頻率。

本實施例基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率作為關(guān)聯(lián)變量建立上述風電機組發(fā)電機損耗子模型,以及基于發(fā)電機定子電流、變流器載波頻率作為關(guān)聯(lián)變量建立上述變流器損耗子模型,能夠準確表征發(fā)電機損耗、變流器損耗,從而依據(jù)發(fā)電機損耗、變流器損耗實現(xiàn)風電機組效率的精確控制。

本實施例中,風電機組發(fā)電機損耗子模型具體基于發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率,由鐵耗、銅耗、機械損耗以及雜散損耗共同建立得到。

本實施例中,鐵耗PFeloss近似為:

PFeloss=B2·σH·f+B2·σE·d2·f2 (2)

其中,B為發(fā)電機鐵芯磁密,σH為發(fā)電機鐵芯磁滯損耗系數(shù),f為發(fā)電機電壓頻率,σE為發(fā)電機鐵芯渦流損耗系數(shù),d為沖片厚度。

如圖2所示,本實施例中按式(2)建立的鐵耗模型與發(fā)電機電壓頻率有關(guān),即以發(fā)電機電壓頻率f作為關(guān)聯(lián)變量,由發(fā)電機電壓U以及發(fā)電機電壓頻率f確定得到發(fā)電機損耗中的鐵耗。

本實施例中,銅耗Pculoss近似為:

Pculoss=I2·Rs (3)

其中,I為發(fā)電機定子電流,Rs為發(fā)電機定子電阻。

如圖3所示,本實施例中按式(3)建立的銅耗模型與發(fā)電機定子電流有關(guān),即以發(fā)電機定子電流I作為關(guān)聯(lián)變量,通過輸入功率P、發(fā)電機電壓U即可確定發(fā)電機損耗中的銅耗。

本實施例中,機械損耗Pmloss近似為:

Pmloss=Kb·ω+Kw·ω2 (4)

其中,ω為發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,Kb為軸承摩擦損耗系數(shù),Kw為風摩損耗系數(shù)。

如圖4所示,本實施例中按式(4)建立的機械損耗模型與發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速有關(guān),即以發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速ω作為關(guān)聯(lián)變量確定發(fā)電機損耗中的機械損耗。

本實施例中,雜散損耗Psloss近似為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mn>0.005</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mfrac> <msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>p</mi> <mi>n</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,p為發(fā)電機實際功率,pn為發(fā)電機額定功率。

如圖5所示,本實施例中按式(5)建立的雜散損耗模型與發(fā)電機實際功率有關(guān),即由發(fā)電機實際功率p確定得到發(fā)電機損耗中的雜散損耗。

本實施例由損耗的主要部分,即機械損耗、銅耗、鐵耗及雜散損耗共同建立發(fā)電機損耗子模型,同時由發(fā)電機運行功率、發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機定子電流、發(fā)電機電壓頻率作為關(guān)聯(lián)變量,能夠準確表征風電機組中發(fā)電機的損耗。

本實施例中,風電機組變流器損耗基于發(fā)電機定子電流和變流器載波頻率,由IGBT通態(tài)損耗、IGBT開關(guān)損耗、反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗以及反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗共同建立得到。

本實施例中,IGBT通態(tài)損耗近似為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>C</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>D</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>T</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mrow> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>I</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>a</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,D·T為IGBT的周期導通時間,a、b為IGBT通態(tài)電壓系數(shù)。

如圖6所示,本實施例中按式(6)建立的IGBT通態(tài)損耗模型與發(fā)電機定子電流有關(guān),即由發(fā)電機定子電流作為關(guān)聯(lián)變量,通過輸入功率P、發(fā)電機電壓U即可確定得到變流器損耗中IGBT通態(tài)損耗。

本實施例中,IGBT開關(guān)損耗近似為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>S</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>f</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,fc為變流器載波頻率,Eon為IGBT開通能量損耗,Eoff為關(guān)斷能量損耗。

如圖7所示,本實施例中按式(7)建立的IGBT開關(guān)損耗模型與變流器載波頻率有關(guān),即由變流器載波頻率作為關(guān)聯(lián)變量,通過發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換得到變流器載波頻率,確定得到變流器損耗中IGBT開關(guān)損耗。

本實施例中,反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗近似為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>C</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <msqrt> <mn>2</mn> </msqrt> </mrow> <mi>&pi;</mi> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>I</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msup> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,c、d為反向并聯(lián)二極管通態(tài)電壓系數(shù)。

本實施例中風電機組的變流器采用IGBT器件,當然也可以為IGCT、IEGT等半導體器件。

如圖8所示,本實施例中按式(8)建立的反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗模型與發(fā)電機定子電流有關(guān),即以發(fā)電機定子電流作為關(guān)聯(lián)變量,通過輸入功率P、發(fā)電機電壓即可確定變流器損耗中反向并聯(lián)二極管通態(tài)損耗。

本實施例中,反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗近似為:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mi>S</mi> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中,Er為反向并聯(lián)二極管恢復開關(guān)能量損耗。

如圖9所示,本實施例中按式(9)建立的反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗模型與變流器載波頻率有關(guān),即由變流器載波頻率作為關(guān)聯(lián)變量,確定得到變流器模型中反向并聯(lián)二極管反向恢復損耗。

本實施例由變流器損耗的主要部分,即開關(guān)損耗和通態(tài)損耗,共同建立變流器損耗的子模型,同時由發(fā)電機定子電流、變流器載波頻率作為關(guān)聯(lián)變量,能夠準確表征風電機組中變流器損耗。

本實施例中,步驟2)中輸入的初始輸入功率,具體根據(jù)風電機組最優(yōu)風能跟蹤控制方式確定得到。通過在風電機組最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤控制基礎(chǔ)上以總損耗最小實現(xiàn)最優(yōu)控制,滿足最優(yōu)轉(zhuǎn)速,同時考慮電氣傳動系統(tǒng)損耗,因而能夠既兼顧最優(yōu)轉(zhuǎn)速跟蹤控制方式,又能在全功率運行范圍內(nèi)實現(xiàn)電氣傳動系統(tǒng)總損耗值最小。

本實施例中,步驟3)的具體步驟為:

3.1)由初始輸入功率得到發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的初始值,并按照發(fā)電機損耗子模型計算得到的發(fā)電機損耗作為目標發(fā)電機損耗,以及按照所述總損耗模型計算得到的總損耗作為目標總損耗,轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.2);

3.2)增加調(diào)整發(fā)電機定子電壓的值,并按照發(fā)電機損耗子模型計算發(fā)電機損耗,得到調(diào)整后發(fā)電機損耗;判斷調(diào)整后發(fā)電機損耗是否小于目標發(fā)電機損耗,如果是,由調(diào)整后發(fā)電機損耗作為目標發(fā)電機損耗,返回執(zhí)行步驟3.2);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.3);

3.3)按照總損耗模型計算當前總損耗,并判斷當前總損耗是否小于目標總損耗,如果是,由當前總損耗作為目標總損耗,轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.4);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.5);

3.4)增加調(diào)整發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值,并按照總損耗模型計算總損耗,得到調(diào)整后總損耗;判斷調(diào)整后總損耗是否小于目標總損耗,如果是,由調(diào)整后總損耗作為目標損耗值,返回執(zhí)行步驟3.4);否則轉(zhuǎn)入執(zhí)行步驟3.5);

3.5)由當前發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速作為最優(yōu)控制參數(shù)輸出,并控制目標風電機組運行。

如圖10所示,本實施例具體首先通過根據(jù)風電機組最優(yōu)風能跟蹤控制方式,確定相應風速下的風電機組穩(wěn)態(tài)運行的初始參數(shù),包括功率初始值P0、發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速初始值ω0、發(fā)電機運行頻率初始值f0、發(fā)電機定子電壓初始值U0、發(fā)電機定子電流初始值I0,由初始參數(shù)按照式(2)~(5)計算得到發(fā)電機損耗初始值Pgloss0,通過迭代的方式不斷修正發(fā)電機定子電壓值,即Um(k+1)=Umk+△Umk(m=0,1,2….i,k=0,1,2….j),按式(2)~(5)計算當前迭代的發(fā)電機損耗值pglossmk,若當前迭代的發(fā)電機損耗值pglossmk小于上一次迭代所得到的發(fā)電機損耗值pgloss(m-1)k時,即pglossmk<pgloss(m-1)k,則查找得到功率初始值P0以及不同定子電壓下的發(fā)電機損耗最小值;然后修正迭代發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速,即ω(m+1)=ωm+△ωm,則對應的修正包括發(fā)電機定子電壓頻率fm、變流器的載波頻率fcm,按式(5)~(9)計算當前迭代的變流器損耗pclossmk、以及按式(2)~(5)計算發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速ω調(diào)整后的發(fā)電機電機損耗值pglossmk,得到電氣傳動鏈的總損耗pTlossmk,若當前迭代的總損耗pTlossmk小于上一次迭代所得到的總損耗pTloss(m-1)k,即pTlossmk<pTloss(m-1)k,則查找到得到功率初始值P0所對應的總損耗最小的最優(yōu)控制參數(shù)ω(m,k)、U(m,k)、以及f(m,k)輸出,通過迭代調(diào)節(jié)關(guān)聯(lián)變量的值,以控制按照總損耗最小實現(xiàn)風電機組最優(yōu)效率控制。

本實施例中,步驟3)迭代過程中增加迭代量具體可采用以下幾種方式:

①定步長方式

該類方式中,步驟3.2)中按照定步長增加發(fā)電機定子電壓的值,步驟3.4)中具體可按照定步長增加發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值,即迭代過程中按定步長增加迭代量△Umk、△ωm。

②變步長方式

該類方式中,步驟3.2)中根據(jù)相鄰兩次調(diào)整得到的調(diào)整后發(fā)電機損耗之間的差值確定增加發(fā)電機定子電壓的值,步驟3.4)中也可以根據(jù)相鄰兩次調(diào)整得到的調(diào)整后總損耗之間的差值確定增加發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值,即迭代過程中按變步長自動尋優(yōu)增加迭代量△Umk、△ωm,以由相鄰兩次迭代得到的差值自動調(diào)整迭代步長,提高迭代效率。

③查表方式

該類方式中,步驟3.2)中由預先設(shè)定步長表通過查表增加發(fā)電機定子電壓的值,步驟3.4)中具體按照預先設(shè)定步長表通過查表增加發(fā)電機運行轉(zhuǎn)速的值,即迭代過程中按查找方式增加迭代量△Umk、△ωm。

本發(fā)明風電機組電氣傳動系統(tǒng)效率最優(yōu)控制方法,可以適用于永磁同步發(fā)電機的風電機組中用于效率控制,當然也可以適用于電勵磁同步發(fā)電機的風電機組中。

上述只是本發(fā)明的較佳實施例,并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上,然而并非用以限定本發(fā)明。因此,凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容,依據(jù)本發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾,均應落在本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。

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