CN102748216B - 一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置，该方法包括：获得发电机实时转速Gen_Speed；对风电机组功率限值输入进行确认；计算对应于并网转速的小功率值和满发转速的大功率值，并将全功率范围分为小功率范围、中功率范围、大功率范围；计算出各功率范围时，在功率限值条件下的给定转速和给定转矩。该系统包括转速计算模块、功率限值处理模块、功率范围计算模块和功率逆向求解模块。该装置包括：由采集电路、整形电路和滤波电路构成的转速处理电路；以及内置上述系统的单片机。本发明实现当风电场有功出力受限制时，每个独立的风电机组具备有功功率调节的能力，从而进一步保证整个风电场的有功功率调节能力。

Description

一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及一种风力发电技术领域，特别是涉及一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置。

背景技术

近年来随着风力发电不断地发展，风电场装机容量逐年上升，风力发电所占的比例越来越大，已逐渐成为了一种常规能源。然而，风力资源丰富的地区一般都远离负荷中心，电网结构普遍比较薄弱。随着风电装机容量的增加，受电力系统调峰能力的限制，低负荷时风电场出力往往受到一定的限制。为了完成调度人员给风电场下达的限电任务（限制风电场有功出力），运行在风电场的每个独立风电机组都应该具备有功功率调节的能力，当风电场将有功功率调节的限值发送给每个独立风电机组时，各风电机组能够快速进行响应，从而实现整个风电场的有功功率调节，实现限电任务。

在传统的转速转矩主控策略中，为了控制简单且稳定，往往采用转速和转矩查表的方式进行，即转速和转矩存在唯一对应的关系。在这样的主控策略中，要限制风电机组的有功功率，只需在转速转矩主控策略表中查表获得给定转速和给定转矩即可实现对有功功率的调节作用。然而，在现有部分新的转速转矩主控策略中，转速和转矩通过相应的控制器进行调节，而非传统策略中唯一对应的查表关系。在此种情况下，为了实现有功功率调节功能，在现场运行时，往往采用人为的方式从中控室对各风电机组进行转速和转矩的限值设定。由于设定的人员对主控策略并不熟悉，所以这种设定方法往往不能让风电机组运行在合理的转速转矩状态下，从而影响风电机组捕获风能的效率，同时对风电机组的性能也有一定的影响。因此，针对新的转速转矩主控策略，设计合理的有功功率调节方法，既实现了有功功率的自动调节，又能保证风电机组始终运行在主控策略所期望的最优运行状态下，有利于提高风电机组的整体性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置，使其实现当风电场有功出力受限制时，每个独立的风电机组具备有功功率调节的能力，从而进一步保证整个风电场的有功功率调节能力。

为解决上述技术问题，本发明一种风电机组有功功率调节方法，包括以下步骤：

A.获得发电机实时转速Gen_Speed；

B.对风电机组功率限值输入值Power_Limit进行确认，根据主控策略设定，功率限值最小值Power_Min，功率限值最大值为Power_Max，

B1.当Power_Min<Power_Limit<Power_Max时，Power_Limit取值不变，

B2.当Power_Limit<Power_Min时，取Power_Limit=Power_Min，

B3.当Power_Limit>Power_Max时，取Power_Limit=Power_Max；

C.根据风电机组的主控策略，分别计算出对应于风电机组并网转速Speed_Min的小功率值Power_Low和满发转速Speed_Max的大功率值Power_Up,

$\mathrm{Power}\_\mathrm{Low}=k\&CenterDot;\mathrm{Speed}\_{\mathrm{Min}}^3$ ，

$\mathrm{Power}\_\mathrm{Up}=k\&CenterDot;\mathrm{Speed}\_{\mathrm{Max}}^3$ ，

式中，k为最优风能利用系数，

根据Power_Low和Power_Up，将全功率范围分为小功率范围、中功率范围、大功率范围；

D.计算出在小功率范围、中功率范围、大功率范围时，风电机组在功率限值Power_Limit条件下的给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand，

D1.小功率范围，Power_Limit <= Power_Low，

$\mathrm{Speed}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Speed}\_\mathrm{Min}$ ，

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Min}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}$ ，

D2.中功率范围，Power_Low < Power_Limit < Power_UP，

$\mathrm{Speed}\_\mathrm{Demand}=\sqrt[4]{(\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/k)\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}$ ，

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=k\&CenterDot;\mathrm{Speed}\_\mathrm{Deman}{d}^2$ ，

D3.大功率范围，Power_Limit >= Power_Up，

$\mathrm{Speed}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Speed}\_\mathrm{Max}$ ，

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Max}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}$ 。

作为本发明的一种改进，所述的步骤A中的发电机实时转速Gen_Speed，是对实时采集到的发电机转速进行整形处理、滤波处理和计算得到。

所述的步骤A中的发电机实时转速的最终取值为：Gen_Speed=max(Gen_Speed,0)。

所述的步骤B还包括对输入的限值进行斜坡处理的过程。

此外，本发明还提供了一种风电机组有功功率调节处理系统，包括：

转速计算模块，用于获得发电机实时转速Gen_Speed；

功率限值处理模块，用于对风电机组功率限值输入Power_Limit进行确认，根据主控策略设定，功率限值最小值Power_Min，功率限值最大值为Power_Max，当Power_Min<Power_Limit<Power_Max时Power_Limit取值不变，当Power_Limit<Power_Min时取Power_Limit=Power_Min，当Power_Limit>Power_Max时，取Power_Limit=Power_Max；

功率范围计算模块，用于根据风电机组的主控策略，分别计算出对应于风电机组并网转速Speed_Min的小功率值Power_Low和满发转速Speed_Max的大功率值Power_Up，并根据Power_Low和Power_Up将全功率范围分为小功率范围、中功率范围、大功率范围；以及

功率逆向求解模块，用于计算在小功率范围、中功率范围、大功率范围时，风电机组在功率限值Power_Limit条件下的给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand。

最后，本发明还提供了一种风电机组有功功率调节装置，包括：由转速传感器信号采集电路、整形电路和滤波电路构成的转速处理电路；以及与转速处理电路连接，并内置有转速计算模块、功率限值处理模块、功率范围计算模块和功率逆向求解模块的单片机。

采用这样的设计后，本发明具有以下有益效果：

1、解决了转速-转矩在非查表控制策略下的有功功率难以调节的问题；

2、引入了发电机实测转速作为反馈输入，不仅提高了风电机组有功功率调节的精度，而且还提高了风电机组运行的稳定性；

3、本发明实现较为容易，且成本较低，利于推广。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种风电机组有功功率调节装置的模块组成示意图。

图2是本发明一种风电机组有功功率调节方法的转速-转矩主控策略示意图。

具体实施方式

请参阅图1、图2所示，本发明风电机组有功功率调节装置包括通过电路连接的转速处理电路和单片机，其中，转速处理电路由转速传感器信号采集电路、整形电路和滤波电路构成，单片机内置有风电机组有功功率调节处理系统。

风电机组有功功率调节处理系统包括转速计算模块、功率限值处理模块、功率范围计算模块和功率逆向求解模块，对应的风电机组有功功率调节方法流程如下：

（1）转速处理电路采集转速传感器信号，通过处理电路对信号进行整形、滤波，再由单片机的转速计算模块计算得到发电机实时转速Gen_Speed。为了计算安全，取Gen_Speed=max(Gen_Speed,0)。

（2）单片机处理系统中的功率限值处理模块，主要对风电机组功率限值输入值Power_Limit进行确认，以确保功率限值在允许的范围内，保障风电机组的运行安全。根据主控策略设定，功率限值最小值Power_Min，功率限值最大值为Power_Max：当Power_Min<Power_Limit<Power_Max时，Power_Limit取值不变；当Power_Limit<Power_Min时，取Power_Limit=Power_Min；当Power_Limit>Power_Max时，取Power_Limit=Power_Max。较佳的，之后还对输入的限值进行斜坡处理，再输出给后续模块，以减缓功率限制突变对系统的冲击。

（3）单片机处理系统中的功率范围计算模块，主要是根据风电机组的主控策略，分别计算出对应于风电机组并网转速Speed_Min的小功率值Power_Low和满发转速Speed_Max的大功率值Power_Up, 在附图2转速-转矩主控策略示意图中，对应于B点和C点。

Power_Low=k·Speed_Min³(1)

Power_Up=k·Speed_Max³(2)

式中，k为BC段的最优风能利用系数。

根据式(1)的Power_Low和式(2)的 Power_Up，将全功率范围的逆向求解过程分为三个范围分别进行逆向求解运算，即小功率范围、中功率范围、大功率范围。在附图2转速-转矩主控策略示意图中，AB段为小功率范围，BC段为中功率范围，CD段为大功率范围。

（4）单片机处理系统中的功率逆向求解模块，主要根据功率算法以及主控策略，结合转速模块采集的发电机实时转速Gen_Speed，分别计算出在小功率范围、中功率范围、大功率范围时，风电机组在功率限值Power_Limit条件下的给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand。具体计算如下：

①小功率范围（Power_Limit <= Power_Low）

Speed_Demand=Speed_Min(3)

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Min}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}---\left(4\right)$

②中功率范围（Power_Low < Power_Limit < Power_UP）

$\mathrm{Speed}\_\mathrm{Demand}=\sqrt[4]{(\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/k)\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}---\left(5\right)$

Torque_Demand=k·Speed_Demand²(6)

③大功率范围（Power_Limit >= Power_Up）

Speed_Demand=Speed_Max(7)

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Max}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}---\left(8\right)$

（5）求解出给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand之后，将逆向求解的给定转速和给定转矩传递给主控程序，作为主控策略的输入，控制风电机组执行，从而实现在全功率范围内的有功出力限制，完成有功功率调节。

如上所述，本发明一种风电机组有功功率调节方法、系统和装置，通过对有功功率的算法进行逆向求解，并引入风电机组实时测量转速，求解出风电机组所需的给定转速和给定转矩，实现了转速-转矩在非查表控制策略下的全功率范围内的有功出力限制，完成有功功率调节，且成本较低，易于实现和推广。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种风电机组有功功率调节方法，其特征在于包括以下步骤：

A.获得发电机实时转速Gen_Speed；

B.对风电机组功率限值输入值Power_Limit进行确认，根据主控策略设定，功率限值最小值Power_Min，功率限值最大值为Power_Max，

B1.当Power_Min<Power_Limit<Power_Max时，Power_Limit取值不变，

B2.当Power_Limit<Power_Min时，取Power_Limit=Power_Min，

B3.当Power_Limit>Power_Max时，取Power_Limit=Power_Max；

C.根据风电机组的主控策略，分别计算出对应于风电机组并网转速Speed_Min的小功率值Power_Low和满发转速Speed_Max的大功率值Power_Up,

Power_Low=k·Speed_Min³，

Power_Up=k·Speed_Max³，

式中，k为最优风能利用系数，

根据Power_Low和Power_Up，将全功率范围分为小功率范围、中功率范围、大功率范围；

D.计算出在小功率范围、中功率范围、大功率范围时，风电机组在功率限值Power_Limit条件下的给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand，

D1.小功率范围，Power_Limit<=Power_Low，

Speed_Demand=Speed_Min，

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Min}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}},$

D2.中功率范围，Power_Low<Power_Limit<Power_UP，

$\mathrm{Speed}\_\mathrm{Demand}=\sqrt[4]{(\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/k)\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}},$

Torque_Demand=k·Speed_Demand²，

D3.大功率范围，Power_Limit>=Power_Up，

Speed_Demand=Speed_Max，

$\mathrm{Torque}\_\mathrm{Demand}=\mathrm{Power}\_\mathrm{Limit}/\sqrt{\mathrm{Speed}\_\mathrm{Max}\&CenterDot;\mathrm{Gen}\_\mathrm{Speed}}.$

2.根据权利要求1所述的一种风电机组有功功率调节方法，其特征在于所述的步骤A中的发电机实时转速Gen_Speed，是对实时采集到的发电机转速进行整形处理、滤波处理和计算得到。

3.根据权利要求2所述的一种风电机组有功功率调节方法，其特征在于所述的步骤A中的发电机实时转速的最终取值为：Gen_Speed=max(Gen_Speed,0)。

4.根据权利要求1所述的一种风电机组有功功率调节方法，其特征在于所述的步骤B还包括对输入的限值进行斜坡处理的过程。

5.一种风电机组有功功率调节处理系统，其特征在于包括：

转速计算模块，用于获得发电机实时转速Gen_Speed；

功率限值处理模块，用于对风电机组功率限值输入Power_Limit进行确认，根据主控策略设定，功率限值最小值Power_Min，功率限值最大值为Power_Max，当Power_Min<Power_Limit<Power_Max时Power_Limit取值不变，当Power_Limit<Power_Min时取Power_Limit=Power_Min，当Power_Limit>Power_Max时，取Power_Limit=Power_Max；

功率范围计算模块，用于根据风电机组的主控策略，分别计算出对应于风电机组并网转速Speed_Min的小功率值Power_Low和满发转速Speed_Max的大功率值Power_Up，并根据Power_Low和Power_Up将全功率范围分为小功率范围、中功率范围、大功率范围；以及

功率逆向求解模块，用于计算在小功率范围、中功率范围、大功率范围时，风电机组在功率限值Power_Limit条件下的给定转速Speed_Demand和给定转矩Torque_Demand。

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