CN102969961A - 用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，利用风转矩的前馈抑制降低风机输出有功功率的波动；该控制过程只需根据风速和转速对风转矩进行估计并在控制系统中做前馈，无需额外的储能装置即可实现有功功率的平滑，降低风场输出功率波动对电力系统的影响；从仿真结果中可以看到，相比于传统控制方法，本发明能够很好地实现对有功功率波动的衰减。

Description

用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法

【技术领域】

本发明涉及新能源（风力发电）研究领域，特别涉及变速恒频风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法。

【背景技术】

自上世纪70年代以来，能源与环保逐渐成为世界主流关注的焦点之一。随着能源消耗的不断增加及其传统能源的不断减少，新能源的发展引起了全社会的广泛关注及推动，其中风力发电因为便于大规模利用和较低的成本近年来获得了迅猛的发展。变速恒频式风力发电系统由于其有较宽的风速利用区间、可以实现最大功率跟踪、有功无功可单独控制等诸多优点成为风力发电系统中的主流选择。

然而因为变速恒频式风力发电系统在很宽的风速区间内可以实现最大风能跟踪，在风速变化时该种风力发电系统输出有功会有很大的波动，从而引起向电网注入无功的波动，进而影响电网的频率和电压。当变速恒频式风力发电系统大规模接入电网后，其输出有功的波动甚至会影响电力系统的稳定性，因此有功功率的波动会限制风电在电网中的比重，从而限制了新能源的利用率。在风场中加装储能装置可以降低输出有功功率的波动，但是现有的储能材料功率密度和能量密度都很低，而且成本很高，大规模的储能装置由于经济性问题无法得到广泛应用。

通过文献检索发现，针对有功功率平滑，除了使用额外的储能装置、制氢装置以及耗能装置外，研究人员还提出了一些基于控制的功率平滑方法：对风速进行滤波、桨距角控制以及输出功率线性控制。然而这些方法均不能实现最大功率跟踪，而且前者是单功率环控制，需要对输出功率实时监测以防止失稳情况的发生。

以下给出检索的相关文献：

[1]Tomonobu Senjyu,Ryosei Sakamoto,Naomitsu Urasaki,ToshihisaFunabashi,Hideki Fujita and Hideomi Sekine,“Output Power Leveling ofWind Turbine Generator for All Operating Regions by Pitch Angle Control,”IEEE Trans.Energy Conversion,vol.21,no.2,pp.467–475,June.2006.

[2]Wei Li,Géza Joós,and Jean Bélanger,“Real-Time Simulation of aWind Turbine Generator Coupled With a Battery Supercapacitor EnergyStorage System”,IEEE Trans.Industrial electronics,vol.57,no.4,pp.1137-1145,April 2010.

[3]Barry G.Rawn,Peter W.Lehn and Manfredi Maggiore,“ControlMethodology to Mitigate the Grid Impact of Wind Turbines”,IEEE Trans.Energy Conversion,vol.22,no.2,pp.431–438,June.2007.

【发明内容】

针对上述现有理论与技术上存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提出一种基于风转矩前馈的用于变速恒频风场有功功率平滑的控制方法。该控制方法在不增加硬件设施的条件下施加功率平滑控制，有效地减小风场输出功率波动，降低风场对电力系统的影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，实时检测风速v_w，根据风机厂家提供的数据查找相应的转速指令ω^*；

步骤二，检测风机转速ω，与转速指令ω^*做差后送入外环调节器，外环调节器输出电机加减速转矩指令

步骤三，根据实时的风速v_w和电机转速ω估算此时风转矩将电机加减速转矩指令

与风转矩指令

相加后得到电机转矩指令

步骤四，将电机转矩指令

通过内环调节器，得到三相电压输出指令

和

本发明进一步的改进方法在于：步骤二中外环调节器将输出电机加减速转矩指令

折算为有功电流指令

本发明进一步的改进方法在于：步骤三中，根据实时的风速v_w和电机转速ω估算此时风转矩

然后将风转矩折算为响应的有功电流值

与电机加减速有功电流指令

相加后得到电机有功电流指令

本发明进一步的改进方法在于：步骤四中，将电机有功电流指令

通过内环调节器，得到三相电压输出指令

和

本发明进一步的改进方法在于：风速变化对输出有功功率变换的传递函数为：

其中，H为风机的惯性时间常数，K_p和K_i为控制器参数，

为风机稳态工作点转速标幺值，为风机稳态工作点转矩标幺值，为稳态工作点风速标幺值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明利用风转矩前馈，实现对于风机输出功率波动的抑制。该控制过程只需检测风速及电机转速，无需额外的储能装置。从仿真结果中可以看到，本发明能够很好地实现对电机输出有功功率波动的抑制。

【附图说明】

图1为传统转速外环转矩内环控制框图；

图2为本发明中转速外环转矩内环控制框图；

图3为传统控制小信号模型；

图4为本发明控制小信号模型；

图5为两种控制方法下风速到输出有功传递函数的波特图，其中，图5-1为传统模式下风速变化对输出有功功率变化的传递函数的波特图，图5-2为本发明模式下风速变化对输出有功功率变化的传递函数的波特图；

图6为某实测风速下两种控制方法下的控制效果，其中（a）为风速曲线；（b）为两种控制方法下电机的转速曲线；（c）为两种控制方法下系统输出有功功率曲线；（d）为所示时间长度内两种控制方法下系统输出能量曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参照图1，传统的变速恒频风力发电系统包括转速外环和转矩内环，其中转速指令随着风速实时变化以达到最大风能跟踪，通过实时检测风速v_w可以得到转速指令ω^*以达到最大风能跟踪，两者的关系由风机厂商提供。转速指令ω^*与实际转速ω做差后送入外环调节器，得到转矩指令

转矩指令与实际转矩T_e做差后送入内环调节器。图1中K为摩擦系数，T_f为摩擦转矩。

在风速变化时，传统的控制方法会导致输出有功功率的剧烈波动。以风速突增为例，一方面在风速变化时转速调节器降低输出转矩以加速电机至新的转速，另一方面风速增大后稳态输出功率会增大，所以系统输出有功功率会是一个先降低后增大的过程，变化较为剧烈。

图2给出了本发明中的控制框图。其中转速外环的工作模式是相同的，通过检测风速得出的转速指令ω^*与实际转速ω做差后送入外环调节器，得到转矩指令

不同的是在此增加一项新的转矩指令

为当前的风转矩的估计量，通过检测风速v_w和当前风机转速ω得到。外环给出的转矩指令

与前馈风转矩

相加得到内环转矩指令

内环的工作模式与传统方法一致。

本发明提出用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的一种控制方法，包括以下步骤：

步骤一，实时检测风速v_w，根据风机厂家提供的数据查找相应的转速指令ω^*。

步骤二，检测风机转速ω，与转速指令ω^*做差后送入外环调节器，调节器输出电机加减速转矩指令

步骤三，根据实时的风速v_w和电机转速ω估算此时风转矩

将电机加减速转矩指令

与风转矩指令

相加后得到电机转矩指令

步骤四，将电机转矩指令

通过内环调节器，得到三相电压输出指令

和

对图1和图2所示的系统进行小信号分析，可以得到系统的小信号模型。传统控制下系统的小信号模型如图3所示，其中

是风速变化的标幺值，K_p和K_i是转速环控制器的控制参数，

为转速环控制器输出转矩指令的标幺值，

为风速变化的标幺值，H为风机的惯性时间常数，

为风机转速变化的标幺值。本发明提出的控制方法下系统的小信号模型如图4所示，其中

为转速环控制器输出转矩指令的标幺值，

为前馈风转矩变化量的标幺值。

根据图3所示的传统控制下的小信号模型，可以得出风速变化对输出有功功率变换的传递函数如下：

$\frac{P_e\left(s\right)}{v_w\left(s\right)}=\frac{-{\mathrm{HK}}_p{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0{s}^2+(3\frac{{\tilde{T}}_{w0}^2}{{\tilde{V}}_{w0}}+3K_p\frac{{\tilde{T}}_{w0}{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0}{{\tilde{V}}_{w0}}-{\mathrm{HK}}_i{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0)s+3\frac{{\tilde{T}}_{w0}{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0}{{\tilde{V}}_{w0}}{K}_i}{{\mathrm{Hs}}^2+(\frac{{\tilde{T}}_{w0}}{{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0}+K_p)s+K_i}---\left(1\right)$

其中H为风机的惯性时间常数，K_p和K_i为控制器参数，

为风机稳态工作点转速标幺值，为风机稳态工作点转矩标幺值，为稳态工作点风速标幺值。

根据图4所示的本发明提出的控制下的小信号模型，可以得出风速变化对输出有功功率变化的传递函数如下：

$\frac{P_e\left(s\right)}{v_w\left(s\right)}=\frac{-{\mathrm{HK}}_p{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0{s}^2+-{\mathrm{HK}}_i{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_{0}s}{{\mathrm{Hs}}^2+K_{p}s+K_i}+3\frac{{\tilde{T}}_{w0}{\widetilde{\mathrm{\ω}}}_0}{{\tilde{V}}_{w0}}---\left(2\right)$

其中，H为风机的惯性时间常数，K_p和K_i为控制器参数，

为风机稳态工作点转速标幺值，为风机稳态工作点转矩标幺值，为稳态工作点风速标幺值。

图5所示为以上两式所示风速变化对输出有功功率变化的传递函数的波特图，其中，图5-1为传统模式，图5-2为本发明模式，从图中可以看出相比于传统控制方法，本发明给出的新型控制方法在0.01Hz以上的频带内幅频特性较低，即对输出功率波动抑制能力更好。

图6所示为在某实测风速曲线下两种控制方法的响应。其中（a）为标幺化的风速曲线；（b）为两种控制下标幺电机转速曲线，其中，实线为本发明方法的曲线，虚线为传统方法的曲线，可以看到本发明给出的新型控制方法下转速变化较小；（c）为两种控制下标幺系统输出有功功率，其中，实线为本发明方法的曲线，虚线为传统方法的曲线，可以看到本发明给出的新型控制方法下功率波动得到明显的抑制；（d）为所示时间范围内两系统输出的标幺能量，其中，实线为本发明方法的曲线，虚线为传统方法的曲线，可以看到两系统在该时间长度内输出的总能量曲线基本重合，并无明显区别。

本发明中给出了一种用于变速恒频风力发电系统输出有功功率平滑的一种控制方法，并利用PSCAD/EMTDC对该控制方法进行了仿真验证。从仿真的结果中可以看到，该控制方法能够很好地抑制变速恒频风力发电系统在变化风速下输出有功功率的波动，降低系统对电网的影响。

Claims (5)

1.用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，实时检测风速v_w，根据风机厂家提供的数据查找相应的转速指令ω^*；

步骤二，检测风机转速ω，与转速指令ω^*做差后送入外环调节器，外环调节器输出电机加减速转矩指令

步骤三，根据实时的风速v_w和风机转速ω估算此时风转矩

将电机加减速转矩指令

与风转矩指令

相加后得到电机转矩指令

步骤四，将电机转矩指令

通过内环调节器，得到三相电压输出指令

和

2.根据权利要求1所述的用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，其特征在于：步骤二中，外环调节器将输出电机加减速转矩指令

折算为有功电流指令

3.根据权利要求1所述的用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，其特征在于：步骤三中，根据实时的风速v_w和电机转速ω估算此时风转矩然后将风转矩折算为响应的有功电流值

与电机加减速有功电流指令

相加后得到电机有功电流指令

4.根据权利要求1所述的用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，其特征在于：步骤四中，将电机有功电流指令

通过内环调节器，得到三相电压输出指令

和

5.根据权利要求1所述的用于变速恒频式风力发电系统输出有功功率平滑的控制方法，其特征在于：风速变化对输出有功功率变换的传递函数为：

其中，H为风机的惯性时间常数，K_p和K_i为控制器参数，为风机稳态工作点转速标幺值，

为风机稳态工作点转矩标幺值，

为稳态工作点风速标幺值。

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