CN103397983B - 变速风机有功功率控制和转速控制方法 - Google Patents

变速风机有功功率控制和转速控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，通过混合速度控制器来调节风轮的转速，同时风电机组有功功率的控制通过机组功率控制器来完成，其中：混合速度控制器包括主动速度控制器、被动速度控制器和开关，主动速度控制器通过风轮的桨距角调节来进行风轮的速度闭环控制，被动速度控制器通过风轮的桨距角来进行开环的速度控制，开关根据当前风速、参考转速和参考功率决定采用主动速度控制器或者被动速度控制器的输出桨距角作为参考桨距角去控制风轮的桨角。本发明通过混合速度控制器来调节风轮的转速，能够独立自主调节机组的转速和有功功率，具有更宽的转速和风速调节范围和更大的灵活性。

Description

变速风机有功功率控制和转速控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体地，涉及一种变速风机有功功率控制和转速控制方法。
背景技术
在过去20多年，风力发电获得了飞速的发展，2012年欧洲一些国家的风电穿透率已经超过10％，如丹麦27.1％，葡萄牙16.8％，西班牙16.3％，爱尔兰12.7％，德国10.8％。随着风电在整个电力系统中所占的比重越来越高，风电对电力系统的影响已经不能被忽略。电力系统运营方对风力发电的要求也渐趋严格，其中一个重要的要求便是风力发电必须具备一定的有功功率调节的能力，这就需要风电场内部的风电机组具备相应的有功功率调节的能力。
在文献：Rodriguez-Amenedo,J.L.,Arnalte,S.,and Burgos,J.C.:’Automaticgeneration control of a wind farm with variable speed wind turbines’,IEEETransactions on Energy Conversion,2002,17(2),pp279-284中，双馈风机的功率通过调节风轮的桨距角来实现，而风力发电机的转速通过发电机的转子变流器来实现，同时风机的转速完全按照最大功率跟踪模式进行控制。因此，在风速一定时，可以认为其转速也是被控制在某一个固定的转速下。
在文献：Almeida,R.g.de.,Castronuovo,E.D.,and J.A.Pecas Lopes.:’Optimumgeneration control in wind parks when carrying out system operator requests’,IEEETransactions on Power Systems,2006,21(2),pp 718-725中，变速风机的输出有功功率通过变速的方式完成；在额定风速以下，风机保持桨距角不变(零度)，通过改变发电机的输出功率，来完成机组的有功功率的调节，同时也能进行风机速度的被动调节。此种方法无法主动调节风机速度，速度-功率调节范围有限，而且仅仅能够在额定风速以下进行工作。
现有技术尚无法在全风速段内同时进行速度控制和有功功率的控制,在进行对电网的频率支撑时无法提供灵活的支持。本发明的目的就在于通过对风机进行独立的速度控制和有功功率控制，为风电场对电网的有功功率控制提供更灵活的支撑方式。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，通过对风机进行独立的速度控制和有功功率控制，解决变速风机在全工作风速段的有功功率输出调节和机组存储的动能调节，为风电场对电网的有功功率稳定控制提供更灵活的支撑方式。
为实现上述的目的，本发明提供一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，该方法通过混合速度控制器来调节风轮的转速，同时风电机组有功功率的控制通过机组功率控制器来完成，其中：混合速度控制器包括主动速度控制器、被动速度控制器和开关，主动速度控制器通过风轮的桨距角调节来进行风轮的速度闭环控制，被动速度控制器通过风轮的桨距角来进行开环的速度控制，主动速度控制和被动速度控制的输出选择由一个开关来完成。
优选地，所述主动速度控制器根据参考转速和测量转速的误差，通过主动速度控制器和辅助输入得到初始的桨距角指令，该指令经过变桨动态环节输出真实的桨距角信号到风轮机械模型,风轮机械模型根据桨距角、风速和发电机电磁转矩得到风轮的机械转速。
优选地，所述被动速度控制器将桨距角设定为一个固定的角度，本发明可以将其设为零度。
优选地，所述开关根据当前的风速、参考转速和参考有功功率来决定参考桨距角是来自主动速度控制器还是来自被动速度控制器，当参考有功功率大于在当前风速、转速为参考转速、桨距角为零时风轮的功率，则选择被动速度控制器的输出，反之则选择主动式速度控制器的输出。
优选地，所述机组功率控制器是变流器，风电机组的有功控制通过变流器进行电压控制进行，有功控制器和其余参考量控制器根据从风电机组获得反馈信号，进行闭环控制；控制器的输出为参考电压信号，送到风电机组中的变流器，通过电压调制后施加到发电机上。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过对风机进行独立的速度控制和有功功率控制，为风电场对电网的有功功率控制提供更灵活的支撑方式，能够独立自主调节机组的转速和有功功率，具有更宽的转速和风速调节范围和更大的灵活性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例变速风机及控制器框图；
图2为本发明一实施例混合速度控制器框图；
图3为本发明一实施例主动速度控制器+风轮机械模型；
图4为本发明一实施例机组有功功率控制环示意图；
图5为本发明一实施例风机变速/变功率运行仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例针对变速型风力发电机，提供一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，机组及其控制系统的如图1所示，该风力发电机组为全功率机组时发电机定子和电网之间通过变流器相连；或风力发电机组为部分功率机组，即双馈风电机组时，发电机定子和电网之间通过虚线相连或通过变压器相连，发电机转子通过变流器和电网相连。机组的控制系统包括混合速度控制器、发电机侧控制器和网侧变流器控制器。混合速度控制器根据参考转速、实际速度和风速输入输出桨距角。发电机侧控制器根据参考有功功率、发电机电流输出发电机侧电压参考信号至变流器。网侧变流器控制器则根据参考直流电压、参考无功/功率因数以及直流电压值和电网电流值输出网侧变流器参考电压至变流器。
如图2所示为本实施例混合速度控制器框图，混合速度控制器包括主动速度控制器、被动速度控制器和开关，其中：主动速度控制器通过风轮的桨距角调节来进行风轮的速度闭环控制，被动速度控制器通过将桨距角设置为零来进行开环的速度控制；主动速度控制和被动速度控制的输出选择由一个开关来完成，该开关根据当前风速、参考转速和参考功率，决定采用主动速度控制器或者被动速度控制器的输出桨距角作为参考桨距角，去控制风轮的桨角。
如图3所示为本实施例主动速度控制器+风轮机械模型，主动速度控制器根据参考转速和实际转速之间的误差，通过控制器和辅助输入得到参考桨距角指令；该指令经过变桨动态环节输出真实的桨距角信号到风轮机械模型；风轮机械模型根据桨距角、风速和发电机电磁转矩可以得到风轮的机械转速。
如图4所示为本实施例机组有功功率控制环示意图，有功功率控制器根据参考有功功率和实际有功功率之间的误差输出参考转矩电流信号，同时，电流控制器根据参考励磁电流和参考转矩电流以及发电机电流输出参考电压信号到风电机组中发电机侧的变流器，从而实现发电机组的有功功率控制和电流控制。
如图5所示为本实施例风机变速/变功率运行仿真结果图，其经过计算机仿真软件模拟，初始风速为10米/秒，从4秒到8秒风速下降到8米/秒，然后上升到12米/秒。在此过程中，风机的参考有功在第3秒从1兆瓦下降到0.7兆瓦,而后从第8秒开始上升到1.2MW；同时风轮转速在第2秒从2.2弧度/秒下降到1.8弧度/秒，然后在第7秒上升到2弧度/秒，最后在第13秒上升到2.2弧度/秒。在此动态变化过程中，桨距角在第7.6秒到8.2秒之间由混合速度控制器中的被动速度控制器输出，而其他时间段内由混合速度控制器中的主动速度控制器输出。由仿真结果可见：风电机组的有功功率能够按照指令进行较好地跟踪，在进行风轮速度控制时，在主动速度控制器动作时，风轮转速能够较好地被跟随，而当转速被动控制器动作时，由于桨距角固定，因此转速此时相当于进行开环控制，会产生一定误差。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，其特征在于，该方法通过混合速度控制器来调节风轮的转速，同时风电机组有功功率的控制通过机组功率控制器来完成，其中：混合速度控制器包括主动速度控制器、被动速度控制器和开关，主动速度控制器通过风轮的桨距角调节来进行风轮的速度闭环控制，被动速度控制器通过风轮的桨距角来进行开环的速度控制，主动速度控制和被动速度控制的输出选择由一个开关来完成；所述主动速度控制器根据参考转速和测量转速的误差，通过主动速度控制器和辅助输入得到初始的桨距角指令，该指令经过变桨动态环节输出真实的桨距角信号到风轮机械模型,风轮机械模型根据桨距角、风速和发电机电磁转矩得到风轮的机械转速。
2.根据权利要求1所述的一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，其特征在于，所述开关根据当前的风速、参考转速和参考有功功率来决定参考桨距角是来自主动速度控制器还是来自被动速度控制器，当参考有功功率大于在当前风速、转速为参考转速、桨距角为零时风轮的功率，则选择被动速度控制器的输出，反之则选择主动式速度控制器的输出。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，其特征在于，所述机组功率控制器是变流器，风电机组的有功控制通过变流器进行电压控制进行，有功控制器和其余参考量控制器根据从风电机组获得反馈信号，进行闭环控制；机组功率控制器的输出为参考电压信号，送到风电机组中的变流器，通过电压调制后施加到发电机上。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，其特征在于，所述被动速度控制器将桨距角设定为一个固定的角度。
5.根据权利要求4所述的一种变速风机有功功率控制和转速控制方法，其特征在于，所述被动速度控制器将桨距角设定为零。
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