CN103441722A - 一种双馈风电机组的有功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈风电机组的有功控制方法，所述方法包括如下步骤，步骤1：风电场有功控制系统向双馈风电机组下发有功功率指令P_give；步骤2：测量双馈风电机组的实际转速ω_r；切换双馈风电机组的控制模式；双馈风电机组的有功功率参考值P_ref依据控制模式设置为不同的功率值；步骤3：设定双馈风电机组的最大运行转速

桨距角控制系统通过实际转速ω_r与最大运行转速

的比较值调节桨距角，从而控制双馈风电机组稳定运行。和现有技术相比，本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法确保双馈风电机组在各种风功率输入条件下的有功控制模式灵活切换，稳定运行，为风电场更好地参与到电力系统的调度运行起到了非常关键的支撑作用。

Description

一种双馈风电机组的有功控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电机组的控制方法，具体讲涉及一种双馈风电机组的有功控制方法。

背景技术

随着风电场装机容量的不断增大，大型风电场实现可控运行是风电并网运行的发展趋势。现有的风电场国家标准和企业规范，对风电场的有功功率控制能力作了相关要求；而实现对风电场的有功功率控制，关键是要完成对风电机组的有功功率控制；其中现有风电机组（主要指可变速运行的双馈型风电机组和永磁直驱型风电机组）一般都采用最大功率跟踪的自治发电运行方式，难以满足风电场有功功率控制的要求。

目前，世界上风电发展比较先进的国家都对风电场有功功率控制制定了相关规定和要求，国内外也有很多学者提出了对风电场进行有功功率控制的方法，但主要是针对风电场内对每台风电机组的有功功率分配方法；且对风电机组的有功功率进行控制，仅仅关注风电机组的一次调频方面，并没有涉及到在风速不断变化的情况下，如何保证风电机组按照给定的功率参考安全稳定运行的控制方法。国内已经运行的部分风电场虽然也进行有功功率控制，但其主要通过人为的投切某条馈线的开关，断开或者并上整条馈线上的风机，这种控制方法较为粗糙，难以做到对风电场的风电机组有功功率的准确控制。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种双馈风电机组的有功控制方法，所述双馈风电机组通过交换机与风电场有功控制系统相连；所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述风电场有功控制系统向所述双馈风电机组下发有功功率指令P_give；查询双馈风电机组最大功率-转速表得到与所述有功功率指令P_give对应的风电机组转速ω；

步骤2：测量所述双馈风电机组的实际转速ω_r；通过比较判断所述实际转速ω_r与所述风电机组转速ω的大小，切换所述双馈风电机组的控制模式；所述双馈风电机组的有功功率参考值P_ref依据所述控制模式设置为不同的功率值，所述有功功率参考值P_ref为所述双馈风电机组的变流器实际接收的有功功率指令；

步骤3：设定所述双馈风电机组的最大运行转速桨距角控制系统通过所述实际转速ω_r与所述最大运行转速的比较值调节桨距角，从而控制所述双馈风电机组稳定运行。

优选的，所述步骤2中查询所述双馈风电机组最大功率-转速表得到与所述实际转速ω_r对应的最大功率P_max；切换所述控制模式的方法包括：

若所述实际转速ω_r大于所述风电机组转速ω时，所述双馈风电机组切换为有功功率指令跟踪控制模式；所述有功功率参考值P_ref的值设置为所述有功功率指令P_give的值；所述双馈风电机组随风速波动通过吸收或释放双馈风电机转子动能，保证所述双馈风电机组的输出功率一直跟踪所述有功功率指令P_give；

若所述实际转速ω_r小于所述风电机组转速ω时，所述双馈风电机组切换为最大功率跟踪控制模式；所述有功功率参考值P_ref的值设置为所述最大功率P_max的值；

优选的，所述步骤3中所述桨距角控制系统对所述实际转速ω_r实时监控；所述桨距角控制系统的桨距角β最小值为0°；若所述实际转速ω_r小于所述最大运行转速

时，所述桨距角β设置为0°；若所述实际转速ω_r大于所述最大运行转速

时，对所述桨距角β进行调整，从而控制所述双馈风电机组稳定运行；

优选的，所述实际转速ω_r大于所述最大运行转速

时，若所述实际转速ω_r升高则增加所述桨距角β；若所述实际转速ω_r降低则减小所述桨距角β；

优选的，所述最大运行转速

为所述双馈风电机组的额定转速的1.2倍。

本发明的优异效果是：

1、本发明技术方案中，风速较大时双馈风电机组为有功功率指令跟踪控制模式，双馈风电机组能够随风速波动通过吸收或释放双馈风电机转子动能，保证所述双馈风电机组的输出功率一直跟踪有功功率指令P_give；

2、本发明技术方案中，风速较小时双馈风电机组为最大功率跟踪控制模式，使得双馈风电机组的输出功率最大限度地满足有功功率指令P_give，同时保证了双馈风电机组自身安全稳定地运行；

3、本发明技术方案中，双馈风电机组控制模式间的切换控制策略，不依赖于风速的测量，而是采用双馈风电机组的转速作为切换判断条件，控制模式切换更为准确和平滑；

4、本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法，能够在各种风速条件，保证风电机组自身稳定运行的前提下参与到风电场的有功控制当中；

5、本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法，能够快速地响应有功功率指令，为将来风电场采取有功功率实时闭环控制打下基础；

6、本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法，为风电场能够更好地参与到电力系统的调度运行起到了非常关键的支撑作用；

7、本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法，为风电场将来参与电力系统的二次调频提供了可能性；

8、本发明提供的一种双馈风电机组的有功控制方法，无需增加硬件，仅需作控制策略的修改，经济成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中一种双馈风电机组的有功控制方法的控制模式切换流程图；

图2是：本发明实施例中桨距角控制系统的控制框图；

图3是：本发明实施例中有功功率指令跟踪控制模式下风速不变有功功率指令P_give变化时的双馈风电机组运行工作点变化图；

图4是：本发明实施例中有功功率指令跟踪控制模式下风速变化有功功率指令P_give不变时的双馈风电机组运行工作点变化图；

图5是：本发明实施例中双馈风电机组运行特性的风速变化曲线图；

图6是：本发明实施例中双馈风电机组运行特性的输出功率跟踪曲线图；

图7是：本发明实施例中双馈风电机组运行特性的实际转速曲线图；

图8是：本发明实施例中双馈风电机组运行特性的桨距角变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1示出了本发明实施例中的一种双馈风电机组的有功控制方法的控制模式切换流程图；本实施例中双馈风电机组通过交换机与风电场有功控制系统相连，接收风电场有功控制系统下发的有功功率指令；所述双馈风电机组的有功控制方法具体步骤为：

（1）风电场有功控制系统向双馈风电机组下发有功功率指令P_give；通过查询双馈风电机组最大功率-转速表得到与有功功率指令P_give对应的风电机组转速ω；

（2）测量双馈风电机组的实际转速ω_r；比较实际转速ω_r与风电机组转速ω的大小，通过上述比较结果切换双馈风电机组的控制模式；

控制模式包括有功功率指令跟踪控制模式和最大功率跟踪控制模式；双馈风电机组的变流器实际接收的有功功率参考值P_ref依据采用的不同控制模式设置不同的功率值；通过双馈风电机组最大功率-转速表查得与实际转速ω_r对应的最大功率P_max；控制模式的切换方法具体为：

①：若实际转速ω_r大于风电机组转速ω时，双馈风电机组切换为有功功率指令跟踪控制模式；双馈风电机组随风速波动通过吸收或释放双馈风电机转子动能，保证双馈风电机组的输出功率一直跟踪有功功率指令P_give；此时有功功率参考值P_ref的值设置为有功功率指令P_give的值；

②：若实际转速ω_r小于风电机组转速ω时，双馈风电机组切换为最大功率跟踪控制模式；有功功率参考值P_ref的值设置为最大功率P_max的值；

（3）设定双馈风电机组的最大运行转速

为双馈风电机组的额定转速的1.2倍；桨距角控制系统对所述实际转速ω_r实时监控；桨距角控制系统的桨距角β最小值为0°；桨距角控制系统通过实际转速ω_r与最大运行转速

的比较值调节桨距角，从而控制双馈风电机组稳定运行；具体调节方法为：

若实际转速ω_r小于最大运行转速

时，桨距角β设置为0°；若实际转速ω_r大于最大运行转速

时，①：若实际转速ω_r升高则增加桨距角β；②：若实际转速ω_r降低则减小桨距角β，从而控制所述双馈风电机组稳定运行。

图2示出了本发明实施例中桨距角控制系统的控制框图；其中，β为双馈风电机组桨距角；β_min为双馈风电机组最小桨距角；β_max为双馈风电机组最大桨距角；β_ref为双馈风电机组桨距角参考值；

为双馈风电机组桨距角最小调节变化率；

为双馈风电机组桨距角最大调节变化率；T_servo为桨距角控制系统的伺服时间常数；K_P为桨距角控制系统比例环节调节系数；K_I为桨距角控制系统积分环节调节系数；

桨距角控制系统的具体工作过程为：

实际转速ω_r小于最大运行转速时，β_ref=β_min，通过反馈调节将桨距角β调整为此时β_ref的值；实际转速ω_r大于最大运行转速

时，若ω_r升高，向上调整β_ref的值，通过反馈调节将桨距角β调整为此时β_ref的值；若ω_r下降，向下调整β_ref的值，通过反馈调节将桨距角β调整为此时β_ref的值。

图3和图4示出了双馈风电机组运行工作点变化图，为满足在各种外部风速变化的情况下稳定运行，双馈风电机组在有功功率跟踪控制模式下的运行工作点选则在最大功率点右侧，具体工作过程为：

（1）双馈风电机组的风机叶尖速比为

双馈风电机组电力拖动系统运动方程为

其中v_w为风速，单位为m/s；r为双馈风电机组的风轮半径，单位为m；T_mech为机械转矩，单位为N·m；T_em为电磁转矩，单位为N·m；J为双馈风电机组运动系统的转动惯量，单位为kg·m²；

（2）如图3所示风速不变有功功率指令P_give变化时：

①：双馈风电机组为有功功率跟踪控制模式，工作在B点；当将有功功率指令P_give增大到DE线上对应的功率值，即增大电磁转矩T_em时，由和可知双馈风电机组开始减速运行；随着双馈风电机组转速的降低，输入的机械功率逐渐减小，而输出的电磁功率保持不变，机械转矩T_mech一直小于电磁转矩T_em，双馈风电机组则一直减速运行直至停机；

当将有功功率指令P_give减小到FG线上对应的功率值，即减小电磁转矩T_em时，由和

可知双馈风电机组开始加速运行；随着双馈风电机组转速的增加，运行至最大功率A点之前输入的机械功率逐渐增大，运行过A点之后输入的机械功率开始减小；在到达G点之前，输入的机械功率始终大于输出的有功功率指令P_give，因此双馈风电机组一直加速运行至G点，达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在G点；

②：双馈风电机组为有功功率跟踪控制模式，工作在C点；当将有功功率指令P_give增大到DE线上对应的功率值，即增大电磁转矩T_em时，双馈风电机组开始减速运行；随着双馈风电机组转速的降低，输入的机械功率逐渐增大，在E点达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在E点；

当将有功功率指令P_give减小到FG线上对应的功率值，即减小电磁转矩T_em时，双馈风电机组开始加速运行；随着双馈风电机组转速的增加，输入的机械功率逐渐减小，在G点达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在G点；

（3）图4示出了风速变化有功功率指令P_give不变时：

①：双馈风电机组为有功功率跟踪控制模式，工作在12m/s风速下的B点，电磁转矩T_em保持不变；风速突然降到11m/s时双馈风电机组的运行工作点变化至P点，输入的机械功率变小即机械转矩T_mech变小，双馈风电机组开始减速运行；随着双馈风电机组转速的降低，输入的机械功率减小，机械转矩T_mech一直小于电磁转矩T_em，双馈风电机组则一直减速运行直至停机；

风速突然增到13m/s时双馈风电机组的运行工作点变化至O点，输入的机械功率变大，即机械转矩T_mech变大，双馈风电机组开始加速运行；随着双馈风电机组转速的增加，运行至最大功率点之前输入的机械功率逐渐增大，运行过最大功率点之后输入的机械功率逐渐减小，在G点达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在G点；

②：双馈风电机组为有功功率跟踪控制模式，工作在12m/s风速下的C点，电磁转矩T_em保持不变；风速突然降到11m/s时双馈风电机组的运行工作点变化至N点，输入的机械功率变小即机械转矩T_mech变小，双馈风电机组开始减速运行；随着双馈风电机组转速的降低，输入的机械功率增加，在E点达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在E点；

风速突然增到13m/s时双馈风电机组的运行工作点变化至M点，输入的机械功率变大，即机械转矩T_mech变大，双馈风电机组开始加速运行；随着双馈风电机组转速的增加，输入的机械功率减小，在G点达到机械转矩T_mech和电磁转矩T_em的再平衡，从而稳定运行在G点。

图5-8分别示出了本发明实施例中双馈风电机组运行特性的风速变化曲线图、输出功率跟踪曲线图、实际转速曲线图和桨距角变化曲线图；其中风速设置在10.2m/s-13m/s的范围内波动，风速的变化率有快有慢，风电场有功控制系统下发给双馈风电机组的有功功率指令P_give为0.6pu保持不变；

①：图5在开始的37s内，风速在11.3m/s附近小范围波动，图7双馈风电机组的转速ω_r在1.01pu附近波动，P_give对应的双馈风电机组转速ω=0.96pu，ω_r＞ω，从而图6的双馈风电机组的有功功率参考值P_ref=0.6pu，且双馈风电机组的输出功率很好地跟踪了有功功率指令P_give；同时由于图8中的双馈风电机组的桨距角始终保持在0°；

②：图5在37s～68s之间，风速降至10.4m/s附近波动，图7双馈风电机组的转速ω_r降在0.9pu附近，ω_r<ω，双馈风电机组切换到最大功率跟踪控制模式，从而图6的双馈风电机组的有功功率参考值P_ref=P_max；同时由于

图8中的双馈风电机组的桨距角始终保持在0°；

③：图5在68s～100s之间，风速突然又有了比较大的升高，最终在12.9m/s附近波动，图7双馈风电机组的转速ω_r＞ω，从而图6的双馈风电机组的有功功率参考值P_ref=0.6pu，同时由于

桨距角控制系统开始动作，保证双馈风电机组的转速ω_r不超过

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.一种双馈风电机组的有功控制方法，其特征在于，所述双馈风电机组通过交换机与风电场有功控制系统相连；所述方法包括如下步骤：

步骤1：所述风电场有功控制系统向所述双馈风电机组下发有功功率指令P_give；查询双馈风电机组最大功率-转速表得到与所述有功功率指令P_give对应的风电机组转速ω；

步骤2：测量所述双馈风电机组的实际转速ω_r；通过比较判断所述实际转速ω_r与所述风电机组转速ω的大小，切换所述双馈风电机组的控制模式；所述双馈风电机组的有功功率参考值P_ref依据所述控制模式设置为不同的功率值，所述有功功率参考值P_ref为所述双馈风电机组的变流器实际接收的有功功率指令；

步骤3：设定所述双馈风电机组的最大运行转速

桨距角控制系统通过所述实际转速ω_r与所述最大运行转速

的比较值调节桨距角，从而控制所述双馈风电机组稳定运行。

2.如权利要求1所述的一种双馈风电机组的有功控制方法，其特征在于，所述步骤2中查询所述双馈风电机组最大功率-转速表得到与所述实际转速ω_r对应的最大功率P_max；切换所述控制模式的方法包括：

若所述实际转速ω_r大于所述风电机组转速ω时，所述双馈风电机组切换为有功功率指令跟踪控制模式；所述有功功率参考值P_ref的值设置为所述有功功率指令P_give的值；所述双馈风电机组随风速波动通过吸收或释放双馈风电机转子动能，保证所述双馈风电机组的输出功率一直跟踪所述有功功率指令P_give；

若所述实际转速ω_r小于所述风电机组转速ω时，所述双馈风电机组切换为最大功率跟踪控制模式；所述有功功率参考值P_ref的值设置为所述最大功率P_max的值。

3.如权利要求1所述的一种双馈风电机组的有功控制方法，其特征在于，所述步骤3中所述桨距角控制系统对所述实际转速ω_r实时监控；所述桨距角控制系统的桨距角β最小值为0°；若所述实际转速ω_r小于所述最大运行转速时，所述桨距角β设置为0°；若所述实际转速ω_r大于所述最大运行转速

时，对所述桨距角β进行调整，从而控制所述双馈风电机组稳定运行。

4.如权利要求3所述的一种双馈风电机组的有功控制方法，其特征在于，所述实际转速ω_r大于所述最大运行转速

时，若所述实际转速ω_r升高则增加所述桨距角β；若所述实际转速ω_r降低则减小所述桨距角β。

5.如权利要求1所述的一种双馈风电机组的有功控制方法，其特征在于，所述最大运行转速为所述双馈风电机组的额定转速的1.2倍。

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