CN103775285B - 基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法，按照实际风速和潮流流速的大小，将发电场内所有的风力发电装置和潮流能发电装置分为2类：对于低风速或者低潮流流速的发电装置实施转速控制，滤除发电场有功功率中的高频谐波；对于高风速或者高潮流流速的发电装置实施桨距角控制，调整发电场有功出力的低频缓慢波动。采用本发明，不需要储能装置就能够保持综合发电场整体输出功率平稳，具有良好的经济性。

Description

基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法

技术领域

本发明属于可再生能源发电的技术领域，特别涉及了基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法。

背景技术

近海可再生能源综合发电场由多个近海可再生能源综合发电单元组成，每个发电单元均包含近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电装置。由于近海风电和波浪能发电输出功率随机性，近海可再生能源综合发电场接入电网运行后，将对电能质量以及电网的平稳运行产生重要影响。对于可再生能源发电系统输出功率的快速波动，研究的热点是采用储能设备进行平滑。然而储能设备成本高昂，增加储能设备势必会导致整个建设成本大幅增加。另外尽管目前的储能设备多种多样，但各自均有相应的缺点，如抽水蓄能电站受地域限制、效率低，电池储能对环境影响大、能量密度和功率密度不能兼顾等。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明旨在提供基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法，实现了不需要储能装置就能够保持综合发电场整体输出功率平稳的目的。

为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案是：

基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法，应用于由多个近海可再生能源发电单元组成的综合发电场，按照实际风速和潮流流速的大小，将发电场内所有的风力发电装置和潮流能发电装置分为2类：对于低风速或者低潮流流速的发电装置实施转速控制的功率分配策略，滤除发电场有功功率中的高频谐波；对于高风速或者高潮流流速的发电装置实施桨距角控制的功率分配策略，调整发电场有功功率的低频缓慢波动。

上述的低风速或者低潮流流速和高风速或者高潮流流速按照以下方法进行划分：

所述的低风速或者低潮流流速和高风速或者高潮流流速按照以下方法进行划分：当风速或潮流流速大于V_cut,in，且小于时，此时的风速或潮流流速为低风速或低潮流流速；当风速或潮流流速大于且小于V_cut,out时，此时的风速或潮流流速为高风速或高潮流流速；

其中，ω_max是风力发电装置和潮流能发电装置最大转子转速，R为风力发电装置和潮流能发电装置叶轮半径，λ_opt为风力发电装置和潮流能发电装置的最优叶尖速比，V_cut,out为切出风速或者切出流速，V_cut,in为切入风速或者切入流速。

上述转速控制的功率分配策略利用如下方法确定：

(1)通过一次低通滤波获取发电场输出功率的高频谐波ΔP_HighFreq；

(2)根据实际的风速或者潮流流速、转子转速以及桨距角计算低风速或者低潮流流速的发电装置仅通过转速控制能够实现的最大功率调整量ΔP_{r_max}(i)，i＝1,2,...,n，n为发电场内低风速的风力发电装置或低潮流流速的潮流能发电装置的个数；

(3)计算低风速或者低潮流流速的发电装置能调整的总功率

${\mathrm{\ΔP}}_{r\_sum}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{r\_max}\left(i\right);$

(4)若|ΔP_HighFreq|＜|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流流速发电装置的有功功率调整量为： ${\mathrm{\ΔP}}_r\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{r\_max}\left(i\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_{r\_sum}}\×{\mathrm{\ΔP}}_{HighFreq};$

(5)若|ΔP_HighFreq|＞|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流发电装置的有功功率调整量为：ΔP_r(i)＝ΔP_{r_max}(i)。

上述桨距角控制的功率分配策略利用如下方法确定：

(1)通过第二次低通滤波获取发电场输出功率的低频谐波ΔP_LowFreq；

(2)根据实际的风速或者潮流流速、转子转速以及桨距角计算高风速或者高潮流流速的发电装置仅通过桨距角控制能够实现的最大功率调整量ΔP_{p_max}(i)，i＝1,2,...,k，k为发电场内高风速风力发电装置或高潮流流速的潮流能发电装置的个数；

(3)计算高风速或者高潮流流速的发电装置能调整的总功率

${\mathrm{\ΔP}}_{p\_sum}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{p\_max}\left(i\right);$

(4)若|ΔP_LowFreq|＜|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各高风速或者高潮流流速发电装置的有功功率调整量为： ${\mathrm{\ΔP}}_p\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{p\_\max }\left(i\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_{p\_sum}}\×{\mathrm{\ΔP}}_{LowFreq};$

(5)若|ΔP_LowFreq|＞|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各高风速(或高潮流流速)发电装置的有功功率调整量为：ΔP_p(i)＝ΔP_{p_max}(i)。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：

利用转速控制和桨距角控制的特点，根据实际的风速及潮流流速对综合发电场内各风力发电装置和潮流能发电装置进行分类，不同类别的发电装置采用不同的控制策略调整其有功功率。在不增加储能设备的前提下，保持综合发电场整体输出功率平稳，具有良好的经济性。

附图说明

图1为本发明的近海可再生能源综合发电场控制方案。

图2为本发明的分类控制策略示意图。

图3为本发明的低风速或低潮流流速发电装置的转速控制框图。

图4为本发明的高风速或高潮流流速发电装置的桨距角控制框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的近海可再生能源综合发电场控制方案框图，按照实际风速和潮流流速大小，将发电场内所有的风力发电装置和潮流能发电装置分为2类，分别是低风速或者低潮流流速的发电装置和高风速或者高潮流流速的发电装置，其分类方法如下：

所述的低风速或者低潮流流速和高风速或者高潮流流速按照以下方法进行划分：当风速或潮流流速大于V_cut,in，且小于时，此时的风速或潮流流速为低风速或低潮流流速；当风速或潮流流速大于且小于V_cut,out时，此时的风速或潮流流速为高风速或高潮流流速；

其中，ω_max是风力发电装置和潮流能发电装置最大转子转速，R为风力发电装置和潮流能发电装置叶轮半径，λ_opt为风力发电装置和潮流能发电装置的最优叶尖速比，V_cut,out为切出风速或者切出流速，V_cut,in为切入风速或者切入流速。

在本实例中，综合发电单元1～综合发电单元k为高风速或者高潮流流速的发电装置，对这一类发电装置采用转速控制；综合发电单元k+1～综合发电单元k+n为低风速或者低潮流流速的发电装置，对这一类发电装置采用桨距角控制。

如图2所示的本发明的分类控制策略示意图，对发电场的输出功率进行2次低通滤波：第一次低通滤波器的输出P_LowFreq与综合发电场输出功率P_Farm相减得到发电场输出功率的高频波动分量ΔP_HighFreq；将P_LowFreq作为第二次低通滤波的输入量，得到输出量P_Smooth，P_Smooth与P_LowFreq相减得到发电场输出功率的低频波动分量ΔP_LowFreq。利用ΔP_HighFreq和P_LowFreq分别对两类发电装置采用不同的控制。

低风速或者低潮流流速发电装置的转速控制的功率分配策略利用如下方法确定：

1、根据实际的风速或者潮流流速、转子转速以及桨距角计算低风速或者低潮流流速的发电装置仅通过转速控制(转速最大值一般设为1.2pu)能够实现的最大功率调整量ΔP_{r_max}(i)，i＝1,2,...,n，n为发电场内低风速的风力发电装置或低潮流流速的潮流能发电装置的个数。

2、计算低风速或者低潮流流速的发电装置能调整的总功率 ${\mathrm{\ΔP}}_{r\_sum}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{r\_\max }\left(i\right).$

3、若|ΔP_HighFreq|＜|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流流速发电装置的有功功率调整量为： ${\mathrm{\ΔP}}_r\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{r\_max}\left(i\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_{r\_sum}}\×{\mathrm{\ΔP}}_{HighFreq}.$

4、若|ΔP_HighFreq|＞|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流发电装置的有功功率调整量为：ΔP_r(i)＝ΔP_{r_max}(i)。

5、如图3所示的本发明的低风速或低潮流流速发电装置的转速控制框图，将有功功率调整量ΔP_r(i)与发电装置在当前风速或潮流流速下的最优功率P_opt相加后，作为发电机机侧控制器的功率参考值P_ref，从而调整其输出功率。

高风速或者高潮流流速发电装置的转速控制的功率分配策略利用如下方法确定：

1、根据实际的风速(或潮流流速)、转子转速以及桨距角计算低风速(或低潮流流速)发电装置仅通过桨距角控制(桨距角最大值一般设为10度)能够实现的最大功率调整量ΔP_{p_max}(i)，i＝1,2,...,k，k为发电场内高风速风力发电装置或高潮流流速的潮流能发电装置的个数。

2、计算高风速(或高潮流流速)发电装置能调整的总功率

${\mathrm{\ΔP}}_{p\_sum}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{p\_max}\left(i\right).$

3、若|ΔP_LowFreq|＜|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各高风速(或高潮流流速)发电装置的有功功率调整量为： ${\mathrm{\ΔP}}_p\left(i\right)=\frac{{\mathrm{\ΔP}}_{p\_max}\left(i\right)}{{\mathrm{\ΔP}}_{p\_sum}}\×{\mathrm{\ΔP}}_{LowFreq};.$

4、若|ΔP_LowFreq|＞|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各低风速(低潮流流速)发电装置的有功功率调整量为：ΔP_p(i)＝ΔP_{p_max}(i)。

5、如图4所示的本发明的高风速或高潮流流速发电装置的桨距角控制框图，将功率调整量ΔP_p(i)作为发电装置桨距角控制器的参考值，从而调整桨距角以改变其输出功率。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.基于分类控制的近海可再生能源发电场波动功率平滑方法，应用于由多个近海可再生能源发电单元组成的综合发电场，其特征在于，按照实际风速和潮流流速的大小，将发电场内所有的风力发电装置和潮流能发电装置分为2类：对于低风速或者低潮流流速的发电装置实施转速控制的功率分配策略，滤除发电场有功功率中的高频谐波；对于高风速或者高潮流流速的发电装置实施桨距角控制的功率分配策略，调整发电场有功功率的低频缓慢波动；所述的低风速或者低潮流流速和高风速或者高潮流流速按照以下方法进行划分：当风速或潮流流速大于V_cut,in，且小于时，此时的风速或潮流流速为低风速或低潮流流速；当风速或潮流流速大于且小于V_cut,out时，此时的风速或潮流流速为高风速或高潮流流速；其中，ω_max是风力发电装置或潮流能发电装置最大转子转速，R为风力发电装置或潮流能发电装置叶轮半径，λ_opt为风力发电装置或潮流能发电装置的最优叶尖速比，V_cut,out为切出风速或者切出流速，V_cut,in为切入风速或者切入流速；

所述转速控制的功率分配策略利用如下方法确定：

(1)通过一次低通滤波获取发电场输出功率的高频谐波ΔP_HighFreq；

(2)根据实际的风速或者潮流流速、转子转速以及桨距角计算低风速或者低潮流流速的发电装置仅通过转速控制能够实现的最大功率调整量ΔP_{r_max}(i)，i＝1,2,...,n，n为发电场内低风速的风力发电装置或低潮流流速的潮流能发电装置的个数；

(3)计算低风速或者低潮流流速的发电装置能调整的总功率：

${\mathrm{\ΔP}}_{r\_sum}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{r\_max}\left(i\right);$

(4)若|ΔP_HighFreq|＜|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流流速发电装置的有功功率调整量为：

(5)若|ΔP_HighFreq|＞|ΔP_{r_sum}|，则实际分配给各低风速或者低潮流发电装置的有功功率调整量为：ΔP_r(i)＝ΔP_{r_max}(i)；

所述桨距角控制的功率分配策略利用如下方法确定：

(1)通过二次低通滤波获取发电场输出功率的低频谐波ΔP_LowFreq；

(2)根据实际的风速或者潮流流速、转子转速以及桨距角计算高风速或者高潮流流速的发电装置仅通过桨距角控制能够实现的最大功率调整量ΔP_{p_max}(i)，i＝1,2,...,k，k为发电场内高风速风力发电装置或高潮流流速的潮流能发电装置的个数；

(3)计算高风速或者高潮流流速的发电装置能调整的总功率：

${\mathrm{\ΔP}}_{p\_sum}=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\mathrm{\ΔP}}_{p\_max}\left(i\right);$

(4)若|ΔP_LowFreq|＜|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各高风速或者高潮流流速发电装置的有功功率调整量为：

(5)若|ΔP_LowFreq|＞|ΔP_{p_sum}|，则实际分配给各高风速或高潮流流速发电装置的有功功率调整量为：ΔP_p(i)＝ΔP_{p_max}(i)。