CN103795089B - 基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，该方法包括以下步骤：I、提供变速风电机组减载运行方案；II、确定所述变速风电机组按所述减载运行方案运行；III、判断变速风电机组是否参与系统调频；IV、激活一次调频控制模块，使变速风电机组参与系统一次调频。该方法在留取有功备用容量时充分考虑了风机动能的变化，且有效利用风机本身的出力能力，在系统出现功率缺额造成系统频率下降时，可以提供持续的有功功率支撑，有助于提高电力系统频率稳定性。

Description

基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法

技术领域

本发明涉及一种新能源发电技术中的风电机组并网技术领域的方法，具体讲涉及一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法。

背景技术

随着越来越多的大容量风电场直接并入电网，风电渗透率不断提高，使得风电与电网的相互影响越来越复杂。变速风电机组作为现如今商业化运行的主力机型，采用变频器控制技术使风机转子转速与系统频率解耦，降低了系统的等效转动惯量，风电渗透率越高对系统频率稳定性越不利。为了获得最大的风能利用率，双馈风电机组通常运行在最大功率跟踪控制状态，无法为系统提供备用容量，更增加了系统的调频压力。

风电的频率控制要求已逐渐被关注，如丹麦要求风电机组每分钟有功功率应能变化额定容量的10～100%，据魁北克水利局电网机构规定，风电场容量大于10MW时，风电机组必须有频率控制系统帮助电力系统减少幅值较大的（>0.5Hz）、持续时间较短的（<10s）频率偏差。围绕着大规模风电并网的频率稳定性问题，国内外学术界对此开展了大量的研究工作。其研究主要集中在两个方面，一是利用风电机组自身的旋转动能参与系统调频，风电机组基于最大功率跟踪控制运行时，自身的惯量并没有降低，可通过附加频率控制环节表现出其惯量的作用；二是采用有功功率备用的技术，正常时风电机组减载运行，留有一定的备用容量，当系统频率发生波动需要风电机组参与系统调频时，可通过释放有功备用容量为电力系统提供持续的有功功率支撑。在风电完全消纳困难或风电渗透率很高时，风电机组有备用运行具有明显的优势：无需增加任何投资成本就可为系统留有备用容量，在系统频率波动时风电机组的功率控制速度非常快，在系统频率降低时可以为系统提供持续的有功功率支撑。

双馈风电机组参与系统调频的研究具有极大的价值。如虚拟惯量控制技术通过在风电机组主控中附加有功频率控制模块，利用风电机组储存在旋转质量中的动能参与系统调频，此方法的好处是原理清晰控制实现简单，弊端是低风速时转子转速较低调频能力有限，且频率控制过程中转速下降造成风功率捕获能力下降。如通过超速运行控制、变桨控制或通过基于变风速的超速与变桨协调控制方案留有有功备用参与系统调频，超速法通过控制转子转速降低风电机组有功出力，储存有功备用；变桨法通过调节桨距角改变风电机组有功出力，储存有功备用。超速法在转子转速较低时更有优势，目前多采用优先超速法，变桨法作为补充的方案留取有功备用。目前，变速风电机组参与系统调频的研究主要集中在如何实现调频功能，缺少深入的理论分析与优化研究。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于超速与变桨协调控制减载方案的变速风电机组一次调频方法，该方法在留取有功备用容量时充分考虑了风机动能的变化，且有效利用风机本身的出力能力，在系统出现功率缺额造成系统频率下降时，可以提供持续的有功功率支撑，有助于提高电力系统频率稳定性。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：

I、提供变速风电机组减载运行方案；

II、确定所述变速风电机组按所述减载运行方案运行；

III、判断变速风电机组是否参与系统调频；

IV、激活一次调频控制模块，使变速风电机组参与系统一次调频。

进一步的，所述步骤I包括：

在中、低风速区采用超速与变桨协调的方案实现机组的减载运行，最大程度的提高风电机组的转速，实现备用运行的同时尽可能增加正常运行时的动能，使风机参与系统调频；

在高风速区采用变桨法实现风机的减载运行，保证变速风电机组实现等比例容量的有功功率备用，并可利用风机的短时超额定出力能力。

进一步的，所述步骤II中，变速风电机组按照预先设计的减载运行方案运行，保证变速风电机组正常运行时留有要求的有功备用容量。

进一步的，所述在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法留取有功功率备用，超速与变桨协调的方法满足如下的关系：

留取备用容量时的目标函数如下式（1）：

max(ω)（1）

满足等式约束条件如式（2）和不等式约束条件如式（3）：

$P_w^{\mathrm{subopt}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}=f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\min }\&le;\mathrm{\&omega;}\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\max }\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中，P_w ^opt为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；P_w ^subopt为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

进一步的，所述在高风速区采用变桨法留取有功功率备用，变桨法满足如下的关系。

满足等式约束条件如式（4）和不等式约束条件如式（5）：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_w^{\mathrm{subpot}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}+P_w^{g}f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\\ \mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\\ P_w^{\mathrm{subopt}}\&le;1\end{array}\right.---\left(5\right)$

上式中，P_w ^opt为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；P_w ^subopt为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；P_w ^g为高风速区可利用的虚拟备用容量；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

进一步的，所述步骤III包括：判断系统频率变化是否小于等于0.2Hz，若是则系统频率正常，风电机组按所述减载运行方案运行，不参与系统调频；否则风电机组参与系统调频，进入步骤IV。

进一步的，所述步骤IV包括：系统频率不正常较低时，中风速区和低风速区时，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制，同时更改功率桨距角对应关系进行一次调频控制；

高风速区时，采用附加有功快速给定控制和桨距角控制实现变速风电机组进行一次调频控制。

进一步的，在所述中风速与低风速区是，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制如下式（6）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\&omega;}}_0+b({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_0)\\ b=K_1\mathrm{\&Delta;f}+K_2\&Integral;\mathrm{\&Delta;fdt}\\ b\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

上式中，ω₀为转子转速的初始值；ω₁为转子转速的目标值；ω_ref为转子转速的实际给定值；b为转子转速给定变化率；K₁为比例系数；K₂为积分系数。

进一步的，在所述中风速与低风速区配合转子转速控制采用更改功率桨距角对应关系的方法对桨距角进行控制实现一次调频控制如下式（7）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ref}0}={\mathrm{\&beta;}}_0+c({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_0)\\ c=K_3\mathrm{\&Delta;f}+K_4\mathrm{\&Delta;fdt}\\ c\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

上式中，β₀为桨距角的初始值；β₁为桨距角的目标值；β_ref0为桨距角的实际给定值，c为桨距角给定变化率，K₃为比例系数，K₄为积分系数。

进一步的，在所述高风速区采用附加有功快速给定控制和桨距角控制实现变速风电机组进行一次调频控制如上式（7）和下式（8）：

${\mathrm{\&Delta;P}}_f=K_1\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

上式中，ΔP_f为附件有功快速给定值；K₁为比例系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的方法通过变速风电机组减载运行，高风速区采用变桨法减载运行，中、低风速区采用超速与变桨协调的方法减载运行，在系统频率发生变化时提供持续的有功功率支撑，提高系统的频率稳定性。

（2）本发明的方法在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法减载运行，相同备用容量要求下，转子转速提高程度更大，有利于机组参与系统调频。

（3）本发明的方法考虑充分利用机组自身的出力能力，在特殊需求下可利用风机的超发功率参与系统一次调频。

（4）本发明的方法采用变速与变桨协调的控制方法，可充分利用快变的电气控制和慢变的机械控制协调控制参与系统一次调频。

（5）本发明的方法在留取有功备用容量时充分考虑了风机动能的变化，且有效利用风机本身的出力能力，在系统出现功率缺额造成系统频率下降时，可以提供持续的有功功率支撑，有助于提高电力系统频率稳定性。

（6）本发明的方法在留取有功备用容量及参与系统一次调频过程中，采用的变桨与变速协调控制可实现风机各运行区间过渡区的平滑控制。

附图说明

图1为方法的流程图；

图2为变速风电机组风能转换效率系数C_p与桨距角β和叶尖速比λ的关系；

图3为变速风电机组采用不同方案时的功率转速特性比较曲线；

图4为变速风电机组一次调频控制器；

附图标记：1-一次调频转子转速控制参考值给定模块；2-一次调频桨距角控制参考值给定模块；3-一次调频附加有功快速给定控制模块；4-转速保护模块；5-桨距角控制模块；图2中曲线1-超速与变桨协调留备用方法；图2中曲线2-低风速下优先采用超速法留备用方法；图2中曲线3-无备用运行方法；图3中曲线1-超速与变桨协调的减载运行曲线；图3中曲线2-优先采用超速法的减载运行曲线；图3中曲线3-最大功率跟踪控制运行曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为方法的流程图；本发明的方法包括以下步骤：

步骤一、提供变速风电机组减载运行方案；

步骤二、确定变速风电机组按减载运行方案运行；

步骤三、判断变速风电机组是否参与系统调频；

步骤四、激活一次调频控制模块，使变速风电机组参与系统一次调频。

步骤一中，提供变速风电机组减载运行方案。

由于变速风电机组基于最大功率跟踪控制模式时，单纯通过附加有功频率控制在系统频率降低出现有功功率缺额时，无法提供持续的有功功率支撑。

因此，本方法提供了一种新的减载运行方案的变速风电机组调频运行方案，在给定的备用容量要求下，在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法实现机组的减载运行，最大程度的提高风电机组的转速，实现备用运行的同时尽可能增加正常运行时的动能，有利于风机参与系统调频；在高风速区采用变桨法实现风机的减载运行，保证变速风电机组实现等比例容量的有功功率备用，并可利用风机的短时超额定出力能力。

在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法留取有功功率备用，超速与变桨协调的方法为满足如下的关系：

留取备用容量时的目标函数为：

max(ω)（1）

满足等式约束条件如式（2）和不等式约束条件如式（3）：

$P_w^{\mathrm{subopt}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}=f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\min }\&le;\mathrm{\&omega;}\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\max }\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中，P_w ^opt为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；P_w ^subopt为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

在高风速区采用变桨法留取有功功率备用，变桨法满足如下的关系。

满足等式约束条件如式（4），不等式约束条件如式（5）：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_w^{\mathrm{subpot}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}+P_w^{g}f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\\ \mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\\ P_w^{\mathrm{subopt}}\&le;1\end{array}\right.---\left(5\right)$

上式中，P_w ^opt为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；P_w ^subopt为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；P_w ^g为高风速区可利用的虚拟备用容量；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

步骤二中，确定变速风电机组按减载运行方案运行。

在系统频率正常时，变速风电机组按照预先设计的减载运行方案运行，保证变速风电机组正常运行时留有要求的有功备用容量。

步骤三中，判断变速风电机组是否参与系统调频。

判断变速风电机组是否参与系统调频的方法为：风电机组是否参与调频根据系统频率变化确定，获取系统频率，若系统频率变化Δf≤0.2Hz时，认为系统频率正常，反之风电机组参与系统调频。

系统频率正常时，风机按照上述减载运行方案运行，风电机组不参与系统调频。当系统频率不正常时，一次调频控制器检测到系统频率f的变化，调频控制模块被激活，风机参与系统的一次调频，即进入步骤四。

步骤四中，激活一次调频控制模块，使变速风电机组参与系统一次调频。

系统频率不正常较低时，在中风速区和低风速区时，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制，采用更改功率桨距角对应关系的方法进行一次调频控制；高风速区时，保持转子转速不变，采用桨距角控制实现变速风电机组进行一次调频控制。

在中风速区和低风速区时，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制的方法为：

基于减载运行方案所对应的转子转速，根据系统频率变化变速率转化为基于最大功率跟踪控制所对应的转子转速，桨距角同理按照既定方案配合转子转速控制参与一次调频过程；采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制如下式（6）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\&omega;}}_0+b({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_0)\\ b=K_1\mathrm{\&Delta;f}+K_2\&Integral;\mathrm{\&Delta;fdt}\\ b\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

上式中，ω₀为转子转速的初始值；ω₁为转子转速的目标值；ω_ref为转子转速的实际给定值；b为转子转速给定变化率；K₁为比例系数；K₂为积分系数。

采用更改功率桨距角对应关系的方法进行一次调频控制的方法为：

在中风速与低风速区配合转子转速控制采用更改功率桨距角对应关系的方法对桨距角进行控制实现一次调频控制如下式（7）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ref}0}={\mathrm{\&beta;}}_0+c({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_0)\\ c=K_3\mathrm{\&Delta;f}+K_4\mathrm{\&Delta;fdt}\\ c\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

上式中，β₀为桨距角的初始值；β₁为桨距角的目标值；β_ref0为桨距角的实际给定值，c为桨距角给定变化率，K₃为比例系数，K₄为积分系数。

高风速区时采用附加有功快速给定控制和桨距角控制完成变速风电机组参与系统一次调频：在高风速区采用附加有功快速给定控制（如式（8））和更改功率-桨距角对应关系的方法（如式（7））对桨距角进行控制在特殊工况下可利用虚拟备用的方法实现一次调频控制。

${\mathrm{\&Delta;P}}_f=K_1\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

上式中，ΔP_f为附件有功快速给定值；K₁为比例系数。

虚拟备用的方法指：风电机组高出力下留取备用容量时，考虑风电机组的实际工况。如果风电机组满出力情况下，且桨距角不为零，若风电机组允许可通过桨距角的调节增大机组超出额定出力运行，则这部分可增加的出力就认为是虚拟备用。

如图2所示，图2为变速风电机组风能转换效率系数C_p与桨距角β和叶尖速比λ的关系示意图；曲线1（ABCDE）为采用超速与变桨协调的方法留取备用功率时的风能转换效率系数Cp随风速变化（风速变化范围取（3.12m/s～13m/s））而不断变化的过程，在风速变化过程中桨距角β与叶尖速比λ是连续变化的；曲线2为优先采用超速法留取备用容量时的风能转换效率系数C_p的变化曲线，随风速的变化叶尖速比λ是连续变化的，在仅采用超速法无法实现所要求的备用容量时，加入桨距角β控制，在桨距角控制切入点处桨距角的变化有一个突变；曲线3为运行于最大功率跟踪控制时的风能转换效率系数C_p的变化曲线。

如图3所示，图3为变速风电机组采用不同方案时的功率转速特性比较曲线示意图；基于超速与变桨协调控制减载方案的变速风电机组一次调频技术，在给定的备用容量要求下，在中、低风速区采用变速与变桨协调的方案实现机组的减载运行，可最大程度的提高风电机组的转速，增加正常运行时的动能，有利于调频；在高风速区采用变桨法实现风机的减载运行，保证变速风电机组可实现等比例容量的有功功率备用，并可利用风机的短时超额定出力能力。

在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法留取有功功率备用，超速与变桨协调的方法满足如下的关系。

留取备用容量时的目标函数为：

max(ω)（8）

满足等式约束条件如式（9）和不等式约束条件如下式（10）：

$P_w^{\mathrm{subopt}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}=f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\min }\&le;\mathrm{\&omega;}\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{\max }\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(10\right)$

在高风速区采用变桨法留取有功功率备用，变桨法满足如下的关系。

满足等式约束条件如下式（11）和不等式约束条件如下式（12）：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_w^{\mathrm{subpot}}=(1-k)P_w^{\mathrm{opt}}+P_w^{g}f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\\ \mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(11\right)$

$\left\{\begin{array}{c}0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{\max }\\ P_w^{\mathrm{subopt}}\&le;1\end{array}\right.---\left(12\right)$

上式中，P_w ^opt为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；P_w ^subopt为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；P_w ^g为高风速区可利用的虚拟备用容量；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

如图4所示，图4为变速风电机组一次调频控制器结构图；变速风电机组一次调频控制器由5个主要包括以下控制环节：一次调频转子转速控制参考值给定模块1；一次调频桨距角控制参考值给定模块2；一次调频附加有功快速给定控制模块3；转速保护模块4；桨距角控制模块5。

图中，输入变量ω为转子转速；f为系统频率；P_E风机的电磁功率；输出变量β为桨距角；P_ref为转子侧控制器有功设定值；中间变量ΔP_f为附件有功快速给定值；ΔP为附加有功给定值；P_ref1为正常运行有功功率给定值；ω_ref为转子转速给定值；β_ref0为附加桨距角给定值；β_ref1为正常运行桨距角给定值；β_ref为桨距角给定值。

一次调频转子转速控制参考值给定模块1与一次调频桨距角控制参考值给定模块2联合，采用超速与变桨协调的方法实现双馈风电机组的减载运行，获得如图3中的超速与变桨协调的变速风电机组减载运行曲线。一次调频转子转速控制参考值给定模块1、一次调频桨距角控制参考值给定模块2、一次调频附加有功快速给定控制模块3和转速保护模块4协调实现风电机组的一次调频控制。

一次调频转子转速控制参考值给定模块1，当系统频率波动时，在高风速区转子转速给定保持不变，在中风速与低风速区采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制如下式（13）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}={\mathrm{\&omega;}}_0+b({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_0)\\ b=K_1\mathrm{\&Delta;f}+K_2\&Integral;\mathrm{\&Delta;fdt}\\ b\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(13\right)$

上式中，ω₀为转子转速的初始值；ω₁为转子转速的目标值；ω_ref为转子转速的实际给定值；b为转子转速给定变化率；K₁为比例系数；K₂为积分系数；△f为频率的偏差。

在高风速区采用附加有功快速给定和更改功率桨距角对应关系的方法对桨距角进行控制并利用虚拟备用的方法实现一次调频控制，在中风速与低风速区配合转子转速控制采用更改功率桨距角对应关系的方法对桨距角进行控制实现一次调频控制如下式（14）：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{ref}0}={\mathrm{\&beta;}}_0+c({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_0)\\ c=K_3\mathrm{\&Delta;f}+K_4\mathrm{\&Delta;fdt}\\ c\&Element;\left(\mathrm{0,1}\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

上式中，β₀为桨距角的初始值；β₁为桨距角的目标值；β_ref0为桨距角的实际给定值，c为桨距角给定变化率，K₃为比例系数，K₄为积分系数；△f为频率的偏差。

一次调频附加有功快速给定控制模块3，类似虚拟惯量控制，功能是利用储存在旋转质量中的动能快速参与系统调频如下式（15）：

${\mathrm{\&Delta;P}}_f=K_1\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}---\left(15\right)$

上式中，ΔP_f为附件有功快速给定值；K₁为比例系数。

转速保护模块4，由于风电机组正常运行时转子转速不确定，加之调频过程往往伴随转子转速的下降，因风机的转子转速约束，在一次调频控制器中加入转速保护模块4在转子转速过低时闭锁附加有功快速给定模块3。

上述步骤一中最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率P_w ^opt由以下步骤实现：

${P_w}^{\mathrm{opt}}=\frac{1}{2}\mathrm{\&rho;}{\mathrm{AC}}_p(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})V_{\mathrm{eq}}^3---\left(16\right)$

C_p(β,λ)为风能转换效率系数，根据给定的桨距角β与叶尖速比λ如下式计算：

$C_p(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})=0.22{(\frac{116}{{\mathrm{\&lambda;}}_i}-0.4\mathrm{\&beta;}-5.0)e}^{\frac{-12.5}{{\mathrm{\&lambda;}}_i}}---\left(17\right)$

其中， ${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{1}{1/(\mathrm{\&lambda;}+0.08\mathrm{\&beta;})-0.035/({\mathrm{\&beta;}}^3+1)}$

叶尖速比λ＝ωR/V_eq（18）

上式中，A表示风电机组的风轮截面积；R表示风电机组的叶轮的半径；ρ表示空气密度（kg/m³）；V_eq表示风速；

根据以上各式获得最大功率跟踪控制时的运行曲线如图3中曲线3。

最大功率跟踪控制模式时，在中、低风速区每个确定的风速都对应一个功率值，此种控制模式可保证风能转换效率系数C_p(β,λ)为最优，低风速区能转换效率系数最优值为C_p(β,λ)＝0.4382。

当风速V_eq给定后采用最大功率跟踪控制时，可求得相应的功率值P_w ^opt＝P_w，根据本方法的变速与变桨的备用方法，备用容量给定后获得的有功功率设定值P_w ^subopt。在风速V_eq给定，功率值P_w ^pre(V_eq)求得后，令P_w＝P_w ^pre(V_eq)由式（17）求得此时的C_p(β,λ)，根据步骤一中的方法获得P_w ^subopt所对应的桨距角β和转子转速ω，并获得图3中的曲线1。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

I、提供变速风电机组减载运行方案；

II、确定所述变速风电机组按所述减载运行方案运行；

III、判断变速风电机组是否参与系统调频；

IV、激活一次调频控制模块，使变速风电机组参与系统一次调频；

所述步骤I包括：

在中、低风速区采用超速与变桨协调的方案实现机组的减载运行，最大程度的提高风电机组的转速，实现备用运行的同时尽可能增加正常运行时的动能，使风机参与系统调频；

在高风速区采用变桨法实现风机的减载运行，保证变速风电机组实现等比例容量的有功功率备用，并可利用风机的短时超额定出力能力；

所述在高风速区采用变桨法留取有功功率备用，变桨法满足如下的关系：

满足等式约束条件如式(4)和不等式约束条件如式(5)：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_w^{subopt}=(1-k)P_w^{opt}+P_w^g=f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})\\ \mathrm{\&omega;}={\mathrm{\&omega;}}_{max}\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{max}\\ P_w^{subopt}\&le;1\end{array}\right.---\left(5\right)$

上式中，为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；为高风速区可利用的虚拟备用容量；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

2.如权利要求1所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：所述步骤II中，变速风电机组按照预先设计的减载运行方案运行，保证变速风电机组正常运行时留有要求的有功备用容量。

3.如权利要求1所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：所述在中、低风速区采用超速与变桨协调的方法留取有功功率备用，超速与变桨协调的方法满足如下的关系：

留取备用容量时的目标函数如下式(1)：

max(ω)(1)

满足等式约束条件如式(2)和不等式约束条件如式(3)：

$P_w^{subopt}=(1-k)P_w^{opt}=f(\mathrm{\&beta;},\mathrm{\&lambda;})---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{\min }\&le;\mathrm{\&omega;}\&le;{\mathrm{\&omega;}}_{max}\\ 0\&le;\mathrm{\&beta;}\&le;{\mathrm{\&beta;}}_{max}\end{array}\right.---\left(3\right)$

上式中，为最大功率跟踪控制时风力机捕获的机械功率；为采用功率备用方法时风力机捕获的机械功率；f(β,λ)为桨距角β与叶尖速比λ的函数；β_max为桨距角可变化的最大值；ω_min为转子转速最小值；ω_max为转子转速最大值；k为备用容量百分比取值。

4.如权利要求1所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：所述步骤III包括：判断系统频率变化是否小于等于0.2Hz，若是则系统频率正常，风电机组按所述减载运行方案运行，不参与系统调频；否则风电机组参与系统调频，进入步骤IV。

5.如权利要求1所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：所述步骤IV包括：系统频率不正常较低时，中风速区和低风速区时，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制，同时更改功率桨距角对应关系进行一次调频控制；

高风速区时，采用附加有功快速给定控制和桨距角控制实现变速风电机组进行一次调频控制。

6.如权利要求5所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：在所述中风速与低风速区是，采用更改运行曲线的方法实现转子转速的控制如下式(6)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&omega;}}_{ref}={\mathrm{\&omega;}}_0+b({\mathrm{\&omega;}}_1-{\mathrm{\&omega;}}_0)\\ b=K_1\mathrm{\&Delta;}f+K_2\&Integral;\mathrm{\&Delta;}fdt\\ b\&Element;(0,1)\end{array}\right.---\left(6\right)$

上式中，ω₀为转子转速的初始值；ω₁为转子转速的目标值；ω_ref为转子转速的实际给定值；b为转子转速给定变化率；K₁为比例系数；K₂为积分系数；△f为频率的偏差。

7.如权利要求5所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：在所述中风速与低风速区配合转子转速控制采用更改功率桨距角对应关系的方法对桨距角进行控制实现一次调频控制如下式(7)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&beta;}}_{ref0}={\mathrm{\&beta;}}_0+c({\mathrm{\&beta;}}_1-{\mathrm{\&beta;}}_0)\\ c=K_3\mathrm{\&Delta;}f+K_4\&Integral;\mathrm{\&Delta;}fdt\\ c\&Element;(0,1)\end{array}\right.---\left(7\right)$

上式中，β₀为桨距角的初始值；β₁为桨距角的目标值；β_ref0为桨距角的实际给定值，c为桨距角给定变化率，K₃为比例系数，K₄为积分系数。

8.如权利要求5所述的一种基于超速与变桨协调的变速风电机组一次调频方法，其特征在于：在所述高风速区采用附加有功快速给定控制和桨距角控制实现变速风电机组进行一次调频控制如上式(7)和下式(8)：

${\mathrm{\&Delta;P}}_f=K_1\frac{df}{dt}---\left(8\right)$

上式中，ΔP_f为附件有功快速给定值；K₁为比例系数。