CN103939287B - 一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法。针对由同一台变流器集中控制的、转速一致但输入风速不同的n台风力机，通过对集中式变流器、全体风力机变桨距机构的协调控制，实现风电机群的最大功率输出。集中式变流器的控制目标是使风速较高的风力机尽量接近最优转速，变桨距机构的控制目标是使风速较低的风力机在风电机群的统一转速下获得最高的风能利用率。采用最优化计算方法，求解风电机群输出功率最大化所对应的变频交流母线频率、全体风力机桨距角。本发明适用于由高压直流输电系统中的交‑直变流器、分频输电系统中的交‑交变频器集中控制的变速风电机群。

Description

一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制 方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及集中变流控制的变速风电机群，特别涉及一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法。

背景技术

与陆上风力发电相比，近海风力发电具有风速高、湍流强度小、风速风向稳定等优点，是风电行业发展的主要趋势。

为每台风力机单独配置变流器以实现最大风能捕获，是陆上风电场的主流方案。然而，对于近海风电场，机组海上维护成本高，而且故障后的维修可能因天气、海洋环境影响难以及时开展，导致长时间停机。若采用风电机群集中控制取代单机分立控制，有利于降低故障率，从而减少海上维护工作、增加有效发电时间，同时可降低系统总成本。

鉴于集中变流控制方式的优势，国内外学者分别提出基于高压直流、分频输电的变速风电机群集中控制方案。然而，这两种方案均面临同一问题：变频交流母线上全体风力机的转速基本一致，风电场内风速的不均匀分布将导致风能损失。针对这一问题，目前的主要方案包括：

1.假定风电场内的风速基本一致，控制风电机群运行于平均最佳转速，这种方式的风能损失较大；

2.对风电机群进行分组集中控制，通过权衡风能损失和系统投资，折中选定每个变流单元控制的风电机组数量，但控制方法仍沿用单机最大风能捕获的思路，未针对风速不均匀分布进行专门优化；

3.对变频交流母线频率施加扰动并观测风电场功率变化趋势，动态搜索最佳频率，该方法易陷入局部极大值，且未涉及桨距角优化；

4.将风电场输出功率函数对变频交流母线频率求导，取导数为零时的频率为最佳频率，该方法仅针对频率进行优化，未涉及桨距角优化。

上述控制方案中，变桨距机构仅用于防止风电机组的转速、功率超过额定值，然而作为集中变流控制方式中风力机唯一的独立调节手段，变桨距机构对于减少集中控制导致的风能损失具有重要作用。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，根据各风力机的风速实时计算风电机群统一转速、全体风力机桨距角的全局最优解，通过集中式变流器、各风力机变桨距机构的协调优化控制，实现集中变流控制方式下变速风电机群的最大功率输出。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，针对由同一台变流器集中控制的、转速一致但输入风速不同的n台风力机，通过对集中式变流器、全体风力机变桨距机构的协调控制，实现风电机群的最大功率输出。

集中式变流器通过控制变频交流母线的频率使风速较高的风力机尽量接近最优转速，变桨距机构通过控制各风力机的桨距角使风速较低的风力机在风电机群的统一转速下获得最高的风能利用率。

为求解使n台转速一致的风力机输出功率最大化所对应的变频交流母线频率、全体风力机桨距角，将风电机群的统一转速、全体风力机的桨距角作为待优化的(1+n)个控制变量，将风电机群的总输出功率作为优化目标函数，将风力机转速和桨距角的允许范围作为约束条件，采用最优化计算方法，根据各风力机的输入风速实时计算风电机群统一转速、全体风力机桨距角的全局最优解。

所述最优化计算方法，先引入松弛变量将不等式约束转化为等式约束，然后采用对数障碍函数消去松弛变量的非负性约束，再通过拉格朗日乘子将等式约束方程引入到优化目标函数中，从而构成增广拉格朗日目标函数；根据Karush-Kuhn-Tucker最优性条件，令增广拉格朗日目标函数对原始变量、松弛变量、拉格朗日乘子的偏导数为零，从而获得一组非线性方程；采用牛顿法对该非线性方程组迭代求解，计算出风电机群统一转速、各台风力机桨距角的全局最优解。

所述集中式变流器，可以是高压直流输电系统中的交-直变流器，也可以是分频输电系统中的交-交变频器。

本发明的优点和积极效果是：

通过对集中式变流器、全体风力机变桨距机构的协调控制，实现集中变流控制方式下变速风电机群的最大功率输出，减少风电场内风速分布不均时，因风力机转速不能独立调节导致的风能损失。

本发明有助于提高高压直流输电、分频输电集中控制的变速风电机群的风能利用率，推动风电机群集中变流控制方式在近海风电中的应用。

附图说明

图1为本发明适用的集中变流控制变速风电机群拓扑结构之一；

图2为本发明适用的集中变流控制变速风电机群拓扑结构之二；

图3为通过调节桨距角提高风速较低风力机风能利用率的原理。

具体实施方式

本发明提供一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，根据各风力机的风速实时计算风电机群统一转速、全体风力机桨距角的全局最优解，通过集中式变流器、各风力机变桨距机构的协调优化控制，实现集中变流控制方式下变速风电机群的最大功率输出。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为采用高压直流输电系统中的交-直变流器集中控制变速风电机群的拓扑结构，图2为采用分频输电系统中的交-交变频器集中控制变速风电机群的拓扑结构，在这两种拓扑结构中，全体风力机的转速一致，决定于变频交流母线的频率。

针对各风力机转速一致而输入风速存在差异的问题，本发明通过对集中式变流器、全体风力机变桨距机构的协调控制，实现风电机群的最大功率输出：

1、考虑到风力机捕获的风能为风速的三次方，应保证风速较高的风力机具有尽可能高的风能利用率，因此通过集中式变流器控制变频交流母线的频率，使风速较高的风力机尽量运行于最优转速附近。

2、按照上述频率控制思路，风速较低风力机的转速将明显高于最优转速，过大的叶尖速比将导致风能利用率降低(如图3点A)，因此风速较低的风力机的变桨距控制器应通过合理调节其桨距角以提高其风能利用率(如图3点B)。

3、采用最优化计算方法，根据各风力机的输入风速实时计算风电机群统一转速、全体风力机桨距角的全局最优解，具体步骤包括：

①根据风力机空气动力学特性、发电机机械特性，建立以变频交流母线频率、各风力机输入风速和桨距角为变量的风电机群输出功率优化目标函数，其中，风电机群的统一转速、全体风力机的桨距角为待优化的控制变量；

②将风力机转速、桨距角范围作为优化控制的约束条件；

③先引入松弛变量将不等式约束转化为等式约束，然后采用对数障碍函数消去松弛变量的非负性约束，再通过拉格朗日乘子将等式约束方程引入到优化目标函数中，从而构成增广拉格朗日目标函数；

④根据Karush-Kuhn-Tucker最优性条件，令增广拉格朗日目标函数对原始变量、松弛变量、拉格朗日乘子的偏导数为零，从而获得一组非线性方程；

⑤采用牛顿法对该非线性方程组迭代求解，计算出变频交流母线的最优频率和各风力机的最优桨距角。

Claims (4)

1.一种适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，针对由同一台变流器集中控制的、转速一致但输入风速不同的n台风力机，通过对集中式变流器、全体风力机变桨距机构的协调控制，实现风电机群的最大功率输出，其特征在于：集中式变流器通过控制变频交流母线的频率使风速较高的风力机尽量接近最优转速，变桨距机构通过控制各风力机的桨距角使风速较低的风力机在风电机群的统一转速下获得最高的风能利用率；

为求解使n台转速一致的风力机输出功率最大化所对应的变频交流母线频率、全体风力机桨距角，将风电机群的统一转速、全体风力机的桨距角作为待优化的(1+n)个控制变量，将风电机群的总输出功率作为优化目标函数，将风力机转速和桨距角的允许范围作为约束条件，采用最优化计算方法，根据各风力机的输入风速实时计算风电机群统一转速、全体风力机桨距角的全局最优解。

2.根据权利要求1所述的适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述最优化计算方法具体包括：

先引入松弛变量将不等式约束转化为等式约束，然后采用对数障碍函数消去松弛变量的非负性约束，再通过拉格朗日乘子将等式约束方程引入到优化目标函数中，从而构成增广拉格朗日目标函数；根据Karush-Kuhn-Tucker最优性条件，令增广拉格朗日目标函数对原始变量、松弛变量、拉格朗日乘子的偏导数为零，从而获得一组非线性方程；采用牛顿法对该非线性方程组迭代求解，计算出风电机群统一转速、各台风力机桨距角的全局最优解。

3.根据权利要求1所述的适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述集中式变流器为高压直流输电系统中的交-直变流器。

4.根据权利要求1所述的适用于集中变流控制变速风电机群的最大功率输出控制方法，其特征在于，所述集中式变流器为分频输电系统中的交-交变频器。