CN104538989A - 风电场闭环有功功率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场闭环有功功率的控制方法，包括以下步骤：根据调度对风电场时间尺度的需求，对变桨风电机组模型进行降阶，得到变桨风电机组简化模型；依据变桨机组简化模型，量化变桨风电机组调整时间，得到基于变桨风电机组降阶模型的等效时间常数；以风电场闭环最优动态响应为目标，并根据含多种不同类型风电机组的风电场运行状态与动态风速信息，计算得到分配给变桨风电机组的给定功率。本发明考虑了变桨机组动态响应，计算过程相对简单且能够准确反映机组外特性。

Description

风电场闭环有功功率的控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场闭环有功功率控制方法，尤其涉及一种考虑变桨机组动态响应的风电场闭环有功控制方法，属于风电场控制技术领域。

背景技术

风力发电具有间歇性、波动性和随机性，不能提供稳定的发电功率。为了应对大规模风电接入给电网有功调度和安全稳定带来的巨大压力和新的挑战。GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》和国家电网公司出台的《风电调度运行管理规范》等规范风电并网运行的技术标准，并明确要求，风电场应具备有功功率调节能力，能根据电网调度部门指令控制其有功功率输出。

近几年，国内外学者针对风电场闭环有功功率控制展开大量研究，关于风电场有功功率控制协调分配的成果整体分为两类。一类是以降低损耗、优化运行为目标展开研究。另一类，部分学者从有功控制能力的角度展开研究。

然而，在上述研究的分析过程中均未考虑风电机组的动态响应过程，仍存在以下两点问题：一方面机组间响应特性存在差异性，难以同时完成下发的给定功率，这会导致闭环过程中控制指令下发时间存在严重超前或滞后，稳态精度较低；另一方面风电场通常由几十台甚至上百台风力发电机组成，在协调分配计算时计算时间长，占用内存大，实现困难。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种考虑变桨机组动态响应、计算过程相对简单且准确反映机组外特性的风电场有功功率的控制方法。

一种风电场闭环有功功率的控制方法，包括以下步骤：根据调度对风电场时间尺度的需求，对变桨风电机组模型进行降阶，得到变桨风电机组简化模型；依据变桨机组简化模型，量化变桨风电机组调整时间，得到基于变桨风电机组降阶模型的等效时间常数；以风电场闭环最优动态响应为目标，并根据含多种不同类型风电机组的风电场运行状态与动态风速信息，计算得到分配给变桨风电机组的给定功率。

相对于现有技术，本发明提供的风电场闭环有功功率的控制方法，考虑风电机组间参数与工况差异等状态信息，根据风电机组响应特性，消除了机组参数不同、风资源波动性导致的机组响应特性的差异，从而能够准确反映机组调整时间，并且使得风电机组能够在相同时间内完成给定功率，缩短了闭环周期，改善了风电场闭环动态特性。

附图说明

图1为本发明提供的风电场闭环有功功率的控制方法的流程示意图。

图2为本发明提供的风电场闭环有功功率的控制方法中变桨风电机组结构的示意图。

图3为本发明提供的风电场闭环有功功率的控制方法中线性化后风电机组线性化模型的结构示意图。

图4为本发明提供的考虑机组差异性和风资源波动性的闭环风电场等效变换示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1，本发明提供一种考虑变桨机组动态的风电场闭环有功功率的控制方法，主要包括以下步骤：

步骤S10，根据调度对风电场时间尺度的需求，对变桨风电机组模型进行降阶，得到变桨机组简化模型。

步骤S20，量化变桨风电机组调整时间，得到基于变桨风电机组降阶模型的等效时间常数。

步骤S30，以风电场闭环最优动态响应为目标，并根据含多种不同类型风电机组的风电场运行状态与动态风速信息，计算得到分配给变桨风电机组的给定功率。

在步骤S10中，所述变桨机组的简化模型的获取包括如下步骤：

步骤S11，根据风电机组风能捕获原理，得到变桨风力机的转子运动方程。

所述风电机组输出的有功功率主要决定于风力机所捕获的风能，变桨风力机捕获风能产生的机械转矩如下：

$T_m=\frac{C_P\mathrm{\ρ\π}{R}^2{v}_{\mathrm{wind}}^3}{{2\mathrm{\ω}}_r};$

式中：C_P为变桨风力机的风能捕获系数；ρ为空气密度；R为叶轮半径；v_wind为风速；ω_r为变桨风力机转速。变桨风力机的风能捕获系数C_P是风速、风力机转速和桨距角的函数，即：

$C_P=c_1(\frac{c_2}{{\mathrm{\λ}}_i}-c_3\mathrm{\β}-c_4)e^{-\frac{c_5}{{\mathrm{\λ}}_i}}+c_6\mathrm{\λ};$

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{R\ω}}_r}{v_{\mathrm{wind}}};$

$\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_i}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+0.08\mathrm{\β}}-\frac{0.035}{1+{\mathrm{\β}}^3};$

式中，λ为变桨风力机叶尖速比，β为桨距角；c₁-c₆为常数。

在单质量块模型中，可忽略机械损耗，则变桨风力机的转子运动方程为：

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e;$

式中：T_m为风力机捕获的机械转矩；T_e为风电机组输出的电磁转矩；J为变桨风电机组的转动惯量。

其中，电磁转矩工作在最大功率跟踪模式，与转速关系如下式所示：

$T_e=\frac{C_{P\max }{\mathrm{\ρ\πR}}^5}{{{2\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}^3}{\mathrm{\ω}}_r^2.$

步骤S12，利用传递函数表示变桨风力机桨距角运动方程。

设β_ref为变桨风力机桨距角控制器产生的桨距角参考值，C_Pmax为最大功率跟踪模式下的风能捕获系数，与此同时，λ_opt为对应的最佳叶尖速比；桨距角执行机构是一个液压系统，T_β为桨距角调节时间常数，变桨风力机桨距角的运动方程为：

$\frac{\mathrm{d\β}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{T_{\mathrm{\β}}}({\mathrm{\β}}_{\mathrm{ref}}-\mathrm{\β});$

用传递函数描述为：

$G_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=\frac{1}{T_{\mathrm{\β}}s+1}.$

步骤S13，根据变桨风力机转子运动方程与桨距角运动方程，得到变桨机组数学模型。

请一并参照图2，结合上述变桨风电机组数学模型的描述，可以得到变桨风电机组结构图。

图中P_ref为风电场有功控制器下发给机组的给定功率，通过最大功率输出的功率-转速方程运算得到风电机组转速控制的参考值，与实际转速比较后，转速的偏差通过机组控制器产生需调节的桨距角为参与机械转矩的调节(当未达到转速给定时，桨距角参考值β_ref为0°)。图中v_wind为风速，G_e(s)为电磁转矩调节时间(毫秒级)，P_e为由输出转速通过最大功率输出的功率-转速方程运算得到的输出功率。

步骤S14，忽略时间尺度毫秒级的电磁调节模块，将变桨风电机组数学模型在平衡点处线性化得到变桨风电机组简化模型。

将转子运动方程及变桨风力机桨距角的运动方程在平衡点(ω_r0，β₀，v_wind0)处线性化可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{\mathrm{d\Δ}{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\ΔT}}_m-{\mathrm{\ΔT}}_e\\ \frac{\mathrm{d\Δ\β}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{T_{\mathrm{\β}}}\mathrm{\Δ\β}\end{array}\right.;$

式中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔT}}_m=k_{{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{\Δ\ω}}_r+k_{\mathrm{\β}}\mathrm{\Δ\β}+k_{v_{\mathrm{wind}}}{\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{wind}}\\ {\mathrm{\ΔT}}_e=k_e{\mathrm{\Δ\ω}}_r\end{array}\right.;$

$k_{{\mathrm{\ω}}_r}=\frac{{\∂T}_m}{{\∂\mathrm{\ω}}_r}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r0},{\mathrm{\β}}_0,v_{\mathrm{wind}0})};$

$k_{\mathrm{\β}}=\frac{{\∂T}_m}{\∂\mathrm{\β}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r0},{\mathrm{\β}}_0,v_{\mathrm{wind}0})};$

$k_{v_{\mathrm{wind}}}=\frac{{\∂T}_m}{{\∂v}_{\mathrm{wind}}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r0},{\mathrm{\β}}_0,v_{\mathrm{wind}0})};$

$k_e=\frac{{\∂T}_e}{{\∂\mathrm{\ω}}_r}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r0},{\mathrm{\β}}_0,v_{\mathrm{wind}0})}.$

由上式并结合图3可以得到线性化后风电机组线性化模型，其中风电机组采用PI控制器。

在步骤S20中，所述等效时间常数的获取包括如下步骤：

步骤S21，根据变桨机组简化模型，得到传递函数描述的变桨机组简化模型数学模型。

所述变桨机组的调整时间与变桨机组参数存在紧密联系，场站内机组类型的多样性导致全部机组达到稳定的调整时间各异，闭环无法保持最佳动态性能。风速不变时的变桨风电机组闭环传递函数如式所示：

$G_p\left(s\right)=\frac{K_P{k}_{\mathrm{\β}}/{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}{s^2+(T_{\mathrm{\β}}{k}_e-T_{\mathrm{\β}}{k}_{{\mathrm{\ω}}_r}+J)s/{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}+(k_e-k_{{\mathrm{\ω}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\β}})}.$

步骤S22，根据上述得到的传递函数，计算闭环特征根。

所述闭环传递函数特征方程为：

$s^2+\frac{T_{\mathrm{\β}}{k}_e-T_{\mathrm{\β}}{k}_{{\mathrm{\ω}}_r}+J}{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}s+\frac{k_e-k_{{\mathrm{\ω}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}=0;$

由此可得其特征根为一对共轭复根：

$s_{\mathrm{1,2}}=-{\mathrm{\ϵ\ω}}_n\±{\mathrm{\ω}}_n\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}^2-1};$

其中：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{T_{\mathrm{\β}}{k}_e-T_{\mathrm{\β}}{k}_{{\mathrm{\ω}}_r}+J}{{2\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}{k_e-k_{{\mathrm{\ω}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\β}}}};$

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{k_e-k_{{\mathrm{\ω}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\β}}}}.$

步骤S23，根据闭环特征方程，计算变桨机组降阶模型的调整时间。

所述闭环传递函数阶跃响应为一幅值按指数衰减的正弦振荡曲线；

当允许误差存在时，调节时间为达到偏离稳态值±Δ％的误差带范围内，且从此不再超越这个范围的时间，即满足：

|c(t)-c(∞)|<c(∞)×Δ％；

即：

$\frac{e^{-{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_{n}t}}{\sqrt{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}}\sin ({\mathrm{\&omega;}}_n\sqrt{{1-\mathrm{\&epsiv;}}^2}t+{\tan }^{-1}\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}}{\mathrm{\&epsiv;}})<\mathrm{\&Delta;}\%;$

其中是该正弦振荡包络线，因而衰减到±Δ％的时间可以近似的视为是系统的调节时间的近似计算：

$\frac{e^{-{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_{n}t}}{\sqrt{{1-\mathrm{\&epsiv;}}^2}}=\mathrm{\&Delta;}\%;$

因此可以得到：

$t=-\frac{\mathrm{In}(\sqrt{{1-\mathrm{\&epsiv;}}^2}\&times;\mathrm{\&Delta;}\%)}{{\mathrm{\&epsiv;\&omega;}}_n}.$

由于ε为10^-2数量级较小，因此近似当Δ％＝2％，调节时间可以近似得到；

则风速不变时变桨机组调整时间为：

$t_p=\frac{{8\mathrm{JT}}_{\mathrm{\&beta;}}}{T_{\mathrm{\&beta;}}{k}_e-T_{\mathrm{\&beta;}}{k}_{{\mathrm{\&omega;}}_r}+J}.$

步骤S24，考虑风资源波动性，得到考虑机组差异性和风资源波动性的等效时间常数。

请参阅图4，给定功率的更新，风资源的波动都需要通过桨距角调节达到新的稳态，可以将两者都等效为转速的偏差来反映调节时间，不妨将等效后用于调整时间整定的转速定义为虚拟转速。

所述虚拟转速稳态值为：

${{\mathrm{\&omega;}}^{\&prime;}}_r={\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{ref}}-v_{\mathrm{wind}}\frac{k_{v_{\mathrm{wind}}}}{k_{\mathrm{\&beta;}}{K}_p};$

由式可知虚拟转速取决于给定功率，风速和风速的变化率，且虚拟转速的闭环特征方程与原系统相同，因此，调整时间为：

t_x＝ω'_r t_p。

在步骤S30中，考虑动态响应过程的风电场有功功率控制策略，根据机组调节能力，优化场站调整时间分配单机给定功率。

1)目标函数

以风电场调节时间最短为目标对动态响应过程的风电场闭环的控制方法进行优化。根据参数不同、风资源动态信息带来的机组调整时间差异性，协调分配给定功率，使每台机组能够在相同最短调节时间内完成不同给定功率，即遵循调节速度快则多发，速度慢则少发的原则，可以得到目标函数：

$\min S=\frac{1}{n}\mathrm{\&Sigma;}{(t_{\mathrm{Prefn}}-\stackrel{-}{t})}^2;$

$\stackrel{-}{t}=\frac{1}{n}(t_{\mathrm{Pref}1}+t_{\mathrm{Pref}2}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;t_{\mathrm{Prefn}});$

式中t_Prefn为第n台机组完成给定功率P_refn所需要的调节时间(n＝1,2...)，为风电场内机组调节时间的平均数，S为风电场内机组调整时间的方差。

当风电场内机组调节时间方差最小，即机组之间完成给定功率的时间最接近时，表明所有机组在相同时间内完成不同给定功率，即风电场完成一定给定功率需要调节时间最短，闭环动态性能最优。

2)约束条件

以风电场内机组准确执行调度下发的指令为基本要求对风电场闭环有功功率进行控制，即风电场内机组给定功率需要满足：

P_sum＝P_ref1+P_ref2+…P_refn；

式中，P_sum为调度下发的指令，P_refn为第n台机组的给定功率。

本发明提供的风电场闭环有功功率的控制方法，考虑风电机组间参数与工况差异等状态信息，并在风电场闭环有功控制中引入动态风资源信息，根据风电机组响应特性，能够消除机组参数不同、风资源波动性导致的机组响应特性的差异，从而能够准确反映机组调整时间，实现风电场闭环有功控制动态特性的优化，使得风电机组能够在相同时间内完成给定功率，缩短了闭环周期，改善了风电场闭环动态特性。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种风电场闭环有功功率的控制方法，包括以下步骤：

根据调度对风电场时间尺度的需求，对变桨风电机组模型进行降阶，得到变桨风电机组简化模型；

依据变桨机组简化模型，量化变桨风电机组调整时间，得到基于变桨风电机组降阶模型的等效时间常数；

以风电场闭环最优动态响应为目标，并根据含多种不同类型风电机组的风电场运行状态与动态风速信息，计算得到分配给变桨风电机组的给定功率。

2.如权利要求1所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，所述变桨机组的简化模型的获取包括如下步骤：

根据风电机组风能捕获原理，得到变桨风力机的转子运动方程；

利用传递函数表示变桨风力机桨距角运动方程；

根据变桨风力机转子运动方程与桨距角运动方程，得到变桨机组数学模型；

忽略时间尺度毫秒级的电磁调节模块，将变桨风电机组数学模型在平衡点处线性化得到变桨风电机组简化模型。

3.如权利要求2所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，变桨风力机捕获风能产生的机械转矩如下：

；

式中：为变桨风力机的风能捕获系数；为空气密度；为叶轮半径；为风速；为变桨风力机转速；其中，变桨风力机的风能捕获系数是风速、风力机转速和桨距角的函数，即：

；

式中，为变桨风力机叶尖速比，为桨距角；c₁-c₆为常数。

4.如权利要求3所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，在单质量块模型中，忽略机械损耗，则变桨风力机的转子运动方程为：

；

式中：为风力机捕获的机械转矩；为风电机组输出的电磁转矩； 为变桨风电机组的转动惯量。

5.如权利要求4所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，电磁转矩工作在最大功率跟踪模式，与转速关系满足：

其中，β_ref为变桨风力机桨距角控制器产生的桨距角参考值，C_Pmax为最大功率跟踪模式下的风能捕获系数，λ_opt为对应的最佳叶尖速比；桨距角执行机构为液压系统，为桨距角调节时间常数。

6.如权利要求5所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，变桨风力机桨距角的运动方程为：

；

用传递函数描述为：

。

7.如权利要求1所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，所述等效时间常数的获取包括如下步骤：

根据变桨机组简化模型，得到传递函数描述的变桨机组简化模型数学模型，风速不变时的变桨风电机组闭环传递函数为：

据上述得到的传递函数，计算闭环特征根，所述闭环传递函数特征方程为：

根据闭环特征方程，计算变桨机组降阶模型的调整时间：

；

考虑风资源波动性，得到考虑机组差异性和风资源波动性的等效时间常数。

8.如权利要求7所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，所述闭环传递函数特征方程的特征根为一对共轭复根：

其中：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{T_{\mathrm{\&beta;}}{k}_e-T_{\mathrm{\&beta;}}{k}_{{\mathrm{\&omega;}}_r}+J}{{2\mathrm{JT}}_{\mathrm{\&beta;}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\&beta;}}}{k_e-k_{{\mathrm{\&omega;}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\&beta;}}}};$

${\mathrm{\&omega;}}_n=\sqrt{\frac{k_e-k_{{\mathrm{\&omega;}}_r}+K_P{k}_{\mathrm{\&beta;}}}{{\mathrm{JT}}_{\mathrm{\&beta;}}}}.$

9.如权利要求1所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，以风电场调节时间最短为目标对动态响应过程的风电场闭环的控制方法进行优化，遵循调节速度快则多发，速度慢则少发的原则，得到目标函数：

；

；

式中为第n台机组完成给定功率所需要的调节时间， 为风电场内机组调节时间的平均数，为风电场内机组调整时间的方差。

10.如权利要求1所述的风电场闭环有功功率的控制方法，其特征在于，以风电场内机组准确执行调度下发的指令为基本要求对风电场闭环有功功率进行控制，即风电场内机组给定功率需要满足：

；

式中，为调度下发的指令，为第n台机组的给定功率。