CN104578181A - 一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，该控制方法通过建立机组运行轨迹控制器，实时求解以机组转速和桨距角综合调整量最小为目标函数和以机组有功平衡、运行点稳定性等为约束条件的运行点转移轨迹优化模型，以获得机组的最优转移轨迹；进一步对变桨系统和转子侧变频器的传统控制策略进行改进，使机组能够沿运行点的最优转移轨迹调控其有功功率，完成电网调度部门的限电弃风命令。本发明所提控制方法，适用于限电弃风工况下双馈风电机组的有功控制，能够使风电机组准确地执行电网调度部门限电弃风命令，并在运行过程中减小机组转速和桨距角的综合调整量，有助于延长机组使用寿命，具有重要的工程应用价值。

Description

一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及双馈风电机组的有功出力控制方法，尤其是一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法。

背景技术

由于风电单方面快速发展，而电网建设相对滞后，大规模风电并网给电网功率平衡和安全经济运行带来的挑战日益严峻。为确保系统安全经济运行，风电场在一些时段接收电网调度部门的命令运行于限电弃风工况已成为常态。风电场限电弃风运行就相当于具备了类似于传统发电中功率热备用的能力，为风电场参与电网调频创造了前提，对维持系统的稳定经济运行和推动风电持续发展具有重要意义。

双馈风电机组是目前应用最为广泛的机组类型。通常情况下，双馈风电机组以风能利用最大化为目标。而在限电弃风工况下，需要对双馈风电机组的转速和桨距角进行控制，使其偏离风能利用最大化状态下的运行点，以按指定命令输出功率。目前，限电弃风工况下，双馈风电机组的有功控制方法主要有三种：通过增大机组转速使其偏离最优值实现降出力运行；通过控制机组桨距角调整机组的输出功率，而机组的转速仍根据最大风能追踪模块查表控制；对风电机组运行的风速范围进行分段，不同分段采用不同的控制策略，协调控制机组转速和桨距角。但频繁调整转速和桨距角容易使机组产生机械疲劳，影响其使用寿命，现有控制方法均未能解决这一问题，难以应用于实际。

通过检索，发现如下两篇相关的公开专利文献：

1、一种变速变桨距风电机组全风速限功率优化控制方法(CN104074679A)，将机组实时输出电功率和发电机转速作为控制输入，优先通过电磁转矩主动控制发电机转速，后启动桨距角控制。(1)通过比较机组实时输出电功率P_e与限功率设定值P_set的相对大小来判断是否进入限功率控制模式；(2)当进入限功率控制模式时，优先控制电磁转矩，主动增加发电机转速，使风力机偏移最大功率运行点；(3)然后当发电机转速接近额定转速时，及时触发桨距角补偿控制器，使变桨系统动作。该方法优先通过控制电磁转矩主动调整发电机转速，必要时再启动桨距角控制，在实现限功率控制功能的同时，尽量优化了变桨系统的运行工况，并能充分利用机组的转动惯量，在一定程度上提高了发电量。

2、一种在风电受限状态下的大电网有功功率实时控制方法(CN102545268A)，首先根据风电场实时采集到的风速数据及发电机的相关参数采用标杆发电机法或理论估算法获得风电场当前的受限量，然后根据最小弃风的原则建立系统有功实时控制的模型，采用提出的求解算法对模型优化求解，获得当前系统最大可消纳风电量及其他水火电机组的最优调整策略，并采用差值法对获得的调整策略插值，以与现有的ACE指令格式相兼容。该发明的优点是通过在实时计划及AGC控制之间增加以弃风损失最小为目标的实时控制环节，通过实时计算获得的风电场弃风量对风电和传统机组实施联合优化调度，最大可能的减小由于风力发电预测偏差造成的弃风电量，在保证电网运行经济性的同时，最大限度提高电网对风电的接纳能力。

上述专利与本专利申请解决的技术问题不同，所以采取的技术方案有本质的区别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，该控制方法能使双馈风电机组准确执行电网调度部门的限电弃风命令，并在运行过程中最大程度减小其转速和桨距角的综合调整量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，该控制方法通过建立机组运行轨迹控制器，实时求解运行点转移轨迹优化模型，以获得机组的最优转移轨迹，并通过变桨系统及转子侧变频器的改进控制策略使机组沿最优转移轨迹调整其有功输出。

而且，所述的机组运行轨迹控制器以风速、限电弃风命令和机组运行状态数据作为输入，利用现代内点法实时求解运行点转移轨迹优化模型，并以优化所得的转速、桨距角和功率命令作为输出。

而且，所述的优化模型包括优化模型Ⅰ及优化模型Ⅱ，先求解优化模型Ⅰ，并判断优化结果是否可行，如优化模型Ⅰ可行则将优化结果直接输出；否则，重新求解优化模型Ⅱ并按优化模型Ⅱ所得优化结果输出，以获得可行的最优转移轨迹。

而且，所述的优化模型Ⅰ是以风电机组运行点在相邻时刻转移时转速和桨距角综合调整量最小为目标函数、以机组有功平衡和运行点稳定性为约束条件的非线性优化模型。

而且，所述的优化模型Ⅰ为：

$J_1=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }})$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }$

$\frac{\∂P_{m,k}^{*}}{\∂{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{C}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3$

$P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}=0$

其中，和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令；为当前时刻限电弃风命令；ω_r,k-1、β_k-1分别为前一时刻机组的转速和桨距角；ω_{r_max}、ω_{r_min}、β_max、β_min分别为机组转速和桨距角的最大值、最小值；a_ω、a_β分别转速与桨距角调整量权重；L_s为机组内部功率损耗系数。

而且，所述的优化模型Ⅱ是将功率不平衡项加入到优化模型Ⅰ的目标函数中，用机组功率极限约束代替优化模型Ⅰ中的有功平衡约束。

而且，所述的优化模型Ⅱ为：

$J_2=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }}+\mathrm{\λ}\frac{|P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}|}{P_{\mathrm{nom}}})$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }$

$\frac{\∂P_{m,k}^{*}}{\∂{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{C}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3$

$P_{\min }\≤P_{m,k}^{*}/(1+L_s)\≤P_{\max }$

其中，和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令；为当前时刻限电弃风命令；ω_r,k-1、β_k-1分别为前一时刻机组的转速和桨距角；ω_{r_max}、ω_{r_min}、β_max、β_min分别为机组转速和桨距角的最大值、最小值；a_ω、a_β分别为转速与桨距角的调整量权重；L_s为机组内部功率损耗系数，P_max、P_min分别为机组输出功率的最大值和最小值；P_nom为机组的额定功率；λ为拉格朗日因子。

而且，所述的变桨系统及转子侧变频器的改进控制策略为：变桨距控制单元以优化后的转速命令作为参考值，通过调整机组桨距角使机组转速追踪优化后的转速命令；转子侧变频器有功控制单元以优化后的功率命令作为参考值，通过调整转子绕阻励磁电流，使机组输出功率追踪优化后的功率命令。

而且，在变桨距控制单元及转子侧变频器有功控制单元中分别引入桨距角误差的积分补偿模块及转速误差的比例补偿模块。

本发明的优点和积极效果是：

1、本控制方法通过建立机组运行轨迹控制器，实时求解运行点转移轨迹优化模型，获得机组的最优转移轨迹，并进一步改进变桨系统及转子侧变频器的控制策略，使机组能够沿最优转移轨迹调整其有功输出，从而减小了机组转速和桨距角的综合调整量，延长了机组的使用寿命。

2、本控制方法分别在变桨距控制单元和转子侧变频器有功控制单元中引入桨距角误差的积分补偿模块和转速误差的比例补偿模块，减小了桨距角追踪过程中的静态误差和动态误差。

3、本控制方法适用于限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制，能够使双馈风电机组准确执行电网调度部门的限电弃风命令，并减小机组在执行限电弃风命令过程中产生的机械疲劳，从而延长机组的使用寿命，对于推动风电场参与电网备用和维持电网稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明双馈风电机组运行轨迹控制器工作原理图；

图2为本发明双馈风电机组有功功率控制策略原理图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，以某1.5MW双馈风电机组为例，步骤如下：

1.建立机组运行轨迹控制器

⑴建立机组运行点转移轨迹优化模型

建立以机组运行点在相邻时刻转移时转速和桨距角的综合调整量最小为目标函数、以机组有功平衡和运行点稳定性等为约束条件的非线性优化模型Ⅰ，如式(1)至式(6)所示。式(1)为优化模型的目标函数，式中两项分别表示相对于前一时刻机组转速和桨距角的调整量；式(2)和(3)分别为机组桨距角、转速的限值约束；式(4)为运行点稳定性约束；式(5)和(6)为机组的有功平衡约束。

$J_1=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }})---\left(1\right)$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }---\left(3\right)$

$\frac{\∂P_{m,k}^{*}}{\∂{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0---\left(4\right)$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{C}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3---\left(5\right)$

$P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}=0---\left(6\right)$

其中，和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令；为当前时刻限电弃风命令；ω_r,k-1、β_k-1分别为前一时刻机组的转速和桨距角；ω_{r_max}、ω_{r_min}、β_max、β_min分别为机组转速和桨距角的最大值、最小值；a_ω、a_β分别转速与桨距角调整量权重；L_s为机组内部功率损耗系数。

若限电弃风命令大于机组的最大可用功率，将导致优化模型Ⅰ不存在可行解，从而容易使机组失稳。因此，本文在每次求解优化模型Ⅰ时均对优化结果进行判断，如可行，则将优化结果直接输出；否则，将功率不平衡项加入到目标函数式(1)中，形成新的目标函数，如式(7)所示，将式(6)中的有功平衡约束替换为式(8)中的功率极限约束，并结合式(2)至式(5)形成新的优化模型Ⅱ并求解。

$J_2=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }}+\mathrm{\λ}\frac{|P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}|}{P_{\mathrm{nom}}})---\left(7\right)$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }---\left(2\right)$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }---\left(3\right)$

$\frac{\∂P_{m,k}^{*}}{\∂{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0---\left(4\right)$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρA}{C}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3---\left(5\right)$

$P_{\min }\≤P_{m,k}^{*}/(1+L_s)\≤P_{\max }---\left(8\right)$

其中，P_max、P_min分别为机组输出功率的最大值和最小值；P_nom为机组的额定功率；λ为拉格朗日因子。

⑵构造机组运行轨迹控制器

如图1所示，基于机组运行点转移轨迹优化模型，本发明建立了双馈风电机组运行轨迹控制器。该控制器以风速、限电弃风命令和机组的运行状态数据作为输入，利用现代内点法实时求解运行点转移轨迹优化模型，并将优化所得转速命令桨距角命令β^*和功率命令输出。

2.改进变桨系统和转子侧变频器的传统控制策略

如图2所示，本发明对机组变桨系统和转子变频器的传统控制策略进行了改进，以使机组能够沿运行点的最优转移轨迹运行，即实现对优化后的转速命令桨距角命令β^*及功率命令的追踪。变桨距控制单元以优化后的转速命令作为参考值，通过调整机组桨距角使机组转速追踪优化后的转速命令转子侧变频器有功控制单元以优化后的功率命令作为参考值，通过调整转子绕组励磁电流，使机组输出功率追踪优化后的功率命令

为减小桨距角追踪过程中的静态误差和动态误差，分别在变桨距控制单元和转子侧变频器有功控制单元中引入桨距角误差的积分补偿模块和转速误差的比例补偿模块。如图2所示，通过桨距角误差积分补偿模块，将优化后桨距角命令β^*与实际桨距角β的差值经积分补偿模块后对变桨系统的桨距角控制命令进行修正，使机组桨距角β逐渐逼近桨距角命令β^*，其中k_β为积分补偿系数；通过转速误差比例补偿模块，将优化后转速命令与实际转速ω_r的差值经比例补偿模块后对转子侧变频器的有功控制命令进行修正，快速控制机组电磁转矩，辅助变桨距控制单元调整机组转速，减小机组桨距角在追踪过程中产生的超调量，其中k_ω为比例补偿系数。图2中，P_e为机组实际输出功率，i_dr和i_dref分别为转子绕组励磁电流d轴分量的实际值和参考值，V_dref为转子绕组端口电压d轴分量的参考值，T为变桨机构的惯性时间常数。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：该控制方法通过建立机组运行轨迹控制器，实时求解运行点转移轨迹优化模型，以获得机组的最优转移轨迹，并通过变桨系统及转子侧变频器的改进控制策略使机组沿最优转移轨迹调整其有功输出。

2.根据权利要求1所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的机组运行轨迹控制器以风速、限电弃风命令和机组运行状态数据作为输入，利用现代内点法实时求解运行点转移轨迹优化模型，并以优化所得的转速、桨距角和功率控制命令作为输出。

3.根据权利要求1所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型是以运行点稳定性为约束条件的非线性优化模型，该运行点稳定性约束公式为其中和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令。

4.根据权利要求1所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型包括优化模型Ⅰ及优化模型Ⅱ，先求解优化模型Ⅰ，并判断优化结果是否可行，如优化模型Ⅰ可行则将优化结果直接输出；否则，重新求解优化模型Ⅱ并按优化模型Ⅱ所得优化结果输出，以获得可行的最优转移轨迹。

5.根据权利要求4所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型Ⅰ是以风电机组运行点在相邻时刻转移时转速和桨距角综合调整量最小为目标函数、以机组有功平衡和运行点稳定性为约束条件的非线性优化模型。

6.根据权利要求4或5所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型Ⅰ为：

$J_1=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }})$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }$

$\frac{{\∂P}_{m,k}^{*}}{{\∂\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAC}}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3$

$P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}=0$

其中，和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令；为当前时刻限电弃风命令；ω_r,k-1、β_k-1分别为前一时刻机组的转速和桨距角；ω_{r_max}、ω_{r_min}、β_max、β_min分别为机组转速和桨距角的最大值、最小值；a_ω、a_β分别为转速与桨距角的调整量权重；L_s为机组内部功率损耗系数。

7.根据权利要求5所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型Ⅱ是将功率不平衡项加入到优化模型Ⅰ的目标函数中，用机组功率极限约束代替优化模型Ⅰ中的有功平衡约束。

8.根据权利要求4或7所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的优化模型Ⅱ为：

$J_2=\min (a_{\mathrm{\ω}}\frac{|{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}-{\mathrm{\ω}}_{r,k-1}|}{{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }}+a_{\mathrm{\β}}\frac{|{\mathrm{\β}}_k^{*}-{\mathrm{\β}}_{k-1}|}{{\mathrm{\β}}_{\max }}+\mathrm{\λ}\frac{|P_{m,k}^{*}-(1+L_s)P_{e,k}^{*}|}{P_{\mathrm{nom}}})$

${\mathrm{\β}}_{\min }\≤{\mathrm{\β}}_k^{*}\≤{\mathrm{\β}}_{\max }$

${\mathrm{\ω}}_{r\_\min }\≤{\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}\≤{\mathrm{\ω}}_{r\_\max }$

$\frac{{\∂P}_{m,k}^{*}}{{\∂\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*}}{|}_{({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})}\≤0$

$P_{m,k}^{*}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρAC}}_P({\mathrm{\ω}}_{r,k}^{*},{\mathrm{\β}}_k^{*})V_{w,k}^3$

$P_{\min }\≤P_{m,k}^{*}/(1+L_s)\≤P_{\max }$

其中，和分别为当前时刻机组转速、桨距角和功率的控制命令；为当前时刻限电弃风命令；ω_r,k-1、β_k-1分别为前一时刻机组的转速和桨距角；ω_{r_max}、ω_{r_min}、β_max、β_min分别为机组转速和桨距角的最大值、最小值；a_ω、a_β分别为转速与桨距角的调整量权重；L_s为机组内部功率损耗系数，P_max、P_min分别为机组输出功率的最大值和最小值；P_nom为机组的额定功率；λ为拉格朗日因子。

9.根据权利要求1-5任意一项权利要求所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：所述的变桨系统及转子侧变频器的改进控制策略为：变桨距控制单元以优化后的转速命令作为参考值，通过调整机组桨距角使机组转速追踪优化后的转速命令；转子侧变频器有功控制单元以优化后的功率命令作为参考值，通过调整转子绕阻励磁电流，使机组输出功率追踪优化后的功率命令。

10.根据权利要求9所述的在限电弃风工况下双馈风电机组有功出力的控制方法，其特征在于：在变桨距控制单元及转子侧变频器有功控制单元中分别引入桨距角误差的积分补偿模块及转速误差的比例补偿模块。