CN105449722B - 一种风力发电机组限功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种风力发电机组限功率控制方法，通过比较风电场监控系统下发的有功功率给定值和风电机组额定功率值，首先确定风电机组的限功率目标值，再判断是否进入风电机组限功率模式，根据风电机组的运行模式采用不同的控制方法。在风电场限功率模式下，在恒转矩控制中增加功率闭环进行修正，实现机组的无偏差控制。

Description

一种风力发电机组限功率控制方法

技术领域

本发明型涉及一种风电系统的控制方法。

背景技术

风速的随机性和间歇性，以及风电在电力系统中所占比重的增加，使得风电难以完全被消化，大规模的弃风限电已成常态，限功率运行将作为风电机组的常态运行方式，特别是风场运行前期。风力发电的能力与风资源相关，因而风场机组出力具有很大的波动，其产生的经济效益也不稳定，面对风电变化的波动性和风电控制的经济性，风电控制的准确性就显得尤为重要。

现有限功率策略主要着眼于整个风场，以整个风场调度为目标值进行有功控制，在控制过程中根据各种分类条件将风场机组划为若干组，并按照一定的启停程序对各个分组进行控制。在同一个控制组内，根据单台风电机组运行的优先状态分别下发目标值进行有功控制，以实现风场总调度的任务分配。这种涉及到整个风场运行的调度控制方法，虽然将调度任务具体到每台机组，但忽略了单台机组的实际执行能力，机组本身的控制是否能准确有效的完成其接收到的有功任务有待商榷。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种风力发电机组单机限功率控制方法。本发明采用单机限功率策略，结合风电机组的实际运行情况，在转矩控制中增加功率闭环策略，使风电机组能够准确执行风电场监控系统下发的单台风电机组控制目标。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

自动发电控制系统AGC将风电场可发有功功率值下发至风电场，经过风电场监控系统分解后发给单台风电机组实施控制。通过比较风电场监控系统下发的有功功率给定值和风电机组额定功率值，首先确定风电机组的限功率目标值，再判断是否进入风电机组限功率模式，根据风电机组的运行模式采用不同的控制方法。由于风电机组实际运行中存在自身损耗、变流器有功控制存在偏差等因素，即便风速满足达到控制目标所需风能，但实发功率与控制目标功率间仍存在偏差。针对这种情况，本发明在风电场限功率模式下，在恒转矩控制中增加功率闭环进行修正，实现机组的无偏差控制，与此同时，功率闭环也提高了风电机组有功控制的响应、跟踪和稳定性能。

本发明的具体步骤如下：

步骤1：根据风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值，确定单台风电机组限功率的目标值P_limit；

步骤2：判断是否进入风电机组限功率模式，如果进入风电机组限功率模式，则执行步骤3，若不进入风电机组限功率模式，则执行步骤4；

步骤3：执行风电机组限功率模式下的控制策略；

步骤4：执行风电机组常规控制策略。

所述步骤1中，根据如下条件确定风电机组限功率的目标值P_limit：

如果风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值小于风电机组的额定功率值，则单台风电机组限功率的目标值为风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值，否则，单台风电机组限功率的目标值为风电机组的额定功率值。

所述步骤2中，满足如下条件之一即可进入风电机组限功率模式：

(1)风电机组电磁功率的10s平均值＞单台风电机组限功率目标值；

(2)风电机组电磁功率10s平均值＜单台风电机组限功率目标值，且其变桨系统给定的目标桨角仍有增大的趋势。

所述步骤3包含以下步骤：

步骤3-1：风电机组控制过程分为三个运行区间：一区为启动区，二区为最大风能捕获区，三区为恒转矩控制区。各个运行区间都有相应的变桨控制目标转速、转矩控制目标转速，根据步骤1得到的风电机组限功率目标值，通过查功率-转速表确定风电机组不同运行区间的目标转速。在控制过程中对转速目标值进行斜率限幅，限值为±15rpm/s。

步骤3-2：风电机组在一区、二区运行时，风电机组没有满发，转矩控制起主导作用，桨距角设定在最小工作位置，保证最大风能捕获；

步骤3-3：风电机组在三区运行，此时风电机组满发，变桨控制起主导作用，目标转矩由转矩基准项和转矩补偿项两部分相加组成。风电机组控制系统确定风电机组限功率值后，一方面通过查功率-转矩表获取转矩基准项，另一方面通过功率闭环PI控制器计算得到转矩补偿项。在控制过程中对转矩基准值进行斜率限幅，限值为±700Nm/s。

步骤3-4：转矩补偿项是为了对单台风电机组有功功率的误差进行控制，产生转矩补偿项的功率闭环PI控制器使能需要满足：(1)机组处于准满发状态，准满发状态即当前风速下风电机组实际可发功率不小于功率限定值P_limit；(2)功率1s均值-限功率值＞1％额定功率或功率1s均值-限功率值＜-1％额定功率；(3)如果限功率目标值发生改变，则风电机组实际转速值应达到改变后的限功率目标值所对应的转速目标值，且实测转矩也应达到改变后的限功率目标值所确定的转矩基准值并持续至少5s。

步骤3-5：功率闭环PI控制器的实现方式。转矩补偿项中的PI控制器采用增量式PI计算，控制周期为1s。PI控制器的比例系数K_p和积分系数K_i均用增益调度控制，调度因子＝1/转速1s均值。PI控制器输出的幅值和斜率需要进行限幅，其中幅值限值±10％额定转矩，斜率限幅±300Nm/s。为了防止目标功率突变引起PI控制器的输出饱和，当功率闭环无效时，转矩补偿项和PI控制器积分项同时清零。

所述步骤4包含以下步骤：

步骤4-1：风电机组各区间的目标转速为固定值，不随限功率值的变化而变化，一区的转速目标值为风电机组的并网转速，二区和三区的转速目标值均为风电机组的额定转速。

步骤4-2：风电机组运行在一区和二区时，转矩控制起主导作用，桨距角设定在最小工作位置，保证最大风能捕获。

步骤4-3：风电机组运行在三区时，变桨控制起主导作用，目标转矩为风电机组的额定转矩。

本发明的有益效果在于，单机限功率策略使功率稳定在目标值，使监控下发的指令得以有效执行。结合实际运行状态在转矩控制三区添加功率闭环，对机组可能存在的控制偏差进行修正，同时也提高了机组有功控制的响应、跟踪性能，使风电机组能够更为准确的执行监控下发的控制目标。

附图说明

图1风电机组限功率下变桨控制框图；

图2风电机组限功率下功率闭环控制框图；

图3风电机组常规控制下变桨控制框图；

图4风电机组常规控制下转矩控制框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

步骤1：如图1所示,风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值P_set，确定单台风电机组限功率的目标值P_limit；

步骤2：根据条件判断是否进入风电机组限功率模式，如果进入风电机组限功率模式，则执行步骤3，若不进入风电机组限功率模式，则执行步骤4；

步骤3：如图2所示，执行风电机组限功率模式下的控制策略；

步骤4：执行风电机组常规控制策略。

如图1、图2所示，所述步骤1中，根据如下条件确定风电机组限功率的目标值P_limit：

如果0＜P_set＜P_rate，则P_limit＝P_set，否则P_limit＝P_rate。

其中，P_set为风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值；P_rate为机组额定功率值；P_limit为限功率目标值。

所述步骤2中，满足如下条件之一即可进入风电机组限功率模式：

(1)风电机组电磁功率的10s平均值P_l0＞单台风电机组限功率目标值P_limit；

(2)风电机组电磁功率10s平均值P_l0＜单台风电机组限功率目标值P_limit，且变桨系统给定的目标桨角仍有增大的趋势。

如图2所示，所述步骤3中包含以下步骤：

步骤3-1：风电机组控制过程分为三个运行区间：一区为启动区，二区为最大风能捕获区，三区为恒转矩控制区。各个运行区间都有相应的变桨控制目标转速、转矩控制目标转速，根据步骤1得到的风电机组限功率目标值，通过查功率-转速表确定风电机组不同运行区间的目标转速。

如图1所示，确定限功率值且进入限功率模式后，根据限功率值P_limit查功率-转速表得到变桨目标转速ω_p，变桨控制中以电机实测转速与目标转速间的偏差ω_err为输入量，经过PI控制器输出桨角目标值，且对桨角目标值进行限幅。

如图2所示，确定限功率值且进入限功率模式后，根据限功率值P_limit查功率-转速表得到转矩目标转速在控制过程中需要对转速目标值的斜率进行限幅，限值为±15rpm/s。

步骤3-2：风电机组在一区、二区运行时，风电机组没有满发，转矩控制起主导作用，桨距角设定在最小工作位置，保证最大风能捕获。

如图2所示，进入限功率控制模式后，转矩控制分为两部分。风电机组运行在一区、二区时，转矩一方面由实测转速查转速-转矩表得出，另一方面根据转速误差经过转速PI计算得到，最后根据实际选择作为最终的目标转矩。

步骤3-3：风电机组在三区运行，此时风电机组满发，变桨控制起主导作用，目标转矩T_e由转矩基准项T_dem和转矩补偿项T_com相加得到。风电机组控制系统确定风电机组限功率值P_limit后，一方面通过查功率-转矩表获取转矩基准值另一方面通过功率闭环PI控制器计算得到转矩补偿值过程中对转矩基准值进行斜率限幅，限值为±700Nm/s。

步骤3-4：转矩补偿项是为了对单台风电机组有功功率的误差进行控制，产生转矩补偿项的功率闭环PI控制器使能需要满足：(1)机组处于准满发状态，准满发状态即当前风速下风电机组实际可发功率≥功率限定值P_limit；(2)如图2所示，|实测功率1s均值P₁-限功率值P_limit|＞额定功率P_rate的1％；(3)如果限功率目标值P_limit发生改变，则风电机组实际转速值应达到改变后的P_limit所对应的转速目标值，且实测转矩也应达到改变后的P_limit所确定的转矩基准值并持续至少5s。

功率闭环中，当机组实测功率1s均值P₁＜99％目标功率P_limit，且机组处于准满发状态时，PI控制输出转矩补偿项结果为正，意味着需要增加转矩给定值；相反，当机组实测功率1s均值P₁＞101％目标功率P_limit，且机组处于准满发状态时，PI控制输出转矩补偿项结果为负，意味着需要降低转矩给定值。

步骤3-5：功率闭环PI控制器的的实现方式。转矩补偿项中的PI控制器采用增量式PI计算，控制周期为1s。PI控制器的比例系数K_p和积分系数K_i均用增益调度控制，调度因子σ＝1/ω₁，ω₁为转速1s均值，并对PI控制器输出进行幅值和斜率限幅，其中幅值限值±10％额定转矩，斜率限幅±300Nm/s。为了防止P_limit突变引起PI控制器的输出饱和，当功率闭环无效时，转矩补偿项T_com＝0，同时PI控制器积分项清零。

所述步骤4中包含以下步骤：

步骤4-1：风电机组的常规控制方法中，风电机组各区间的目标转速为固定值，不随限功率值P_limit的改变而变化，一区的转速目标值为风电机组的并网转速，二区和三区的转速目标值均为风电机组的额定转速。

步骤4-2：如图4所示，风电机组运行在一区和二区时，转矩控制起主导作用，转矩一方面由实测转速查转速-转矩表得出，另一方面根据转速误差经转速PI计算得到，最后根据实际选择作为最终的目标转矩。

步骤4-3：风电机组运行在三区时，变桨控制起主导作用，如图3所示，转速目标值为固定值，变桨控制以电机实测转速与目标转速间的偏差ω_err为输入量，经过PI控制器输出桨角目标值，且对桨角目标值进行限幅，最后作为输出的目标桨角。如图4所示，三区的目标转矩为风电机组的额定转矩。

Claims (3)

1.一种风力发电机组限功率控制方法，其特征在于，所述的控制方法通过比较风电场监控系统下发的有功功率给定值和风电机组额定功率值，首先确定风电机组的限功率目标值，再判断是否进入风电机组限功率模式，根据风电机组的运行模式采用不同的控制方法；在风电场限功率模式下，在恒转矩控制中增加功率闭环进行修正，实现机组的无偏差控制；

所述的控制方法包括以下步骤：

步骤1：根据风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值，确定单台风电机组限功率的目标值P_limit；

如果风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值小于风电机组的额定功率值，则单台风电机组限功率的目标值为风电场监控系统下发给单台机组的有功功率给定值，否则，单台风电机组限功率的目标值为风电机组的额定功率值；

步骤2：判断是否进入风电机组限功率模式，如果进入风电机组限功率模式，则执行步骤3，若不进入风电机组限功率模式，则执行步骤4；

风电机组满足如下条件之一即可进入风电机组限功率模式：

(1)风电机组电磁功率的10s平均值＞单台风电机组限功率目标值；

(2)风电机组电磁功率10s平均值＜单台风电机组限功率目标值，且其变桨系统给定的目标桨角仍有增大的趋势；

步骤3：执行风电机组限功率模式下的控制策略；

步骤4：执行风电机组常规控制策略。

2.按照权利要 求1所述的风力发电机组限功率控制方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤：

步骤3-1：风电机组控制过程分为三个运行区间：一区为启动区，二区为最大风能捕获区，三区为恒转矩控制区；各个运行区间都有相应的变桨控制目标转速、转矩控制目标转速，根据步骤1得到的风电机组限功率目标值，通过查功率-转速表确定风电机组不同运行区间的目标转速；在控制过程中对转速目标值进行斜率限幅，限值为±15rpm/s；

步骤3-2：风电机组在一区、二区运行时，风电机组没有满发，转矩控制起主导作用，桨距角设定在最小工作位置，保证最大风能捕获；

步骤3-3：风电机组运行在三区时，风电机组满发，变桨控制起主导作用，目标转矩由转矩基准项和转矩补偿项两部分相加得到；风电机组控制系统确定风电机组限功率值后，一方面通过查功率-转矩表获取转矩基准项，另一方面通过功率闭环PI控制器计算得到转矩补偿项；在控制过程中对转矩基准值进行斜率限幅，限值为±700Nm/s；

步骤3-4：所述的转矩补偿项是对单台风电机组有功功率的误差进行控制；产生转矩补偿项的功率闭环PI控制器使能需要满足：

(1)机组处于准满发状态，即当前风速下风电机组实际可发功率不小于功率限定值P_limit；

(2)功率1s均值-限功率值＞1％额定功率或功率1s均值-限功率值＜-1％额定功率；

(3)如果限功率目标值发生改变，则风电机组实际转速值应达到改变后的限功率目标值所对应的转速目标值，且实测转矩也应达到改变后的限功率目标值所确定的转矩基准值并持续至少5s；

步骤3-5：转矩补偿项中的PI控制器采用增量式PI计算，控制周期为1s；PI控制器的比例系数K_p和积分系数K_i均用增益调度控制，调度因子＝1/转速1s均值；PI控制器输出的幅值和斜率需要进行限幅，其中幅值限值±10％额定转矩，斜率限幅±300Nm/s；为了防止目标功率突变引起PI控制器的输出饱和，当功率闭环无效时，转矩补偿项和PI控制器积分项同时清零。

3.按照权利要求1所述的风力发电机组限功率控制方法，其特征在于，所述的步骤4包含以下步骤：

步骤4-1：风电机组各区间的目标转速为固定值，不随限功率值的变化而变化，一区转速目标值为风电机组的并网转速，二区和三区的转速目标值均为风电机组的额定转速；

步骤4-2：风电机组运行在一区和二区时，转矩控制起主导作用，桨距角设定在最小工作位置，保证最大风能捕获；

步骤4-3：风电机组运行在三区时，变桨控制起主导作用，目标转矩为风电机组的额定转矩。