CN107134814A - 一种双馈风机协同有功备用控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制及电力系统新能源发电技术，具体涉及一种双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤，步骤1，利用超速法和变桨法的优势，制定在全风速工况下的双馈风机协同有功备用控制策略；步骤2，设计改进型转速控制系统与桨距角控制系统，实现双馈风机有功功率控制。该控制方法解决了以双馈风机为典型的变速风电机组有功备用控制问题。综合变速、变桨有功控制方法优势，在风机并网运行时，利用功率控制指令和风机功率输出的差值信号进行风机转速调节，从而实现风机机组快速有功调整及备用调用，替代传统同步机组的有功备用容量，提高了电网的风电消纳能力与整体效能，为风电场的规划与建设提供指导。

Description

一种双馈风机协同有功备用控制方法

技术领域

本发明属于电机控制及电力系统新能源发电技术领域，尤其涉及一种双馈风机协同有功备用控制方法。

背景技术

随着风力发电技术的快速发展，风电机组单机容量和并网规模不断增大，高比例的风电并网带来了可观的经济、环境效益，但也给电力系统的功率平衡和稳定运行带来了新的挑战。为了提高电网对风电消纳能力以及并网稳定性，对风电场有功备用控制方法及其控制系统的研究具有十分重要意义。

目前常见的双馈风机有功功率控制方法主要包括超速法和变桨法两种。变速法通过增加双馈风机的转子转速使其运行于非最大功率点，实现风机的减载运行，但超速法受风机转速最大值的限制，仅能在中低风速工况下实现，所能调节的功率范围有限；变桨法通过调节风机桨距角来降低风轮捕获的机械功率，实现全风速工况下机组输出功率的稳定有效控制，但该方法需要频繁动作桨距角系统，增加设备损耗。而关于变速、变桨法综合控制方法研究所需的控制输入常包含实测风速数据，可靠性不高，且缺乏对不同风速段间控制模式切换的深入讨论，同时也忽视了双馈风机提供有功备用的潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种结合超速法和变桨法的优势，在全风速工况下的双馈风机有功备用控制方法。实现风电场有功出力调节并为电网提供功率备用，有效指导风电并网运行与控制。限制风机有功出力从而将弃风能转为有功备用，有效提高电网对风电消纳能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤，

步骤1，利用超速法和变桨法的优势，制定在全风速工况下的双馈风机协同有功备用控制策略；

步骤2，设计改进型转速控制系统与桨距角控制系统，实现双馈风机有功功率控制。

在上述的双馈风机协同有功备用控制方法中，步骤1的实现包括：

步骤1.1、实时监测双馈风机转速ω_r和有功出力，当双馈风机输出功率P_e小于功率控制指令值P_ctrl时，双馈风机保持最大功率跟踪控制，从而获取最大风能转换效率；

步骤1.2、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r未达到最大值，优先加速双馈风机转速ω_r来降低双馈风机有功出力；当双馈风机转速ω_r加速至最大值，双馈风机有功出力未达到理想的减载值时，则适量增大双馈风机桨距角进一步降低有功出力；

步骤1.3、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r已经达到最大值时，直接启动桨距角控制，通过增大双馈风机桨距角来降低有功出力和功率控制指令值P_ctrl；

步骤1.4、通过步骤1.2、步骤1.3降低的有功出力作为双馈风机为电网提供的有功热备用值。

在上述的双馈风机协同有功备用控制方法中，步骤2的实现包括：

步骤2.1、改进型转速控制系统包括双馈风机转速系统和附加转速控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl；启动后获得双馈风机转速输出指令ω_ref以及转子侧控制器需要的参考有功功率P_ref；超速法作用下的附加转速Δω，下限为0rad/s，当P_ctrl>P_e时，Δω＝0，附加转速控制不启动；当P_ctrl<P_e时，Δω＞0并与最大功率控制下的转速ω_opt一起组成双馈风机转速输出指令ω_ref，实时调整双馈风机转速，并通过原有的功率闭环控制环节调整双馈风机输出功率P_e；

步骤2.2、改进型桨距角控制系统包括桨距角控制与附加桨距角控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl，输出量为双馈风机桨距角β；附加桨距角控制环节确保桨距角控制系统在双馈风机转速ω_r达到额定转速ω_n前不启动，同时保证双馈风机输出功率P_e不超过参考值P_c，参考值P_c选取规则如下：

式中，P_n为双馈风机额定功率，dω为转速控制信号偏离裕度指标。

本发明的有益效果是：

1.优先加速双馈风机转子策略充分利用双馈风机转动惯量将弃风能转化为功率热备用，能有效替代传统同步机组的有功备用容量，提高电网的风电消纳能力与整体效能。

2.转子惯性储能的释放使双馈风机能够在短时间内提供额外电能，协同有功控制策略能够提高风机的发电效率。

3.改进型有功控制系统控制输入仅与自身工作参数有关，不依靠风速实时测量数据，可靠性更高。

附图说明

图1是本发明一个实施例改进型双馈风机转速控制系统控制框图；

图2是本发明一个实施例改进型双馈风机桨距角控制系统控制框图；

图3是本发明一个实施例8m/s风速工况下不同功率控制指令值仿真示意图；

图4是本发明一个实施例12m/s风速工况下不同功率控制指令值仿真示意图；

图5是本发明一个实施例平均风速8m/s随机风速工况下调试指令响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤，

步骤1，利用超速法和变桨法的优势，制定在全风速工况下的双馈风机协同有功备用控制策略；

步骤2，设计改进型转速控制系统与桨距角控制系统，实现双馈风机有功功率控制。

进一步，步骤1的实现包括：

步骤1.1、实时监测双馈风机转速ω_r和有功出力，当双馈风机输出功率P_e小于功率控制指令值P_ctrl时，双馈风机保持最大功率跟踪控制，从而获取最大风能转换效率；

步骤1.2、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r未达到最大值，优先加速双馈风机转速ω_r来降低双馈风机有功出力；当双馈风机转速ω_r加速至最大值，双馈风机有功出力未达到理想的减载值时，则适量增大双馈风机桨距角进一步降低有功出力；

步骤1.3、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r已经达到最大值时，直接启动桨距角控制，通过增大双馈风机桨距角来降低有功出力和功率控制指令值P_ctrl；

步骤1.4、通过步骤1.2、步骤1.3降低的有功出力作为双馈风机为电网提供的有功热备用值。

更进一步，步骤2的实现包括：

步骤2.1、改进型转速控制系统包括双馈风机转速系统和附加转速控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl；启动后获得双馈风机转速输出指令ω_ref以及转子侧控制器需要的参考有功功率P_ref；超速法作用下的附加转速Δω，下限为0rad/s，当P_ctrl>P_e时，Δω＝0，附加转速控制不启动；当P_ctrl<P_e时，Δω＞0并与最大功率控制下的转速ω_opt一起组成双馈风机转速输出指令ω_ref，实时调整双馈风机转速，并通过原有的功率闭环控制环节调整双馈风机输出功率P_e；

步骤2.2、改进型桨距角控制系统包括桨距角控制与附加桨距角控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl，输出量为双馈风机桨距角β；附加桨距角控制环节确保桨距角控制系统在双馈风机转速ω_r达到额定转速ω_n前不启动，同时保证双馈风机输出功率P_e不超过参考值P_c，参考值P_c选取规则如下：

式中，P_n为双馈风机额定功率，dω为转速控制信号偏离裕度指标。

具体实施时，为了解决以双馈风机为典型的变速风电机组有功备用控制问题，限制风机有功出力从而将弃风能转为有功备用，有效提高电网对风电消纳能力。

提出适用于双馈风机的改进型协同有功备用控制策略，结合超速法和变桨法的优势，提出全风速工况下的双馈风机有功备用控制方法。

为了实现全风速工况下的双馈风机有功备用控制方法，设计双馈风机改进型有功功率控制系统，通过改进型桨距角控制系统与转速控制系统构建改进型风机有功功率控制系统，从而实现双馈风机协同有功备用控制方法的应用。

一种双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤：

S1.实时监测双馈风机转速ω_r和有功出力，当双馈风机输出功率P_e小于功率控制指令值P_ctrl时，双馈风机保持最大功率跟踪控制，从而获取最大风能转换效率。

S2.当风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r未达到最大值，优先加速双馈风机转速ω_r来降低双馈风机有功出力。当双馈风机转速ω_r加速至最大值时，双馈风机有功出力未达到理想的减载值，则适量增大双馈风机桨距角进一步降低有功出力。

S3.当风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r已经达到最大值时候，直接启动桨距角控制，通过增大双馈风机桨距角来降低有功出力和功率控制指令值P_ctrl。

S4.通过协同有功备用控制方法降低的有功出力即为双馈风机可为电网提供的有功热备用值。

实现上述双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤：

S1.1，转速控制系统如图1所示，包括双馈风机转速系统和附加转速控制环节。输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl，启动后可以获得双馈风机转速输出指令ω_ref以及转子侧控制器需要的参考有功功率P_ref。信号Δω为超速法作用下的附加转速，下限为0rad/s，因此当P_ctrl>P_e时，Δω＝0，即附加转速控制不启动；当P_ctrl<P_e时，Δω＞0并与最大功率控制下的ω_opt一起组成双馈风机转速输出指令ω_ref，实时调整风机转速，并通过原有的功率闭环控制环节调整双馈风机输出功率P_e。

S2.桨距角控制系统控制原理如图2所示，包括原有的桨距角控制与附加桨距角控制环节。输入信号包括双馈风机转速ω_r，风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl，输出量为双馈风机桨距角β。附加桨距角控制环节增加了信号判断环节，确保桨距角控制系统在双馈风机转速ω_r达到额定转速ω_n前不启动，同时保证了双馈风机输出功率P_e不超过参考值P_c，信号P_c选取规则如下：

式中，P_n为双馈风机额定功率，dω为转速控制信号偏离裕度指标。

以下以某一60MW风电场实例仿真，单台风机容量为2MW。风电场所有风机应用本实施例提出的双馈风机协同有功备用控制方法，包括以下步骤：

1，仿真高、低两种不同风速工况下，改进型双馈风机有功控制有功效果，和备用容量分析。

1.1，低风速下取代表风速8m/s，给定不同的功率控制指令值P_ctrl，仿真结果如图3所示，可以看出双馈风机输出功率与功率控制指令曲线重合度较高，可见在低风速工况下，本实施例提出的双馈风机协同有功备用控制方法能使双馈风机有效响应功率控制指令，并具有良好的控制效果。同时超速法能够将部分弃风能转化为双馈风机叶轮惯性储能，在减载运行工况改善时(风速下降或者功率控制值增大)再转换成电能，提高发电效率。

1.1.1，低风速下，当双馈风机转速加速至额定转速时，即为该风速下风机转动惯量能够储存的最大有功容量，实例建立的2MW风机模型有功备用容量如表1所示。

表1

可以看出当风速小于10m/s时，本实施例提出的双馈风机协同有功备用控制方法能够将弃风能转化为转子动能，从而能够实现有功热备用，其中当风速为7m/s时候，风机备用容量比达到21％，超过电网对传统同步机组10％-15％的备用要求，中低风速作为双馈风机主要的运行环境，这能有效降低电网常规同步机组的备用成本，并提高弃风限电条件下电网对风电的消纳能力。

1.2，高风速下取代表风速12m/s，给定不同的功率控制指令值P_ctrl，仿真结果如图4所示。高风速下仅依靠桨距角来实现风机减载，可以看出双馈风机实时输出功率与功率控制指令曲线重合度较高，同时由于高风速下，双馈风机转速已达最大值，故转速曲线也与最大功率跟踪控制下的转速曲线基本重合，可见双馈风机协同有功备用控制方法具有良好的控制效果，并保证风机输出功率不超过额定值。

2，将功率控制指令视作电网调度指令输入，仿真双馈风机协同有功备用控制方法对调度指令的响应性能。采用平均风速8m/s的随机风，控制效果如图5所示。可以看出双馈风机协同有功备用控制方法，能够在随机风速工况下有效响应电网功率调度指令，同时可以通过选择合适的功率控制指令值P_ctrl来减小双馈风机输出功率的波动，提高风电电能质量。

综上所述，本实施例综合变速、变桨有功控制方法优势提出一种适用于全风速工况下的双馈风机协同有功备用控制方法，并据此设计双馈风机改进型有功功率控制系统。低风速下通过优先加速双馈风机转速对弃风能量进行储存，同时判断双馈风机转速是否到达额定转速来启动桨距角调整；进而嵌入附加转速控制和桨距角控制环节设计了双馈风机功率控制系统，在双馈风机并网运行时，利用功率控制指令和双馈风机功率输出的差值信号进行双馈风机转速调节，从而实现风机机组快速有功调整及备用调用。有效地实现了双馈风机有功出力调节并提供有功热备用，从而替代传统同步机组的有功备用容量，提高了电网的风电消纳能力与整体效能，为风电场的规划与建设提供指导。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种双馈风机协同有功备用控制方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1，利用超速法和变桨法的优势，制定在全风速工况下的双馈风机协同有功备用控制策略；

步骤2，设计改进型转速控制系统与桨距角控制系统，实现双馈风机有功功率控制。

2.如权利要求1所述的双馈风机协同有功备用控制方法，其特征在于，步骤1的实现包括：

步骤1.1、实时监测双馈风机转速ω_r和有功出力，当双馈风机输出功率P_e小于功率控制指令值P_ctrl时，双馈风机保持最大功率跟踪控制，从而获取最大风能转换效率；

步骤1.2、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r未达到最大值，优先加速双馈风机转速ω_r来降低双馈风机有功出力；当双馈风机转速ω_r加速至最大值，双馈风机有功出力未达到理想的减载值时，则适量增大双馈风机桨距角进一步降低有功出力；

步骤1.3、当双馈风机输出功率P_e大于功率控制指令值P_ctrl，且双馈风机转速ω_r已经达到最大值时，直接启动桨距角控制，通过增大双馈风机桨距角来降低有功出力和功率控制指令值P_ctrl；

步骤1.4、通过步骤1.2、步骤1.3降低的有功出力作为双馈风机为电网提供的有功热备用值。

3.如权利要求1所述的双馈风机协同有功备用控制方法，其特征在于，步骤2的实现包括：

步骤2.1、改进型转速控制系统包括双馈风机转速系统和附加转速控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl；启动后获得双馈风机转速输出指令ω_ref以及转子侧控制器需要的参考有功功率P_ref；超速法作用下的附加转速Δω，下限为0rad/s，当P_ctrl>P_e时，Δω＝0，附加转速控制不启动；当P_ctrl<P_e时，Δω＞0并与最大功率控制下的转速ω_opt一起组成双馈风机转速输出指令ω_ref，实时调整双馈风机转速，并通过原有的功率闭环控制环节调整双馈风机输出功率P_e；

步骤2.2、改进型桨距角控制系统包括桨距角控制与附加桨距角控制环节；输入量包括双馈风机转速ω_r，双馈风机输出功率P_e以及功率控制指令值P_ctrl，输出量为双馈风机桨距角β；附加桨距角控制环节确保桨距角控制系统在双馈风机转速ω_r达到额定转速ω_n前不启动，同时保证双馈风机输出功率P_e不超过参考值P_c，参考值P_c选取规则如下：

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式中，P_n为双馈风机额定功率，dω为转速控制信号偏离裕度指标。