CN108418241B - 一种大型风电机组惯量响应优化控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大型风电机组惯量响应优化控制方法，包括以下步骤：1)检测得到发电机、电网频率、风速、桨距角；2)判断风电机组是否运行在变速阶段，是否进入惯量响应控制模式；3)如果是，存储进入该运行模式时刻的初始风速和初始发电机转速；4)对风速进行低通滤波；5)计算得到发电机最优目标控制转速；6)计算得到变速控制环输出的期望发电机转矩；7)计算得到实际输出的发电机期望转矩；8)发电机期望转矩输出给风电机组变流器控制发电机电磁力矩的控制；9)根据电网频率判断惯量响应控制模式是否退出，如果退出，发电机期望转矩以设定斜率恢复跟踪到发电机最优转矩。本发明有效解决惯量响应控制环与变速控制环之间的协调控制和平稳切换。

Description

一种大型风电机组惯量响应优化控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电机组控制方法，尤其是一种风力发电机组参与电网调频控制方法。

背景技术

我国是全球风电规模最大、发展最快的国家，截至2016年底，我国新增风电装机容量2337万千瓦，累计装机达1.68亿千瓦，均为世界第一。随着我国风电装机容量迅猛增加，风电装机容量占电力总装机容量的比重也越来越高，局部电网的风电装机容量甚至超过总容量的20％以上。高比例风电接入电力系统后的风电并网安全稳定运行形势日益严峻，这就要求风电从被动适应电网到主动支撑电网角色转变。

风电主动支撑电网最关键技术之一，就是要求大型风电机组具备惯量响应及一次调频控制能力。大型风电机组具有隐藏动能，主要储存在发电机、齿轮箱、叶轮。当利用该部分动能使大型风电机组的“隐藏惯量”得到体现后，变速风电机组将具备类似同步发电机的惯性响应能力，并在参与系统调频过程中减小频率变化率的最大值。通过控制大型风电机组的转子转速变化，并利用其转子动能得到风电机组的额外发电机功率，在大型风电机组变速控制环节附加一个与系统频率相关联的惯量响应控制环，可对原来的转速控制环节进行修正，使得风电机组可在较短的反应时间内调整其有功输出，即对系统频率具有了有效的响应。当系统频率保持在其额定值且不发生变化时，该附加的惯量响应控制环节将不起任何作用。而当频率发生变化时，惯量响应控制环节开始根据控制需求来动作。系统频率下降时，大型风电机组通过附加惯量响应控制环节来降低其转子转速，从而将部分转子动能转化为有功功率输入系统。反之，当系统频率升高时，大型风电机组通过提高转子转速来吸收部分电磁功率，并将转化所得的有功功率储存于风电机组的转子中，从而减少了有功功率的输出，即实现了风电机组参与系统调频的惯量响应控制。风电机组惯量响应控制实现公式为：

式中，ΔT为惯量响应控制环输出期望发电机转矩，K_g为惯量响应控制系数，f为电网频率，t为时间。

风电机组变速控制环实现功能就是，在额定风速以下时，当风速发生变化时，通过调整发电机转矩来控制发电机转速，使风电机组始终处于最佳尖速比运行，实现最大风能捕获，具体实现公式为:

式中，ΔT为变速控制环输出期望发电机转矩，k_opt为最优增益系数，ω_g为发电机转速。

因此，发电机实际输出的期望转矩为：

T_gd＝ΔT+T_opt (3)

由于附加的惯量响应控制环和变速控制环控制对象都是控制发电机转速。因此，在风电机组惯量响应控制过程，发电机转速ω_g运行轨迹会偏离最优转速控制曲线，然后，再用公式(2)计算得到变速控制环输出期望发电机转矩是严重失真的，无法实现预期的控制效果，因此如何解决惯量响应控制环与变速控制环之间的协调和切换，是风电机组实现惯量响应控制关键难题。

发明内容

为了克服已有风电机组惯量响应控制方式的变速控制环输出期望发电机转矩严重失真、控制效果较差的不足，本发明提供一种有效解决的变速控制环输出期望发电机转矩严重失真问题、控制效果较好的大型风电机组惯量响应优化控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大型风电机组惯量响应优化控制方法，包括以下步骤：

1)检测得到发电机ω_g、电网频率f、风速v、桨距角β；

2)根据电网频率f、发电机ω_g、桨距角β，判断风电机组是否运行在变速阶段，是否进入惯量响应控制模式；

3)如果风电机组运行在变速阶段，且进入惯量响应控制模式，存储进入该运行模式时刻的初始风速v₀和初始发电机转速ω_g0；

4)对风速v进行低通滤波得到滤波后风速v_L，其中，低通滤波器的表达式为：

式中：ω₁为低通滤波器频率，ξ₁为低通滤波器阻尼比；

5)根据风速变化，得到发电机最优目标控制转速ω_gd，计算公式如下：

式中：λ_opt为风轮的最佳减速比，G为齿轮箱速比，R为风轮半径；

6)根据发电机最优目标控制转速ω_gd，得到变速控制环输出的期望发电机转矩T_optd，计算公式如下：

7)根据变速控制运行的发电机转矩控制T_optd和惯量响应控制环输出期望转矩ΔT，得到实际输出的发电机期望转矩T_gd；

T_gd＝ΔT+T_optd (7)

8)发电机期望转矩T_gd输出给风电机组变流器控制发电机电磁力矩的控制，实现惯量响应协调优化控制；

9)根据电网频率f判断惯量响应控制模式是否退出，如果惯量响应模式退出，发电机期望转矩T_gd以设定斜率恢复跟踪到T_opt。

进一步，所述步骤9)，退出惯量响应控制模式判断条件为电网频率和频率变化率都小于设置死区。

本发明的技术构思为：在惯量响应控制环与变速控制环之间增加一个协调优化控制环，所述协调优化控制环。

本发明的有益效果主要表现在：1、解决了风电机组由于处于惯量响应控制模式，发电机转速偏离变速运行模式的运动轨迹，进而导致变速控制环输出发电机期望转矩失真问题；2、实现惯量响应控制环和变速控制环之间平稳切换和过渡，解决了风电机组惯量响应控制实际应用关键问题；3、充分考虑电网频率、机组有功输出和机组的实时风速，保证机组的惯量支撑效果对于电网和机组同时达到最优。

附图说明

图1是大型风电机组惯量响应协化控制总体控制框图。

图2是大型风电机组惯量响应优化控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，一种大型风电机组惯量响应优化控制方法，大型风电机组惯量响应协化控制是风电机组惯量响应控制环和变速控制环的基础，增加一个协同优化控制环，用于解决惯量响应控制环和变速控制环之间平稳切换和过渡问题。

根据Betz理论可知，风轮从风能中捕获的功率为P为：

P＝0.5ρSv³C_p(λ,β) (8)

式中，ρ为空气密度，S为风轮面积，C_p(λ,β)为风能利用系数，β为节距角，λ为尖速比。

尖速比λ为叶尖线速度与风速之比：

式中，ω叶轮转速，R为风轮半径。

由公式(8)可知，对于确定风速，风轮捕获的功率由风能利用系数C_p(λ,β)决定，而风能利用系数C_p与尖速比λ、节距角β成非线性关系，它们之间关系如图1所示(即为风能利用系数与尖速比、节距角之间的关系曲线簇)。从图中可以得出，当保持节距角β不变时，存在一个对应着最大风能利用系数C_pmax的最佳尖速比λ_opt。这一特性为风电机组变速控制提供理论基础：在低于额定风速时，通过协同变桨控制使各叶片节距角β始终处于0°，并通过变速控制使风电机组始终运行在最佳尖速比λ_opt附近，以实现最大风能捕获。变速控制环根据公式(2) 规律来控制功能。

风电机组惯量响应控制环根据公式(1)规律来控制。

参见图2，大型风电机组惯量响应优化控制流程如下：

1)检测得到发电机ω_g、电网频率f、风速v和桨距角β；

2)根据电网频率f、发电机ω_g、桨距角β，判断风电机组是否运行在变速阶段，是否进入惯量响应控制模式；

机组处于变速运行阶段判断条件为桨距角β＝0°，期望发电机转速处于变速范围。进入惯量响应控制模式判断条件为电网频率和频率变化率都大于设置死区。

3)如果风电机组运行在变速阶段，且进入惯量响应控制模式，存储进入该运行模式时刻的初始风速v₀和初始发电机转速ω_g0。

4)对风速v进行低通滤波得到滤波后风速v_L，其中，低通滤波器的表达式为：

5)根据风速变化，得到发电机最优估计转速ω_gd，根据公式(5) 计算得到。

在惯量响应控制过程，发电机转速运行轨迹变速运行模式的运动轨迹，根据公式(2)计算得到变速控制环输出期望发电机转矩是严重失真的，无法实现预期的控制效果。根据上述分析可知，变速控制环目标就是使机组始终运行在最佳尖速比λ_opt附近，以实现最大风能捕获。根据公式(9)可以得到发电机最优目标控制转速ω_gd为：

假定机组在进入惯量响应控制之前，机组已经处于最佳尖速比λ_opt运行，正在进行最大风能捕获，而在惯量响应过程，风速会发生变化，因此发电机最优目标控制转速ω_gd也会随风速变化而变化，变化公式为：

考虑风速变化较大，通常需要进行步骤4)的低通滤波，公式(11) 即变为公式(5)。

6)根据发电机最优估计转速ω_gd，得到变速控制环输出的期望发电机转矩T_optd，根据公式(6)计算得到。

7)根据变速控制运行的发电机转矩控制T_optd和惯量响应控制环输出期望转矩ΔT，得到实际输出的发电机期望转矩T_gd；

8)发电机期望转矩T_gd输出给风电机组变流器控制发电机电磁力矩的控制，实现惯量响应协调优化控制。

9)根据电网频率f判断惯量响应控制模式是否退出，如果惯量响应模式退出，发电机期望转矩T_gd以设定斜率恢复跟踪到T_opt。

退出惯量响应控制模式判断条件为电网频率和频率变化率都小于设置死区。

Claims (2)

1.一种大型风电机组惯量响应优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)检测得到发电机ω_g、电网频率f、风速v、桨距角β；

2)根据电网频率f、发电机ω_g、桨距角β，判断风电机组是否运行在变速阶段，是否进入惯量响应控制模式；

3)如果风电机组运行在变速阶段，且进入惯量响应控制模式，存储进入该运行模式时刻的初始风速v₀和初始发电机转速ω_g0；

4)对风速v进行低通滤波得到滤波后风速v_L，其中，低通滤波器的表达式为：

式中：ω₁为低通滤波器频率，ξ₁为低通滤波器阻尼比；

5)根据风速变化，得到发电机最优目标控制转速ω_gd，计算公式如下：

式中：λ_opt为风轮的最佳减速比，G为齿轮箱速比，R为风轮半径；

6)根据发电机最优目标控制转速ω_gd，得到变速控制环输出的期望发电机转矩T_optd，计算公式如下：

7)根据变速控制运行的发电机转矩控制T_optd和惯量响应控制环输出期望转矩ΔT，得到实际输出的发电机期望转矩T_gd；

T_gd＝ΔT+T_optd (7)

8)发电机期望转矩T_gd输出给风电机组变流器控制发电机电磁力矩的控制，实现惯量响应协调优化控制；

9)根据电网频率f判断惯量响应控制模式是否退出，如果惯量响应模式退出，发电机期望转矩T_gd以设定斜率恢复跟踪到T_opt。

2.如权利要求1所述的一种大型风电机组惯量响应优化控制方法，其特征在于，所述步骤9)，退出惯量响应控制模式判断条件为电网频率和频率变化率都小于设置死区。

Images