CN108843494B - 基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，针对风机在高风速风况下频繁变桨的问题，该方法在基于斜线平滑功率控制减小风机输出功率波动的基础上，充分利用任意桨距角下的大转动惯量风轮动能缓冲/释放作用，实现风机在任意桨距角下的转速区间控制；变速调节与变桨调节配合使用，变速调节光滑由小幅值、高频率风速波动导致的风电功率波动，变桨调节应对大幅值、低频率的风速变化。本发明在不扩大功率波动对电网频率影响的同时，有效降低变桨动作的幅度和频率，减小变桨伺服机构的疲劳程度和叶片载荷，延长风机寿命。

Description

基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法

技术领域

本发明属于风机控制领域，具体涉及一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法。

背景技术

风电机组出力具有显著的间歇性和随机波动特性。随着其大规模、高渗透率接入电网，风电功率秒级至分钟级的大幅波动将使电力系统面临更为严峻的频率稳定问题。为此，风电机组放弃传统的最大化风能捕获，转而采用平滑功率控制，成为缓解电网调频压力的有效途径之一。

目前，实现风电机组出力平滑的方法主要可以分为两大类：依靠外部储能的平滑功率方法和依靠风机控制的方法。对于前者，利用储能设备的能量缓存虽能有效缓解风电功率波动，但也大幅增加了风电场的发电成本与运维难度。因此，考虑到大转动惯量风轮同样可用作能量缓冲，依靠风机控制的方法业已成为当前研究热点。

依靠风机控制的功率平滑主要包括优先桨距角控制和优先转速控制。前者通过调节桨距角改变输入气动功率，其过于频繁的桨距角动作不可避免地增大了变桨伺服机构的疲劳和叶片载荷。相比而言，优先转速控制通过交替积累和释放风轮动能，不仅实现了风电功率的平滑输出，而且有效减少了桨距角的动作量。这将有利于平滑功率控制的工程应用。

但是，研究发现：由于利用风轮加速来缓存动能，采用平滑功率控制的风机常常容易加速至额定转速。达到转速上限不仅使得风轮动能缓冲失效，而且风机控制重点也转变为仅依赖变桨调节的恒转速控制。此时，风机仍需频繁而大量的桨距角调节以避免风机超速，这同样会增大变桨伺服机构的疲劳与叶片载荷。究其原因在于，现有平滑功率方法囿于变速控制和变桨控制的独立应用，导致只有桨距角为零度时的风轮才被用作动能缓冲器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，通过将任意桨距角下的风轮均用作动能缓冲，变速调节与变桨调节交替进行，极大程度上减少了桨距角动作幅度和频率，降低了变桨伺服机构的动作压力和叶片载荷。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径R、额定转速ω_rate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λ_opt以及最大风能利用系数C_pmax；

步骤2、根据斜线平滑功率控制方法的输出功率表达式，确定变桨的转速区间[ω_lim.l,ω_lim.u]；

步骤3、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；

步骤4、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r＞ω_lim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；

步骤5、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r<ω_lim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；

步骤6、获得参考桨距角指令β_ref。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出了一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，解决了现有方法在高风速风况下频繁变桨的问题；2)本发明公开了基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法的步骤，通过将任意桨距角(零度和非零度)风轮用作动能缓冲，能够在保证不扩大功率波动对电网频率的影响的同时，大幅减少桨距角动作的幅度和频率，降低变桨伺服机构的动作压力和叶片载荷。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法流程图。

图2为本发明的基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法的控制器结构图。

图3(a)～图3(c)为本发明的有效性验证的实验结果，其中图3(a)是风机模拟器在本发明所提方法和现有方法下的风速序列、转速、桨距角和功率曲线图，图3(b)是本发明所提方法和现有方法在变桨时对叶片根部造成的力矩大小比较示意图，图3(c)是本发明所提方法和现有方法下的风机输出功率引入至电网的频率波动比较示意图。

具体实施方式

结合图1，一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径R、额定转速ω_rate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λ_opt以及最大风能利用系数C_pmax；

步骤2、根据斜线平滑功率控制方法的输出功率表达式，确定变桨的转速区间[ω_lim.l,ω_lim.u]；

步骤3、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；

步骤4、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r＞ω_lim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；

步骤5、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r<ω_lim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；

步骤6、获得参考桨距角指令β_ref。

进一步的，步骤2中确定转速区间[ω_lim.l,ω_lim.u]的具体方式如下：

斜线平滑功率控制方法的输出功率表达式为P_slope＝Kω_r+P₀，其中ω_r为风机的实际转速，其中斜线斜率K和斜线与纵轴交点P₀通常按以下规则确定：

上式中，(ω_set,P_set)为在最优功率曲线上选定的一个参考点，满足

K₁为斜率系数，K₁<1，

为最大功率点跟踪控制下的最优转矩系数。

转速区间下限的取值为最优功率曲线

与斜线平滑功率控制曲线P_slope＝Kω_r+P₀的交点，转速区间的上限ω_lim.u取值为风机的额定转速ω_rate。

进一步的，步骤3中恒定桨距角模式的具体形式：

当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，风机桨距角维持不变，充分利用任意桨距角风轮的动能缓冲作用对风机输出功率进行平滑。

进一步的，步骤4中上调桨距角模式的具体形式：

当ω_r＞ω_lim.u时，为防止风轮转速超过额定转速，通过上调桨距角来降低风能捕获系数，从而降低风轮转速，桨距角的给定形式为：

β_ref＝K_uP(ω_r-ω_lim.u)+K_uI∫(ω_r-ω_lim.u)dt

其中，K_uP、K_uI分别为上调桨距角过程中的比例系数和积分系数。

进一步的，步骤5中下调桨距角模式的具体形式：

当ω_r<ω_lim.l时，为防止风轮转速过低而停机，通过下调桨距角来增大风能捕获系数，从而提升风轮转速，桨距角的给定形式为：

β_ref＝K_lP(ω_r-ω_lim.l)+K_lI∫(ω_r-ω_lim.l)dt

其中，K_lP、K_lI分别为下调桨距角过程中的比例系数和积分系数。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

利用美国国家能源部可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory，NREL)提供的开源的专业风力机仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)来模拟控制效果。风力机模型采用NREL开发的600kW CART3试验机型，具体参数如表1所示。

表1 NREL 600kW CART3风力机主要参数

基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法的控制结构如图2所示，主要包括三个部分：基于变桨调节的转速区间控制、基于风轮动能缓冲的输出功率平滑控制以及基于MPPT的风机稳定性维持。

将风轮转速ω_r作为输入，输出转矩指令

和桨距角指令β_ref，进而将该两个指令分别发送到发电机和变桨伺服机构。

斜线平滑控制的具体形式为P_slope＝Kω_r+P₀，其参数确定为

式中，(ω_set,P_set)为在最优功率曲线上选定的一个参考点，满足

K₁为斜率系数，K₁<1，

为最大功率点跟踪控制下的最优转矩系数。

基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法的控制器参数确定如下：

转速上限ω_lim.u设定为风轮的额定转速ω_rate；转速下限ω_lim.l理论上设定为步骤2中确定的交点。

式中，比例系数K_uP、K_lP和积分系数K_uI、K_lI是常量参数。

然后，根据转速变化情况来确定风机的运行模式，具体流程图如图1。

模式1：当ω_r＞ω_lim.u时，风机处在上调桨距角阶段；

模式2：当ω_r<ω_lim.l时，风机处在下调桨距角阶段；

模式3：当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，风机桨距角维持不变，充分利用任意桨距角风轮的动能缓冲作用对风机输出功率进行平滑。

最后，通过风机模拟器平台对本发明进行实验验证。选取600s湍流风速序列，分别对现有方法和本发明所提改进方法进行实验，其实验结果如图3(a)～图3(c)。图3(a)中曲线分别为风速序列、转速、桨距角以及功率信号，转速图中实直线是设定的转速上限，虚直线是设定的转速下限，本发明所提方法的转速运行范围宽于现有方法，并且在较长时间内保持桨距角恒定，变桨频率低于现有方法。图3(b)所示为本发明所提方法和现有方法在变桨时对叶片根部造成的力矩大小比较，可以看出本发明所提方法的叶根载荷低于现有方法。图3(c)为两种方法输出的功率波动引入电网模型后，对电网频率的影响，±0.2Hz处的虚直线是电网容许的最大频率偏差，可以看出，两种方法对电网频率的影响均在其允许范围内。

以上实验结果说明，采用本发明所提的基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法能有效减少桨距角动作的幅度和频率，进一步验证了本发明所提的改进方法的有效性和实用性。

Claims (1)

1.一种基于斜线平滑功率控制的风机变桨优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径R、额定转速ω_rate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λ_opt以及最大风能利用系数C_pmax；

步骤2、根据斜线平滑功率控制方法的输出功率表达式，确定不变桨的转速区间[ω_lim.l,ω_lim.u]，具体方式如下：

斜线平滑功率控制方法的输出功率表达式为P_slope＝Kω_r+P₀，其中ω_r为风机的实际转速，其中斜线斜率K，斜线与纵轴交点P₀分别为：

上式中，(ω_set,P_set)为在最优功率曲线上选定的一个参考点，满足

K₁为斜率系数，K₁＜1，

为最大功率点跟踪控制下的最优转矩系数；

转速区间下限的取值为最优功率曲线

与斜线平滑功率控制曲线P_slope＝Kω_r+P₀的交点，转速区间的上限ω_lim.u取值为风机的额定转速ω_rate；

步骤3、根据风机的实际转速ω_r选择桨距角控制模式，当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；恒定桨距角模式的具体形式为：风机桨距角维持不变；

步骤4、根据风机的实际转速ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r>ω_lim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；上调桨距角模式的具体形式：

当ω_r>ω_lim.u时，通过上调桨距角来降低风能捕获系数，降低风轮转速，桨距角的给定形式为：

β_ref＝K_uP(ω_r-ω_lim.u)+K_uI∫(ω_r-ω_lim.u)dt

其中，K_uP、K_uI分别为上调桨距角过程中的比例系数和积分系数；

步骤5、根据风机的实际转速ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r＜ω_lim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；步骤5中下调桨距角模式的具体形式：

当ω_r＜ω_lim.l时，通过下调桨距角来增大风能捕获系数，提升风轮转速，桨距角的给定形式为：

β_ref＝K_lP(ω_r-ω_lim.l)+K_lI∫(ω_r-ω_lim.l)dt

其中，K_lP、K_lI分别为下调桨距角过程中的比例系数和积分系数；

步骤6、获得参考桨距角指令β_ref。

Images