CN108979956B - 一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法，包括以下步骤：1)判断风电机组的运行区域；2)如果运行处于I区，组按常规变速控制模型运行；3)如果运行处于II区，对最优增益系数kopt进行修正，以提高风电机组发电效率；4)如果运行处于III区，需要采用自动寻优控制模式进行变速控制，以实现能量最大捕获；如果运行处于IV区，执行停机保护。本发明实现根据桨叶覆冰程度不同，采取多种控制模式，提高了风电机组在冰冻环境运行条件的发电性能，并确保机组安全稳定运行。

Description

一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法
技术领域
本发明涉及风电机组控制方法，尤其是一种风电机组提升发电性能的控制方法。
背景技术
近年，我国风电呈现往南方山地风场发展趋势。南方山地风场冬天普遍存在较严重的冰冻环境。风电机组在冰冻环境下运行主要问题就是桨叶覆冰，会使风电机组出力下降，覆冰严重时，风电机组出力甚至会下降80％以上。
大型风电机组变速控制环实现功能是：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，Topt为变速控制环输出期望发电机转矩，kopt为最优增益系数，ωg为发电机转速。
最优增益系数kopt为：
式中：ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp(λopt)为最佳尖速比运行时的风能捕获系数(最大风能捕获系数)，λopt为最佳尖速比，G为齿轮箱速比。
风电机组桨叶覆冰之后，桨叶翼型发生变化，风力气动性能也发生变化，式(2)中最佳尖速比λopt和最大风能捕获系数Cp(λopt)都会发生较大变化，如果继续用公式(2)计算得到kopt，代入公式(1)进行风电机组变速控制，将无法实现风电机组最大能量捕获，且还会进一步加剧风电机组覆冰后出力的下降，影响风场发电收益。
发明内容
为了克服现有大型风电机组变速控制方式在冰冻环境下的发电性能较差的不足，本发明提供一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法，包括以下步骤：
1)采集得到风速、发电机功率、桨距角和发电机转速，根据统计得到风速-发电机功率散点分布与理论功率曲线比较，判断风电机组运行的工作区域：I区为未受覆冰影响区，II区为轻微受覆冰影响区，III区为较严重微受覆冰影响区，IV区为严重受覆冰影响区；
2)如果风电机组运行处于I区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下公式计算；
式中：ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp(λopt)为最佳尖速比运行时的风能捕获系数，λopt为最佳尖速比，G为齿轮箱速比；
3)如果风电机组运行处于II区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下公式计算：
式中，k为修正系数，0＜k＜1，设置值根据运行经验数据得到；
4)如果风电机组运行处于III区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下计算过程得到：
首先计算出发电机输出功率偏差eg：
eg＝Pg(n)-Pg(n-1) (5)
式中，Pg(n)为第n个控制周期的发电机输出功率，Pg(n-1)为第n-1个控制周期的发电机输出功率；
第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)为：
式中，kopt(n-1)为第n-1个控制周期最优增益系数，a为控制参数，ωg(n-1)为第n-1个控制周期的发电机转速，ωg(n)为第n个控制周期的发电机转速；
5)如果风电机组运行处于IV区，风电机组停机保护；
6)如果风电机组运行处于四个区域以外，风电机组停机保护；
7)对kopt(n)变化斜率进行限幅控制：
式中，b为kopt为变化斜率限制值，T为控制周期；
8)把kopt(n)代入以下公式实现大型风电机组的变速控制：
Topt(n)＝kopt(n)ωg(n)2 (8)
式中，Topt(n)为第n个控制周期的变速控制环输出期望发电机转矩。
本发明的有益效果主要表现在：1、根据桨叶覆冰程度不同，采取多种控制模式，并实现多控制模式之间光滑切换；2、提高风电机组在冰冻环境运行条件的发电性能，确保机组安全稳定运行。
附图说明
图1是根据功率曲线判断风电机组处于运行区域图。
图2是本发明提出的冰冻环境下提升风电机组发电性能控制流程图。
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，根据统计风电机组运行过程的风速-发电机功率散点分布与理论功率曲线比较，划为四个工作区域。如果风电机组运行处于I区，表明风电机组出力一切正常，桨叶未受覆冰影响，机组按常规变速控制模型运行；如果风电机组运行处于II区，表明风电机组出力略有下降，桨叶受轻微覆冰影响，最优增益系数kopt需要进行修正(修正系数可以根据运行经验数据得到)，以提高风电机组发电效率；如果风电机组运行处于III区，表明风电机组出力下降较严重，桨叶受较严重覆冰，机组出力特性发生严重变化，需要采用自动寻优控制模式进行变速控制，以实现能量最大捕获；如果风电机组运行处于IV区，表明风电机组出力下降严重，机组覆冰非常严重，影响机组安全，需要停机保护。
参照图2，一种冰冻环境下提升风电机组发电性能控制方法，包括以下步骤：
1)根据统计风电机组运行过程的风速-发电机功率散点与理论功率曲线比较，判断机组运行区域；
2)如果风电机组运行处于I区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按公式(3)计算；
3)如果风电机组运行处于II区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按公式(4)计算；
4)如果风电机组运行处于III区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按公式(5)(6)计算；
5)如果风电机组运行处于IV区，风电机组停机保护；
6)如果风电机组运行处于四个区域以外，风电机组停机保护；
7)对kopt(n)变化斜率按公式(7)进行限幅控制；
8)把kopt(n)代入公式(8)实现大型风电机组的变速控制。

Claims (1)

1.一种冰冻环境下提升风电机组发电性能的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)根据采集得到风速、发电机功率、桨距角和发电机转速，根据统计得到风速-发电机功率散点分布与理论功率曲线比较，判断风电机组运行的工作区域：I区为未受覆冰影响区，II区为轻微受覆冰影响区，III区为较严重微受覆冰影响区，IV区为严重受覆冰影响区；
2)如果风电机组运行处于I区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下计算；
式中：ρ为空气密度，R为风轮半径，Cp(λopt)为最佳尖速比运行时的风能捕获系数，λopt为最佳尖速比，G为齿轮箱速比；
3)如果风电机组运行处于II区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下公式计算：
式中，k为修正系数，0＜k＜1，修正系数根据运行经验数据得到；
4)如果风电机组运行处于III区，第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)按以下计算过程得到：
首先计算出发电机输出功率偏差eg：
eg＝Pg(n)-Pg(n-1) (5)
式中，Pg(n)为第n个控制周期的发电机输出功率，Pg(n-1)为第n-1个控制周期的发电机输出功率；
第n个控制周期的最优增益系数kopt(n)为：
式中，kopt(n-1)为第n-1个控制周期最优增益系数，a为控制参数，ωg(n-1)为第n-1个控制周期的发电机转速，ωg(n)为第n个控制周期的发电机转速；
5)如果风电机组运行处于IV区，风电机组停机保护；
6)如果风电机组运行处于四个区域以外，风电机组停机保护；
7)对kopt(n)变化斜率进行限幅控制：
式中，b为kopt为变化斜率限制值，T为控制周期；
8)把kopt(n)代入以下公式实现大型风电机组的变速控制：
Topt(n)＝kopt(n)ωg(n)2 (8)
式中，Topt(n)为第n个控制周期的变速控制环输出期望发电机转矩。
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