CN109611270B - 一种风力发电机组一次调频的减载控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于风力发电主控系统控制技术领域，公开了一种风力发电机组一次调频的减载控制方法，根据变桨距风力发电机组在不同桨距角和叶尖速比下具有不同的风能捕获效率，综合功率备用控制中超速法和桨距角控制法优缺点的基础上，利用桨距角控制策略,实现风力发电机组一次调频的减载控制，该控制方法包含低风速、中风速和高风速三种功率备用控制策略，控制方法简单可靠，且有利于减轻一次调频减载运行时风力发电机组桨叶频繁调节带来的装置机械磨损问题。

Description

一种风力发电机组一次调频的减载控制方法
技术领域
本发明属于风力发电主控系统控制技术领域，具体涉及一种风力发电机组一次调频的减载控制方法。
背景技术
电力系统供电与用电的不平衡会影响电力系统的稳定运行，造成系统频率波动，电能质量下降。由于风力发电具有间歇性和不确定性的特点，大规模风力发电的接入将导致电力系统常规机组备用容量需求增加，同时现有主流风电机组主要为变速恒频的双馈型风力发电机组和直驱型风力发电机组，通常以MPPT方式运行，并不能在电网频率下降时像常规机组一样对电网进行持续的有功支持。为降低风电接入对频率质量和电网稳定性的影响，保证电力系统安全可靠的运行，有必要研究风力发电机组的一次调频策略，使得风电机组具备与常规机组类似的调频功能。国内外关于一次调频研究的相关技术及文献众多，主要通过增加储能系统、转子惯性控制以及功率备用控制三种方式，或者以上三种控制方式的组合得以实现。
增加储能系统的控制原理主要是当电网出现频率偏移时，用储能装置的充/放电来补偿风力发电机输出功率的波动，使风力发电–储能系统总输出功率较平稳。风力发电机组–储能系统可以较好地平滑风力发电机组的有功输出和调频等辅助功能，但会导致结构与控制变得复杂、成本高昂，同时还受到安装条件等多种因素的限制。
转子惯性控制是通过添加一个频率控制环节来为风电机组的有功功率控制系统提供一个额外的有功参考信号，进而使风电机组能够及时响应系统频率来调整其有功输出。这种控制方式可以在频率降低时增加短暂的有功出力，但不能维持较长时间，根据能量守恒原理，短暂增加有功出力后，会出现功率跌落导致系统频率的二次下降。
功率备用控制的本质是通过风力发电机组减载运行实现风力发电机组的功率备用，其中，桨距角控制是最常见的风力发电机组限功率运行方式，但由于风的不稳定性，常规桨距角调节限功率时会带来桨叶角度的经常调节，进而带来机械装置的磨损，影响机组寿命，因此有文章提出了一种超速法和桨距角法协调控制实现风力发电机组一次调频的控制策略，该策略将风速分为低风速、中风速、高风速三个区间：在低风速时，桨叶角度保持在最优桨叶角度，通常为0°，通过提高转速运行点，使风力发电机组不工作在最优叶尖速比下，从而实现功率减载备用；在高风速时采用桨距角控制实现功率减载备用；中风速采用超速法和桨距角控制法协同控制。该方案涉及到各风速区间的划分，以及超速法的参考控制转速求取，控制方式比较复杂。
例如在现有技术中，如公开号为CN106050564A，公开时间为2016年10月26日，名称为“一种变速风电机组参与一次调频的减载控制方法”的中国发明专利文献，公开了一种基于双馈异步风力发电机的风电并网调频方法，包括以下步骤：A、计算风电机组减载水平为d％时所对应的转速；B、根据步骤A计算出的转速对风力机桨距角进行调节，进而调整机械功率，实现了通过调节桨距角实现风电机组精确的减载控制。但是，上述专利是求取一定减载水平下的目标转速，然后再根据目标转速进行桨距角调节，此种调节方式将会带来风力发电机组桨叶的频繁调节进而加大装置的机械磨损。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷和不足，本发明综合风电机组一次调频的研究现状，根据变桨距双馈感应风力发电机组运行原理，在综合功率备用控制中超速法和桨距角控制法优缺点的基础上，提出了一种控制方式简单化，并且能够减少装置机械磨损的风力发电机组一次调频的减载控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，具体包含以下步骤：
一种风力发电机组一次调频的减载控制方法，具体包括以下步骤：
a.获取风力发电机组减载比例η％，最大风能捕获系数Cp-max以及风力发电机组CP-λ曲线，根据式1计算风力发电机组减载η％后的风能捕获系数Cp1；
Cp1＝Cp-max×(100-η)％ (式1)
b.根据步骤a中得到的风能捕获系数Cp1，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第一目标曲线，此时第一目标曲线中，桨距角为β1，最优叶尖速比为λ1，对应的最优风能捕获系数为Cp1，根据式2计算对应的转矩最优控制系数Kopt1；
Figure GDA0002410649280000021
其中，R为风力发电机组的风轮半径，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度；
c.根据步骤a和步骤b得到临界风速V1；
Figure GDA0002410649280000031
其中，ωmax为风力发电机组额定转速，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
d.根据式4计算风力发电机组不减载时，在风力发电机组满发起始风速V2下的风能捕获系数CP；
Figure GDA0002410649280000032
其中Pmax为风力发电机组的额定功率，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
e.根据式5计算风力发电机组在满发起始风速V2下减载η％后的风能捕获系数Cp2；
Cp2＝Cp×(100-η)％ (式5)
f.根据步骤e中的风能捕获系数Cp2，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第二目标曲线，此时第二目标曲线中，桨距角为β2，最优叶尖速比为λ2，对应的最优风能捕获系数为Cp2；
g.将风电场内风速由弱到强划分为三个区间，分别为低风速区间、中风速区间和高风速区间,根据风电场当前风速V进行风速区间识别并作出相应反馈。
所述步骤g中，低风速区间的判据为：Vwcutin≤V＜V1，Vwcutin为切入风速；所述中风速区间的判据为：V1≤V＜V2；所述高风速区间的判据为：V2≤V＜Vwcutout，Vwcutout为切出风速。
所述步骤g中，当前风速V位于低风速区间时，风力发电机组以桨距角β1定桨距减载η％运行；当前风速V位于中风速区间时，采用线性插值的方法在β1～β2之间计算其最小桨距角β3,风力发电机组以桨距角β3在额定转速下减载η％运行；当前风速V位于高风速区间时，风力发电机组在额定转速下减载η％运行，其最小桨距角为β2。
本技术方案的有益效果如下：
本申请相对于功率备用控制中传统的超速法，本方案控制方式简单可靠；相对于功率备用中传统的变桨距角法，本方案在低风速段采用定桨距的方式进行减载，在中风速段采用平均风速运用线性插值的方法计算机最小桨距角，从而有利于减轻一次调频功率备用时风力发电机组桨叶频繁调节的问题，减少了机械装置的磨损。
附图说明
本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：
图1是本发明的一次调频的减载控制方法的控制流程图；
图2是本发明的风速区间及桨距角计算说明；
图3是本发明实施例的低风速区间减载运行效果说明；
图4是本发明实施例的中风速区间减载运行效果说明；
图5是本发明实施例的一次调频实施效果说明。
具体实施方式
本发明根据变桨距风力发电机组在不同桨距角和叶尖速比下具有不同的风能捕获效率，利用桨距角控制策略，实现风力发电机组的一次调频的功率备用。该控制方法包含低风速、中风速、高风速三种功率备用控制策略。下面通过一个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
一种风力发电机组一次调频的减载控制方法，具体包括以下步骤：
a.获取风力发电机组减载比例η％，最大风能捕获系数Cp-max以及风力发电机组CP-λ曲线，根据式1计算风力发电机组减载η％后的风能捕获系数Cp1；
Cp1＝Cp-max×(100-η)％ (式1)
b.根据步骤a中得到的风能捕获系数Cp1，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第一目标曲线，此时第一目标曲线中，桨距角为β1，最优叶尖速比为λ1，对应的最优风能捕获系数为Cp1，根据式2计算对应的转矩最优控制系数Kopt1；
Figure GDA0002410649280000041
其中，R为风力发电机组的风轮半径，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度；
c.根据步骤a和步骤b得到临界风速V1；
Figure GDA0002410649280000051
其中，ωmax为风力发电机组额定转速，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
d.根据式4计算风力发电机组不减载时，在风力发电机组满发起始风速V2下的风能捕获系数CP；
Figure GDA0002410649280000052
其中Pmax为风力发电机组的额定功率，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
e.根据式5计算风力发电机组在满发起始风速V2下减载η％后的风能捕获系数Cp2；
Cp2＝Cp×(100-η)％ (式5)
f.根据步骤e中的风能捕获系数Cp2，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第二目标曲线，此时第二目标曲线中，桨距角为β2，最优叶尖速比为λ2，对应的最优风能捕获系数为Cp2；
g.将风电场内风速由弱到强划分为三个区间，分别为低风速区间、中风速区间和高风速区间,根据风电场当前风速V进行风速区间识别并作出相应反馈。
所述步骤g中，低风速区间的判据为：Vwcutin≤V＜V1，Vwcutin为切入风速；所述中风速区间的判据为：V1≤V＜V2；所述高风速区间的判据为：V2≤V＜Vwcutout，Vwcutout为切出风速。
所述步骤g中，当前风速V位于低风速区间时，风力发电机组以桨距角β1定桨距减载η％运行；当前风速V位于中风速区间时，采用线性插值的方法在β1～β2之间计算其最小桨距角β3,风力发电机组以桨距角β3在额定转速下减载η％运行；当前风速V位于高风速区间时，风力发电机组在额定转速下减载η％运行，其最小桨距角为β2。
图2为本发明的风速区间及桨距角计算说明，图2中，β1角度下的CP-λ曲线为第一目标曲线，β2角度下的CP-λ曲线为第二目标曲线。所述步骤b和步骤f中第一目标曲线和第二目标曲线的具体确定方法如下：将步骤a得到的风能捕获系数Cp1以及步骤e中得到的风能捕获系数Cp2与风力发电机组CP-λ曲线中每一条曲线的最大风能捕获系数进行比较，当发现Cp1与其中一条曲线的最大风能捕获系数相等时，则该条曲线为第一目标曲线，同理当发现Cp2与其中一条曲线的最大风能捕获系数相等时，则该条曲线为第二目标曲线。以图2为例，将Cp1与风力发电机组CP-λ曲线中每一条曲线的最大风能捕获系数进行比较后发现，Cp1与β1角度下的最大风能捕获系数相等，则确定β1角度下的CP-λ曲线为第一目标曲线；同理，确定β2角度下的CP-λ曲线为第二目标曲线。
下面结合某风电场实际情况为例对风力发电机组一次调频的减载控制方法进行进一步说明。
某风电场要求一次调频响应时间为不大于13s，持续时间为30s，可通过本发明提出的方法来实现。由于现场风力发电机组的CP-λ曲线为已知，则可以将曲线数字化为风力发电机组控制系统内部表格，以便一次调频功率减载控制时查表使用。
具体实施时，当减载比例为6％时，对低风速区间，根据式1计算得到Cp1为0.4524，通过查询CP-λ曲线表，得到桨距角β1为2.5°，根据式2计算得到对应的转矩最大控制系数为Kopt1为0.1093，根据式3计算得到临界风速V1为5.8m/s，故并网运行时，当风电场当前风速V小于5.8m/s时，风力发电机组以2.5°定桨距减载运行。图3是平均风速为5m/s附近时风力发电机组的减载运行控制效果图。
对中风速控制区间，风力发电机组的满发起始风速V2为10.5m/s，根据式4计算得到Cp2为0.4143，通过查询CP-λ曲线表，得到桨距角β2为4°，故并网运行时，当风电场当前风速V在5.8m/s～10.5m/s区间时，中风速段最小桨叶角度通过β1～β2之间线性插值进行计算。在中风速段，由于风速的不确定性，线性插值时使用的实际风速为风速平均值。图4是平均风速为9m/s附近时风力发电机组的减载运行控制效果图,其桨叶最小运行角度为3.5°。
风电场当前风速V大于10.5m/s时，为高风速区间，此区间风力发电机组在额定转速下减载6％运行实现功率备用，风力发电机组最大出力限定为额定功率的94％，最小桨叶角度为4°。在以上减载控制方法的基础上，当风电场接入点电网频率发生偏移时，风力发电机组接收场级功率协调控制系统的控制指令，增加或减少有功出力，进行一次调频。图5是风力发电机组在该减载水平下的一次调频控制效果图，当电网频率减少时，风力发电机组在规定响应时间内完成了一次调频功率响应。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种风力发电机组一次调频的减载控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
a.获取风力发电机组减载比例η％，最大风能捕获系数Cp-max以及风力发电机组CP-λ曲线，根据式1计算风力发电机组减载η％后的风能捕获系数Cp1；
Cp1＝Cp-max×(100-η)％ (式1)
b.根据步骤a中得到的风能捕获系数Cp1，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第一目标曲线，此时第一目标曲线中，桨距角为β1，最优叶尖速比为λ1，对应的最优风能捕获系数为Cp1，根据式2计算对应的转矩最优控制系数Kopt1；
Figure FDA0002410649270000011
其中，R为风力发电机组的风轮半径，G为齿轮箱速比，ρ为空气密度；
c.根据步骤a和步骤b得到临界风速V1；
Figure FDA0002410649270000012
其中，ωmax为风力发电机组额定转速，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
d.根据式4计算风力发电机组不减载时，在风力发电机组满发起始风速V2下的风能捕获系数CP；
Figure FDA0002410649270000013
其中Pmax为风力发电机组的额定功率，ρ为空气密度，R为风力发电机组的风轮半径；
e.根据式5计算风力发电机组在满发起始风速V2下减载η％后的风能捕获系数Cp2；
Cp2＝Cp×(100-η)％ (式5)
f.根据步骤e中的风能捕获系数Cp2，在风力发电机组CP-λ曲线中确定第二目标曲线，此时第二目标曲线中，桨距角为β2，最优叶尖速比为λ2，对应的最优风能捕获系数为Cp2；
g.将风电场内风速由弱到强划分为三个区间，分别为低风速区间、中风速区间和高风速区间,根据风电场当前风速V进行风速区间识别并作出相应反馈。
所述步骤g中，当前风速V位于低风速区间时，风力发电机组以桨距角β1定桨距减载η％运行；当前风速V位于中风速区间时，采用线性插值的方法在β1～β2之间计算其最小桨距角β3,风力发电机组以桨距角β3在额定转速下减载η％运行；当前风速V位于高风速区间时，风力发电机组在额定转速下减载η％运行，其最小桨距角为β2。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机组一次调频的减载控制方法，其特征在于：所述步骤g中，低风速区间的判据为：Vwcutin≤V＜V1，Vwcutin为切入风速；所述中风速区间的判据为：V1≤V＜V2；所述高风速区间的判据为：V2≤V＜Vwcutout，Vwcutout为切出风速。
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