CN109681381A - 一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方法。该方法既能够减少总的风能捕获损失量，又能完成调度目标。考虑到在不同的风速条件下，所提方案根据所设定的不同利用率，对每个风力发电机的功率输出进行定向跟踪，并根据风机转子转速进行自适应调整，以减少风能捕获能量的损失。同时，风力发电机群可以在叶片转子中存储更多的旋转动能，在以后需要时释放出来，转化为风力发电系统的有功输出，以提供系统功率支撑。结果表明，与传统的固定利用率下负荷分摊方案相比，该方案可以减少总体风能捕获的损失。随着未来风力发电系统的不断普及，该方案在电力工业方面具有广泛的应用价值。

Description

一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方法

技术领域

本发明涉及一种风机集群控制方案，尤其是涉及一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方法。

背景技术

风电容量稳步增长，引发了人们对电力系统安全可靠运行的担忧。特别是变速风电机组采用的最大功率点跟踪算法，在风力发电量大于系统需要时，可能导致电力系统供需失衡。因此，传统的同步发电机需要在较低负载水平运行一段时间，甚至需要关闭一段时间，才能在系统中实现功率平衡。但是这样减少了风机的生命周期，增加了运营成本。

一种直接的解决方案是利用储能系统，如飞轮、压缩空气或超级电容，可以按照最大功率点跟踪算法平滑发电，以满足系统运营商设定的调度需求。然而，从技术和经济角度来看，有一些问题可能会妨碍这些技术的广泛使用——飞轮和超级电容等设备容量低，在执行系统操作员的调度命令时可能有很大困难。此外，储能系统在考虑充放电损耗、安装投资和生命周期等条件时，并不经济。因此，有必要研究新的控制方案，以充分利用风力发电机的自身潜力。

负载分摊控制算法，可以使风机按照调度命令对某风电场的输出功率进行调节，实现系统之间的功率平衡。具体来说，当系统中存在过度发电时，风机可以通过降负荷控制策略来抑制部分输出功率。同样，当系统中存在过度消耗时，可以对风机进行过载控制。

风机作为风力发电系统中的核心设备，其控制性能的优劣直接决定了风力发电系统的供电可靠性和稳定性。如何改进风机控制方法以提高风力发电系统性能，对于风力发电技术的大规模高效应用具有重要意义。

本发明针对风电机组，提出了可变利用率的控制方法，用于控制风电机组在满足调度指令的同时尽可能节约风能，利用率可变是指可以自适应调整每个风机的转子速度。因此，高速风力涡轮机可采用更高的利用率水平，这样可以减少风力发电厂对风能的消耗。此外，考虑到尾流影响，后排风机的利用率较低，可以通过降低利用率，将更多的风能转化为风机的转子动能，从而承担更多的供需不平衡。本发明方法应用于风电机组的控制之中，见附图1。

在满足系统调度需求时，传统的基于相同利用率水平的风电机组控制方式会导致风机在较高的风速下比在较低的风速下损失更多的风能。因此，提出一种基于双馈感应发电机的风机可变利用率控制方案，有效降低负荷分摊控制下的双馈感应发电机风能损失，成为亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，以达到储存动能、减少风能损失、提高系统总能量捕获的目的。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)进行单个风机建模，给出风能转化为机械能的计算式；

2)进行风机群建模，主要关注风力机之间的尾流相互作用；

3)当系统欠负荷时，给出风机群中降利用率的负荷分摊控制方法；

4)当系统过负荷时，给出风机群中升利用率的负荷分摊控制方法。

根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤1)中的风能转化为机械能的计算式由以下公式1给出：

其中，ρ为空气密度(kg/m³)，R为转子叶片半径(m)，υ_ω为风速(m/s)，λ为叶尖速比，β为螺旋角(deg)，C_p表示功率系数，g为相关系数，g＝ρπR²υ_ω ³/2，功率系数C_p表达式由以下公式2给出：

其中，

叶尖速比λ为：

其中，k_g为变速箱的齿轮传动比，ω_t和ω_D分别为风机和双馈感应发电机转动角速度。

所述的步骤2)中的风机群建模主要关注风力机之间的尾流相互作用。假设尾流风速是线性扩张的，如附图2所示，则对于任意风机i(i∈N，共有N台风机)，风速可由以下公式3给出：

V_i＝V_∞(1-δV_i) (3)

其中，V_∞为自由风速，风机i的风速导数δV_i表达式可由以下公式4给出：

其中，D为风机涡轮叶片的半径，A为涡轮叶片扫过的面积，为涡轮重叠面积与扫过面积之比，a为涡轮轴向感应系数，x为涡轮的径向距离，k为粗糙度系数。在不同的环境下，粗糙度系数的值不同，例如，在耕地环境中，k＝0.075；在海岸附近，k＝0.04。

所述的步骤3)中的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法主要表征为调整利用率K_i，其调整方式可由以下公式5给出：

K_i＝1-α_i (5)

其中，α_i为负荷分摊方案中每个风机的控制系数，代表了每个风机降负荷的水平，其值越大，每个风机的利用率越低。α_i可由以下公式6定义：

α_i∝Δω_Di＝ω_DH-ω_Di (6)

亦即：

其中，Δω_Di为转子速度差，ω_Dmax为风机的最大转子速度(设置为1.22p.u.)，α₀为当风机以最大转子转速运转时，风机的控制系数，可由以下公式7计算：

其中，P_mi为最大可用风力，P_d为风机的输出功率。

从而，所提出的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法可由上述公式5和以下公式9给出：

K_i＝1-α_i (8)

所提降负荷控制方法框架可由附图3给出。

所述的步骤4)中的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法可由以下公式10和公式11给出：

P_wti＝min{P_MPPT,i,P_wti ^ref} (11)

其中，P_wti ^ref为每个低速风机在加负荷控制方式下的功率参考值，P_wti为每个高速风机需要控制达到的功率值。

所提利用率可变的负荷分摊控制方法框架可由附图4给出。

本发明具有的有益的效果是：

可由根据特定利用率，对每个风力发电机的功率输出进行定向跟踪，并根据风机转子转速进行自适应调整，以减少能量损失。同时，风力发电机群可以存储更多的旋转动能，在以后需要时向风机发电系统提供支持。与传统的利用率可变的负荷分摊方案相比，该方案可以节约风能、减少总产能的损失。

附图说明

图1为本发明方法的电力系统拓扑图。

图2为风机交互尾流模型；

图3为本发明方法的降负荷控制方法框图。

图4为本发明方法的总控制框图。

图5为实施例风速14m/s下的相关数据的实验截图。

图6为实施例风速12m/s下的相关数据的实验截图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)进行单个风机建模，给出风能转化为机械能的计算式；

2)进行风机群建模，主要关注风力机之间的尾流相互作用；

3)给出风机群中降利用率的负荷分摊控制方法；

4)给出风机群中升利用率的负荷分摊控制方法。

根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤1)中的风能转化为机械能的计算式由以下公式1给出：

其中，ρ为空气密度(kg/m³)，R为转子叶片半径(m)，υ_ω为风速(m/s)，λ为叶尖速比，β为螺旋角(deg)，C_p表示功率系数，g为相关系数，g＝ρπR²υ_ω ³/2，功率系数C_p表达式由以下公式2给出：

其中，

叶尖速比λ为：

其中，k_g为变速箱的齿轮传动比，ω_t和ω_D分别为风机和双馈感应发电机转动角速度。通常情况下，当P_wind低于额定功率时，β会设定为零。此时，C_p是只关于λ的函数，且在某λ特定值时，有最大值C_pmax，此时对于给定的υ_ω，风力发电机可获得最大功率和最优转速ω_Dopt。

所述的步骤2)中的风机群建模主要关注风力机之间的尾流相互作用。由于风力机之间的尾流相互作用，下游风力机i的有效风速低于上游风力机j，故在研究时亦需要关注风力机之间的尾流相互作用。假设尾流风速是线性扩张的，如附图2所示，则对于任意风机i(i∈N，共有N台风机)，风速可由以下公式3给出：

V_i＝V_∞(1-δV_i) (3)

其中，V_∞为自由风速，风机i的风速导数δV_i表达式可由以下公式4给出：

其中，D为风机涡轮叶片的半径，A为涡轮叶片扫过的面积，为涡轮重叠面积与扫过面积之比，a为涡轮轴向感应系数，x为涡轮的径向距离，k为粗糙度系数。在不同的环境下，粗糙度系数的值不同，例如，在耕地环境中，k＝0.075；在海岸附近，k＝0.04。

所述的步骤3)中的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法主要表征为调整利用率K_i，其调整方式可由以下公式5给出：

K_i＝1-α_i (5)

其中，α_i为负荷分摊方案中每个风机的控制系数，代表了每个风机降负荷的水平，其值越大，每个风机的利用率越低。α_i可由以下公式6定义：

α_i∝Δω_Di＝ω_DH-ω_Di (6)

亦即：

其中，Δω_Di为转子速度差，ω_Dmax为风机的最大转子速度(设置为1.22p.u.)，α₀为当风机以最大转子转速运转时，风机的控制系数，可由以下公式7计算：

其中，P_mi为最大可用风力，P_d为风机的输出功率。

从而，所提出的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法可由上述公式5和以下公式9给出：

K_i＝1-α_i (8)

所提降负荷控制方法框架可由附图3给出。

所述的步骤4)中的风机群中升利用率的负荷分摊控制方法可描述为：当系统中存在过度消耗时，系统所需的发电量可能会超过风力发电厂的最大发电量，此时，通过步骤3中降负荷控制所储存的动能可以通过加负荷方式释放回来，即将系统调度需求与风力涡轮机最大发电量之间的功率差平均分配给N个低速风机组，高速风机组在额定功率下恢复工作。其控制方法可由以下公式10和公式11给出：

P_wti＝min{P_MPPT,i,P_wti ^ref} (11)

其中，P_wti ^ref为每个低速风机在加负荷控制方式下的功率参考值，P_wti为每个高速风机需要控制达到的功率值。

所提利用率可变的负荷分摊控制方法框架可由附图4给出。

上述的公式1～11中的i表示风机组中的第i台风机。

本发明基于风电机组，其拓扑结构可见附图1。

本发明的具体实施例：

在附图1给出的电网拓扑上对提出的控制方法进行了实验。对该电网拓扑说明如下：

一个七阶的30MW传统同步发电机代表外部电网，其频率下垂控制增益初值设定为4％；总容量为24MW的风机群包含12台容量为2MW的风机，风机的电能转化率设定为40％，且风机可以通过负载分摊控制来满足系统调度需求。每条馈线上连接4台风机，3条馈线均连接在母线上，母线通过变压器和电缆与外部电网连接。考虑到风机间的弱交互关系，每两台相邻的风机间的距离为5D，D为风机叶片半径(56m)。风机群内部的电缆长度分别为7D，5D，22D。电网上连接有两个负荷(L1和L2)，L1由固定负载构成(P_L1+jQ_L1，26MW+4Mvar)，L2为开关负载(P_L2+jQ_L2)。调度指令每100s变化一次。风机相关数据由下表1给出。

表1

通过仿真实验，可验证所提的利用率可变的风电场负荷分摊控制方案的有效性。

实验截图如下：

(1)在无附加控制、传统控制方法、所提利用率可变的负载分摊控制方法的三种控制方法下，对比了系统频率(a图)、风机群输出功率(b图)、同步发电机机械功率(c图)、双馈感应发电机转子速度(d图)、利用率(e图)、风机1叶片角(f图)的表现。可以看出，在风速为14m/s的条件下，风机群可以通过负荷分摊控制，降低输出功率，从而弥补了负载与发电机之间的功率差，使系统频率在负载突然变化事件中依然能保持稳定。相比之下，风机群在传统控制方法(最大功率点跟踪控制方法)下，只有同步发电机弥补了系统的功率缺口，并且在负荷突然变化时，系统频率明显增加。且从(d)图中可以明显看出，多余的风能可以被储存在低速风机中，当系统需要时再返回系统。

(2)在无附加控制、传统控制方法、所提利用率可变的负荷分摊控制方法的三种控制方法下，对比了系统频率(a图)、风机群输出功率(b图)、同步发电机机械功率(c图)、双馈感应发电机转子速度(d图)、利用率(e图)、风机1叶片角(f图)的表现。可以看出，在风速为12m/s的条件下，当采用传统控制方法(最大功率点跟踪控制方法)时，只有同步发电机承担了功率缺口，系统频率下降幅度明显大于所提的利用率可变的负荷分摊控制方法。在提出的利用率可变的负荷分摊控制方法下，低速风机利用率较低，使得风机转子转速增大。由于高速风机利用率较高，和传统控制方法相比，其角度控制激活时间略有延迟。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)针对单个风机进行建模，给出风能与机械能的转换计算式；

2)关注风机之间的尾流相互作用进行风机群建模，；

3)当系统欠负荷时，给出风机群中降利用率的负荷分摊控制方法，抑制部分输出功率；

4)当系统过负荷时，给出风机群中升利用率的负荷分摊控制方法，提高部分输出功率。

2.根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤1)中的风能转化为机械能的计算式由以下公式1给出：

其中，ρ为空气密度(kg/m³)，R为转子叶片半径(m)，υ_ω为风速(m/s)，λ为叶尖速比，β为螺旋角(deg)，C_p表示功率系数，g为相关系数，g＝ρπR²υ_ω ³/2，功率系数C_p表达式由以下公式2给出：

其中，

叶尖速比λ为：

其中，k_g为变速箱的齿轮传动比，ω_t和ω_D分别为风机和双馈感应发电机转动角速度，通常情况下，当P_wind低于额定功率时，β会设定为零，此时，C_p是只关于λ的函数，且在某λ特定值时，有最大值C_pmax，此时对于给定的υ_ω，风力发电机可获得最大功率和最优转速ω_Dopt。

3.根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤2)中的风机群建模主要关注风力机之间的尾流相互作用，假设尾流风速是线性扩张的，对于任意风机i(i∈n，共有n台风机)，考虑尾流影响下的风速可由以下公式3给出：

V_i＝V_∞(1-δV_i) (3)

其中，V_∞为自由风速，风机i的风速导数δV_i表达式可由以下公式4给出：

其中，D_j为风机j涡轮叶片的半径，A_i为涡轮叶片扫过的面积，为涡轮重叠面积与扫过面积之比，a为涡轮轴向感应系数，x为涡轮的径向距离，k为粗糙度系数。

4.根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤3)中的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法主要表征为调整利用率K_i，其调整方式可由以下公式5给出：

K_i＝1-α_i (5)

其中，α_i为负荷分摊方案中每个风机的控制系数，代表了每个风机降负荷的水平，其值越大，每个风机的利用率越低。α_i可由以下公式6定义：

α_i∝Δω_Di＝ω_DH-ω_Di (6)

亦即：

其中，Δω_Di为转子速度差，ω_Dmax为风机的最大转子速度(设置为1.22p.u.)，α₀为当风机以最大转子转速运转时，风机的控制系数，可由以下公式7计算：

其中，P_mi为最大可用风力，P_d为风机的输出功率。

从而，所提出的风机群中降利用率的负荷分摊控制方法可由上述公式5和以下公式9给出：

K_i＝1-α_i (8)

5.根据权利要求1所述的一种利用率可变的风电场负荷分摊控制方案，其特征在于：所述的步骤4)中的风机群中升利用率的负荷分摊控制方法可由以下公式10和公式11给出：

P_wti＝min{P_MPPT,i,P_wti ^ref} (11)

其中，P_wti ^ref为每个低速风机在加负荷控制方式下的功率参考值，P_wti为每个高速风机需要控制达到的功率值。