CN110445179B - 一种保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法。其包括以下步骤：从功率调度系统得到有功功率调控目标值；如果有功功率调控目标值大于全场实时有功功率总和，将可控风机按实时功率和桨角大小划分为7个上调优先级，依次上调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值；如果有功功率调控目标值小于全场实时有功功率总和，划分为8个下调优先级，依次下调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，将每台风机有功功率设定值返回给功率调度系统。本发明在功率调度过程中，能保证风机顺利穿越共振转速区间，避免风机停留在共振转速区间，并减少风机穿越共振转速区间的次数，有效降低风机载荷，提升风机的安全性。

Description

一种保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，具体涉及一种保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法。

背景技术

目前能源电力转型持续推进，电源结构调整势在必行。风电、光伏发电将是我国发展最快的电源类型，我国电源结构朝着更加清洁低碳的方向发展。常规转型情景下，2035年陆上风电装机容量为7.0亿千瓦，2050年增至9.7亿。在电气化情景下，2035年陆上风电装机容量为8.3亿千瓦，2050年增至13.0亿千瓦。2035年、2050年海上风电装机容量将分别达到0.3亿—0.4亿千瓦、0.7亿—0.8亿千瓦。随着风电装机容量的不断增加，大功率单台风电机组的需求日益迫切。加长叶片，是提升机组发电量的有效手段之一，但由于机组载荷以及塔架高度的限制，叶片的长度不能无限加长。因此，越来越多的厂商利用加高塔架来提升风机的利用小时数或者为加长叶片提供空间，从而提升机组发电量。

但传统塔架的高度达到一定程度后，重量会出现指数型的增加，经济性变得非常低。所以，柔性塔架顺应而生，在有效提高机组发电能力的同时，不会使成本增加太多。由于柔性塔架的固有频率低于叶轮额定转速频率，从叶轮起转到叶轮达到额定转速期间，叶轮会在某个转速点上与塔架发生共振。因此，柔性塔架机组需要避免塔筒与叶轮之间发生共振，一般的处理方式是设计转矩-转速控制器让风电机组快速穿越叶轮共振转速点。由于机组处于叶轮共振转速点附近的转速区间时，极易发生共振现象，并且转矩和转速变化很大，机组的载荷不易控制。

发明内容

为了解决含柔性塔架风电场有功功率调度存在的上述技术问题，本发明提出一种保证柔性塔架共振穿越的风电场的有功功率调度方法。在全场有功功率上调和下调时，采取合理的可控机组优先级划分策略，保证了机组顺利穿越共振转速区间。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

步骤1、获取调控目标值，从功率调度系统得到有功功率调控目标值，进入步骤2；

步骤2、判断有功功率调控目标值、全场实时有功功率总和的大小，如果有功功率调控目标值大于全场实时有功功率总和，则执行步骤3，否则执行步骤5；

步骤3、划分上调优先级，将可控风机按实时功率和桨角大小分为优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7，进入步骤4；

步骤4、从优先级1至优先级7依次上调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机按照桨角裕度从小到大的顺序向上调整最小调整量；对于优先级2的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级3的风机，按照实时功率从小到大的顺序分配至额定功率值；对于优先级4的风机，将桨角裕度大于指定值(θ_p)的风机的有功功率设定值设置为共振转速区间上限对应的功率；对于优先级5的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级6的风机其有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级7的风机其有功功率设定值设置为额定功率，执行步骤7；

步骤5、划分下调优先级，将可控风机按实时功率和桨角大小分为优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7、优先级8，执行步骤6；

步骤6、从优先级1至优先级8依次下调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级2至优先级4的风机，根据桨角裕度函数值和实时有功功率的加权值计算每台风机的分配值来下调风机功率；对于优先级5的风机，按实时有功功率从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级6和优先级7的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级8的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将风机停机；执行步骤7；

步骤7、将每台风机有功功率设定值返回给功率调度系统。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1)能避免将风机调度进入并停留在共振转速区间；2)在功率上调过程中，能保证风机顺利穿越共振转速区间，从而避免风机停留在共振转速区间；3)在功率下调过程中，能保证暂不调度能稳定运行在共振转速区间上限附近的风机，而优先调度其它风机，从而尽量减少风机穿越共振转速区间的次数；4)在功率上调或下调过程中，能将从共振转速区间之上跌落至共振转速区间的风机调度至共振转速区间之下；5)能有效降低风机载荷，提升风机的安全性；6)能极大提高响应速度、控制精度和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中柔塔机组的转矩转速曲线示意图；

图2为本发明实施例中有功功率调度流程图；

图3为本发明实施例中有功功率上调时，可控风机优先级分类流程图；

图4为本发明实施例中有功功率上调时，可控风机优先级分类示意图；

图5为本发明实施例中有功功率下调时，可控风机优先级分类流程图；

图6为本发明实施例中有功功率下调时，可控风机优先级分类示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体而言，本发明实施例的有功功率调度的流程图如图2所示，包括以下步骤：

Step 1、从功率调度系统得到有功功率调控目标值X，执行Step 2。

Step 2、如果X>Y，Y为全场实时有功功率总和，执行Step 3；否则执行Step 5。

Step 3、将可控风机按优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7进行分类，执行Step 4。

有功功率上调时，可控风机优先级分类流程图如图3所示，示意图如图4所示，其具体步骤为：

Step 3.1、设置序号i＝1，执行Step 3.2；

Step 3.2、如果第i台风机T_i是远程有功可控状态，执行Step 3.3；否则执行Step3.14。

Step 3.3、如果T_i的转速Rs_i大于或等于共振转速区间上限对应的转速RB_i，并且T_i的当前有功功率P_i大于或等于共振转速区间上限对应的功率PB_i减去系数λ₁乘以最小调整量Cll_i，且P_i小于或等于PB_i加上系数λ₂乘以Cll_i，执行Step 3.4；否则执行Step 3.6；

Step 3.4、如果T_i的上一次有功功率设定值Pp_i大于或等于PB_i，并且桨角裕度AM_i大于或等于优先级分类桨角裕度阈值θ，把风机编号i加入到优先级1集合Q1，执行Step3.14；否则执行Step 3.5；

Step 3.5、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.6、如果Rs_i小于或等于共振转速区间下限对应的转速RA_i，并且P_i大于或等于共振转速区间下限对应的功率PA_i减去λ₂乘以Cll_i，且P_i小于或等于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，把风机编号i加入到优先级4集合Q4，执行Step 3.14；否则执行Step 3.7；

Step 3.7、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i大于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，或者Rs_i大于RA_i，并且Rs_i小于RB_i，执行Step 3.8；否则执行Step 3.9；

Step 3.8、如果Pp_i大于PB_i，或者Pp_i等于PB_i，并且AM_i<θ，把风机编号i加入到优先级6集合Q6，执行Step 3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.9、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i小于PA_i减去λ₂乘以Cll_i，或者Rs_i大于或等于RB_i，并且P_i大于PB_i加上λ₂乘以Cll_i，执行Step 3.10；否则执行Step 3.14；

Step 3.10、如果P_i大于或等于最小设定功率Pmin_i减去λ₁乘以Cll_i，且P_i小于或等于额定功率Pr_i减去λ₂乘以Cll_i，并且AM_i大于或等于θ，把风机编号i加入到优先级2集合Q2，执行Step 3.14；否则执行Step 3.11；

Step 3.11、如果P_i大于Pr_i减去λ₂乘以Cll_i，并且P_i小于Pr_i，把风机编号i加入到优先级3集合Q3，执行Step 3.14；否则执行Step 3.12；

Step 3.12、如果P_i大于或等于Pmin_i减去λ₁乘以Cll_i，且P_i小于或等于Pr_i减去λ₂乘以Cll_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 3.14；否则执行Step3.13；

Step 3.13、如果P_i大于或等于Pr_i，把风机编号i加入到优先级7集合Q7，执行Step3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.14、设置i＝i+1，执行Step 3.15；

Step 3.15、如果i小于或等于风机数量|T|，执行Step 3.2；否则结束。

Step 4、从优先级1至优先级7依次上调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机按照桨角裕度从小到大的顺序向上调整最小调整量；对于优先级2的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级3的风机，按照实时功率从小到大的顺序分配至额定功率值；对于优先级4的风机，将桨角裕度大于指定值θ_p的风机的有功功率设定值设置为共振转速区间上限对应的功率；对于优先级5的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级6的风机其有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级7的风机其有功功率设定值设置为额定功率，执行Step 7。

Step 5、将可控风机按优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7、优先级8进行分类，执行Step 6。

有功功率下调时，可控风机优先级分类流程图如图5所示，示意图如图6所示，其具体步骤为：

Step 5.1、设置序号i＝1，执行Step 5.2；

Step 5.2、如果风机T_i是远程有功可控状态，执行Step 5.3；否则执行Step 5.13；

Step 5.3、如果Rs_i大于或等于RB_i，并且P_i小于或等于PB_i加上Cll_i，执行Step 5.4；否则执行Step 5.6；

Step 5.4、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i大于或等于θ，把风机编号i加入到优先级6集合Q6，执行Step 5.13；否则执行Step 5.5；

Step 5.5、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 5.13；否则执行Step 5.13；

Step 5.6、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i大于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，或者Rs_i大于RA_i，并且Rs_i小于RB_i，执行Step 5.7；否则执行Step 5.9；

Step 5.7、如果Pp_i大于PB_i，把风机编号i加入到优先级1集合Q1，执行Step 5.13；否则执行Step 5.8；

Step 5.8、如果Pp_i等于PB_i，把风机编号i加入到优先级7集合Q7，执行Step 5.13；否则执行Step 5.13；

Step 5.9、如果P_i大于或等于Pmin_i加上Cll_i，并且P_i小于或等于λ₂乘以Pr_i，执行Step 5.10；否则执行Step 5.11；

Step 5.10、如果AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级2集合Q2，执行Step 5.13；否则把风机编号i加入到优先级3集合Q3，执行Step 5.13；

Step 5.11、如果P_i大于λ₂乘以Pr_i，把风机编号i加入到优先级4集合Q4，执行Step5.13；否则把风机编号i加入到优先级8集合Q8，执行Step 5.13；

Step 5.12、设置i＝i+1，执行Step 5.13；

Step 5.13、如果i小于或等于|T|，执行Step 5.2；否则结束。

Step 6、从优先级1至优先级8依次下调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级2至优先级4的风机，根据桨角裕度函数值和实时有功功率的加权值计算每台风机的分配值来下调风机功率；对于优先级5的风机，按实时有功功率从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级6和优先级7的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级8的风机，按机舱风速从小到大的顺序，将风机停机；执行Step 7；

Step 7、将每台风机有功功率设定值返回给功率调度系统。

本发明在提高控制精度、功率稳定性方面具有极大的优越性；能保证风机顺利穿越共振转速区间，且可以尽可能减少风机穿越共振转速区间的次数，从而在保证发电量的同时提升风机的安全性。本发明同时适用于平原、山地和海上风场。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法，包括以下步骤：

步骤1、获取调控目标值，从功率调度系统得到有功功率调控目标值，进入步骤2；

步骤2、判断有功功率调控目标值、全场实时有功功率总和的大小，如果有功功率调控目标值大于全场实时有功功率总和，则执行步骤3，否则执行步骤5；

步骤3、划分上调优先级，将可控风机按实时功率和桨角大小分为优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7，进入步骤4；

步骤4、从优先级1至优先级7依次上调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机按照桨角裕度从小到大的顺序向上调整最小调整量；对于优先级2的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级3的风机，按照实时功率从小到大的顺序分配至额定功率值；对于优先级4的风机，将桨角裕度大于指定值(θ_p)的风机的有功功率设定值设置为共振转速区间上限对应的功率；对于优先级5的风机，根据桨角裕度和实时有功功率函数值的加权值计算每台风机的分配值；对于优先级6的风机其有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级7的风机其有功功率设定值设置为额定功率，执行步骤7；

步骤5、划分下调优先级，将可控风机按实时功率和桨角大小分为优先级1、优先级2、优先级3、优先级4、优先级5、优先级6、优先级7、优先级8，执行步骤6；

步骤6、从优先级1至优先级8依次下调风机功率，直至全场有功限定值达到有功功率调控目标值，对于优先级1的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级2至优先级4的风机，根据桨角裕度函数值和实时有功功率的加权值计算每台风机的分配值来下调风机功率；对于优先级5的风机，按实时有功功率从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级6和优先级7的风机，按桨角裕度从小到大的顺序，将各风机的有功功率设定值设置为共振转速区间下限对应的功率；对于优先级8的风机，按机舱风速从小到大的顺序，将风机停机；执行步骤7；

步骤7、将每台风机有功功率设定值返回给功率调度系统。

2.根据权利要求1所述的保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法，所述步骤3包括以下步骤：

Step 3.1、设置序号i＝1，执行Step 3.2；

Step 3.2、如果第i台风机(T_i)是远程有功可控状态，执行Step 3.3；否则执行Step3.14；

Step 3.3、如果T_i的转速(Rs_i)大于或等于共振转速区间上限对应的转速(RB_i)，并且T_i的当前有功功率(P_i)大于或等于共振转速区间上限对应的功率(PB_i)减去系数λ₁乘以最小调整量(Cll_i)，且P_i小于或等于PB_i加上系数λ₂乘以Cll_i，执行Step 3.4；否则执行Step 3.6；

Step 3.4、如果T_i的上一次有功功率设定值(Pp_i)大于或等于PB_i，并且桨角裕度(AM_i)大于或等于优先级分类桨角裕度阈值θ，把风机编号i加入到优先级1集合Q1，执行Step 3.14；否则执行Step 3.5；

Step 3.5、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.6、如果Rs_i小于或等于共振转速区间下限对应的转速(RA_i)，并且P_i大于或等于共振转速区间下限对应的功率(PA_i)减去λ₂乘以Cll_i，且P_i小于或等于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，把风机编号i加入到优先级4集合Q4，执行Step 3.14；否则执行Step 3.7；

Step 3.7、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i大于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，或者Rs_i大于RA_i，并且Rs_i小于RB_i，执行Step 3.8；否则执行Step 3.9；

Step 3.8、如果Pp_i大于PB_i，或者Pp_i等于PB_i，并且AM_i<θ，把风机编号i加入到优先级6集合Q6，执行Step 3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.9、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i小于PA_i减去λ₂乘以Cll_i，或者Rs_i大于或等于RB_i，并且P_i大于PB_i加上λ₂乘以Cll_i，执行Step 3.10；否则执行Step 3.14；

Step 3.10、如果P_i大于或等于最小设定功率(Pmin_i)减去λ₁乘以Cll_i，且P_i小于或等于额定功率(Pr_i)减去λ₂乘以Cll_i，并且AM_i大于或等于θ，把风机编号i加入到优先级2集合Q2，执行Step 3.14；否则执行Step 3.11；

Step 3.11、如果P_i大于Pr_i减去λ₂乘以Cll_i，并且P_i小于Pr_i，把风机编号i加入到优先级3集合Q3，执行Step 3.14；否则执行Step 3.12；

Step 3.12、如果P_i大于或等于Pmin_i减去λ₁乘以Cll_i，且P_i小于或等于Pr_i减去λ₂乘以Cll_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 3.14；否则执行Step3.13；

Step 3.13、如果P_i大于或等于Pr_i，把风机编号i加入到优先级7集合Q7，执行Step3.14；否则执行Step 3.14；

Step 3.14、设置i＝i+1，执行Step 3.15；

Step 3.15、如果i小于或等于风机数量(|T|)，执行Step 3.2；否则结束。

3.根据权利要求1所述的保证柔塔共振穿越的风电场有功功率调度方法，所述步骤5包括以下步骤：

Step 5.1、设置序号i＝1，执行Step 5.2；

Step 5.2、如果风机T_i是远程有功可控状态，执行Step 5.3；否则执行Step 5.13；

Step 5.3、如果Rs_i大于或等于RB_i，并且P_i小于或等于PB_i加上Cll_i，执行Step 5.4；否则执行Step 5.6；

Step 5.4、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i大于或等于θ，把风机编号i加入到优先级6集合Q6，执行Step 5.13；否则执行Step 5.5；

Step 5.5、如果Pp_i大于或等于PB_i，并且AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级5集合Q5，执行Step 5.13；否则执行Step 5.13；

Step 5.6、如果Rs_i小于或等于RA_i，并且P_i大于PA_i加上λ₁乘以Cll_i，或者Rs_i大于RA_i，并且Rs_i小于RB_i，执行Step 5.7；否则执行Step 5.9；

Step 5.7、如果Pp_i大于PB_i，把风机编号i加入到优先级1集合Q1，执行Step 5.13；否则执行Step 5.8；

Step 5.8、如果Pp_i等于PB_i，把风机编号i加入到优先级7集合Q7，执行Step 5.13；否则执行Step 5.13；

Step 5.9、如果P_i大于或等于Pmin_i加上Cll_i，并且P_i小于或等于λ₂乘以Pr_i，执行Step5.10；否则执行Step 5.11；

Step 5.10、如果AM_i小于θ，把风机编号i加入到优先级2集合Q2，执行Step 5.13；否则把风机编号i加入到优先级3集合Q3，执行Step 5.13；

Step 5.11、如果P_i大于λ₂乘以Pr_i，把风机编号i加入到优先级4集合Q4，执行Step5.13；否则把风机编号i加入到优先级8集合Q8，执行Step 5.13；

Step 5.12、设置i＝i+1，执行Step 5.13；

Step 5.13、如果i小于或等于|T|，执行Step 5.2；否则结束。

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