CN110513248A - 一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法及装置，包括：根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，目标工况为发电机工作在正常电力系统状态时的工况；将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量；根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。本发明通过预先控制的方式，可以实时调整风轮桨距角，减小了发电机出现超速故障的概率，有利于风力发电机的稳定运行。

Description

一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法及装置，属于风力发电技术领域。

背景技术

作为一种可再生清洁能源，风电在中国正在快速发展，大量风力发电厂呈井喷式出现，部分省份的风力发电量在本区发电量的占比已超过40％。风电对电力系统的稳定性越来越重要，面对电力系统电压与频率波动问题，风电能够主动参与电网调节，并以此来支撑电网的功能成为电力系统新的并网需求。

在电力系统中，用电负荷经常会发生波动，从而导致电网电压、频率出现波动，电网电压、频率偏离正常值后，发电厂会主动调节自身功率输出来稳定电网。以前风力发电站不参与电网调节，电网出现波动后，主要依靠电力系统中的传统电厂(水力、火力发电厂)调节电网电压和频率。随着越来越多的新能源电厂并入电网，新能源发电量在电力系统中的占比逐渐增大，仅仅依靠传统电厂支撑电网的能力已变的有限，而让新能源电厂参与支撑电网调节已成为新的需求。新能源主动支撑下的风机是指启动了主动参与电网频率、电压调节功能的风机，如果风机具有电力系统主动调频、调压功能即可认为它存在新能源主动支撑条件。

当前，变桨控制系统的主要工作方式为：额定风速以下工况，控制桨距角保持在最优值，以期待得到最大风能利用率；额定风速以上工况，变桨系统紧密监视发电机转速，控制桨距角以避免发电机超速。因为变桨控制系统一般采用反馈控制技术，而反馈控制技术是一种事后调节机制，即通过实时采集发电机的转速，当发电机转速超过设定值时，控制桨距角，而此时发电机转速已经超速了，再加上风轮及桨叶转动惯性大，当风轮转矩突变后，变桨控制系统有时不能快速有效控制风轮桨距角，从而出现发电机超速停机故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法及装置，用于解决现有的变桨控制系统不能快速有效控制风轮桨距角，导致发电机超速停机故障的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，包括以下步骤：

根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，所述目标工况为发电机工作在正常电力系统状态时的工况；

将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量；

根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，所述目标工况为发电机工作在正常电力系统状态时的工况；

将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量；

根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。

本发明的有益效果是：通过计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值并将其与当前工况下的发电机电磁转矩值进行比较，可以得到发电机电磁转矩预变量，进而可以求出桨距角变化量，这种预先控制方式可以实时调整风轮桨距角，减小了发电机出现超速故障的概率，有利于风力发电机的稳定运行。

作为方法和装置的进一步改进，为了得到目标工况下的发电机电磁转矩静态值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值的步骤包括：

以发电机定子磁链方向作为定子d轴方向，根据目标电压和目标频率，计算目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q；

根据目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q以及目标电压下的发电机功率设定值，计算目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算公式为：

其中，I_d和I_q分别为目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量，i_d和i_q分别为目标电压下的发电机转子的d、q轴电流分量，R为发电机定子每相绕组电阻，ω_m为发电机定子磁链旋转角速度；L_m,L_se分别为发电机绕组间最大互感，发电机定子每相绕组漏感，P和Q分别为目标电压下的发电机功率设定值中的有功功率设定值和无功功率设定值；

根据目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，计算公式为：

其中，T_p为目标工况下的发电机电磁转矩静态值。

作为方法和装置的进一步改进，为了得到桨距角变化量，桨距角变化量的计算公式为：

其中，Δβ为桨距角变化量，ΔT_e为发电机电磁转矩预变量，ΔT_e＝T_p-T_c，T_c为当前工况下的发电机电磁转矩值，K为风力发电机齿轮箱的减速比，k(β,λ)为风轮旋转力矩与风轮桨距角β之间的斜率，λ为叶尖速比。

作为方法和装置的进一步改进，为了得到风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的斜率，k(β,λ)是通过仿真计算得到的，计算公式为：

其中，T为风轮旋转力矩。

作为方法和装置的进一步改进，为了获取目标电压下的发电机功率设定值，目标电压下的发电机功率设定值包括有功功率设定值P和无功功率设定值Q，有功功率设定值P和无功功率设定值Q可以根据风速功率曲线结合电力系统功率变化要求预先计算出来。

附图说明

图1是本发明具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法的流程图。

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，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法实施例：

凡是电网波动(频率或电压波动)都会引起发电机电磁力矩变化，当电力系统从正常状态偏移到异常状态的过程，目标工况是不可预测的；但电力系统从异常状态恢复至正常状态过程中，目标工况是可以预见的。对于新能源主动支撑要求下的风机，电网电压调节速度和电网电压目标值以及电网频率目标值是可预测的，因此针对电力系统从异常状态恢复至正常状态这个过程，可以实现“发电机力矩预测，提前变桨”，在该过程中，“当前工况”是指发电机处于异常电网状态时的工况，也就是偏离正常电力系统指标时的工况；“目标工况”是指发电机工作在正常电力系统状态时的工况，也就是恢复到正常电力系统指标时的工况。在正常工况下，电力系统指标是可以预知的。

基于上述分析，本实施例提供了一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，当系统预测到发电机电磁转矩会出现大幅下降时，为了防止发电机超速即修改变桨系统指令，无须等到发电机超速信号出现时才修改变桨系统指令，提高了控制速度，有效减小了风力发电机超速故障的概率。该方法对应的流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)利用风力发电机仿真软件进行仿真，得到风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的对应关系，并进行线性化处理得到风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的斜率。

具体的，可以利用GH Blade软件进行仿真得到风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的对应关系，并做线性化处理，计算斜率：

其中，k(β,λ)为风轮旋转力矩与风轮桨距角β之间的斜率，T为风能产生的风轮旋转力矩，λ为叶尖速比。

(2)根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值。

具体的，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值的步骤包括：

a.以发电机定子磁链方向作为定子d轴方向，根据目标电压和目标频率，计算目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q，计算公式为：

其中，θ为发电机定子磁链电角度，V_g ^*为目标电压V_g的相电压幅值，ω为电压角速度，ω＝2πf_g，f_g为目标频率，中国电网频率指标是50Hz，取f_g＝50Hz。

b.根据目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q以及目标电压下的发电机功率设定值，计算目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算公式为：

其中，I_d和I_q分别为目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量，i_d和i_q分别为目标电压下的发电机转子的d、q轴电流分量，R为发电机定子每相绕组电阻，ω_m为发电机定子磁链旋转角速度；L_m,L_se分别为发电机绕组间最大互感，发电机定子每相绕组漏感；P和Q分别为目标电压下的发电机功率设定值中的有功功率设定值和无功功率设定值。

需要说明的是，发电机功率受风速和电网状态约束，在正常电网状态下，发电机有功功率最大出力可以通过风速功率曲线计算出来，因为电网调节过程比较快，短期内风速变化幅度不会太大，可以认为当前工况风速与目标工况风速一致。因此，有功功率设定值P和无功功率设定值Q可以根据风速功率曲线结合电力系统功率变化要求预先计算出来，由于计算过程属于现有技术，此处不再赘述。

c.根据目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，计算公式为：

其中，T_p为目标工况下的发电机电磁转矩静态值。

(3)将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量，即有：

ΔT_e＝T_p-T_c

其中，ΔT_e为发电机电磁转矩预变量，T_c为当前工况发电机电磁转矩，当前工况发电机电磁转矩可以从变流器或传感器直接采集得到。

(4)根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。

具体的，桨距角变化量的计算公式为：

其中，Δβ为桨距角变化量，K为风力发电机齿轮箱的减速比，k(β,λ)为步骤(1)中得到的风轮旋转力矩与风轮桨距角β之间的斜率，λ为叶尖速比。

需要说明的是，步骤(1)的目的是获取风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的斜率，属于风机电磁转矩控制开始前的准备工作。在风机桨距角控制过程中，将该斜率代入步骤(4)的公式中求取桨距角变化量。作为其他的实施方式，该具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法也可以不包括步骤(1)这一准备工作，而是直接将现有存在的风轮旋转力矩与风轮桨距角之间的斜率代入桨距角变化量的计算公式中，进而求取出桨距角变化量，并根据该桨距角变化量修改变桨系统指令，对变桨系统进行控制。

通过采用上述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，可以提前预测发电机电磁转矩变化量，然后根据电磁转矩预测量，实时调节风轮桨距角，有效减少了风力发电机超速故障的次数。

具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置实施例：

本实施例提供了一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，包括存储器和处理器，该处理器用于执行存储在存储器中的指令，其核心是实现上述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法。对于本领域的技术人员来讲，可以根据上述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，生成相应的计算机指令，以得到该具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置。由于该具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法已经在上述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，所述目标工况为发电机工作在正常电力系统状态时的工况；

将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量；

根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。

2.根据权利要求1所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，其特征在于，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值的步骤包括：

以发电机定子磁链方向作为定子d轴方向，根据目标电压和目标频率，计算目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q；

根据目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q以及目标电压下的发电机功率设定值，计算目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算公式为：

其中，I_d和I_q分别为目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量，i_d和i_q分别为目标电压下的发电机转子的d、q轴电流分量，R为发电机定子每相绕组电阻，ω_m为发电机定子磁链旋转角速度；L_m,L_se分别为发电机绕组间最大互感，发电机定子每相绕组漏感，P和Q分别为目标电压下的发电机功率设定值中的有功功率设定值和无功功率设定值；

根据目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，计算公式为：

其中，T_p为目标工况下的发电机电磁转矩静态值。

3.根据权利要求2所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，其特征在于，桨距角变化量的计算公式为：

其中，Δβ为桨距角变化量，ΔT_e为发电机电磁转矩预变量，ΔT_e＝T_p-T_c，T_c为当前工况下的发电机电磁转矩值，K为风力发电机齿轮箱的减速比，k(β,λ)为风轮旋转力矩与风轮桨距角β之间的斜率，λ为叶尖速比。

4.根据权利要求3所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，其特征在于，k(β,λ)是通过仿真计算得到的，计算公式为：

其中，T为风轮旋转力矩。

5.根据权利要求1所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制方法，其特征在于，目标电压下的发电机功率设定值包括有功功率设定值P和无功功率设定值Q，有功功率设定值P和无功功率设定值Q可以根据风速功率曲线结合电力系统功率变化要求预先计算出来。

6.一种具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在所述存储器中的指令以实现如下方法：

根据目标电压、目标频率和目标电压下的发电机功率设定值，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，所述目标工况为发电机工作在正常电力系统状态时的工况；

将目标工况下的发电机电磁转矩静态值与当前工况下的发电机电磁转矩值作差，得到发电机电磁转矩预变量；

根据发电机电磁转矩预变量，计算桨距角变化量，并根据桨距角变化量控制变桨系统。

7.根据权利要求6所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，其特征在于，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值的步骤包括：

以发电机定子磁链方向作为定子d轴方向，根据目标电压和目标频率，计算目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q；

根据目标电压下的发电机定子d轴分量U_d和q轴分量U_q以及目标电压下的发电机功率设定值，计算目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算公式为：

其中，I_d和I_q分别为目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量，i_d和i_q分别为目标电压下的发电机转子的d、q轴电流分量，R为发电机定子每相绕组电阻，ω_m为发电机定子磁链旋转角速度；L_m,L_se分别为发电机绕组间最大互感，发电机定子每相绕组漏感，P和Q分别为目标电压下的发电机功率设定值中的有功功率设定值和无功功率设定值；

根据目标电压下的发电机定子的d、q轴电流分量和转子的d、q轴电流分量，计算目标工况下的发电机电磁转矩静态值，计算公式为：

其中，T_p为目标工况下的发电机电磁转矩静态值。

8.根据权利要求7所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，其特征在于，桨距角变化量的计算公式为：

其中，Δβ为桨距角变化量，ΔT_e为发电机电磁转矩预变量，ΔT_e＝T_p-T_c，T_c为当前工况下的发电机电磁转矩值，K为风力发电机齿轮箱的减速比，k(β,λ)为风轮旋转力矩与风轮桨距角β之间的斜率，λ为叶尖速比。

9.根据权利要求8所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，其特征在于，k(β,λ)是通过仿真计算得到的，计算公式为：

其中，T为风轮旋转力矩。

10.根据权利要求6所述的具有主动支撑电网功能的风机桨距角控制装置，其特征在于，目标电压下的发电机功率设定值包括有功功率设定值P和无功功率设定值Q，有功功率设定值P和无功功率设定值Q可以根据风速功率曲线结合电力系统功率变化要求预先计算出来。