CN110529336B - 一种风力发电机组有功功率快速调节的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组有功功率快速调节的方法，包括：机组主控系统实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，并依据机组实时有功功率和给定变化率，将快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的输出设定值P2；机组主控系统再根据机组额定转速wrated、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w及转速‑转矩曲线，将输出设定值P2实时转换为转速目标值和转矩目标值；再将转速目标值和转矩目标值输送至转矩控制器和桨矩控制器，以实现机组有功功率的快速调节。还公开风力发电机组有功功率快速调节系统。本发明可以明显减小有功功率调节响应时间，实现有功功率快速、稳定地调节，能真正满足电网调频的需求。

Description

一种风力发电机组有功功率快速调节的方法和系统
技术领域
本发明涉及风电技术领域，特别是涉及一种风力发电机组有功功率快速调节的方法和系统。
背景技术
由于种种原因电网会出现限电或者风电机组存在自身缺陷的情况，这就需要风力发电机组具备有功功率调节的功能。随着风电大规模的应用，电网要求具备频率调节的功能，对风力发电机组有功功率调节的快速性和稳定性也提出了更高的要求。当前风力发电机组具备的有功功率调节功能对有功功率调节指令响应的时间较长，易导致风机脱网或其他问题。
如为满足一次调频的要求，风电场调度设备的有功功率控制指令变化速率会较大，此时采用一般有功功率调节技术的风力发电机组可能会出现两个问题：一是功率调节响应时间长的问题，有功功率控制系统给出控制指令后，风电机组经过一定延时才会响应，延时时间大小与机组当时实际有功功率的大小有关，不考虑通讯延时；二是有功功率快速调节过程中，收桨过多过快，有功功率控制不稳定，调节时间长，严重地，导致发电机转速低于切出转速，出现脱网现象。
由此可见，上述现有的风力发电机组有功功率调节方法仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种新的风力发电机组有功功率快速调节的方法和系统，使其能减少功率响应时间，且使功率调节稳定可靠，满足电网调频需求，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种风力发电机组有功功率快速调节的方法，使其能减少功率响应时间，且使功率调节稳定可靠，满足电网调频需求，从而克服现有的风力发电机组有功功率调节方法的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机组有功功率快速调节方法，所述方法包括如下步骤：
(1)风力发电机组主控系统实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，并依据机组实时有功功率和给定变化率，将所述有功功率控制指令中快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2；
(2)风力发电机组主控系统再根据机组额定转速wrated、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w以及转速-转矩曲线，将所述有功功率输出设定值P2实时转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset；并将所述转速目标值wset和转矩目标值Qset分别输送至转矩控制器和桨矩控制器，以实现机组有功功率的快速调节。
进一步改进，所述步骤(1)中将快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2，具体步骤为：
在有功功率输入设定值P1发生变化时，首先比较变化的有功功率输入设定值P1与当前有功功率输出设定值P2的大小，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1大于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步增加至变化的有功功率输入设定值P1。
进一步改进，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2时，还包括将有功功率输入设定值P1与实时有功功率值P比较大小的步骤：
若有功功率输入设定值P1大于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1小于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2先快速降低至所述实时有功功率值P，再按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1。
进一步改进，所述步骤(2)中将有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset，具体转换步骤为：
当有功功率输出设定值P2小于等于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，所述转速w2大于并网转速w1，则所述转速目标值wset设定为转速w2，所述转矩目标值Qset设定为P2/w；
当有功功率输出设定值P2大于等于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为wrated，所述转矩目标值Qset设定为P2/wrated；
当有功功率输出设定值P2大于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，且小于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为(P2/Kopt)0.3333333，转矩设定值Qset设定为P2/w。
进一步改进，所述步骤(2)中还包括对转速目标值wset变化速率进行限制的步骤。
本发明还提供一种风力发电机组有功功率快速调节系统，包括：
功率指令处理模块，用于实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，并依据风力发电机组的实时有功功率和给定变化率，将所述有功功率控制指令中快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2；
功率指令转换模块，用于接收所述功率指令处理模块处理后的有功功率输出设定值P2，再根据机组额定转速wrated、并网转速w1、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w，以及转速-转矩曲线，将所述有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset；再将转速目标值wset和转矩目标值Qset分别输送至转矩控制器和桨矩控制器，以实现机组有功功率的快速调节。
进一步改进，所述功率指令处理模块中将快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2，具体步骤为：
在有功功率输入设定值P1发生变化时，首先比较变化的有功功率输入设定值P1与当前有功功率输出设定值P2的大小，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1大于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步增加至变化的有功功率输入设定值P1。
进一步改进，所述功率指令处理模块中还包括将变化的有功功率输入设定值P1与实时有功功率值P比较大小的步骤：
若有功功率输入设定值P1大于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1小于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2先快速降低至所述实时有功功率值P，再按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1。
进一步改进，所述功率指令转换模块中将有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset，具体转换步骤为：
当有功功率输出设定值P2小于等于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，所述转速w2大于并网转速w1，则所述转速目标值wset设定为转速w2，所述转矩目标值Qset设定为P2/w；
当有功功率输出设定值P2大于等于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为wrated，所述转矩目标值Qset设定为P2/wrated；
当有功功率输出设定值P2大于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，且小于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为(P2/Kopt)0.3333333，转矩设定值Qset设定为P2/w。
进一步改进，所述功率指令转换模块中还包括对所述转速目标值wset变化速率进行限制的步骤。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
本发明风力发电机组有功功率快速调节方法通过结合机组实时有功功率和给定变化率，能实现将风电场调度设备发出的快速变化的有功功率输入设定值处理为平稳变化的有功功率输出设定值，再结合机组额定转速wrated、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w以及转速-转矩曲线，将有功功率输出设定值P2实时转换为转速目标值和转矩目标值，并通过将转速目标值和转矩目标值分别输送至转矩控制器和桨矩控制器，达到实现机组有功功率快速平稳调节的目的，本发明不仅减小了有功功率调节响应时间，还可以有效控制有功功率变化率，为风力发电机组有功功率调节的快速性和稳定性提供有利条件，真正满足电网调频的需求。
本发明风力发电机组有功功率快速调节系统通过在现有风力发电机组主控系统中设置功率指令处理模块和功率指令转换模块，用以实现机组有功功率快速调节的方法，达到实现机组有功功率快速平稳调节的目的，满足电网调频需求。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明风力发电机组有功功率快速调节系统的结构示意图。
图2是本发明中功率指令处理模块的处理逻辑示意图。
图3是本发明中功率指令转换模块转速-转矩曲线的示意图。
具体实施方式
参照附图1所示，本实施例风力发电机组有功功率快速调节系统在现有风力发电机组主控系统基础上进行改进，增设功率指令处理模块和功率指令转换模块。
功率指令处理模块，用于实时接收风电场调度设备的有功功率控制指令，将接收到的有功功率输入设定值P1转换为有功功率输出设定值P2。由于有功功率控制指令会随电网需求进行快速大幅度调整，在有功功率输入设定值P1发生大幅度变化时，该功率指令处理模块依据风力发电机组的实时有功功率和给定变化率，对有功功率输出设定值P2进行快速稳定的调整，使该有功功率输出设定值P2避免大幅度变化的情况，形成稳定的逐步的改变输出值，并能相应的减小有功功率响应时间；最后还能再将调整后的有功功率输出设定值P2输送至功率指令转换模块。
功率指令转换模块，用于接收调整后的有功功率输出设定值P2，根据风电机组额定转速wrated、并网转速w1、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w，以及转速-转矩曲线EFCD-GH，将有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset；再将转速目标值wset和转矩目标值Qset分别输送至现有主控系统中的转矩控制器和桨矩控制器，以实现转速和转矩的相应动作，达到风力发电机组的有功功率快速调节的目的。
上述该风力发电机组有功功率快速调节系统的具体调节方法包括如下步骤：
(1)功率指令处理步骤：功率指令处理模块实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，根据风电场调度设备发出的有功功率输入设定值P1的快速变化，依据风力发电机组的实时有功功率和给定变化率，快速稳定的调整所述有功功率输出设定值P2。
具体的，参照附图2所示，在有功功率输入设定值P1发生变化时，首先比较变化的有功功率输入设定值P1与当前有功功率输出设定值P2的大小：
若有功功率输入设定值P1大于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照给定变化率逐步增加至变化的有功功率输入设定值P1。
若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，且有功功率输入设定值P1大于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2按照给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1。
若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，且有功功率输入设定值P1小于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2先快速降低至实时有功功率值P，再按照给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1。
从上步骤可看出，有功功率输出设定值P2的调整是按照给定变化率和实时有功功率进行的，实现了将风电场有功功率控制指令大幅度变化改变成平缓的稳定的调整，不仅可减小有功功率调节响应时间，还可以有效控制有功功率变化率。
(2)功率指令处理模块再将调整后的有功功率输出设定值P2实时输送至功率指令转换模块。
(3)功率指令转换步骤：功率指令转换模块实时接收有功功率输出设定值P2，根据风电机组额定转速wrated、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w，以及转速-转矩曲线，将有功功率输出设定值P2实时转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset。
具体的，参照附图3所示，图中表示了风电机组的转速-转矩曲线ABCD-GH，AB段为恒切入转速段，BC段为最大Cp段，CD段为恒额定转速段，GDH段为恒功率段。该转速-转矩曲线ABCD-GH是在风电机组正常运行时适用。
图中风电机组的转速-转矩曲线EFCD-GH是在风电机组进入有功功率快速调节时适用，其中最低控制转速改为转速w2，转速w2大于并网转速w1，其他保持不变。
当有功功率输出设定值P2小于等于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值Qdown2*w2，则转速目标值wset设定为转速w2，转矩目标值Qset设定为P2/w。
当有功功率输出设定值P2大于等于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值Qup*wrated，则转速目标值wset设定为wrated，转矩目标值Qset设定为P2/wrated。
当有功功率输出设定值P2大于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值Qdown2*w2，且小于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值Qup*wrated，则转速目标值wset设定为(P2/Kopt)0.3333333，转矩设定值Qset设定为P2/w。
从上步骤可看出，通过采用给定的转速-转矩曲线EFCD-GH，将最低控制转速改为转速w2，并通过将实时接收到的有功功率输出设定值P2与转速-转矩曲线EFCD-GH上的功率值对比，设定出不同状态下的转速目标值wset和转矩目标值Qset，减小了有功功率调节响应时间，还有效控制了有功功率变化率，为满足电网调频提供有利支持。
另外，该功率指令转换模块中还包括对转速目标值wset变化速率进行限制的步骤，使转速目标值wset的变化波动小，能更加稳定的响应风电场有功功率的快速调节。
(4)功率指令转换模块再将转速目标值wset和转矩目标值Qset分别实时输送至转速控制器和桨矩控制器，以实现风力发电机组转速和转矩的相应动作，达到机组有功功率快速、平稳的调节。
根据上述风力发电机组有功功率快速调节系统和方法，可以实现有功功率快速调节的功能，为风电场一次调频、有功功率控制奠定坚实的基础。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种风力发电机组有功功率快速调节方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)风力发电机组主控系统实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，并依据机组实时有功功率和给定变化率，将所述有功功率控制指令中快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2；
其中，将快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2，具体步骤为：
在有功功率输入设定值P1发生变化时，首先比较变化的有功功率输入设定值P1与当前有功功率输出设定值P2的大小，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1大于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步增加至变化的有功功率输入设定值P1；
(2)风力发电机组主控系统再根据机组额定转速wrated、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w以及转速-转矩曲线，将所述有功功率输出设定值P2实时转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset；并将所述转速目标值wset和转矩目标值Qset分别输送至转矩控制器和桨矩控制器，以实现机组有功功率的快速调节。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组有功功率快速调节方法，其特征在于，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2时，还包括将有功功率输入设定值P1与实时有功功率值P比较大小的步骤：
若有功功率输入设定值P1大于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1小于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2先快速降低至所述实时有功功率值P，再按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1。
3.根据权利要求2所述的风力发电机组有功功率快速调节方法，其特征在于，所述步骤(2)中将有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset，具体转换步骤为：
当有功功率输出设定值P2小于等于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，所述转速w2大于并网转速w1，则所述转速目标值wset设定为转速w2，所述转矩目标值Qset设定为P2/w；
当有功功率输出设定值P2大于等于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为wrated，所述转矩目标值Qset设定为P2/wrated；
当有功功率输出设定值P2大于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，且小于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为(P2/Kopt)0.3333333，转矩设定值Qset设定为P2/w。
4.根据权利要求3所述的风力发电机组有功功率快速调节方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括对转速目标值wset变化速率进行限制的步骤。
5.一种风力发电机组有功功率快速调节系统，其特征在于，包括：
功率指令处理模块，用于实时接收风电场调度设备发出的有功功率控制指令，并依据风力发电机组的实时有功功率和给定变化率，将所述有功功率控制指令中快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2；所述功率指令处理模块中将快速变化的有功功率输入设定值P1处理为平稳变化的有功功率输出设定值P2，具体步骤为：
在有功功率输入设定值P1发生变化时，首先比较变化的有功功率输入设定值P1与当前有功功率输出设定值P2的大小，若有功功率输入设定值P1小于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1大于当前有功功率输出设定值P2，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步增加至变化的有功功率输入设定值P1；
功率指令转换模块，用于接收所述功率指令处理模块处理后的有功功率输出设定值P2，再根据机组额定转速wrated、并网转速w1、转速w2、最优增益系数Kopt和实时发电机转速w，以及转速-转矩曲线，将所述有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset；再将转速目标值wset和转矩目标值Qset分别输送至转矩控制器和桨矩控制器，以实现机组有功功率的快速调节。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组有功功率快速调节系统，其特征在于，所述功率指令处理模块中还包括将变化的有功功率输入设定值P1与实时有功功率值P比较大小的步骤：
若有功功率输入设定值P1大于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1；若有功功率输入设定值P1小于实时有功功率值P，则当前有功功率输出设定值P2先快速降低至所述实时有功功率值P，再按照所述给定变化率逐步减少至所述变化的有功功率输入设定值P1。
7.根据权利要求6所述的风力发电机组有功功率快速调节系统，其特征在于，所述功率指令转换模块中将有功功率输出设定值P2转换为转速目标值wset和转矩目标值Qset，具体转换步骤为：
当有功功率输出设定值P2小于等于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，所述转速w2大于并网转速w1，则所述转速目标值wset设定为转速w2，所述转矩目标值Qset设定为P2/w；
当有功功率输出设定值P2大于等于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为wrated，所述转矩目标值Qset设定为P2/wrated；
当有功功率输出设定值P2大于转速-转矩曲线中转速为w2时的功率值，且小于转速-转矩曲线中转速为wrated时的最小功率值，则所述转速目标值wset设定为(P2/Kopt)0.3333333，转矩设定值Qset设定为P2/w。
8.根据权利要求7所述的风力发电机组有功功率快速调节系统，其特征在于，所述功率指令转换模块中还包括对所述转速目标值wset变化速率进行限制的步骤。
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