CN111478318B - 一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，本发明首先根据风力发电机组不同部件的电压适应特性，确定风力发电机组最低运行电压限值U_L，分析得出与并网点电压降低有关联的部件，并根据该部件额定电流限值，得出不同部件的输出功率P与并网点电压U的关系，并取其中的最小值功率作为在并网电压U工况下风力发电机组的功率输出限值P_L，以确保风力发电机组实际输出功率低于P_L。该发明实现方式简单，不需要对风力发电机组硬件进行变更，仅仅根据现有部件的性能参数进行评估校核，并对控制软件进行修改可实现上述功能。该方法能够实现风力发电机在并网点电压低于标准电压下限时仍能够并网发电运行，以提高风电场发电量收益。

Description

一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法。

背景技术

随着世界能源危机的加剧和人们环境保护意识的提高，风力发电日益受到人们的重视，目前已成为最具开发前景的新能源之一。我国具有丰富的风力发电资源，风电产业的发展有良好的资源基础，截止2019年底我国风电装机规模已达到2亿千瓦。但是我国风电大都处于偏远地区，一般接入电网末端，造成风电并网点电压普遍偏低，在个别工况下风机并网点电压已低于国家标准规定的90％*U_N范围限制；尤其近年来在我国逐步兴起的分散式风电，由于其大都直接接入农村配电网络，在夏季用电负荷高峰期风机并网点电压普遍偏低，造成风力发电机组故障停机。现有风力发电机组均是参照标准规定的90％*U_N电压最低限值进行设计，当风机并网点电压低于90％*U_N后，风力发电机机组将进行保护停机，从而影响风机发电量收益；

通过对现有风力发电机组的电压适应性能进行研究发现，风力发电机组主要电气部件为发电机、动力电缆、变流器和开关类保护器件，该部分器件均为电流型负荷，当风机并网点电压低于90％*U_N时，如输出电流在限制范围之内，该部件仍可以正常运行。此时由于并网点电压降低，根据公式P＝U*I可知，风力发电机组发电输出功率将会降低，而现有风力发电机组均具备自动限功率功能，可以进行控制策略优化，以限制风力发电机组的发电功率。因此当并网点电压降低时，如对风力发电机组进行限功率控制，在确保各部件输出电流不超出其额定电流的前提下，仍可以让风力发电机组处于发电运行状态，以增加发电量收益。

现有风力发电机组设计均是参照GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，该标准规定风电机组正常运行电压范围为690V标称电压(U_N)的90％～110％之间，并且还规定当并网点电压出现瞬时暂态跌落(最长时间不超过2s，最低跌落深度不超过标称电压的20％)风力发电机组应能正常并网运行，但是对于当风机并网点电压低于标称电压90％*U_N更长时间时，风电机组的运行状态并未做要求。因此目前现有风力发电机组长时间并网运行低电压限值均是参照标称电压90％*U_N进行设计，当风力发电机组检测到并网点电压低于90％*U_N且时间延时超过2s时，风力发电机组将进行停机保护；

现有技术大都是对风力发电机组暂态低电压穿越实现方法进行说明，如“一种双馈风力发电机组低电压穿越方法”，东方电气风电有限公司，CN201910878046.6，公开了一种双馈风力发电机组低电压穿越方法，采用软件算法模拟的虚拟Crowbar组件和硬件Chopper组件实现低电压穿越。“风力发电机组低电压穿越控制方法及装置”，北京金风科创风电设备有限公司，CN201711475020，公开了一种风力发电机组低电压穿越控制方法及装置，实时监测风电场并网点电压；根据并网点电压以及风力发电机组输出的额定电压，控制风力发电机组执行低电压穿越和结束低电压穿越；以上文献均未涉及并网点电压降低时间更长的实现方法。

现有技术方案仅仅参照现有国标将电压下限90％*U_N作为风力发电机组保护的限制条件，当电压低于该限值后即强制风电机组停机保护。没有对风力发电机组的电压适应和功率输出特性进行深入分析，降低现有风力发电机组的电网适应性能力，最终影响风力发电机组的发电性能，降低风电场发电量收益。

发明内容

为了解决现有风力发电机组在并网点电压降低时不能正常运行的问题，本发明提供一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，对风力发电机组各主要部件的低电压适应性能进行研究，结合风电机组可以自动限制输出功率的特性，确保在满足各部件运行安全的前提下，对现有风力发电机的低电压保护控制策略进行优化，增大机组低电压运行范围，提高风电场的发电量收益。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，包括：

确定风力发电机组各部件所能承受的最低运行电压；

确定风力发电机组输出功率与并网点电压变化有关联的部件；

确定各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系；

检测风力发电机组并网点电压，如果高于最低运行电压，则根据各部件额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系，计算各部件在额定电流限值运行工况下的输出功率，选择其中最小的输出功率作为风力发电机组的功率输出限值；如果不高于最低运行电压，则风力发电机组停机保护。

进一步地，确定风力发电机组各部件所能承受的最低运行电压U_L包括：

计算变流器最低运行电压U_L1，计算开关元件最低运行电压U_L2，选择U_L1和U_L2中的最小值作为风力发电机组的最低运行电压U_L。

进一步地，变流器最低运行电压U_L1为网侧变流器额定工作电压的80％；开关元件最低运行电压U_L2为接触器或者断路器的控制线圈额定运行电压的85％。

进一步地，对于双馈风力发电机组，确定所述各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系包括：

1)确定网侧变流器输出电流限值工况下双馈风力发电机组的输出功率P_w1与并网点电压U_w的关系：

其中，s为转差，I_rn为变流器网侧额定电流；

2)确定双馈风力发电机组定子绕组、定子电缆和并网接触器额定电流限值工况下双馈风力发电机组功率输出P_w2、P_w3、P_w4与并网点电压U_w的关系：

其中，I_sn1、I_sn2、I_sn3分别为定子绕组、定子电缆和并网接触器的额定电流；

3)确定双馈风力发电机组并网断路器额定电流限值工况下双馈风力发电机组输出功率限值与并网点电压的关系为：

其中I_bn为并网断路器的额定电流。

进一步地，对于全功率风力发电机组，确定所述各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系包括：

确定在全功率风力发电机发电机网侧变流器和并网断路器额定电流限值工况下风力发电机组功率输出P_w1，P_w2与并网点电压U_w的关系：

其中I_bn为并网断路器额定电流，I_rn为变流器功率模块的额定电流。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)现有技术方案仅仅参照现有国标将电压下限90％*U_N作为风力发电机组保护的限制条件，当电压低于该限值后即强制风电机组停机保护。本发明对并网点电压低于90％*U_N时风力发电机各部件的性能参数进行分析，针对双馈和全功率两种不同类型风力发电机机组，得出不同部件额定电流限值条件下风力发电机组发电功率和并网点电压关系；根据各部件所能承受的最低运行电压进行停机保护的控制，将各类限值运行工况下的功率最小值P_L作为风力发电机组的功率输出限值。本发明充分考虑到了部件之间的差异，使得根据不同类型风力发电机组特点，不同部件特性确定的最低运行电压更为准确。本发明实现了低电压工况下的变功率限值运行控制，可以使风力发电机在并网点电压低于标准电压下限时仍能够并网发电运行。

(2)现有技术方法大多是对并网点电压短时低于90％*U_N时(最长时间不超过2s)对风力发电机组进行控制。本发明实现了并网点电压长时间低于90％*U_N风力发电机组的运行控制。

(3)本发明基于风力发电机组现有硬件配置，仅仅对控制软件进行修改，不涉及到硬件改造，实施方便快捷。

附图说明

图1为双馈风力发电机组发电系统拓扑图；

图2为全功率风力发电机组发电系统拓扑图；

图3为双馈风力发电机组部件P/U曲线图；

图4为全功率风力发电机组部件P/U曲线图；

图5为风力发电机组低电压限功率控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

风力发电机组发电系统主要由发电机、变流器、动力电缆和开关器件组成，根据发电机类型的不同，可分为双馈发电系统和全功率发电系统，具体如图1和图2所示。本发明基于风力发电机组发电系统原理，一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，并依据该运行方法对风力发电机功率控制策略进行优化，可以使风力发电机在并网点电压低于标准电压下限时仍能够并网发电运行，结合图5，具体步骤如下所示：

步骤1：确定风力发电机组各部件所能承受的最低运行电压U_L；

1)确定变流器最低运行电压U_L1

风力发电机组采用的变流器为交-直-交电压源型变换装置，主要分为网侧变流器、直流母线和机侧变流器构成，其中网侧变流器与电网连接，主要负责维持直流母线稳定在1100V附近，机侧变流器与发电机连接主要负责给发电机励磁，确保发电机输出有功功率输出满足设计要求。机侧变流器通过直流母线与网侧变流器进行连接，由于直流母线电压始终稳定在1100V附近，所以并网点电压降低时不会对机侧变流器的运行产生影响，仅仅对网侧变流器的运行产生影响，因此需要对并网点电压降低时，网侧变流器运行状态进行评估。网侧变流器电路拓扑结构为Boost电路，该结构具备升压功能，当并网点电压降低时，仍可以将直流母线电压维持在1100V附近。通过查阅通用变流器技术手册，网侧变流器最低工作电压为其额定电压U_N的80％，可将该值作为变流器最低运行电压限值U_L1。

2)确定开关元件最低运行电压U_L2

风力发电机组配置的开关元件主要为并网接触器和并网断路器，并网点电压降低时，主要对接触器或者断路器的控制线圈正常工作产生影响。其中接触器控制线圈一般工作电压范围85％*U_N-110％*U_N，而并网断路器合闸线圈的工作电压范围70％*U_N-110％*U_N，并网断路器的分闸线圈工作电压范围为85％*U_N-110％*U_N，根据以上器件参数，可选择各器件最低运行电压的最大值85％*U_N作为U_L2。

3)发电机和动力电缆

由于发电机和动力电缆为电流型元件，并网点电压降低时仍可以运行，对其影响最大的主要是电流产生的热效应，因此确定最低运行电压限值U_L参数时刻暂不予考虑发电机和动力电缆的影响。

因此可根据以上分析选择U_L1和U_L2的最小值作为风力发电机组电压最低运行限值U_L。

步骤2：确定所述各部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系；

现有风力发电机组各部件电气容量设计均是按照最低运行电压0.9*U_N进行设计，对于上述部件而言为确保该部件不会由于发热而损坏，需确保部件输出电流不会超过其额定电流I_N。因此当并网点电压降低时，可适当降低风力发电机组的输出功率，以确保部件输出电流不会超过其额定电流。由于双馈发电机和全功率发电机的结构差异，因此需要分别对其进行说明。

1、双馈风力发电机组

如图1所示，对于双馈风力发电机组而言当并网点电压降低时，需要对电缆、网侧变流器和低压开关元件的运行性能进行评估，而机侧变流器由于直流母线电压不会因为运行电压降低而发生变化，因此对于机侧变流器的工作状态与电压正常运行工况一致，不需要进行性能评估。

1)确定网侧变流器输出电流限值工况下双馈风力发电机组的输出功率P_w1与并网点电压U_w的关系：

根据双馈发电机的原理可知，发电机转差s为：

上述n为发电机实际转速，n₀为发电机同步转速，

对于双馈风力发电机而言，网侧变流器输出功率仅为转差功率，则在发电工况下网侧变流器的输出功率P_r为：

P_r＝P_w*s，则

其中P_w为风力发电机组实际输出功率，而对于P_r：

其中U_w为风力发电机并网点电压，I_r为变流器网侧电流。

则风力发电机输出功率P_w即为：

上式为风力发电机实际输出功率与变流器网侧电流的关系，对于双馈变流器而言功率因数cosψ一般为1；而其额定电流I_rn与变流器设计有关，可以通过变流器的参数列表得出，风机在正常运行过程中，需保证实际输出电流小于额定电流，即I_r≤I_rn，所以风力发电机组输出功率与并网点电压的关系为：

上式即为网侧变流器输出电流限值工况下的风力发电机组的输出功率与并网点电压关系。

2)确定双馈风力发电机组定子绕组、定子电缆和并网接触器额定电流限值工况下双馈风力发电机组功率输出P_w2、P_w3、P_w4与并网点电压U_w的关系：

对于双馈风力发电机而言，发电机定子输出功率为：

P_s＝P_w*(1-s)，则

由于

其中U_w为风力发电机并网点电压，I_s为发电机定子电流。

则风力发电机输出功率P_w即为：

上式即为风力发电机实际输出功率与发电机定子电流的关系，对于双馈变流器而言功率因数cosψ主要由风场AVC系统控制，但是该值可以实时进行测量，转差s也可以实时测量。与发电机定子电流有关的器件主要为发电机定子绕组、定子电缆和并网接触器，其额定电流I_sn与该部件设计有关，可以通过查阅该部件参数得出，同样风机在正常运行过程中，需保证实际输出电流小于额定电流，I_s≤I_sn，所以风力发电机组输出功率与并网点电压的关系为：

上式中P_w2，P_w3，P_w4分别为在发电机定子绕组、定子电缆和并网接触器额定电流限值工况下，风力发电机组功率输出与并网点电压的关系。

3)确定双馈风力发电机组并网断路器输出功率限值与并网点电压的关系

双馈风力发电机定子和网侧变流器输出电流均通过并网断路器送入电网，则风力发电机输出功率P_w为：

上式即为风力发电机输出功率与并网断路器输出电流I_b的关系，如前所述，cosψ风力发电机组可实时进行测量，其并网断路器的额定电流I_bn与机组设计有关，可以通过查阅该部件参数得出，同样风机在正常运行过程中，需保证实际输出电流小于额定电流，I_b≤I_bn，所以风力发电机组输出功率限值与并网点电压的关系为：

根据上述公式可以得到在不同部件额定电流约束条件下风机实际输出功率与并网点电压关系，可在同一坐标系下绘制风力发电机输出功率限值与并网点电压P/U曲线，如图3所示，曲线填充区域即为当并网点电压降低时，风力发电机组的最大允许输出功率限值。

2、全功率风力发电机组

对于全功率风力发电机组而言，如图2所示，发电机通过全功率变流器与电网进行连接，当并网点电压降低时，由于变流器直流母线的隔离作用，不会对机侧变流器、动力电缆和发电机运行电压产生影响，因此仅需要对网侧变流器和低压开关元件进行评估；

对于全功率风力发电机而言，网侧变流器输出功率为全部风力发电机组输出功率，则在发电工况下网侧变流器的输出功率P_w为：

上述U_w为风力发电机并网点电压，I_r为变流器网侧电流，cosψ为功率因数。

上式即为全功率风力发电机实际输出功率与网侧变流器电压的关系，对于全功率变流器而言功率因数cosψ主要由风场AVC系统控制，但是该值可以实时进行测量。与变流器网侧电流有关的器件主要为其网侧变流器功率模块的额定电流I_rn和并网断路器额定电流I_bn，上述参数与变流器设计有关，可以通过变流器和断路器参数得出。风机在正常运行过程中，需保证实际输出电流小于额定电流，即I_r≤I_rn和I_r≤I_bn，则在全功率风力发电机发电机网侧变流器和并网断路器额定电流限值工况下风力发电机组功率输出P_w1，P_w2与并网点电压U_w的关系为：

根据上述公式可以在同一坐标系下绘制不同部件额定电流限值情况下全功率风力发电机发电机输出功率限值和并网点电压P/U关系曲线，如图4所示，曲线填充区域即为当并网点电压降低时，全功率风力发电机组的最大允许输出功率限值。

步骤3：检测风力发电机组并网点电压，如果高于最低运行电压，则根据各类限值运行工况下的功率和并网点电压的关系，基于实时采集的并网点电压，计算各类限值运行工况下的功率P_wi，选择其中最小的功率作为风力发电机组的当前功率输出限值P_L；如果不高于最低运行电压，则风力发电机组停机保护。当前功率输出限值P_L基于实时采集的并网点电压计算获得，不再是唯一的确定值，而是基于风力发电机组当前运行工况的变值。

当并网点电压低于风力发电机组正常工作电压90％*Un时，如此时仍高于风力发电机组各部件最低运行电压U_L，则风力发电机组仍可以并网发电运行。但是由于各部件额定电流限制，其输出功率将会降低，因此为了确保风机机组部件运行安全，需参照各部件额定电流约束情况下风力发电机组输出功率限值和并网点电压P/U曲线进行降功率控制，功率限值为实时基于并网点电压计算获得。

综上所述，本发明基于风力发电机组发电系统原理，提出一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，并依据该运行方法对风力发电机功率控制策略进行优化，可以使风力发电机在并网点电压低于标准电压下限时仍能够并网发电运行。本发明首先根据发电系统不同部件的电压适应特性，确定风力发电机组最低运行电压限值U_L，其次根据双馈风力发电机和全功率风力发电机的设计原理，分析得出与并网点电压降低有关联的部件，并根据该部件额定电流I_N限值，得出不同部件的输出功率P与并网点电压U之前的曲线关系，并取其中的最小值P_L作为在并网电压U工况下风力发电机组的功率输出限值；最后对风力发电机组限功率控制策略进行优化，增加上述限功率功能，确保实际输出功率低于P_L。该发明实现方式简单，不需要对风力发电机组硬件进行变更，仅仅根据现有部件的性能参数进行评估校核，并对控制软件进行修改可实现上述功能。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (3)

1.一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，其特征在于，包括：

确定风力发电机组各部件所能承受的最低运行电压；

确定风力发电机组输出功率与并网点电压变化有关联的部件；确定各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系；

检测风力发电机组并网点电压，如果所述并网点电压高于最低运行电压，则根据各类限值运行工况下的功率和并网点电压的关系，计算各类限值运行工况下的输出功率，选择其中最小的输出功率作为风力发电机组的功率输出限值；如果所述并网点电压不高于最低运行电压，则风力发电机组停机保护；

确定风力发电机组各部件所能承受的最低运行电压U_L的步骤包括：

计算变流器最低运行电压U_L1，计算开关元件最低运行电压U_L2，选择U_L1和U_L2中的最小值作为风力发电机组的最低运行电压U_L；

变流器最低运行电压U_L1为网侧变流器额定工作电压的80％；开关元件最低运行电压U_L2为接触器或者断路器的控制线圈额定运行电压的85％。

2.根据权利要求1所述的一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，其特征在于，对于双馈风力发电机组，确定所述各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系的步骤包括：

1)确定网侧变流器输出电流限值工况下双馈风力发电机组的输出功率P_w1与并网点电压U_w的关系：

其中，s为转差，I_rn为变流器网侧额定电流；

2)确定双馈风力发电机组定子绕组、定子电缆和并网接触器额定电流限值工况下双馈风力发电机组功率输出P_w2、P_w3、P_w4与并网点电压U_w的关系：

其中，I_sn1、I_sn2、I_sn3分别为定子绕组、定子电缆和并网接触器的额定电流，cosψ为功率因数；

3)确定双馈风力发电机组总并网断路器额定电流限值工况下双馈风力发电机组输出功率限值P_w5与并网点电压的关系为：

其中I_bn为网断路器的额定电流。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于风力发电机组功率限制的运行控制方法，其特征在于，对于全功率风力发电机组，确定所述各关联部件在额定电流限值运行工况下的功率和并网点电压的关系包括：

确定在全功率风力发电机网侧变流器和并网断路器额定电流限值工况下风力发电机组功率输出P_w1，P_w2与并网点电压U_w的关系：

其中I_bn为并网断路器额定电流，I_rn为变流器功率模块的额定电流，cosψ为功率因数。

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