CN111786404A - 一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，考虑风机间尾流效应的影响，分析各排风机功率输出特性的差异性，在风电场接收到弃风指令时，通过优化分配风电场内各风机间的有功功率，将部分风能存储在风机转子中，以实现风机转子动能的最大化。另外，在风机转速控制不能满足风电场弃风需求时，最优桨距角控制动作，在实现风电场有功控制目标时，最小化桨距角的调节量。能够实现弃风层面下风电场内有功功率的合理分配，减小弃风情况下风电场的风能损失。本发明能够实现弃风层面下风电场内有功功率的合理分配，减小弃风情况下风电场的风能损失。

Description

一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法

技术领域

本发明属于风电系统有功控制领域，尤其涉及一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法。

背景技术

随着电网中风电渗透率的不断提升，风电弃风现象也日趋普遍，如何在保证风电场有功调节目标的同时，减少风电场的风能损失，是当前值得关注的一个重要问题。本发明提出一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配策略，在风电场弃风时，将一部分风能以动能形式存储在转子中，这部分动能能在系统发生功率缺额时提供短时功率支撑，可以在一定程度上缓解系统频率的下降，也最大限度地减少了风电场的风能损失。

现有的研究主要集中在风电场的各种有功调节方法之间的配合，对考虑尾流效应影响下风机转子储存动能的差异性的研究还比较匮乏，并且也少有涉及风电场最优转子动能的有功调节策略。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，能够实现弃风层面下风电场内有功功率的合理分配，减小弃风情况下风电场的风能损失。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，包括如下步骤：

步骤1，获取风机初始转速、最大转速、初始桨距角；

步骤2，计算超速控制减载极限

通过下式计算最大减载量：

式中，ρ为空气密度，R为风轮机半径，v为输入风速，C_p为风能利用系数，ω_tur,0和ω_tur,max分别为风机初始转子转速和风机最大转子转速，β为风机桨距角；

风能利用系数C_p通过下式进行计算：

式中，λ为叶尖速比；

步骤3，进行风机有功优化分配

当超速控制能满足风电场弃风需求时，所述风机有功优化分配阶段通过下式对各风机进行有功优化分配：

式中，

和

分别为t时刻与t₀时刻风机的转子转速，H_D为风电机组的转动惯量；

约束条件如下：

β_ij＝β_ij,0

式中，

和

分别为第i行第j列风机的弃风量与风电场总的弃风量，P_ij,mppt为风机降载前运行在最大功率跟踪点时的有功输出，β_ij,0为初始桨距角，

和

分别为风机初始的转子转速与允许的转子最大转速；

基于有功优化分配计算结果，向各风机发送转速调节指令，以调节各风机功率。

进一步的，所述步骤3中，当超速控制不能满足风电场弃风需求转子转速达到上限时，若还需要进行有功减载，则采用风机桨距角控制，通过调整风机叶片的迎风角，改变风机的有功输出。

进一步的，所述风机桨距角控制通过下式计算最优桨距角控制量：

式中，β_ij为第i行第j列风机桨距角的动作量；

约束条件如下：

0≤β_ij≤β_max

式中，

为风机的最大转子转速，β_max为风机最大允许调节的桨距角；

根据最优桨距角计算结果，向各风机发送桨距角调节指令。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明根据计算得到的风机超速控制的减载极限，实现弃风情况下风电场内风机有功的合理分配，考虑风机间尾流效应的影响，分析各排风机功率输出特性的差异性，在风电场接收到弃风指令时，通过优化分配风电场内各风机间的有功功率，能尽可能地减少风能的丢弃，将部分风能存储在风机转子中，以实现风机转子动能的最大化。另外，在风机转速控制不能满足风电场弃风需求时，最优桨距角控制动作，在实现风电场有功控制目标时，最小化桨距角的调节量。与已有的风电场有功分配策略相比，所提策略可以将弃风情况下的一部分本会丢弃的风能以转子动能的形式存储起来，并在系统发生有功缺额时进行释放，利用这部分动能为系统提供短时功率支撑，能够延缓系统频率跌落的速度，为系统一次调频赢得时间。

附图说明

图1为验证本发明的系统示意图。

图2为采用本发明所提方法后系统的频率曲线。

图3为本发明所提方法实现的流程图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1所示为风电场接入系统示意图，风电场内包含12台风机，每台风机额定容量为3MW，整个风电场的额定容量为36MW，系统负荷为100MW。考虑尾流效应对风电场的影响，前后排风机的输入风速有所异同，实施例中设置初始输入风速为11m/s，风向0°。

本发明提出一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，其流程如图3所示，包括：

步骤1，获取风机初始转速、最大转速、初始桨距角。

步骤2，计算超速控制减载极限。

在本阶段，旨在计算出风机超速控制的减载极限。超速控制是实现风电场弃风的一种手段，即通过风机转子加速使其偏离最大功率跟踪运行点，运行至次优运行点，实现风机的减载运行，但是超速减载控制要受到风机最大转子转速的限制，最大减载量可以表示为：

式中，ρ为空气密度，R为风轮机半径，v为输入风速，C_p为风能利用系数，ω_tur,0和ω_tur,max分别为风机初始转子转速和风机最大转子转速，β为风机桨距角。

另外，

式中，λ为叶尖速比。

在本实施例中，计算得到各排风机超速控制的减载极限如表1所示：

表1本发明方法各排风机超速控制的减载极限

步骤3，进行风机有功优化分配

在风机有功优化分配阶段，旨在实现风电场内各风机间有功调节指令的合理分配。

在风机超速控制能满足风电场弃风需求时，考虑风机尾流效应的影响，风电场内各排风机间的实际输入风速有一定的差异性，造成风机输出功率特性的差异性，后排风机受到前排风机的影响，其实际输入风速会低于前排风机。因此，在风电场进行有功控制时，需要对各风机进行有功优化分配，具体为：

式中，

和

分别为t时刻与t₀时刻风机的转子转速，H_D为风电机组的转动惯量。

约束条件为：

β_ij＝β_ij,0

式中，

和

分别为第i行第j列风机的弃风量与风电场总的弃风量，P_ij,mppt为风机降载前运行在最大功率跟踪点时的有功输出，β_ij,0为初始桨距角，

和

分别为风机初始的转子转速与允许的转子最大转速。

基于有功优化分配计算结果，向各风机发送转速调节指令，以调节各风机功率。

当转子转速达到上限，超速控制不能满足风电场弃风需求时，若还需要进行有功减载，则需要采用风机桨距角控制。桨距角控制通过调整风机叶片的迎风角，以改变风机的有功输出。考虑尾流效应影响下风机桨距角控制能力的差异性，采用最优桨距角控制，以减少桨距角的调节量，即：

式中，β_ij为第i行第j列风机桨距角的动作量。

需考虑以下约束条件：

0≤β_ij≤β_max

式中，

为风机的最大转子转速，β_max为风机最大允许调节的桨距角。

根据最优桨距角计算结果，向各风机发送桨距角调节指令，以调节各风机桨距角。

在本实施例中，在15s时部分负荷被切除，调度指令要求风电场弃风13.2MW，70s时负荷增大，系统又出现功率缺额，按本发明所提的有功优化分配方法，各排风机的有功调节情况如表2所示，各排风机的桨距角动作情况如表3所示：

表2本发明方法各排风机的有功调节情况

表3本发明方法与传统方法风机桨距角动作情况

对比图2中本发明方法与传统的仅采用桨距角控制的调节方法可知，本发明所提的考虑最优转子动能的风电场有功优化分配策略，由于在风电场弃风时将一部分本应丢弃的风能以动能形式存储在转子中，可在系统发生功率缺额时予以释放，为系统提供短时功率支撑，系统频率最低点达到49.423Hz，而传统的仅采用桨距角控制的调节方法不能为系统进行功率支撑，会造成系统频率的较大跌落，频率最低点为49.170Hz。另外，本发明所提方法，在减小桨距角调节方面具备较大的优势，除了第一排风机，其他风机均未进行桨距角动作，而传统的仅采用桨距角控制的调节方法进行了较大的桨距角调节。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，获取风机初始转速、最大转速、初始桨距角；

步骤2，计算超速控制减载极限

通过下式计算最大减载量：

式中，ρ为空气密度，R为风轮机半径，v为输入风速，C_p为风能利用系数，ω_tur,0和ω_tur,max分别为风机初始转子转速和风机最大转子转速，β为风机桨距角；

风能利用系数C_p通过下式进行计算：

式中，λ为叶尖速比；

步骤3，进行风机有功优化分配

当超速控制能满足风电场弃风需求时，所述风机有功优化分配阶段通过下式对各风机进行有功优化分配：

式中，

和

分别为t时刻与t₀时刻风机的转子转速，H_D为风电机组的转动惯量；

约束条件如下：

β_ij＝β_ij,0

式中，

和

分别为第i行第j列风机的弃风量与风电场总的弃风量，P_ij,mppt为风机降载前运行在最大功率跟踪点时的有功输出，β_ij,0为初始桨距角，

和

分别为风机初始的转子转速与允许的转子最大转速；

基于有功优化分配计算结果，向各风机发送转速调节指令，以调节各风机功率。

2.根据权利要求1所述的考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，其特征在于，所述步骤3中，当超速控制不能满足风电场弃风需求转子转速达到上限时，若还需要进行有功减载，则采用风机桨距角控制，通过调整风机叶片的迎风角，改变风机的有功输出。

3.根据权利要求2所述的考虑最优转子动能的风电场有功优化分配方法，其特征在于，所述风机桨距角控制通过下式计算最优桨距角控制量：

式中，β_ij为第i行第j列风机桨距角的动作量；

约束条件如下：

0≤β_ij≤β_max

式中，

为风机的最大转子转速，β_max为风机最大允许调节的桨距角；

根据最优桨距角计算结果，向各风机发送桨距角调节指令。

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