CN111946548A - 一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法 - Google Patents

一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，包括：确定风力发电系统额定风速、风力发电系统切入风速、风力发电系统切出风速、风力发电系统风机旋转频率，计算频率偏差并判断频率偏差是否在规定的范围内，按一定步长增加或减小风叶当前旋转频率，进行最佳功率跟踪；判断现场风速大小，根据频率变化函数F(x)得到风机浆距角β；参与负频差类的一次调频后，继续寻找最佳功率。本发明通过变桨距来提高一次调频能量储备，增强了运行方式下控制器与变流器协调能力，通过改变浆距角，实现风力发电参与电网一次调频功能，优化了调频效果。

Description

一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及可变桨距风力发电系统，尤其是一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法。
背景技术
电网的频率是由发电功率与用户负荷大小决定的，当发电功率大于用户负荷时，电网频率升高，反之频率降低。一次调频是发电机组通过频率的波动来产生信号源，触发负荷指令变化完成有功功率的提升或者降低，满足用户侧电量的变化，从而维持电网频率的稳定。
新能源电站目前不具备一次调频功能，为了提高电网整体稳定性，国家不断出台政策来促进发电机组调频能力稳步提升。2019年，国家强制性《电力系统安全稳定导则》中提出，电源均应具备一次调频、快速调压、调峰能力，应满足相关标准要求，其中电源包含水电、火电、风力发电和光伏发电等。
因此，如何实现风电场参与一次调频而采用的控制功能、保障电网安全稳定运行、提高风电场发电消纳能力是目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、性能稳定且控制灵活的可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、确定风力发电系统额定风速υe、风力发电系统切入风速υ0和风力发电系统切出风速υ2，进入下一步；
步骤2、检测现场风速υ1，如果现场风速υ1大于切入风速υ0，则重新设置浆距角β，进入下一步；
步骤3、确定风力发电系统风机旋转频率为f0，进入下一步；
步骤4、检测风机是否正对来风方向，是则进入下一步，否则将风机正对来凤方向，进入下一步；
步骤5、计算频率偏差x＝f-f1，判断频率偏差x是否在规定的范围内，是则进入下一步，否则进入步骤8；
步骤6、按一定步长增加风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步；
步骤7、按一定步长减小风叶当前旋转频率f0，观察减小后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)，进入步骤11；
步骤8、判断现场风速大小，根据频率变化函数F(x)得到风机浆距角β，进入下一步：
步骤9、参与负频差类的一次调频后，继续寻找最佳功率，按一定步长增加风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步，否则进入步骤11；
步骤10、按照一定步长减小风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步；
步骤11、重新进入步骤5进行新一轮循环。
而且，所述步骤1中风力发电系统额定风速υe确定为15m/s，风力发电系统切入风速υ0确定为4m/s，风力发电系统切出风速υ2确定为21m/s。
而且，所述步骤2中浆距角β设置为38度。
而且，所述步骤5计算频率偏差x的公式为：x＝f-f1，其中，f为电网频率，f1为标准频率50Hz。
而且，所述步骤5判断频率偏差x是否在如下规定的范围内：死区±0.05Hz。
而且，所述步骤6、步骤7、步骤9及步骤10中的步长均为1转/分钟。
而且，所述步骤8的具体处理方法为：
⑴当4≤υ1<6时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝250*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝250*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝76；进入步骤9；
⑵当6≤υ1<8时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝230*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝230*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝63；进入步骤9；
⑶当8≤υ1<10时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝210*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝210*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝60；进入步骤9；
⑷当10≤υ1<12时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝190*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝190*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝57；进入步骤9；
⑸当12≤υ1<14时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝170*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝170*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝54；进入步骤9；
⑹当14≤υ1<15时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝150*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝150*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝51；进入步骤9；
⑺当υ1≥15时，进行如下处理：F(x)＝0；进入步骤9。
而且，所述步骤9中的负频差类的频率偏差x<-0.05。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明通过变桨距来提高一次调频能量储备，增强了运行方式下控制器与变流器协调能力，通过改变浆距角，实现风力发电参与电网一次调频功能。
2、本发明全程具备一次调频功能，风电机组当前有功功率为零时，只要风力发电系统风速大于启动风速(3～4m/s)，即可参与一次调频，除非风力发电本身已经达到负荷上下限。
3、本发明主要经过频差计算函数产生调频指令，通过改变浆距角来实现调节，优化了调频效果。
4、本发明不影响切入、切出风速(18～20m/s)的大小，实现了能量储备功能。
5、本发明可以根据风速不同，调频函数将输出不同的幅度，低速情况下浆距角变化略微大一些。
6、本发明为了提高风能转化率并满足消纳新能源的指标，在不参与一次调频的同时采用跟踪最大负荷方法，实现有功功率最大化。
7、本发明在参与负频差类一次调频后，继续进行最大负荷跟踪，进一步提高有功功率。
8、本发明为了提高正频差一次调频的贡献量，调频后无需进行最大负荷跟踪。
附图说明
图1是利用系数和尖速比关系图；
图2是风力机组功率特性曲线；
图3是风力发电机组浆距角示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
本发明的设计思想是：
风力发电是利用风力来带动风轮旋转，再通过变速机构将转速提升，进而连接并网执行机构进行发电。风力发电目前一般采用变速恒频风力发电系统，通过其转速控制实现最大功率控制。有功功率控制指自动接收调度主站下发的有功功率，自动闭环调节，将所有风力发电机组作为调节对象。电网频率波动超出死区，将计算调频后有功功率指令，叠加至有功功率指令，利用有功功率的备用部分，通过浆距角进行控制实现调频功能。
如图1至图3所示，风电机组发电输出功率Pr＝1/2ρπR2υ3Cp(λ，β)，其中ρ为空气密度，R为风电机组叶片半径，υ为场地风速，Cp为风能利用系数，与尖速比λ和浆距角β有关。尖速比λ计算公式为λ＝ωR/υ，其中ω为叶轮角速度。当风速很低时风轮的浆距角为90度，风轮保持不动，当风速大于切入风速(3～4m/s)，浆距角逐渐切回至0度，风轮开始旋转，通过变流器的调整实现磁力距不断增加，发电机组开始发电。随着风力越来越大，输出功率会越来越大，当风速达到额定风速时，风电机组会输出额定功率，风速继续增大情况下，为了设备的安全，风电机组会调整浆距角，使风电机组保持额定功率平稳运行。
为了保证风力发电机组具备一次调频功能，必须采用备用容量限制风机出力，来保证频率变化时能够及时参与调频功能，从发电输出功率公式来看，当风速一定情况下，只有改变Cp作为改变发电功率的手段，利用系数越大，有效利用风能的效率越高，影响利用系数的因素由尖速比和浆距角有关，如果浆距角取最佳值0度，利用系数就只和尖速比有关，尖速比λ取决于风机转速ω大小，利用系数Cp与尖速比λ并非线性关系，所以通过变化叶轮转速来寻求最大有功功率，但尖速比和角速率为线性关系，只要保证按照一定规律寻找最佳角速度，就可以得到最佳尖速比，而达到利用系数最大的结果。
本发明除了寻找最大有功功率之外，更主要的是寻找一种方法，控制机组保留发电功率的方法，该方法可以在紧急情况下，迅速释放能量来弥补风电不能参与一次调频的不足，所以分析到变化浆距角的办法，采用一定浆距角的办法，频率变化后，有一定的调整空间来增加或者减少有功功率的方法实现一次调频。
本发明的具体内容主要包括：
1、电网频率正常情况下，风力发电系统自动降低有功功率发电能力，通过浆距角不为零的方法，作为一次调频的备用容量。
2、当电网频率低于正常频率时，且在有备用容量的情况下增加有功功率，具备参与一次调频功能，调频指令主要经过频差计算函数产生，函数输出为浆距角的大小。
3、风电机组当前有功功率为零，只要风电发电系统大于启动风速(3～4m/s)，具备一次调频功能。
4、如果电网频率降低产生的一次调频信号，完成浆距角调整之后，继续调整转速来实现最大功率。
5、如果电网频率增加产生的一次调频信号，完成浆距角调整之后，为了提供正的电网贡献量，保证降低有功功率，所以无需实现最大功率。
6、电网频率变化小于调频死区(±0.05Hz)，为了保证机组安全的基础上消纳更多的新能源，在风场参数变化情况下，主要是风速和温度变化时，必须时刻调整转速来跟踪最大功率，实现最大功率发电。
基于上述设计思想，本发明提出一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，包含以下步骤：
步骤1、确定风力发电系统额定风速υe、风力发电系统切入风速υ0和风力发电系统切出风速υ2，进入下一步。
在本实施例中，风力发电系统额定风速e确定为15m/s，风力发电系统切入风速υ0确定为4m/s，风力发电系统切出风速υ2确定为21m/s。
步骤2、检测现场风速υ1，如果现场风速υ1大于切入风速υ0，则将浆距角β设置为38度，进入下一步。
在本实施例中，从原理上计算得到浆距角β设置为38度，该角度下利用系数为浆距角为零时值的一半，无论增加负荷或者减少负荷均有冗余。
步骤3、确定风力发电系统风机旋转频率为f0，进入下一步。
步骤4、通过仪器检测风机是否正对来风方向，是则进入下一步，否则调整风机角度，调整完成后进入下一步。
步骤5、根据电网频率f与标准频率f1＝50Hz，计算频率偏差x＝f-f1，如果x在死区±0.05Hz范围内，进入下一步，否则进入步骤8。
步骤6、进行最佳功率跟踪，通过调整风叶当前旋转频率f0，步长增加1转/分钟，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)进入下一步；
步骤7、通过调整风叶当前旋转频率f0，步长减少1转/分钟，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)进入步骤11；
步骤8、判断现场风速大小，进行如下处理：
(1)当4≤υ1<6时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝250*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝250*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝76；进入步骤9；
(2)当6≤υ1<8时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝230*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝230*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝63；进入步骤9；
(3)当8≤υ1<10时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝210*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝210*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝60；进入步骤9；
(4)当10≤υ1<12时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝190*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝190*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝57；进入步骤9；
(5)当12≤υ1<14时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝170*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝170*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝54；进入步骤9；
(6)当14≤υ1<15时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝150*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝150*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝51；进入步骤9；
(7)当υ1≥15时，进行如下处理：
该风速已经到达风机额定风速范围，只能不断向零角度变化，所以F(x)＝0；进入步骤9。
步骤9、参与负频差类(频率差x<-0.05)的一次调频后，继续寻找最佳功率，通过调整风叶当前旋转频率f0，步长增加1转/分钟，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)进入下一步，否则进入步骤11；
步骤10、通过调整风叶当前旋转频率f0，步长减少1转/分钟，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)进入下一步；
步骤11、重新进入步骤5进行新一轮循环。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、确定风力发电系统额定风速υe、风力发电系统切入风速υ0和风力发电系统切出风速υ2，进入下一步；
步骤2、检测现场风速υ1，如果现场风速υ1大于切入风速υ0，则重新设置浆距角β，进入下一步；
步骤3、确定风力发电系统风机旋转频率为f0，进入下一步；
步骤4、检测风机是否正对来风方向，是则进入下一步，否则将风机正对来凤方向，进入下一步；
步骤5、计算频率偏差x＝f-f1，判断频率偏差x是否在规定的范围内，是则进入下一步，否则进入步骤8；
步骤6、按一定步长增加风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步；
步骤7、按一定步长减小风叶当前旋转频率f0，观察减小后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)，进入步骤11；
步骤8、判断现场风速大小，根据频率变化函数F(x)得到风机浆距角β，进入下一步：
步骤9、参与负频差类的一次调频后，继续寻找最佳功率，按一定步长增加风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步，否则进入步骤11；
步骤10、按照一定步长减小风叶当前旋转频率f0，观察增加后功率P(1)，如果功率P(1)大于增加前功率P(0)，继续循环本步骤，直至直至P(n+1)小于P(n)，进入下一步；
步骤11、重新进入步骤5进行新一轮循环。
2.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤1中风力发电系统额定风速υe确定为15m/s，风力发电系统切入风速υ0确定为4m/s，风力发电系统切出风速υ2确定为21m/s。
3.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤2中浆距角β设置为38度。
4.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤5计算频率偏差x的公式为：x＝f-f1，其中，f为电网频率，f1为标准频率50Hz。
5.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤5判断频率偏差x是否在如下规定的范围内：死区±0.05Hz。
6.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤6、步骤7、步骤9及步骤10中的步长均为1转/分钟。
7.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤8的具体处理方法为：
⑴当4≤υ1<6时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝250*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝250*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝76；进入步骤9；
⑵当6≤υ1<8时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝230*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝230*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝63；进入步骤9；
⑶当8≤υ1<10时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝210*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝210*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝60；进入步骤9；
⑷当10≤υ1<12时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝190*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝190*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝57；进入步骤9；
⑸当12≤υ1<14时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝170*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝170*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝54；进入步骤9；
⑹当14≤υ1<15时，进行如下处理：
风机浆距角β根据频率变化函数F(x)得出，x<-0.2，F(x)＝0；-0.2≤x<-0.05，F(x)＝150*(x+0.05)；-0.05≤x<0.05，F(x)＝38；0.05≤x<0.2，F(x)＝150*(x-0.05)；x≥0.2，F(x)＝51；进入步骤9；
⑺当υ1≥15时，进行如下处理：F(x)＝0；进入步骤9。
8.根据权利要求1所述的一种可变桨距风力发电系统具备一次调频功能的控制方法，其特征在于：所述步骤9中的负频差类的频率偏差x<-0.05。
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