CN112664390A - 一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，属于风电控制技术领域。采用四级分层控制逻辑，通过单风轮控制级、两风轮协调控制级、双风轮机组系统控制级和网源协调级的四级控制架构，从双风轮机组网源侧、再到机组侧、协同控制侧、单风轮侧，层层递进，形成完备的保护控制逻辑。四级分层递阶控制以机组出力最优、载荷最低为目标，协同控制双风轮出力，机组效率更高、并网更加友好，提高风能利用率，并大幅度降低风电机组度电成本，提高机组的并网特性。

Description

一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法
技术领域
本发明属于风电控制技术领域，具体涉及一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法。
背景技术
随着风电装机容量的快速发展，目前主流风电机组采用单风轮水平轴形式，且朝着大型化发展，但随着风电机组大型化发展，其核心关键技术受到诸多限制，迫切需要发展新形式高效风能转换装置。
串列式双风轮结构形式以其高效率、关键核心设备成熟而受到重视。串列式双风轮机组具有前后两个风轮，两风轮相互耦合、相互影响、共同作用，所以双风轮机组在运行上与单风轮机组具有很大区别，但是现有报道的双风轮机组控制逻辑仍采用传统单风轮机组控制逻辑，导致双风轮机组风能利用效率未能发挥到最优，并网友好性也较差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，可提高风能利用率，降低风力发电机组度电成本，提供机组并网的友好性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，，采用包括单风轮控制级、两风轮协调控制级、双风轮机组系统控制级和网源协调级的四级控制架构，每级执行各自的控制任务；其中：
单风轮控制级的控制任务包括：前风轮的变速和变桨控制，后风轮的变速和变桨控制；
两风轮协调控制级的控制任务包括：机组的运行区间划分、出力协同和主共振穿越；
双风轮机组系统控制级的控制任务包括：虚拟同步、次/超同步振荡和故障穿越；
网源协调级的控制任务包括：功率调制、频率调制、电压调制，以及根据网源侧需求调节机组的功率、频率和电压；
四级控制分层递阶，协同控制串列式双风轮风电机组的出力，实现串列式双风轮风电机组的出力最优和载荷最低。
优选地，单风轮控制级进行前风轮和后风轮的变桨控制时，前风轮叶片桨距角由前风轮变桨系统传感器反馈信号获得，后风轮叶片桨距角由后风轮变桨系统传感器反馈信号获得；单风轮控制级进行前风轮和后风轮的变速控制时，前风轮转速由双转子发电机外转子转速反馈信号获得，后风轮转速由双转子发电机内转子反馈信号获得。
进一步优选地，单风轮控制级通过调节变流器电流，来调节前风轮和后风轮各自的转速，进而通过双风轮功率的调节，使串列式双风轮风电机组的整体出力最大。
优选地，运行区间划分是根据前后风轮高效区所对应的风速段，以机组高效区最宽为目标，划分前后风轮的运行区间。
进一步优选地，运行区间划分时，后风轮的启动风速、额定风速和停机风速高于前风轮。
优选地，出力协同是通过改变前后风轮的转速、桨距角，达到功率最高、载荷最低的控制目标。
优选地，主动共振穿越是通过控制前后风轮的转速，主动快速穿越共振区。
优选地，在遇到极端风况或停机风速时，两风轮协调控制级通过控制后风轮为前风轮提供反向制动力矩。
优选地，前风轮功率曲线按常规单风轮机组设计，后风轮功率曲线具有冗余度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，采用四级分层控制逻辑，通过单风轮控制级、两风轮协调控制级、双风轮机组系统控制级和网源协调级的四级控制架构，从双风轮机组网源侧、再到机组侧、协同控制侧、单风轮侧，层层递进，形成完备的保护控制逻辑。四级分层递阶控制以机组出力最优、载荷最低为目标，协同控制双风轮出力，机组效率更高、并网更加友好，提高风能利用率，并大幅度降低风电机组度电成本，提高机组的并网特性。相对于现有的控制机组层和控制并网层的两层控制逻辑，控制逻辑更加细化，达到精准的控制目标。
进一步地，由于流体绕过前风轮后，风能被前风轮吸收，流入后风轮流体速度降低，所以相对于来流风速，前风轮与后风轮之间存在运行区间差。前风轮运行区间按常规风电机组设计，后风轮启动风速更高，相应的额定风速更大，停机风速也更高。
进一步地，在遇到极端风况或停机风速时，两风轮协调控制级通过控制后风轮为前风轮提供反向制动力矩，通过协同降载的策略，使机组载荷最小，保证机组安全。
进一步地，前风轮功率曲线按常规单风轮机组设计，后风轮功率曲线具有冗余度，能够通过协同控制两风轮的出力，最终使双风轮机组在额定功率前发电量更高，可适应更宽的风速段。
附图说明
图1为本发明的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法的逻辑图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，本发明的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，采用包括单风轮控制级、两风轮协调控制级、双风轮机组系统控制级和网源协调级的四级控制架构，每级执行各自的控制任务；四级控制分层递阶，协同控制串列式双风轮风电机组的出力，实现串列式双风轮风电机组的出力最优和载荷最低。
其中：
第Ⅰ级：前风轮的变速、变桨控制，后风轮的变速、变桨控制。
前风轮叶片桨距角由前风轮变桨系统传感器反馈信号获得，后风轮叶片桨距角由后风轮变桨系统传感器反馈信号获得。前风轮转速由双转子发电机外转子转速反馈信号获得，后风轮转速由双转子发电机内转子反馈信号获得。通过调节变流器电流，来调节双风轮各自转速，达到控制双风轮功率的目的。
第Ⅱ级：双风轮各自运行区间划分及前后风轮协同出力，确定最优出力值。
运行区间划分是指前后风轮高效区所对应的风速段。以机组高效区最宽为目标，划分前后风轮的运行区间；出力协同是指以机组功率最高、载荷最低为控制目标，通过改变两风轮转速、桨距角，达到控制目标。通过调节前风轮转速及桨距角，调节前风轮出力。
前风轮最佳尖速比是由前风轮上游来流速度和叶片气动外形所决定；后风轮最佳尖速比是由后风轮入流速度和叶片气动外形所决定。根据前风轮设计最佳尖速比，确定额定风速前不同风速对应的最佳转速，确定额定风速后不同风速对应的最佳桨距角，根据叶片极限载荷确定前风轮切出风速。根据后风轮设计最佳尖速比，确定后风轮额定风速前不同风速对应的最佳转速，确定额定风速后不同风速对应的最佳桨距角，根据叶片极限载荷确定后风轮切出风速。
调节后风轮转速及桨距角，调节后风轮出力。通过调节前后风轮的转速和桨距角，使机组总体出力最大和载荷最小，而不局限于前风轮或后风轮某一风轮出力最大。通过划分后风轮最优运行区间，得到机组总体的高效区更宽。
流体绕过前风轮后，风能被前风轮吸收后，流入后风轮流体速度降低，所以相对于来流风速，前风轮与后风轮之间存在运行区间差。前风轮功率曲线按常规单风轮机组设计，后风轮采用一定的冗余度设计，通过协同控制两风轮的出力，最终使双风轮机组在额定功率前发电量更高，可适应更宽的风速段。
当机组运行在共振区范围时，控制架构采用控制前后风轮转速的目的，主动快速穿越共振区。极端风况条件下，前后风轮执行快速协同降载策略。
第Ⅲ级：控制逻辑主要控制双风轮的虚拟同步、次/超同步振荡、故障穿越等。
第Ⅳ级：网源协调级根据网源侧需求，调节机组的功率、频率、电压等，使机组满足电网需求。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，采用包括单风轮控制级、两风轮协调控制级、双风轮机组系统控制级和网源协调级的四级控制架构，每级执行各自的控制任务；其中：
单风轮控制级的控制任务包括：前风轮的变速和变桨控制，后风轮的变速和变桨控制；
两风轮协调控制级的控制任务包括：机组的运行区间划分、出力协同和主共振穿越；
双风轮机组系统控制级的控制任务包括：虚拟同步、次/超同步振荡和故障穿越；
网源协调级的控制任务包括：功率调制、频率调制、电压调制，以及根据网源侧需求调节机组的功率、频率和电压；
四级控制分层递阶，协同控制串列式双风轮风电机组的出力，实现串列式双风轮风电机组的出力最优和载荷最低。
2.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，单风轮控制级进行前风轮和后风轮的变桨控制时，前风轮叶片桨距角由前风轮变桨系统传感器反馈信号获得，后风轮叶片桨距角由后风轮变桨系统传感器反馈信号获得；单风轮控制级进行前风轮和后风轮的变速控制时，前风轮转速由双转子发电机外转子转速反馈信号获得，后风轮转速由双转子发电机内转子反馈信号获得。
3.如权利要求2所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，单风轮控制级通过调节变流器电流，来调节前风轮和后风轮各自的转速，进而通过双风轮功率的调节，使串列式双风轮风电机组的整体出力最大。
4.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，运行区间划分是根据前后风轮高效区所对应的风速段，以机组高效区最宽为目标，划分前后风轮的运行区间。
5.如权利要求4所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，运行区间划分时，后风轮的启动风速、额定风速和停机风速高于前风轮。
6.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，出力协同是通过改变前后风轮的转速、桨距角，达到功率最高、载荷最低的控制目标。
7.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，主动共振穿越是通过控制前后风轮的转速，主动快速穿越共振区。
8.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，在遇到极端风况或停机风速时，两风轮协调控制级通过控制后风轮为前风轮提供反向制动力矩。
9.如权利要求1所述的串列式双风轮风电机组四级分层递阶控制方法，其特征在于，前风轮功率曲线按常规单风轮机组设计，后风轮功率曲线具有冗余度。
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