CN113048017B - 基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法及系统，本发明基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法包括采集风机实时的机械功率PM，以机械功率PM作为预设的非线性内置模型GIMC(s)的输入形成反馈补偿信号ΔPE；将反馈补偿信号ΔPE与风机有功功率需求Pord相加作为反馈信号，将该反馈信号与预设的有功功率设定值Ptate之差输入桨距补偿控制PID控制器计算得到桨距角控制补偿量；将桨距角控制补偿量叠加到桨距控制量上得到下一周期的桨距角控制指令。本发明能够改善风电机组的一次调频控制性能，减小功率随风速扰动的波动幅度，提高风机功率控制的鲁棒性和抗干扰能力。

Description

基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法及系统
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法及系统。
背景技术
由于风的随机性、波动性等特征，风电机组的输出功率也处于不断变化状态。风机并网后，风机输出功率的不断变化对电力系统集成、运行和控制造成重大挑战。一般来说，对于采用变桨距的变速风机来说，桨距补偿控制是其有功功率控制的重要手段，常规的桨距补偿控制采用PID控制，功率设定值与实际功率的偏差经PID运算后生成桨距角控制指令。由于风电机组的有功功率响应具有强非线性并受风速影响，常规PID控制的效果不甚理想。且在目前风电机组要求投入一次调频功能及更好地抑制功率波动的背景下，常规PID控制越来越难以满足风机功率控制的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法及系统，本发明旨在能够改善风电机组的一次调频控制性能，减小功率随风速扰动的波动幅度，提高风机功率控制的鲁棒性和抗干扰能力。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，包括：采集风机实时的机械功率PM，以机械功率PM作为预设的非线性内置模型GIMC(s)的输入形成反馈补偿信号ΔPE；将反馈补偿信号ΔPE与风机有功功率需求Pord相加作为反馈信号，将该反馈信号与预设的有功功率设定值Ptate之差输入桨距补偿控制PID控制器计算得到桨距角控制补偿量；将桨距角控制补偿量叠加到桨距控制量上得到下一周期的桨距角控制指令。
可选地，所述预设的非线性内置模型GIMC(s)的函数表达式为：
Figure BDA0003005929090000011
上式中，fi(Vw)为当前风速Vw对应加权函数，Gi(s)表示第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数，Gi(0)表示拉普拉斯算子s＝0时Gi(s)的稳态值。
可选地，所述非线性内置模型GIMC(s)在使用前还包括预先确定当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)的步骤：令第i个风速工况下的平均风速为Vi，设置当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)使得当前风速Vw越接近平均风速Vi时，则当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)越接近1，反之则越接近0。
可选地，所述当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)为分段线性函数。
可选地，所述非线性内置模型GIMC(s)在使用前还包括预先确定任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数Gi(s)的步骤：收集不同风速工况下的实时机械功率PM、有功功率PE数据，基于收集的数据以实时机械功率PM为输入、PE为输出确定不同风速下的实时机械功率PM与有功功率PE的传递函数G(s)，从而得到任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数Gi(s)构成的传递函数集{Gi(s)}。
可选地，所述收集不同风速工况下的实时机械功率PM具体是指基于机械功率PM与桨距角θ、风速Vw和叶尖速比λ的数学关系计算得到。
可选地，所述实时机械功率PM与桨距角θ、风速Vw和叶尖速比λ的数学关系的函数表达式为：
Figure BDA0003005929090000021
上式中，ρ是空气密度，Vw为当前风速，Ar为风轮机叶片的扫风面积，f(θ,λ)为风能利用系数。
可选地，风能利用系数f(θ,λ)的计算函数表达式如下：
Figure BDA0003005929090000022
上式中，Cp＝f(θ,λ)表示风能利用系数，λi为临时中间量，λ为叶尖速比，θ为桨距角。
此外，本发明还提供一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明采集风机的实时机械功率PM，以实时机械功率PM作为预设的非线性内置模型GIMC(s)的输入形成反馈补偿信号ΔPE，将反馈补偿信号ΔPE与风机实时有功功率PE相加作为反馈信号，将该反馈信号与有功功率设定值之差输入桨距补偿控制PID控制器计算得到下一周期的桨距角控制指令，通过非线性内置模型GIMC(s)实现了非线性解耦，能够动态预测风速、风机转速、桨距角对有功功率的动态影响，将该模型输出作为桨距补偿控制PID控制器的反馈补偿，使桨距补偿控制PID控制器根据风速、风机转速、桨距角的变化快速调整桨距角，从而减小功率随风速扰动的波动幅度，改善风电机组的一次调频控制性能，提高风机功率控制的鲁棒性和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例方法的控制原理仿真模型示意图。
图2为本发明实施例中设置的加权函数示意图。
图3为本发明实施例中桨距补偿控制PID控制器的变参数曲线示意图。
图4为本发明实施例中风速变化量曲线示意图。
图5为本发明实施例中风速为8m/s的仿真结果。
图6为本发明实施例中风速为14m/s的仿真结果。
图7为本发明实施例中风速为20m/s的仿真结果。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法包括：采集风机实时的机械功率PM，以机械功率PM作为预设的非线性内置模型GIMC(s)的输入形成反馈补偿信号ΔPE；将反馈补偿信号ΔPE与风机有功功率需求Pord相加作为反馈信号，将该反馈信号与预设的有功功率设定值Ptate之差输入桨距补偿控制PID控制器计算得到桨距角控制补偿量；将桨距角控制补偿量叠加到桨距控制量上得到下一周期的桨距角控制指令。
本实施例中，所述预设的非线性内置模型GIMC(s)的函数表达式为：
Figure BDA0003005929090000031
上式中，fi(Vw)为当前风速Vw对应加权函数，Gi(s)表示第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数，Gi(0)表示拉普拉斯算子s＝0时Gi(s)的稳态值。该模型能够动态预测风速、风机转速、桨距角对有功功率的动态影响，将该模型输出作为桨距补偿控制PID控制器的反馈补偿，使桨距补偿控制PID控制器根据风速、风机转速、桨距角的变化快速调整桨距角，从而减小功率随风速扰动的波动幅度，改善风电机组的一次调频控制性能，提高风机功率控制的鲁棒性和抗干扰能力。
本实施例中，所述非线性内置模型GIMC(s)在使用前还包括预先确定当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)的步骤：令第i个风速工况下的平均风速为Vi，设置当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)使得当前风速Vw越接近平均风速Vi时，则当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)越接近1，反之则越接近0。
本实施例中，所述当前风速Vw对应加权函数fi(Vw)为分段线性函数。
本实施例中，所述非线性内置模型GIMC(s)在使用前还包括预先确定任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数Gi(s)的步骤：收集不同风速工况下的实时机械功率PM、有功功率PE数据，基于收集的数据以实时机械功率PM为输入、PE为输出确定不同风速下的实时机械功率PM与有功功率PE的传递函数G(s)，从而得到任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数Gi(s)构成的传递函数集{Gi(s)}。
本实施例中，所述收集不同风速工况下的实时机械功率PM具体是指基于机械功率PM与桨距角θ、风速Vw和叶尖速比λ的数学关系计算得到。
本实施例中，所述实时机械功率PM与桨距角θ、风速Vw和叶尖速比λ的数学关系的函数表达式为：
Figure BDA0003005929090000041
上式中，ρ是空气密度，Vw为当前风速，Ar为风轮机叶片的扫风面积，f(θ,λ)为风能利用系数。
需要说明的是，风能利用系数f(θ,λ)可采用现有的常规方法(例如实测法)确定。作为一种可选的实施方式，本实施例中，风能利用系数f(θ,λ)的计算函数表达式如下：
Figure BDA0003005929090000042
上式中，Cp＝f(θ,λ)表示风能利用系数，λi为临时中间量，λ为叶尖速比，θ为桨距角。
本实施例中，桨距控制量的获取步骤包括：根据风机转速wg、最大功率跟踪MPT得到的风速参考wref之间的风速差值werr，将风速差值werr输入桨距控制器得到桨距控制量。桨距控制器可根据需要采用现有的闭环控制算法，例如作为一种可选的实施方式，桨距控制器可采用PID控制器(桨距控制比例系数Kpp，桨距控制积分系数Kip)。
为了对本实施例基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法进行验证，下文以某1.5MW双馈异步发电风机作为实施对象，进行仿真。图1为该1.5MW双馈异步发电风机的仿真模型，该模型包括：
风功率模型，用于模拟计算实时机械功率PM；
转子模型，用于基于实时机械功率PM、风机实时有功功率PE模拟计算得到风机转速wg；
桨距控制器(PID控制器)，用于根据风机转速wg、最大功率跟踪MPT得到的风速参考wref之间的差值werr计算得到桨距控制量；
转矩控制器(PID控制器)，用于根据风机转速wg、最大功率跟踪MPT得到的风速参考wref之间的差值werr计算转矩控制指令，且转矩控制指令与风机转速wg相乘后通过一阶惯性环节得到有功功率需求Pord；
桨距补偿控制器，用于执行本实施例基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法中的部分步骤以获取桨距角控制补偿量；
求和环节，用于执行本实施例基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法中的部分步骤以将桨距角控制补偿量叠加到桨距控制量上得到下一周期的桨距角控制指令。其中，下一周期的桨距角控制指令输入到风功率模型之前，还需要依次通过一阶惯性环节、[θmin,θmax]限幅控制后得到实际桨距角θ；
其中，转子模型采用将风电机组的风轮叶片、传动轴和发电机转子模拟为一个惯性体的单质块模型，其数学表达如下式所示。
Figure BDA0003005929090000051
其中，Tj为惯性体转动惯量；Tae，Tm和Te分别为风轮转矩、发电机机械和电磁转矩；th为轴系传动时滞。该1.5MW双馈异步发电风机的仿真模型的模型参数如表1所示。
表1：模型参数表。
名称 符号 单位 数值
桨距控制比例系数 K<sub>pp</sub> / 150
桨距控制积分系数 K<sub>ip</sub> / 25
桨距控制时间常数 T<sub>P</sub> s 0.3
桨距补偿控制比例系数 K<sub>pc</sub> / 3
桨距补偿控制积分系数 K<sub>ic</sub> / 15
转矩控制比例系数 K<sub>ptrq</sub> / 3
转矩控制积分系数 K<sub>itrq</sub> / 0.6
转矩控制时间常数 T<sub>PC</sub> s 0.3
轴系传动时滞 t<sub>h</sub> s 0.5
惯性体转动惯量 T<sub>j</sub> s 8.66
利用仿真工具Matlab/Simulink，根据图1的仿真模型生成风速＝6、9、12、15、18m/s时的机械功率PM、有功功率PE仿真数据，根据生成的仿真数据以PM为输入、PE为输出采用局部线性化方法确定不同风速下的风机机械功率PM与风机有功功率PE的传递函数G(s)，并形成传递函数集{Gi(s)}如表2所示。
表2：传递函数集{Gi(s)}。
Figure BDA0003005929090000052
Figure BDA0003005929090000061
采用分段线性函数设置加权函数{fi(Vw)}，所设置分段线性函数如图2所示。根据表2的传递函数集{Gi(s)}计算拉普拉斯算子s＝0时Gi(s)的稳态值Gi(0)，本仿真的计算结果为G1(0)＝G2(0)＝G3(0)＝G4(0)＝G5(0)＝1。本实施例中采集风机实时机械功率PM，以其作为非线性内置模型GIMC(s)的输入形成桨距补偿控制PID控制器的反馈补偿信号ΔPE，令该补偿信号与风机实时有功功率PE相加作为桨距补偿控制PID控制器的反馈信号，该反馈信号与有功功率设定值之差经桨距补偿控制PID控制器计算形成下一周期的桨距角控制指令。此处桨距补偿控制PID控制器采用变参数PID的形式，即：Kpc＝g1(x)，Kic＝g2(x)，Kdc＝g3(x)，式中Kpc是桨距补偿控制PID控制器的比例系数；Kic是桨距补偿控制PID控制器的积分系数；Kdc是桨距补偿控制PID控制器的微分系数；x是风速；g1(x)、g2(x)、g3(x)的函数曲线如图3所示。将本实施例桨距补偿控制器(简称IMC控制)分别替代为现有PI控制、预测控制(多模型预测控制)效果进行比较：在阵风扰动条件下进行机组功率响应仿真试验；不同稳态风速条件下，有功功率设定值稳定，t＝15s时风速突然变化，风速变化量曲线如图4所示，仿真结果如图5～图7所示。图7中IMC控制曲线即为本实施例方法的功率响应曲线，由图5～图7可知，不同风速条件下本实施例方法的功率最大动态偏差小于常规的PI控制和预测控制，即其抗干扰性能优于以上两者。
此外，本实施例还提供一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行前述所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，包括：采集风机实时的机械功率P M，以机械功率P M作为预设的非线性内置模型G IMC(s)的输入形成反馈补偿信号ΔP E；将反馈补偿信号ΔP E与风机有功功率需求P ord相加作为反馈信号，将该反馈信号与预设的有功功率设定值Ptate之差输入桨距补偿控制PID控制器计算得到桨距角控制补偿量；将桨距角控制补偿量叠加到桨距控制量上得到下一周期的桨距角控制指令，所述预设的非线性内置模型G IMC(s)的函数表达式为：
Figure 975393DEST_PATH_IMAGE001
上式中，f i(V w)为当前风速V w对应加权函数，G i(s)表示第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数，G i(0)表示拉普拉斯算子s=0时G i(s)的稳态值；所述非线性内置模型G IMC(s)在使用前还包括预先确定任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数G i(s)的步骤：收集不同风速工况下的实时机械功率P M、有功功率P E数据，基于收集的数据以实时机械功率P M为输入、P E为输出确定不同风速下的实时机械功率P M与有功功率P E的传递函数G(s)，从而得到任意第i个风速工况下所确定的风机机械功率与有功功率的传递函数G i(s)构成的传递函数集{G i(s)}。
2.根据权利要求1所述的基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，所述非线性内置模型G IMC(s)在使用前还包括预先确定当前风速V w对应加权函数f i(V w)的步骤：令第i个风速工况下的平均风速为V i，设置当前风速V w对应加权函数f i(V w)使得当前风速V w越接近平均风速V i时，则当前风速V w对应加权函数f i(V w)越接近1，反之则越接近0。
3.根据权利要求2所述的基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，所述当前风速V w对应加权函数f i(V w)为分段线性函数。
4.根据权利要求3所述的基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，所述收集不同风速工况下的实时机械功率P M具体是指基于机械功率P M与桨距角θ、风速V w和叶尖速比λ的数学关系计算得到。
5.根据权利要求4所述的基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，所述实时机械功率P M与桨距角θ、风速V w和叶尖速比λ的数学关系的函数表达式为：
Figure 370602DEST_PATH_IMAGE002
上式中，ρ是空气密度，V w为当前风速，A r 为风轮机叶片的扫风面积，f (θ,λ)为风能利用系数。
6.根据权利要求5所述的基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法，其特征在于，风能利用系数f (θ,λ)的计算函数表达式如下：
Figure 184974DEST_PATH_IMAGE003
上式中，C p= f (θ,λ)表示风能利用系数，λ i 为临时中间量，λ为叶尖速比，θ为桨距角。
7.一种基于内模控制的风电机组有功功率控制优化系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～6中任意一项所述基于内模控制的风电机组有功功率控制优化方法的计算机程序。
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