CN113162071A - 基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，包括：做出直驱永磁风电机组的最大功率跟踪曲线和减载10％功率跟踪曲线，划分不同的风速区间，然后构造减载10％的风力机功率跟踪函数，基于该函数设计减载功率跟踪控制器和桨距角控制器；检测系统频率偏差量，如果频率偏差量超过风电机组参与调频的阈值，根据下垂控制所需有功增量对减载10％的功率跟踪曲线进行修正，利用修正后的功率跟踪曲线设计减载调频功率跟踪控制器和桨距角控制器；如果频率偏差量超出直驱永磁风电机组的调频上限，将功率跟踪曲线限制在调频上限边界值对应的曲线上。本发明根据系统频率偏差来修正功率跟踪曲线，实现直驱永磁风电机组的惯性响应和一次调频。

Description

基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法

技术领域

本发明涉及发电系统控制技术领域，特别是涉及一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法。

背景技术

随着世界经济的快速发展，人类对能源的要求也在不断提高，寻找一种绿色、环保的新型能源来替代传统能源至关重要。风能清洁、储量丰富且可再生，利用风能发电的电技术得到了广泛重视。由于变转速永磁直驱风电机组省去了容易出故障的齿轮箱传动结构，运行可靠性好，发电效率高，维护工作简单，所以逐渐成为风电产业发展中的主导机型。然而，包括直驱永磁风电机组在内的变速风电机组都通过电力电子装置接入电网，使得转速与系统频率解耦，削弱了系统惯性，并且最大功率跟踪控制使得风电机组无法留取有功备用，增大了系统的调频负担。

随着并网风电机组的容量和数量的增加，风电机组对系统频率稳定性的影响也日益严重。如何解决风电并网对系统频率稳定造成的影响，成为提高发电系统安全运行水平的一大关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，划分不同风速区间，采用不同减载控制方法，并根据系统频率偏差来修正功率跟踪曲线，实现直驱永磁风电机组的惯性响应和一次调频，减少风电并网对系统频率稳定造成的影响，确保电力系统的安全可靠运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，包括以下步骤：

S1，建立直驱永磁风电机组并入电网系统，获取风力机的运行参数；

S2，构造不同风速下风力机捕获功率随转速的变化曲线，并将每条曲线的峰值点相连构成最大功率跟踪曲线，另将每条曲线从峰值点处沿着转速增大方向降低d％的点连接起来构成减载d％功率跟踪曲线；

S3，将不同风速下的风力机捕获功率随转速的变化曲线、最大功率跟踪曲线和减载d％功率跟踪曲线建立在同一坐标系下，找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与减载d％功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机额定转速的一点，记该情形下的风速为v₁；找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与最大功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机最大转速的一点，记该情形下风速为v₂；

S4，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数；

S5，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线；

S6，检测系统的频率，并与系统额定频率做差计算系统的频率偏差；

S7，判断所述频率偏差是否超过风电机组参与调频的阈值调频上限f_done，如果是，将功率跟踪曲线限制在调频上限边界值对应的曲线上，转向步骤S1；如果在调频区间内，则转向步骤S8；如果低于风机调频下限f_d，则结束。；

S8，根据所需有功增量与直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，转向步骤S9；

S9，利用修正后的减载功率跟踪曲线控制减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，根据检测到的频率偏差量以及风电机组的风速状态来动态切换功率跟踪曲线，转向步骤S1；

进一步的，所述步骤S4中，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数，具体包括：

当风速范围为v₀-v₁，风速区间为低风速区间，减载技术为超速法；

当风速范围为v₁-v₂，风速区间为中风速区间，减载技术为超速+变桨距法；

当风速范围为v₂-v₃，风速区间为高风速区间，减载技术为变桨距法；

其中，v₀为切入风速，v₃为切出风速；

低风速区间和中风速区间对应的最优转速都在风力机最大转速以下，低风速区间和中风速区间基于最大功率跟踪曲线得到减载前功率：

P_d0＝0.5ρπR²v³C_pmax,(v₀＜v＜v₂) (1)

式中，P_d0表示减载前功率，ρ表示空气密度，R表示风力机的叶片半径，v表示风速，C_pmax表示风力机的最大风能利用系数；

高风速区间采用原始功率跟踪曲线减载，原始功率跟踪曲线上取若干高风速值对应的稳定运行点，记录其风速和对应的功率，并用曲线拟合的方法得到高风速区间减载前功率：

P_d0＝av-b,(v₂＜v＜v₃) (2)

式中，a、b为拟合系数。

进一步的，所述步骤S5中，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和减载桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线，具体包括：

低风速区间，采用超速法减载，发电机电磁功率跟随减载d％的跟踪曲线即可满足减载要求；

高风速区间，使发电机电磁功率跟踪原始功率跟踪曲线，仅靠变桨距控制器调节桨距角来实现d％减载；

中风速区间，根据减载d％的功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速是否超过风力机最大转速，定义判别式：

Δ＝P_dωmax-P_ωmax (3)

式中，P_dωmax为中风速区间减载d％的功率跟踪曲线在风力机最大转速处的功率值，P_ωmax为中风速区间风力机捕获功率随转速的变化曲线在风机最大转速处的功率值；

根据公式(3)，当Δ≥0，即减载d％的功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速未超过风力机最大转速时，使电磁功率继续跟踪减载d％的功率跟踪曲线实现d％减载，此时无需桨距角动作；

当Δ＜0时，对功率跟踪曲线进行修改，让其跟踪一条斜率可求的线段BC，B点为减载d％的功率跟踪曲线与风力机额定转速的交点，对应功率记作P_dωn，C点为减载d％的功率跟踪曲线与风力机最大转速的交点，对应功率记为P_ωmax，同时配和变桨距控制调节桨距角逐渐增大，最终风力机稳定运行完成减载。

进一步的，中风速区间，减载运行时电磁功率参考值

为：

式中，ω₀为风力机的切入转速，ω_r为风力机的运行转速，ω_rN为风力机的额定转速，ω_max为风力机的最大转速，k_d为减载功率跟踪曲线比例系数；

基于公式(4)，功率跟踪控制器通过输入风力机转速和风速，输出对应风速下风力机电磁功率的有功参考值，再通过换流器的矢量控制策略并配合桨距角动作即实现不同风速下的减载。

进一步的，所述步骤S8，根据所需有功增量到直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，具体包括：

在减载运行的基础上，仿照同步发电机的一次调频特性，将下垂控制需要的有功增量ΔP_f转化为减载水平的增量Δd％：

式中，

为风电机组的静调差系数，P_N为风力机的额定有功功率，Δf为系统的频率偏差，f_N为系统的额定频率，P_opt为最大跟踪功率。

当系统频率发生变化后，风力机修正后的减载水平d_f％和风能利用系数C_pf表示为：

d_f％＝d％-Δd％ (7)

式中，d％表示当前风机的减载水平。

求得C_pf后，利用C_p(λ,β)的关系式求得具有下垂特性的叶尖速比λ_f，将λ_f替换减载d％的功率跟踪曲线中的叶尖速比，得到修正后减载调频跟踪曲线的比例系数k_f。

进一步的，所述步骤S9，利用修正后的减载d％功率跟踪曲线设计减载调频功率跟踪控制器和桨距角控制器，根据检测到的频率偏差量以及风电机组的风速状态来动态切换功率跟踪曲线，具体包括：

在最大功率跟踪区、转速恒定区和功率恒定区的原始功率跟踪曲线，风力机出的机械功率P_m表示为：

式中，ρ为空气密度；R为叶片半径；v为风速；C_p为风能利用系数，一般表示为叶尖速比和桨距角的函数：

式中，β为桨距角，

为叶尖速比，ω_r为风力机转速；

根据直驱永磁风电机组运行状况的不同，利用功率跟踪控制器和变桨机构对风电机组进行功率跟踪控制，功率跟踪控制器的有功参考值由转速反馈值ω_r计算得出：

式中，

为最大功率跟踪曲线比例系数；

风力机正常运行时，电磁功率跟随原始功率跟踪曲线，没有留取有功备用，为使风电机组能够参与一次调频，首先需要使风电机组减载运行；

减载运行时，通过控制风力机弃风运行来获取有功备用的，在最大功率跟踪区，由式(9)可得风电机组减载d_f％后的有功功率P_d：

通过调整风能利用系数C_p，使其等于(1-d_f％)C_pf，即可实现风力机在最大功率跟踪区的减载运行；

减载后的风能利用系数修正为(1-d_f％)C_pf，将其代入式(10)并令β＝0°，得到修正后的叶尖速比λ_f，减载后风速和风力机转速满足以下关系：

将(13)式代入(12)式可得切换功率跟踪曲线后的风机功率P_d2表示为：

式中，

为修正后的减载功率跟踪曲线比例系数。

进一步的，所述减载d％功率跟踪曲线为减载10％功率跟踪曲线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，基于风速划分为高、中、低三个风速区间，在不同风速区间采用不同的调频技术；将下垂控制的有功增量转化为减载水平的改变量，通过改变功率跟踪曲线进行调频，可以有效消除低风速区间附加下垂控制中附加频率环节与功率跟踪控制相互影响的问题；充分利用中、低风速时转子中存储的旋转动能，使隐藏到风力机叶片中的虚拟惯量被发掘出来，在系统频率变化时能够迅速提供功率支撑，高风速区间通过附加虚拟惯性控制也可获取惯性响应，利用风力机的C_p-λ特性曲线，使不同风况下的风能利用系数留有固定比例的裕量，从而实现减载运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法的流程图；

图2是本发明实施例直驱永磁风电机组频率响应仿真模型；

图3是本发明实施例原始功率跟踪曲线；

图4是本发明实施例MPPT跟踪曲线以及减载10％功率跟踪曲线在同一坐标系下的示意图；

图5是本发明实施例减载桨距角控制器结构图；

图6是本发明实施例高、中、低风速减载调节过程示意图；

图7是本发明实施例中风速补充情况的减载调节过程示意图；

图8是本发明实施例全风况下减载功率跟踪控制器结构图；

图9是本发明实施例低风速区间频率变化时功率调节过程示意图；

图10是本发明实施例中风速区间频率变化时功率调节过程示意图；

图11是本发明实施例高风速区间频率变化时功率调节过程示意图；

图12是本发明实施例全风况下减载调频功率控制器结构图；

图13是本发明实施例全风况下减载调频桨距角控制器结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，划分不同风速区间，采用不同减载控制方法，并根据系统频率偏差来修正功率跟踪曲线，实现直驱永磁风电机组的惯性响应和一次调频，减少风电并网对系统频率稳定造成的影响，确保电力系统的安全可靠运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，包括以下步骤：

S1，建立直驱永磁风电机组并入电网系统，获取风力机的运行参数；

S2，构造不同风速下风力机捕获功率随转速的变化曲线，并将每条曲线的峰值点相连构成最大功率跟踪曲线，另将每条曲线从峰值点处沿着转速增大方向降低d％的点连接起来构成减载d％功率跟踪曲线；

S3，将不同风速下的风力机捕获功率随转速的变化曲线、最大功率跟踪曲线和减载d％功率跟踪曲线建立在同一坐标系下，找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与减载d％功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机额定转速的一点，记该情形下的风速为v₁；找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与最大功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机最大转速的一点，记该情形下风速为v₂；

S4，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数；

S5，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线；

S6，检测系统的频率，并与系统额定频率做差计算系统的频率偏差；

S7，判断所述频率偏差是否超过风电机组参与调频的阈值调频上限f_done，如果是，将功率跟踪曲线限制在调频上限边界值对应的曲线上，转向步骤S1；如果在调频区间内，则转向步骤S8；如果低于风机调频下限f_d，则结束。；

S8，根据所需有功增量与直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，转向步骤S9；

S9，利用修正后的减载功率跟踪曲线控制减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，根据检测到的频率偏差量以及风电机组的风速状态来动态切换功率跟踪曲线，转向步骤S1；

其中，所述步骤S4中，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数，具体包括：

当风速范围为v₀-v₁，风速区间为低风速区间，减载技术为超速法；

当风速范围为v₁-v₂，风速区间为中风速区间，减载技术为超速+变桨距法；

当风速范围为v₂-v₃，风速区间为高风速区间，减载技术为变桨距法；

其中，v₀为切入风速，v₃为切出风速；

低风速区间和中风速区间对应的最优转速都在风力机最大转速以下，低风速区间和中风速区间基于最大功率跟踪曲线得到减载前功率：

P_d0＝0.5ρπR²v³C_pmax,(v₀＜v＜v₂) (1)

式中，P_d0表示减载前功率，ρ表示空气密度，R表示风力机的叶片半径，v表示风速，C_pmax表示风力机的最大风能利用系数；

高风速区间采用原始功率跟踪曲线减载，原始功率跟踪曲线上取若干高风速值对应的稳定运行点，记录其风速和对应的功率，并用曲线拟合的方法得到高风速区间减载前功率：

P_d0＝av-b,(v₂＜v＜v₃)(2)

式中，a、b为拟合系数。

其中，所述步骤S5中，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和减载桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线，具体包括：

低风速区间，采用超速法减载，发电机电磁功率跟随减载d％功率跟踪曲线即可满足减载要求；

高风速区间，使发电机电磁功率跟踪原始功率跟踪曲线，仅靠变桨距控制器调节桨距角来实现d％减载；

中风速区间，根据减载d％的功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速是否超过风力机最大转速，定义判别式：

Δ＝P_dωmax-P_ωmax (3)

式中，P_dωmax为中风速区间减载d％的功率跟踪曲线在风力机最大转速处的功率值，P_ωmax为中风速区间风力机捕获功率随转速的变化曲线在风机最大转速处的功率值；

根据公式(3)，当Δ≥0，即减载d％功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速未超过风力机最大转速时，使电磁功率继续跟踪减载d％的功率跟踪曲线实现d％减载，此时无需桨距角动作；

当Δ＜0时，若使电磁功率仍跟踪减载d％功率跟踪曲线，则其与风机捕获功率曲线的交点处转速将超过最大转速。为避免这种现象，对该情况下功率跟踪曲线进行修改，让其跟踪一条斜率可求的线段BC，B点为减载d％的功率跟踪曲线与风力机额定转速的交点，对应功率记作P_dωn，C点为减载d％的功率跟踪曲线与风力机最大转速的交点，对应功率记为P_ωmax，同时配和变桨距控制调节桨距角逐渐增大，最终风力机稳定运行完成减载。

通过上述分析，当Δ≥0时，使电磁功率继续跟踪减载d％功率跟踪曲线；当Δ＜0时，使电磁功率跟踪线段BC。中风速区间，减载运行时电磁功率参考值

为：

式中，ω₀为风力机的切入转速，ω_r为风力机的运行转速，ω_rN为风力机的额定转速，ω_max为风力机的最大转速，k_d为减载功率跟踪曲线比例系数；

k_d在减载水平确定后为一固定值，因此减载后的功率跟踪曲线仍为转速的三次函数。

基于公式(4)，功率跟踪控制器通过输入风力机转速和风速，输出对应风速下风力机电磁功率的有功参考值，再通过换流器的矢量控制策略并配合桨距角动作即实现不同风速下的减载。

所述步骤S8，根据下垂控制所需有功增量到直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，具体包括：

在减载运行的基础上，仿照同步发电机的一次调频特性，将下垂控制需要的有功增量ΔP_f转化为减载水平的增量Δd％：

式中，

为风电机组的静调差系数，P_N为风力机的额定有功功率，Δf为系统的频率偏差，f_N为系统的额定频率，P_opt为最大跟踪功率。

当系统频率发生变化后，修正风力机的减载水平d_f％和风能利用系数C_pf表示为：

d_f％＝d％-Δd％(7)

式中，d％表示当前风机的减载水平。

求得C_pf后，利用C_p(λ,β)的关系式，即公式(10)，求得具有下垂特性的叶尖速比λ_f，将λ_f替换减载d％的功率跟踪曲线中的叶尖速比，得到修正后减载调频跟踪曲线的比例系数k_f。

这种转化方法是从稳态角度出发设计的功率跟踪曲线，所以可以达到预期的一次调频目标，避免了下垂控制与功率跟踪的相互影响。

其中，本实施例中所述减载d％功率跟踪曲线为减载10％功率跟踪曲线。

图2是直驱永磁风电机组频率响应仿真模型，为验证基于变功率跟踪曲线的减载调频控制的有效性，利用Matlab/Smulink软件搭建了直驱永磁风电机组的频率响应仿真模型。

图3是涉及最大功率跟踪区、转速恒定区和功率恒定区的原始功率跟踪曲线，风力机出的机械功率P_m表示为：

式中，ρ为空气密度；R为叶片半径；v为风速；C_p为风能利用系数，一般表示为叶尖速比和桨距角的函数：

式中，β为桨距角，

为叶尖速比，ω_r为风力机转速；

根据直驱永磁风电机组运行状况的不同，利用功率跟踪控制器和变桨机构对风电机组进行功率跟踪控制，功率跟踪控制器的有功参考值由转速反馈值ω_r计算得出：

式中，

为最大功率跟踪曲线比例系数；

风力机正常运行时，电磁功率跟随原始功率跟踪曲线，没有留取有功备用，为使风电机组能够参与一次调频，首先需要使风电机组减载运行；

减载运行时，通过控制风力机弃风运行来获取有功备用的，在最大功率跟踪区，由式(9)可得风电机组减载d_f％后的有功功率P_d：

通过调整风能利用系数C_p，使其等于(1-d_f％)C_pf，即可实现风力机在最大功率跟踪区的减载运行；

减载后的风能利用系数修正为(1-d_f％)C_pf，将其代入式(10)并令β＝0°，得到修正后的叶尖速比λ_f，减载后风速和风力机转速满足以下关系：

将(13)式代入(12)式可得切换功率跟踪曲线后的风机功率P_d2表示为：

式中，

为修正后的减载功率跟踪曲线比例系数。

图5是减载桨距角控制器结构图，其中，P_e为发电机的电磁功率，T_β为桨距角时间常数，β_max为桨距角限幅值，K_p为转速比例系数。发电机电磁功率跟踪曲线是单调的，采用电磁功率作为反馈值可以避免低风速区间桨距角的误动。

低风速区间仅采用超速法减载，发电机电磁功率跟随减载10％跟踪曲线即可满足减载要求，如图6中A点。

高风速区间，使电磁功率跟踪减载前功率跟踪曲线，仅靠变桨距控制器调节桨距角来实现10％减载，如图6中F点。

中风速区间，若使电磁功率仍跟踪减载10％跟曲线，则稳定运行点处转速将超过最大转速，如图6中D点。因此，中风速区间需要对功率跟踪曲线进行修改，让其跟踪线段BC，同时配和变桨距控制使得桨距角由0°增加至β₁，最终风力机稳定运行于E点完成减载。

其中，G点为减载10％的功率跟踪曲线与最大转速的交点，对应功率记为P_dωmax。B点为减载10％的功率跟踪曲线与额定转速的交点，对应功率记为P_dωn。C点为β＝0°时，风力机机械功率曲线与最大转速的交点，对应功率记为P_ωmax。BC段斜率：

此外，按照前述风速区间的划分方法，中风速区间还存在一种稳定点转速位于额定转速和最大转速之间的情形，如图7中E点。因为转速没有超过最大转速，所以这种情形仍让电磁功率跟踪减载10％的曲线，仅靠超速法完成减载。

为便于区分中风速区间的这两种情形，定义判别式(3)，并得到中风速减载运行时电磁功率参考值的计算公式(4)。

全风况下减载功率跟踪控制器如图8所示。该功率跟踪控制器通过输入转速和风速可以输出对应风速下风力机电磁功率的有功参考值，再通过换流器的矢量控制策略并配合桨距角动作即可实现不同风速下的减载。

在减载运行的基础上，仿照同步发电机的一次调频特性，根据公式(5)至(6)将下垂控制需要的有功增量ΔP_f转化为减载水平的增量Δd％；

当系统频率发生变化后，风力机的减载水平和风能利用系数可以通过公式(7)和(8)表示；

求得C_pf后利用C_p(λ,β)的关系式(10)可以求得具有下垂特性的叶尖速比λ_f。将λ_f替换式(14)中对应固定减载百分比的叶尖速比λ_d，可得优化后减载调频跟踪曲线的比例系数k_f。

低风速区间频率变化时的功率调节调节过程如图9所示。

低风速下风力机初始运行于图9的A点，系统频率下降后，下垂控制计算出需增发ΔP₁的有功，对应功率跟踪曲线变为曲线1，发电机转速下降，释放出的动能为系统提供惯性响应，惯性响应变化轨迹为图中折线ABC。最终风电机组稳定运行于C点，达到了预期一次调频目标。同样地，系统频率上升时功率跟踪曲线切换至图9曲线2，发电机转速升高，最终稳定于图9的E点，图9折线ADE对应惯性响应过程。

中风速区间的功率调节过程如图10所示。

中风速与低风速相比风力机转速调节的快速性较好，为了充分利用风力机的旋转动能，系统频率下降时，将电磁功率跟踪曲线切换为MPPT跟踪曲线，对应图10中电磁功率由D点升高至C点，风力机的转速开始下降，释放动能参与惯性响应。同时桨距角功率参考值升高为P_opt，桨距角回调至0°，最终电磁功率和机械功率曲线交于图10的E点。与图10的D点相比释放出了该风速下的全部有功备用，充分参与了系统一次调频。

中风速系统频率上升时，相当于在减载的基础上进一步减载。根据一次调频需要的减发功率ΔP₂计算出调频目标所在曲线，并在额定转速和最大转速之间令电磁功率跟踪线段BG。同时变桨控制器参考功率减小ΔP₂，桨距角由β₁增大至β₂。经过调节机械功率与电磁功率图10曲线交于F点，完成了调频任务。

高风速区间的功率调节过程如图11所示。

高风速系统频率稳定时风力机运行于图11上的C点。频率下降时，电磁功率仍跟随初始功率跟踪曲线，而变桨距控制器根据一次调频要求计算出的功率增量ΔP₁和ΔP₂来改变桨距角参考功率，从而使得风电机组稳定于一次调频期望的运行点。

结合上述分析，设计全风况下减载调频功率控制器如图12所示。引入了三个判断模块，A用于中风速频率下降时将风能利用系数切换至C_pmax，或者其他情况通过频率偏差来调整风能利用系数；B用于区分额定转速以上继续跟踪调频目标曲线还是跟随直线段；C用于在高风速时将功率跟踪曲线切换至初始功率曲线。虚线框中的控制为虚拟惯性控制，它可用于补充高风速段系统的惯性响应。

变桨距控制器在减载控制的基础上进行了改进，如图13所示，其中d_f为根据式(7)计算得到的减载程度。此外加入两个判断模块，右边的一个用于在频率下降时将功率反馈值切换为机械功率P_m。因为在系统频率下降时，功率跟踪曲线的切换会使电磁功率迅速增大并且出现超调，这时若仍让电磁功率P_e作为反馈值，会导致桨距角出现一段反向调节的过程，削弱了频率响应的快速性。中间的判断模块用于在中风速频率下降时将桨距角参考功率增大至最优值，使得桨距角可以回调至0°。

本发明提供的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，基于风速划分为高、中、低三个风速区间，在不同风速区间采用不同的调频技术；将下垂控制的有功增量转化为减载水平的改变量，通过改变功率跟踪曲线进行调频，可以有效消除低风速区间附加下垂控制中附加频率环节与功率跟踪控制相互影响的问题；充分利用中、低风速时转子中存储的旋转动能，使隐藏到风力机叶片中的虚拟惯量被发掘出来，在系统频率变化时能够迅速提供功率支撑，高风速区间通过附加虚拟惯性控制也可获取惯性响应，利用风力机的C_p-λ特性曲线，使不同风况下的风能利用系数留有固定比例的裕量，从而实现减载运行。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立直驱永磁风电机组并入电网系统，获取风力机的运行参数；

S2，构造不同风速下风力机捕获功率随转速的变化曲线，并将每条曲线的峰值点相连构成最大功率跟踪曲线，另将每条曲线从峰值点处沿着转速增大方向降低d％的点连接起来构成减载d％功率跟踪曲线；

S3，将不同风速下的风力机捕获功率随转速的变化曲线、最大功率跟踪曲线和减载d％功率跟踪曲线建立在同一坐标系下，找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与减载d％功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机额定转速的一点，记该情形下的风速为v₁；找到风力机捕获功率随转速的变化曲线与最大功率跟踪曲线交点横坐标恰为风力机最大转速的一点，记该情形下风速为v₂；

S4，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数；

S5，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线；

S6，检测系统的频率，并与系统额定频率做差计算系统的频率偏差；

S7，判断所述频率偏差是否超过风电机组参与调频的阈值调频上限f_done，如果是，将功率跟踪曲线限制在调频上限边界值对应的曲线上，转向步骤S1；如果在风机调频区间内，则转向步骤S8；如果低于风机调频下限f_d，则结束；

S8，根据所需有功增量与直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，转向步骤S9；

S9，利用修正后的减载功率跟踪曲线控制减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，根据检测到的频率偏差量以及风电机组的风速状态来动态切换功率跟踪曲线，转向步骤S1。

2.根据权利要求1所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用v₁和v₂将风速划分为低、中、高三个风速区间，并构造不同风速区间的减载d％的功率跟踪函数，具体包括：

当风速范围为v₀-v₁，风速区间为低风速区间，减载技术为超速法；

当风速范围为v₁-v₂，风速区间为中风速区间，减载技术为超速+变桨距法；

当风速范围为v₂-v₃，风速区间为高风速区间，减载技术为变桨距法；

其中，v₀为切入风速，v₃为切出风速；

低风速区间和中风速区间对应的最优转速都在风力机最大转速以下，低风速区间和中风速区间基于最大功率跟踪曲线得到减载前功率：

P_d0＝0.5ρπR²v³C_pmax,(v₀＜v＜v₂) (1)

式中，P_d0表示减载前功率，ρ表示空气密度，R表示风力机的叶片半径，v表示风速，C_pmax表示风力机的最大风能利用系数；

高风速区间采用原始功率跟踪曲线减载，原始功率跟踪曲线上取若干高风速值对应的稳定运行点，记录其风速和对应的功率，并用曲线拟合的方法得到高风速区间减载前功率：

P_d0＝av-b,(v₂＜v＜v₃) (2)

式中，a、b为拟合系数。

3.根据权利要求2所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据减载d％的功率跟踪函数设计减载功率跟踪控制器和桨距角控制器，控制风力机跟随减载d％功率跟踪曲线，具体包括：

低风速区间，采用超速法减载，发电机电磁功率跟随减载d％功率跟踪曲线即可满足减载要求；

高风速区间，使发电机电磁功率跟踪原始功率跟踪曲线，仅靠变桨距控制器调节桨距角来实现d％减载；

中风速区间，根据减载d％功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速是否超过风力机最大转速，定义判别式：

Δ＝P_dωmax-P_ωmax (3)

式中，P_dωmax为中风速区间减载d％功率跟踪曲线在风力机最大转速处的功率值，P_ωmax为中风速区间风力机捕获功率随转速的变化曲线在风机最大转速处的功率值；

根据公式(3)，当Δ≥0，即减载d％功率跟踪曲线与风力机捕获功率随转速的变化曲线的交点处转速未超过风力机最大转速时，使电磁功率继续跟踪减载d％功率跟踪曲线实现d％减载，此时无需桨距角动作；

当Δ＜0时，对功率跟踪曲线进行修改，让其跟踪一条斜率可求的线段BC，B点为减载d％功率跟踪曲线与风力机额定转速的交点，对应功率记作P_dωn，C点为减载d％功率跟踪曲线与风力机最大转速的交点，对应功率记为P_ωmax，同时配和变桨距控制调节桨距角逐渐增大，最终风力机稳定运行完成减载。

4.根据权利要求3所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，中风速区间，减载运行时电磁功率参考值

为：

式中，ω₀为风力机的切入转速，ω_r为风力机转速，ω_rN为风力机的额定转速，ω_max为风力机的最大转速，k_d为减载功率跟踪曲线比例系数；

基于公式(4)，功率跟踪控制器通过输入风力机转速和风速，输出对应风速下风力机电磁功率的有功参考值，再通过换流器的矢量控制策略并配合桨距角动作即实现不同风速下的减载。

5.根据权利要求4所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，所述步骤S8，根据所需有功增量到直驱永磁风电机组减载水平的转换函数，对减载d％功率跟踪曲线进行修正，具体包括：

在减载运行的基础上，仿照同步发电机的一次调频特性，将下垂控制需要的有功增量ΔP_f转化为减载水平的增量Δd％：

式中，δ_w ^*为风电机组的静调差系数，P_N为风力机的额定有功功率，Δf为系统的频率偏差，f_N为系统的额定频率，P_opt为最大跟踪功率；

当系统频率发生变化后，风力机的修正后的减载水平d_f％和风能利用系数C_pf表示为：

d_f％＝d％-Δd％ (7)

式中，d％表示当前风机的减载水平；

求得C_pf后，利用C_p(λ,β)的关系式求得具有下垂特性的叶尖速比λ_f，将λ_f替换减载d％的功率跟踪曲线中的叶尖速比，得到修正后减载调频跟踪曲线的比例系数k_f。

6.根据权利要求5所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，所述步骤S9中，利用修正后的减载功率跟踪曲线设计减载调频功率跟踪控制器和桨距角控制器，根据检测到的频率偏差以及风电机组的风速状态来动态切换功率跟踪曲线，具体包括：

在最大功率跟踪区、转速恒定区和功率恒定区的原始功率跟踪曲线，风力机出的机械功率P_m表示为：

式中，ρ为空气密度；R为叶片半径；v为风速；C_p为风能利用系数，一般表示为叶尖速比和桨距角的函数：

式中，β为桨距角，

为叶尖速比，ω_r为风力机转速；

根据直驱永磁风电机组运行状况的不同，利用功率跟踪控制器和变桨机构对风电机组进行功率跟踪控制，功率跟踪控制器的有功参考值由转速反馈值ω_r计算得出：

式中，

为最大功率跟踪曲线比例系数；

风力机正常运行时，电磁功率跟随原始功率跟踪曲线，没有留取有功备用，为使风电机组能够参与一次调频，首先需要使风电机组减载运行；

减载运行时，通过控制风力机弃风运行来获取有功备用的，在最大功率跟踪区，由式(9)可得风电机组减载d_f％后的有功功率P_d：

通过调整风能利用系数C_p，使其等于(1-d_f％)C_pf，即可实现风力机在最大功率跟踪区的减载运行；

减载后的风能利用系数修正为(1-d_f％)C_pf，将其代入式(10)并令β＝0°，得到修正后的叶尖速比λ_f，减载后风速和风力机转速满足以下关系：

将(13)式代入(12)式可得切换功率跟踪曲线后的风机功率P_d2表示为：

式中，

为修正后的减载功率跟踪曲线比例系数。

7.根据权利要求1所述的基于变功率跟踪的直驱永磁风电机组减载调频控制方法，其特征在于，所述减载d％功率跟踪曲线为减载10％功率跟踪曲线。

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