CN114263564A - 考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法及系统，方法包括：获取风机相关参数；计算风机的不变桨风速范围；分析桨距角对不变桨风速范围的影响规律；建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围之间的适配关系；实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。本发明提出的考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制方法，能够使被动变速风轮不变桨风速范围动态匹配风速实际波动范围，降低风轮达到转速边界的频次，缓解风轮超速和电磁功率跌落。

Description

考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法及系统

技术领域

本发明属于风机控制领域，特别是一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法及系统。

背景技术

随着风电大规模、高渗透率接入电网，逐步形成了新能源为主体的新型电力系统。在此背景下，迫切需要变速变桨风电机组从通常采用的最大功率点跟踪(MPPT)控制转变为跟踪电网功率指令的有功功率控制(APC)，以参与电网的自动发电控制、支撑系统的有功功率平衡。

区别于MPPT控制，在被动变速APC控制下，风机气动功率与电磁功率完全解耦，其传动链将承受幅值更大、变化更快的不平衡功率。这不仅导致风机机电动态稳定更难维持，而且大幅增加变桨机构的调节负担。

为了更充分地利用风轮被动变速、减轻变桨机构的动作疲劳，现有研究提出了集成变速-变桨APC控制策略(IAPC)和分段桨距控制，利用任意桨距角风轮被动变速应对风速波动，有效减少了变桨动作。但是现有的APC方法中的变桨环节均是在风轮转速达到边界时启动，实现转速边界处的限转速控制，被动变速风轮的桨距角具有很强的随机性和不确定性。而且变桨执行机构动作缓慢，电磁功率不参与风机机电动态调节，风机更容易出现转速超调，造成风轮超速或电磁功率跌落问题，严重影响了风机有功功率控制性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制的方法，通过增加适配桨距角的设定环节，使得被动变速风轮的不变桨风速范围动态匹配风速波动范围，降低风轮达到转速边界的频次，进一步缓解风轮超速和电磁功率跌落。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

进一步地，步骤2所述计算风机的不变桨风速范围

具体过程包括：

对于功率指令为P_cmd和变速区间设定为[ω_L,ω_U]的有功功率控制，当桨距角为β时，存在一个最大的风速波动范围

使得对于该风速范围内的任一风速，风机都存在一个稳定平衡点(ω₀,β₀)，且满足ω₀∈[ω_L,ω_U]与β₀＝β；式中，ω_L与ω_U分别为变速区间的下边界与上边界，v_L(β)与v_U(β)分别为桨距角为β时风机不变桨风速范围的下边界与上边界；v_L(β)与v_U(β)分别满足：

v_L(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_LR/v,β)＝P_cmd}

v_U(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_UR/v,β)＝P_cmd}

只要风速波动不超出

则可由桨距角为β的风轮在变速区间[ω_L,ω_U]内的被动变速完全应对，无需启动桨距角调节；否则，风轮转速将会达到ω_L或ω_U而触发转速边界处的恒转速变桨；

为风机在桨距角β下的不变桨风速范围。

进一步地，所述ω_U设定为额定转速ω_N，ω_U＝ω_N，ω_L为恒定功率曲线与最优功率曲线交点对应的转速

即

式中，

为风机最佳叶尖速比，

为最大风能利用系数。

进一步地，步骤3所述分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系，具体包括：

桨距角β对

的影响主要体现在风速水平和波动范围两个方面；

1)

内的风速水平随桨距角增大呈现升高趋势，桨距角越大，被动变速风轮可应对幅值越高的风速波动；

2)

随桨距角增大呈现扩大趋势，当桨距角增大时，风轮捕获气动功率对转速变化的敏感度升高，相同风速下的风轮转速变化量减小；因此，桨距角越大，相同变速区间的风轮被动变速可缓冲更大范围的风速波动。

进一步地，步骤4中所述被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系具体包括：

实际风速变化范围U_v为[v_min,v_max]，v_min与v_max分别为最低风速和最高风速，其与不变桨风速范围

之间的关系有6种，具体描述如下：

关系1：

且v_U(β₁)＜v_min，即U_v整体高于

此时，若桨距角保持在β₁，则风机稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速势必达到ω_U而启动上调桨距角；

关系2：v_min＜v_L(β₂)＜v_U(β₂)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₂，则风机运行至ω_U或ω_L而启动变桨调节；

关系3：v_L(β₃)＜v_min＜v_U(β₃)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₃，则高于v_U(β₃)风速对应的稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速加速到ω_U而启动上调桨距角；

关系4：v_min＜v_L(β₄)＜v_max＜v_U(β₄)，即

此时，若桨距角保持在β₄，则低于v_L(β₄)风速对应的稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速减速到ω_L而启动下调桨距角；

关系5：v_L(β₅)＜v_min＜v_max＜v_U(β₅)，即

此时，风机可以仅依靠该桨距角风轮被动变速独立应对风速波动，表明风轮转速不会达到ω_U和ω_L而启动变桨调节；

关系6：

且v_max＜v_L(β₆)，即U_v整体低于

此时，若桨距角保持在β₆，则风机稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速势必达到ω_L而启动下调桨距角；

根据

与U_v的关系，给出适配桨距角

确定策略：

式中，[β_min,β_max]为桨距角运行范围，通常为[0°,35°]；

为

与U_v交集

对应的连续有界区间的长度，其定义如下：

特别地，若

则

进一步地，步骤5所述基于适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制，具体包括：

步骤5-1，应用基于牛顿-拉夫逊算法的风速观测方法，根据持续观测得到的风速序列获得风速波动范围U_v；

步骤5-2，预设计算U_v的周期，将当前周期结束时刻得到的U_v作为紧邻下一周期的U_v估计值；

步骤5-3，根据U_v估计值，基于所述适配桨距角

确定策略，搜索紧邻下一周期的适配桨距角

进一步地，步骤5-3中所述搜索紧邻下一周期的适配桨距角

具体为：在桨距角运行范围[β_min,β_max]内采用遍历算法搜索紧邻下一周期的适配桨距角

遍历搜索步长为0.1°。

一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制系统，所述系统包括：

参数采集模块，用于获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

计算模块，用于计算风机的不变桨风速范围

第一关系建立模块，用于分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

第二关系建立模块，用于基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

控制模块，用于基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)相比于IAPC方法，新增的桨距角设定环节克服了被动变速风轮桨距角设定的随机性和不确定性；2)桨距角β对应的不变桨风速范围与湍流风速波动范围的适配性使得大惯量风轮能更好地缓冲高频率、小幅值的风速波动分量，减小因触及转速边界而引发的风轮超速或电磁功率跌落；3)降低了风轮达到转速边界的频次，进一步提升风机APC控制在风轮转速调节、变桨机构疲劳载荷和功率指令响应三个方面的性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制的流程图。

图2为一个实施例中风机不变桨风速范围示意图。

图3为一个实施例中不同桨距角下的风机不变桨风速范围图。

图4为一个实施例中不变桨风速范围与风速波动范围之间关系示意图。

图5为一个实施例中本发明APC方法的控制原理框图。

图6为一个实施例中风机在不同APC方法下的轨迹图，其中图(a)至图(d)分别为不同APC方法下风速、转速、电磁功率和桨距角的轨迹图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在一个实施例中，结合图1和图2，提供了一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，步骤2所述计算风机的不变桨风速范围

具体过程包括：

对于功率指令为P_cmd和变速区间设定为[ω_L,ω_U]的有功功率控制，当桨距角为β时，存在一个最大的风速波动范围

使得对于该风速范围内的任一风速，风机都存在一个稳定平衡点(ω₀,β₀)，且满足ω₀∈[ω_L,ω_U]与β₀＝β；式中，ω_L与ω_U分别为变速区间的下边界与上边界，v_L(β)与v_U(β)分别为桨距角为β时风机不变桨风速范围的下边界与上边界；v_L(β)与v_U(β)分别满足：

v_L(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_LR/v,β)＝P_cmd}

v_U(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_UR/v,β)＝P_cmd}

只要风速波动不超出

则可由桨距角为β的风轮在变速区间[ω_L,ω_U]内的被动变速完全应对，无需启动桨距角调节；否则，风轮转速将会达到ω_L或ω_U而触发转速边界处的恒转速变桨；

为风机在桨距角β下的不变桨风速范围。

进一步优选地，在其中一个实施例中，所述ω_U设定为额定转速ω_N，ω_U＝ω_N，ω_L为恒定功率曲线与最优功率曲线交点对应的转速

即

式中，

为风机最佳叶尖速比，

为最大风能利用系数。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3所述分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系，具体包括：

桨距角β对

的影响主要体现在风速水平和波动范围两个方面；

1)

内的风速水平随桨距角增大呈现升高趋势，桨距角越大，被动变速风轮可应对幅值越高的风速波动；

2)

随桨距角增大呈现扩大趋势，当桨距角增大时，风轮捕获气动功率对转速变化的敏感度升高，相同风速下的风轮转速变化量减小；因此，桨距角越大，相同变速区间的风轮被动变速可缓冲更大范围的风速波动。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图4和图5，步骤4中所述被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系具体包括：

实际风速变化范围U_v为[v_min,v_max]，v_min与v_max分别为最低风速和最高风速，其与不变桨风速范围

之间的关系有6种，具体描述如下：

关系1：

且v_U(β₁)＜v_min，即U_v整体高于

此时，若桨距角保持在β₁，则风机稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速势必达到ω_U而启动上调桨距角，容易造成风轮超速；

关系2：v_min＜v_L(β₂)＜v_U(β₂)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₂，则风机有可能运行至ω_U或ω_L而启动变桨调节；

关系3：v_L(β₃)＜v_min＜v_U(β₃)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₃，则高于v_U(β₃)风速对应的稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速有可能加速到ω_U而启动上调桨距角；

关系4：v_min＜v_L(β₄)＜v_max＜v_U(β₄)，即

此时，若桨距角保持在β₄，则低于v_L(β₄)风速对应的稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速有可能减速到ω_L而启动下调桨距角；

关系5：v_L(β₅)＜v_min＜v_max＜v_U(β₅)，即

此时，风机可以仅依靠该桨距角风轮被动变速独立应对风速波动，表明风轮转速不会达到ω_U和ω_L而启动变桨调节；

关系6：

且v_max＜v_L(β₆)，即U_v整体低于

此时，若桨距角保持在β₆，则风机稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速势必达到ω_L而启动下调桨距角，容易导致电磁功率跌落；

根据

与U_v的关系，给出适配桨距角

确定策略：

式中，[β_min,β_max]为桨距角运行范围，通常为[0°,35°]；

为

与U_v交集

对应的连续有界区间的长度，其定义如下：

特别地，若

则

进一步地，在其中一个实施例中，步骤5所述基于适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制，具体包括：

步骤5-1，应用基于牛顿-拉夫逊算法的风速观测方法，根据持续观测得到的风速序列获得风速波动范围U_v；

步骤5-2，预设计算U_v的周期，将当前周期结束时刻得到的U_v作为紧邻下一周期的U_v估计值；

步骤5-3，根据U_v估计值，基于所述适配桨距角

确定策略，搜索紧邻下一周期的适配桨距角

这里，优选地，所述搜索紧邻下一周期的适配桨距角

具体为：在桨距角运行范围[β_min,β_max]内采用遍历算法搜索紧邻下一周期的适配桨距角

遍历搜索步长为0.1°。

一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制系统，所述系统包括：

参数采集模块，用于获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

计算模块，用于计算风机的不变桨风速范围

第一关系建立模块，用于分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

第二关系建立模块，用于基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

控制模块，用于基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

关于考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制系统的具体限定可以参见上文中对于考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法的限定，在此不再赘述。上述考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

关于每一步的具体限定可以参见上文中对于考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法的限定，在此不再赘述。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。

本实施例利用美国国家可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory,NREL)提供的开源的专业风力机仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)来仿真验证效果。风力机模型采用的是容量为600kW的CART3叶片试验机型，具体参数如下表1所示。

表1容量为600kW的CART 3叶片试验机型主要参数

本发明考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法包括以下内容：

1、获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

2、根据风机气动特性和变速区间设定，计算风机的不变桨风速范围

具体包括：

对于功率指令为P_cmd和变速区间设定为[ω_L,ω_U]的有功功率控制方法，当桨距角为β时，存在一个最大的风速波动范围

使得对于该风速范围内的任一风速，风机都存在一个稳定平衡点(ω₀,β₀)，且满足ω₀∈[ω_L,ω_U]与β₀＝β。式中，ω_L与ω_U分别为变速区间的下边界与上边界，v_L(β)与v_U(β)分别为桨距角为β时风机不变桨风速范围的下边界与上边界。v_L(β)与v_U(β)分别满足：

v_L(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_LR/v,β)＝P_cmd}

v_U(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_UR/v,β)＝P_cmd}

3、分析不变桨风速范围的影响规律，具体包括：

桨距角对

的影响主要体现在风速水平和波动范围两个方面。

1)

内的风速水平随桨距角增大呈现升高趋势。桨距角越大，被动变速风轮可以应对幅值越高的风速波动。

2)

随桨距角增大呈现扩大趋势。当桨距角增大时，风轮捕获气动功率对转速变化的敏感度升高，相同风速下的风轮转速变化量减小。因此，桨距角越大，相同变速区间的风轮被动变速可以缓冲更大范围的风速波动。

4、建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，具体包括：

根据

与U_v的关系，给出适配桨距角

确定策略：

式中，[β_min,β_max]为桨距角运行范围，通常为[0°,35°]。

为

与U_v交集

对应的连续有界区间的长度，其定义如下：

特别地，若

则

5、基于适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制，具体包括：

应用基于牛顿-拉夫逊算法的风速观测方法，根据持续观测得到的风速序列获得风速波动范围U_v。本发明计算U_v的周期设定为1分钟，将当前周期结束时刻得到的U_v作为紧邻下一周期的U_v估计值。

根据U_v估计值，基于所述的适配桨距角确定策略，搜索紧邻下一周期的适配桨距角

由于是有限范围内的单变量寻优，在桨距角运行范围[β_min,β_max]内采用遍历算法，遍历搜索步长为0.1°。

6、在相同的仿真风速(600s湍流风速序列，平均风速为10m/s、湍流强度为A级)和功率指令(功率指令设定为150kW)场景设定下，仿真RSC方法、IAPC方法和本发明提出的改进方法，得到风机在三种方法下的控制性能指标如表2所示。风机在不同方法下的转速、桨距角和电磁功率轨迹如图6所示。

表2不同APC方法的评价指标

比较三种方法的APC控制性能指标。从表2和图6可以看出，在IAPC方法的基础上增加了考虑不变桨风速范围的桨距角设定环节，根据风速信息动态更新的适配桨距角提升了风轮被动变速对湍流风速的缓冲效果，有效降低了风轮达到转速边界的频次，缓解了风机超速和避免了电磁功率跌落。被动变速风轮能更好地缓冲高频率、小幅值的风速波动分量，改善了功率指令响应性能。

以上仿真实验结果表明，采用本发明所提出的考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制方法能有效降低风轮达到转速边界的频次，进一步缓解了风轮超速和电磁功率跌落，验证了本发明所提出改进方法的有效性和实用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

步骤2，计算风机的不变桨风速范围

步骤3，分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

步骤4，基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

步骤5，基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

2.根据权利要求1所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，步骤2所述计算风机的不变桨风速范围

具体过程包括：

对于功率指令为P_cmd和变速区间设定为[ω_L,ω_U]的有功功率控制，当桨距角为β时，存在一个最大的风速波动范围

使得对于该风速范围内的任一风速，风机都存在一个稳定平衡点(ω₀,β₀)，且满足ω₀∈[ω_L,ω_U]与β₀＝β；式中，ω_L与ω_U分别为变速区间的下边界与上边界，v_L(β)与v_U(β)分别为桨距角为β时风机不变桨风速范围的下边界与上边界；v_L(β)与v_U(β)分别满足：

v_L(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_LR/v,β)＝P_cmd}

v_U(β)＝{v|0.5ρπR²v³C_P(ω_UR/v,β)＝P_cmd}

只要风速波动不超出

则可由桨距角为β的风轮在变速区间[ω_L,ω_U]内的被动变速完全应对，无需启动桨距角调节；否则，风轮转速将会达到ω_L或ω_U而触发转速边界处的恒转速变桨；

为风机在桨距角β下的不变桨风速范围。

3.根据权利要求2所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述ω_U设定为额定转速ω_N，ω_U＝ω_N，ω_L为恒定功率曲线与最优功率曲线交点对应的转速

即

式中，

为风机最佳叶尖速比，

为最大风能利用系数。

4.根据权利要求1或2所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，步骤3所述分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系，具体包括：

桨距角β对

的影响主要体现在风速水平和波动范围两个方面；

1)

内的风速水平随桨距角增大呈现升高趋势，桨距角越大，被动变速风轮可应对幅值越高的风速波动；

2)

随桨距角增大呈现扩大趋势，当桨距角增大时，风轮捕获气动功率对转速变化的敏感度升高，相同风速下的风轮转速变化量减小；因此，桨距角越大，相同变速区间的风轮被动变速可缓冲更大范围的风速波动。

5.根据权利要求4所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，步骤4中所述被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系具体包括：

实际风速变化范围U_v为[v_min,v_max]，v_min与v_max分别为最低风速和最高风速，其与不变桨风速范围

之间的关系有6种，具体描述如下：

关系1：

且v_U(β₁)＜v_min，即U_v整体高于

此时，若桨距角保持在β₁，则风机稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速势必达到ω_U而启动上调桨距角；

关系2：v_min＜v_L(β₂)＜v_U(β₂)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₂，则风机运行至ω_U或ω_L而启动变桨调节；

关系3：v_L(β₃)＜v_min＜v_U(β₃)＜v_max，即

此时，若桨距角保持在β₃，则高于v_U(β₃)风速对应的稳定平衡点的转速大于ω_U，风轮转速加速到ω_U而启动上调桨距角；

关系4：v_min＜v_L(β₄)＜v_max＜v_U(β₄)，即

此时，若桨距角保持在β₄，则低于v_L(β₄)风速对应的稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速减速到ω_L而启动下调桨距角；

关系5：v_L(β₅)＜v_min＜v_max＜v_U(β₅)，即

此时，风机可以仅依靠该桨距角风轮被动变速独立应对风速波动，表明风轮转速不会达到ω_U和ω_L而启动变桨调节；

关系6：

且v_max＜v_L(β₆)，即U_v整体低于

此时，若桨距角保持在β₆，则风机稳定平衡点的转速小于ω_L，风轮转速势必达到ω_L而启动下调桨距角；

根据

与U_v的关系，给出适配桨距角

确定策略：

式中，[β_min,β_max]为桨距角运行范围，通常为[0°,35°]；

为

与U_v交集

对应的连续有界区间的长度，其定义如下：

特别地，若

则

6.根据权利要求5所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，步骤5所述基于适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制，具体包括：

步骤5-1，应用基于牛顿-拉夫逊算法的风速观测方法，根据持续观测得到的风速序列获得风速波动范围U_v；

步骤5-2，预设计算U_v的周期，将当前周期结束时刻得到的U_v作为紧邻下一周期的U_v估计值；

步骤5-3，根据U_v估计值，基于所述适配桨距角

确定策略，搜索紧邻下一周期的适配桨距角

7.根据权利要求6所述的考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，步骤5-3中所述搜索紧邻下一周期的适配桨距角

具体为：在桨距角运行范围[β_min,β_max]内采用遍历算法搜索紧邻下一周期的适配桨距角

遍历搜索步长为0.1°。

8.一种考虑不变桨风速范围的风电机组有功功率控制系统，其特征在于，所述系统包括：

参数采集模块，用于获取风机相关参数，包括空气密度ρ，风轮半径R，额定转速ω_N，风机气动特性C_P(λ,β)，功率指令P_cmd、风轮转速ω；

计算模块，用于计算风机的不变桨风速范围

第一关系建立模块，用于分析确定桨距角β对不变桨风速范围的影响关系；

第二关系建立模块，用于基于所述影响关系建立被动变速风轮桨距角与风速变化范围U_v之间的适配关系，并基于该关系获得适配桨距角

确定策略；

控制模块，用于基于所述适配关系实现考虑不变桨风速范围的风机有功功率控制。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。

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