CN115986851B - 一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法及系统，方法包括步骤：S1、获取机组当前转速下的最大输出功率；S2、将机组的外部功率指令与最大输出功率进行比较；若外部功率指令大于最大输出功率，则计算外部功率指令与最大输出功率之间的差值；S3、根据差值得到超载功率常数，再根据超载功率常数和机组当前的状态信息，得到超载功率响应指令；其中超载功率常数小于差值；S4、根据超载功率响应指令对机组进行控制，以降低机组的转速；S5、获取机组当前转速下的最大输出功率，并将此最大输出功率与外部功率指令进行比较；若此最大输出功率大于外部功率指令，则响应外部功率指令。本发明具有安全的向上功率响应能力等优点。

Description

一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法及系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法及系统。

背景技术

风力发电机组在运行过程中，为了对外部提供更好的频率支撑能力，通常会采用超速减载运行，将部分多余有功功率以动能的形式存储至风轮、叶片以及发电机转子，实现对额外有功功率的储备。但当风力发电机组通过超速减载运行至临界状态时，无论是进一步提升转速以存储更多有功功率、还是提升自身功率输出以响应外部需求，均有可能导致风力发电机组自身稳定性被破坏。即采用超速减载方式进行功率预留和动能储备的风力发电机组，若风力发电机组的动能储备到达了极限值附近，风力发电机组输出功率并不一定是其额定功率值,即使风力发电机组输出功率低于其额定值时，亦有可能达到其动能存储极限附近，此时风力发电机组将无法响应一个低于其额定功率的指令，自身储备的动能也无法被释放。该问题违背了通过有功功率存储获取更好的外部频率支撑能力这一初衷。

目前国内外针对功率边界相关的问题，如专利文献CN114336665B以最大化惯量储备水平为目的，利用风力发电机组的风轮等机构实现了高水平的动能存储，但并未考虑存储后风力发电机组对高功率进行安全响应的问题；如专利文献CN1155112522A规定了发电机有功-无功功率极限，并给出了发电机运行至有功-无功功率极限时的预警措施，但同样并未提及预警之后的机组功率响应特性。

因此，在目前的风力发电机领域，还需要进一步考虑风力发电机组的有功功率储备、有功功率边界等问题，从而为通过超速减载实现功率预留的风电机组提供更加安全的功率响应方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种能够在风力发电机组输出功率低于额定值，且达到自身动能存储极限值时，仍然能够安全提升当前功率输出的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，包括步骤：

S1、获取永磁风力发电机组当前转速下的最大输出功率；

S2、将机组的外部功率指令与步骤S1中获得的最大输出功率进行比较；若所述外部功率指令大于最大输出功率，则计算外部功率指令与最大输出功率之间的差值；

S3、根据步骤S2中计算得到的差值得到超载功率常数，再根据超载功率常数和机组当前的状态信息，得到超载功率响应指令；其中超载功率常数小于所述差值；

S4、根据超载功率响应指令对机组进行控制，以降低机组的转速；

S5、获取步骤S4中机组降低后的当前转速，得到当前转速下的最大输出功率，并将当前转速下的最大输出功率与步骤S2中的外部功率指令进行比较；若当前转速下的最大输出功率小于外部功率指令，则直接响应外部功率指令；若当前转速下的最大输出功率大于外部功率指令，调节风力发电机组的功率指令为外部功率指令并进行响应。

优选地，在步骤S3中，根据机组当前的状态信息，得到机组当前风功率；再将机组当前风功率与超载功率常数相加之和，作为超载功率响应指令。

优选地，机组当前的状态信息包括发电机组的风轮半径

、当前风速/>

、当前风能利用系数/>

、当前运行转速/>

和输出功率/>

。

优选地，根据机组当前的状态信息得到机组当前风功率

的具体过程为：

其中

为空气密度，/>

为圆周率。

优选地，在步骤S2中，若所述外部功率指令小于最大输出功率，则直接响应外部功率指令。

本发明还公开了一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的有功功率安全响应方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在风力发电机组进行动能存储并达到存储极限附近时，通过调整机组的功率来降低机组的转速，进而释放机组所存储的动能，进而在后续达到更高功率输出，一方面避免了所存储动能的浪费，另一方面也避免了在动能存储极限值附近提升功率输出造成的稳定性问题，从而安全地响应了外部高功率需求。

本发明适用于风电机组处于超速减载运行，并且需要进一步响应外部更高功率指令的情况，能够在风力发电机组输出功率低于额定值，但达到了自身动能存储极限值附近时，仍然能够安全提升当前功率输出，填补了风力发电机组运行相关技术的一部分空白，使得采用惯量储备、超速减载以及有功功率预留等控制方式的风力发电机组具备了更安全的向上功率响应能力。

附图说明

图1为本发明的有功功率安全响应方法在实施例的流程图。

图2为本发明的功率-转速曲线图。

图3为本发明的有功功率响应过程原理图。

图4为本发明的有功功率响应仿真验证图；其中(a)为输出功率-时间曲线图；（b）为转速-时间曲线图；（c）为直流电压-时间曲线图；（d）为桨距角-时间曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，包括步骤：

S1、获取永磁风力发电机组当前转速下的最大输出功率；

S2、将机组的外部功率指令与步骤S1中获得的最大输出功率进行比较；若外部功率指令小于最大输出功率，则直接响应外部功率指令；若外部功率指令大于最大输出功率，则计算外部功率指令与最大输出功率之间的差值；

S3、根据步骤S2中计算得到的差值得到超载功率常数，再根据超载功率常数和机组当前的状态信息，得到超载功率响应指令；其中超载功率常数小于差值；

S4、根据超载功率响应指令对机组进行控制，以降低机组的转速；

S5、获取步骤S4中机组降低后的当前转速，得到当前转速下的最大输出功率，并将当前转速下的最大输出功率与步骤S2中的外部功率指令进行比较；若当前转速下的最大输出功率小于外部功率指令，则直接响应外部功率指令；若当前转速下的最大输出功率大于外部功率指令，调节风力发电机组的功率指令为外部功率指令并进行响应。

在一具体实施例中，在步骤S3中，根据机组当前的状态信息，得到机组当前风功率；再将机组当前风功率与超载功率常数相加之和，作为超载功率响应指令。具体地，机组当前的状态信息包括发电机组的风轮半径

、当前风速/>

、当前风能利用系数/>

、当前运行转速/>

和输出功率/>

；根据机组当前的状态信息得到机组当前风功率/>

的具体过程为：

，其中/>

为空气密度，/>

为圆周率。

本发明在风力发电机组进行动能存储并达到存储极限附近时，通过调整机组的功率来降低机组的转速，进而释放机组所存储的动能，进而在后续达到更高功率输出，一方面避免了所存储动能的浪费，另一方面也避免了在动能存储极限值附近提升功率输出造成的稳定性问题，从而安全地响应了外部高功率需求。

上述在功率边界附近的功率响应方法，适用于风电机组处于超速减载运行，并且需要进一步响应外部更高功率指令的情况，能够在风力发电机组输出功率低于额定值，但达到了自身动能存储极限值附近时，仍然能够安全提升当前功率输出，填补了风力发电机组运行相关技术的一部分空白，使得采用惯量储备、超速减载以及有功功率预留等控制方式的风力发电机组具备了更安全的向上功率响应能力。

本发明还公开了一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的有功功率安全响应方法的步骤。本发明的响应系统与上述响应方法相对应，同样具有如上响应方法所述的优点。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，具体为：

1）获取永磁风力发电机组的风轮半径

、当前风速/>

、当前风能利用系数/>

、当前运行转速/>

、输出功率/>

、并通过测试得到风力发电机组在不同转速下的对应最大输出功率/>

；

2）获取机组的外部功率指令

，并将其与/>

进行比较；若/>

小于/>

，则风力发电机组直接响应该外部功率指令/>

；若/>

大于/>

，此时风力发电机组无法直接响应外部功率指令/>

，则执行如下过程：计算当前运行转速/>

下的最大输出功率/>

与当前输出功率/>

之间的差值/>

，如下式：

（1）

3）定义超载功率常数

，该常数值小于差值/>

，表示为下式：

（2）

注意，仅有当风电机组运行于超速减载点，具备了一定量的动能储备时，才会出现该功率响应问题，如图2所示。其中图2中，A、B点是风力发电机组典型的超速减载运行点，由于A、B点位于最大功率点MPP点的右侧，因此具备了一定量的动能储备。在风力发电机组需要进一步响应更高功率时，能够释放自身储备动能达到更高功率运行点；但相较于MPP点，超速减载点的发电机运行于更大的转速，因此其最大允许功率

受到了转速限制而变得更低，如图2中的粗虚线所示，该不同转速下的对应最大输出功率虚线是可以通过测试得到的；此时风力发电机组若要响应大于/>

的功率，如图2中运行于（/>

，/>

）点的机组需要响应/>

功率，机组的控制稳定性则会受到影响；若提前降低转速至/>

，则风力发电机组可以响应目标功率值，但是在转速降低过程中，风力发电机组的功率并未上升，意味着释放的动能并未得到充分利用，这也违背了超速减载运行的初衷。

4）计算超载功率响应指令

，该指令大小如式（3）所描述，此时风力发电机组响应该功率，并不会超出其安全响应范围；随后实时获取风力发电机组的当前风能利用系数

，并对式（3）中的超载功率响应指令/>

进行更新；

（3）

5）风力发电机组运行在超载功率响应指令

下，会通过释放风力发电机组动能的方式，降低自身运行转速至/>

；

6）根据当前转速

得到其对应的最大输出功率/>

，再判断/>

是否大于步骤2）中的外部功率指令/>

；若/>

小于/>

，则风力发电机组直接响应该外部功率指令/>

；当/>

大于/>

时，调节风力发电机组的功率指令为/>

，待风力发电机组完成对

指令的响应。上述功率响应过程如图3所示，图3中运行于A点的风力发电机组无法直接响应/>

，通过本发明的方法，经由路径A-B-C-D-E，则可以实现在不进行桨距角动作的情况下对更高功率的响应；其中A-B段开始超载；B-C段动能释放，功率提升；C-D段转速符合要求，响应目标功率。

通过对上述方法进行仿真验证，具体如图4中（a）-（d）所示，在t1时，运行于超速减载点附近的风力发电机组直接响应1.2p.u.的功率指令，出现了稳定性问题；在t1时开始采用本发明的功率响应方法，风电机组开始响应超载功率指令，同时维持桨距角的稳定，此时风力发电机组的动能得到释放；当t2时，风力发电机组的转速降低至符合功率响应要求，风力发电机组此时再响应1.2p.u.功率，则并未出现稳定性问题。

如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上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，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取永磁风力发电机组当前转速下的最大输出功率；

S2、将机组的外部功率指令与步骤S1中获得的最大输出功率进行比较；若所述外部功率指令大于最大输出功率，则计算外部功率指令与最大输出功率之间的差值；

S3、根据步骤S2中计算得到的差值得到超载功率常数，再根据超载功率常数和机组当前的状态信息，得到超载功率响应指令；其中超载功率常数小于所述差值；

S4、根据超载功率响应指令对机组进行控制，以降低机组的转速；

S5、获取步骤S4中机组降低后的当前转速，得到当前转速下的最大输出功率，并将当前转速下的最大输出功率与步骤S2中的外部功率指令进行比较；若当前转速下的最大输出功率小于外部功率指令，则直接响应外部功率指令；若当前转速下的最大输出功率大于外部功率指令，调节风力发电机组的功率指令为外部功率指令并进行响应。

2.根据权利要求1所述的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，其特征在于，在步骤S3中，根据机组当前的状态信息，得到机组当前风功率；再将机组当前风功率与超载功率常数相加之和，作为超载功率响应指令。

3.根据权利要求2所述的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，其特征在于，机组当前的状态信息包括发电机组的风轮半径

、当前风速/>

、当前风能利用系数/>

、当前运行转速/>

和输出功率/>

。

4.根据权利要求3所述的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，其特征在于，根据机组当前的状态信息得到机组当前风功率

的具体过程为：

其中

为空气密度，/>

为圆周率。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的永磁风力发电机组的有功功率安全响应方法，其特征在于，在步骤S2中，若所述外部功率指令小于最大输出功率，则直接响应外部功率指令。

6.一种永磁风力发电机组的有功功率安全响应系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1-5中任意一项所述有功功率安全响应方法的步骤。

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