CN116014819A - 永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法及系统 - Google Patents

永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法及系统，方法包括步骤：1）获取发电机运行时的端电压表达式；2）将端电压表达式带入发电机控制中直流母线电压与端电压之间的约束关系，得到包含直流母线电压、发电机定子
Figure ZY_1
轴和
Figure ZY_2
轴电流、发电机转子转速的表达式；3）通过忽略电流微分与
Figure ZY_3
轴电流，将步骤2）得到的表达式进行简化并求解，得到当发电机端电压为当前直流母线电压允许最大值下，不同发电机转子转速对应的定子
Figure ZY_4
轴电流；4）根据不同发电机转子转速对应的定子
Figure ZY_5
轴电流，计算得到不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率，构成风力发电机组有功功率存储边界。本发明能够实现安全、高效的有功功率存储。

Description

永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法及系统
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存储极限量化方法及系统。
背景技术
目前,风力发电机组的运行过程中，存在着需要降低输出有功功率的工况，如在黑启动期间、或者电网低电压穿越期间都需要降低自身有功输出。在降低风力发电机组自身有功功率输出时，风力发电机组通常会使用超速减载的方式，将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中。风力发电机组的有功功率存储边界，指的是风力发电机组以超速减载将有功功率以动能形式存储至风轮、叶片及转子中时允许的最大范围，若以动能形式存储的有功功率超过该范围，将会引发风力发电机组的控制稳定性问题。
目前在国内外与风力发电机组的有功功率存储边界的相关研究现状主要可分为两类：一类是在应用风力发电机组动能存储技术的过程中完全不考虑有功功率存储边界，如在专利文献CN115021282A与专利文献CN109193804A中，虽然利用了风力发电机组风轮、转子等机构的动能存储能力，但对动能存储的边界，即有功功率存储边界并未进行规定；第二类是仅以常数值来规定有功功率存储的边界，如在专利文献CN111725847A中所提到的最大转子转速。
因此，还需要进一步对风力发电机组的有功功率存储边界进行精细化规定，从而安全、更加有效的充分利用风力发电机组的动能存储能力。
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，本发明提供一种实现安全、高效的有功功率存储的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法及系统。
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存储极限量化方法，包括步骤：
1）获取永磁风力发电机组中发电机运行时的端电压表达式；所述端电压表达式包括发电机定子
Figure SMS_1
、
Figure SMS_2
轴电流以及发电机转子转速；
2）将步骤1）内发电机端电压表达式带入发电机控制中直流母线电压和端电压之间的约束关系，得到包含直流母线电压、发电机定子
Figure SMS_3
轴和
Figure SMS_4
轴电流、发电机转子转速在内的表达式；
3）通过忽略电流微分与
Figure SMS_5
轴电流，将步骤2）所得到的表达式进行简化并求解，得到当发电机端电压为当前直流母线电压允许最大值下，不同发电机转子转速对应的定子
Figure SMS_6
轴电流；
4）根据步骤3）所得到的不同发电机转子转速对应的定子
Figure SMS_7
轴电流，通过发电机功率计算公式计算得到不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率，构成风力发电机组有功功率存储边界。
优选地，在步骤1）中，通过发电机电压-电流状态方程获取发电机运行时的端电压表达式。
优选地，所述端电压表达式为：
Figure SMS_8
（1）
其中
Figure SMS_10
，
Figure SMS_14
为端电压，
Figure SMS_16
为绕组电感，
Figure SMS_9
为绕组电阻，
Figure SMS_13
为发电机极对数，
Figure SMS_15
为发电机永磁体磁链；
Figure SMS_19
,
Figure SMS_11
分别为发电机定子
Figure SMS_12
轴和
Figure SMS_17
轴电流、
Figure SMS_18
为发电机转子转速。
优选地，在步骤2）中，包含直流母线电压、发电机定子
Figure SMS_20
轴和
Figure SMS_21
轴电流、发电机转子转速在内的表达式为：
Figure SMS_22
（2）
其中
Figure SMS_23
为直流母线电压。
优选地，在步骤3）中，通过忽略电流微分与
Figure SMS_24
轴电流，对式（2）进行简化后得到式（3），具体为：
Figure SMS_25
（3）。
优选地，在步骤4）中，发电机功率计算公式为：
Figure SMS_26
（4）。
优选地，通过不同发电机转子转速对应的定子
Figure SMS_27
轴电流得到二维形式的转速-电流边界图。
优选地，对不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率进行图形绘制，得到二维形式的风力发电机组有功功率存储边界。
本发明还公开了一种永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化系统，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方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过对永磁风力发电机组内发电机内部运行约束的建模推导，得到了永磁风力发电机组在任意输出功率值下对应最大运行转速，从而得到风力发电机组在不同运行功率下动能可存储的极限值；相比目前仅利用常数最大值来规定动能存储极限值，本发明能更充分的利用风轮、叶片、发电机转子等旋转机构进行动能存储的潜力，实现安全、高效的有功功率存储。
附图说明
图1为本发明的量化方法在实施例的流程图。
图2为本发明中二维形式的转速-电流边界示意图。
图3为本发明中的二维形式的转速-有功功率边界示意图。
图4为本发明中的转速-有功功率存储边界验证示意图；其中（a）为时间-输出功率示意图；（b）为时间-转速示意图。
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存储极限量化方法，具体包括步骤：
1）在
Figure SMS_28
、
Figure SMS_29
轴下通过永磁发电机电压-电流状态方程获取发电机运行时的端电压表达式，该端电压表达式包含了发电机定子
Figure SMS_30
、
Figure SMS_31
轴电流以及发电机转子转速；
2）将步骤1）获取的发电机端电压表达式带入发电机控制中直流母线电压与端电压之间的约束关系，重新得到包含直流母线电压、发电机定子
Figure SMS_32
轴和
Figure SMS_33
轴电流、发电机转子转速在内的表达式；
3）通过忽略电流微分与
Figure SMS_34
轴电流，将步骤2）所得到的表达式进行简化并求解，得到当发电机端电压为当前直流母线电压允许最大值下，不同发电机转子转速对应的定子
Figure SMS_35
轴电流，并将发电机转子转速与对应定子
Figure SMS_36
轴电流进行保存；
4）利用步骤3）中所得到的发电机转子转速与对应定子
Figure SMS_37
轴电流，通过永磁发电机功率计算公式，计算得到不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率，所得到的转速与对应输出功率构成风力发电机组有功功率存储边界。上述有功功率存储边界规定了在一定转速下的最大运行功率，也规定了在一定功率下的最大运行转速，一定功率下的最大运行转速点即为该功率下的有功功率存储边界点。
通过上述步骤所得到的风力发电机组在不同运行功率下动能可存储的极限值，即为基于永磁发电机的风力发电机组有功功率存储边界。
由于风力发电机组在运行过程中的的动能存储量完全取决于其运行转速，为了量化风力发电机组运行过程中的动能存储极限，本发明通过对永磁风力发电机组内发电机内部运行约束的建模推导，得到永磁风力发电机组在任意输出功率值下对应最大运行转速，从而得到风力发电机组在不同运行功率下动能可存储的极限值；相比目前仅利用常数最大值来规定动能存储极限值，本发明能更充分的利用风轮、叶片、发电机转子等旋转机构进行动能存储的潜力，实现安全、高效的有功功率存储。
本发明还公开了一种永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化系统，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方法的步骤。本发明的系统与上述方法相对应，同样具有如上所述方法的优点。
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，具体步骤如下：
1、通过永磁发电机电压-电流状态方程获取发电机运行时的端电压
Figure SMS_38
，
Figure SMS_39
，该端电压表达式包含了发电机定子电流
Figure SMS_40
,
Figure SMS_41
、发电机转子转速
Figure SMS_42
；其中端电压表达式如式（1）所示：
Figure SMS_43
（1）
上式中
Figure SMS_44
为绕组电感，
Figure SMS_45
为绕组电阻，
Figure SMS_46
为发电机极对数，
Figure SMS_47
为发电机永磁体磁链；
2、将式（1）的端电压表达式带入永磁发电机控制中直流母线电压和端电压之间的约束关系，重新得到包含直流母线电压
Figure SMS_48
、发电机定子电流
Figure SMS_49
和
Figure SMS_50
、发电机转子转速
Figure SMS_51
在内的表达式，具体如下：
Figure SMS_52
（2）
3、通过忽略电流微分
Figure SMS_53
,
Figure SMS_54
与
Figure SMS_55
，将式（2）进行简化为端电压最大的极限情况如下：
Figure SMS_56
（3）
4、对式（3）进行求解，给定不同
Figure SMS_57
值，即可得到与每一个
Figure SMS_63
对应的定子电流
Figure SMS_65
，这一组对应的
Figure SMS_59
即为当发电机端电压为当前直流母线电压允许最大值情况下，不同
Figure SMS_61
对应的最大
Figure SMS_64
，对所得到不同
Figure SMS_67
进行图形绘制，即可得到二维形式的转速-电流边界图，如图2所示，其中图2中的
Figure SMS_60
为风力发电机组运行时的任意转速，
Figure SMS_62
为风力发电机组在
Figure SMS_66
转速运行下所允许的最大定子q轴电流，对于任意一个
Figure SMS_68
，都有唯一的
Figure SMS_58
与之对应。
5、在式（3）求解得到的不同
Figure SMS_69
值与其对应的最大
Figure SMS_70
基础上，将其带入如下的永磁发电机功率计算公式：
Figure SMS_71
（4）
即可得到风力发电机组不同在
Figure SMS_72
值下所对应的最大有功功率
Figure SMS_77
，不同的
Figure SMS_80
以及其对应最大有功功率
Figure SMS_75
构成了基于永磁发电机的风力发电机组有功功率存储边界。因为该边界规定了在某一个
Figure SMS_78
值下的最大可运行功率，也规定了在一定功率下的最大
Figure SMS_81
，而最大
Figure SMS_84
即为可进行有功功率存储的最大边界，对不同的
Figure SMS_73
和对应的最大有功功率
Figure SMS_76
进行图形绘制，即得到二维形式的基于永磁发电机的风力发电机组有功功率存储边界，如图3所示，对于任意一个风力发电机组的运行功率
Figure SMS_82
，都有与之对应的最大运行转速
Figure SMS_85
。当风力发电机组的输出功率需求被确定如
Figure SMS_74
，通过使风力发电机组运行到对应的最大转速如
Figure SMS_79
，此时机组运行于图3中的存储边界点1，即为功率
Figure SMS_83
下风力发电机组的有功功率存储极限点。
本发明详细地对风力发电机组的有功功率存储边界进行了定义，其有功功率存储边界根据风力发电机组当前运行功率等级变化而变化的，从而保证有功功率存储边界的精准性；相比目前现有的以常数最大值规定的存储边界，本发明解决了目前对风力发电机组的有功功率存储边界定义不明确和不具体的问题，能够实现高运行功率等级下的功率安全存储，以及低运行功率等级下的充分存储。
为了验证本发明的有效性，通过将风机1-3#分别运行于0.987、0.975、0.95p.u.的转速下，如图4的（a）所示，三台风机同时响应1.0、1.1、1.2、1.3p.u.的功率输出，如图4的(b)所示，可以看到风机1#在响应1.1p.u.功率前已经到达其有功功率存储极限，功率增加后最先越过极限，控制稳定性受到影响，此时可以通过降低转速恢复其运行稳定性。当功率为1.1 p.u.时，风机2#尚未达到功率存储极限，此时增加其功率至1.2 p.u.，风机2#同样越过其有功功率存储极限；风机3#运行转速为三台风机中最低，因此在功率提升至1.3 p.u.时方才越过极限，验证的结论与图3中的理论趋势相同。
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 (9)

1.一种永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，包括步骤：
1）获取永磁风力发电机组中发电机运行时的端电压表达式；所述端电压表达式包括发电机定子
Figure QLYQS_1
、
Figure QLYQS_2
轴电流以及发电机转子转速；
2）将端电压表达式带入发电机控制中直流母线电压和端电压之间的约束关系，得到包含直流母线电压、发电机定子
Figure QLYQS_3
轴和
Figure QLYQS_4
轴电流、发电机转子转速在内的表达式；
3）通过忽略电流微分与
Figure QLYQS_5
轴电流，将步骤2）所得到的表达式进行简化并求解，得到当发电机端电压为当前直流母线电压允许最大值下，不同发电机转子转速对应的定子
Figure QLYQS_6
轴电流；
4）根据步骤3）所得到的不同发电机转子转速对应的定子
Figure QLYQS_7
轴电流，通过发电机功率计算公式计算得到不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率，构成风力发电机组有功功率存储边界。
2.根据权利要求1所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，在步骤1）中，通过发电机电压-电流状态方程获取发电机运行时的端电压表达式。
3. 根据权利要求1或2所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，所述端电压表达式为：
Figure QLYQS_8
（1）
其中
Figure QLYQS_11
，
Figure QLYQS_13
为端电压，
Figure QLYQS_17
为绕组电感，
Figure QLYQS_10
为绕组电阻，
Figure QLYQS_14
为发电机极对数；
Figure QLYQS_18
为发电机永磁体磁链；
Figure QLYQS_19
,
Figure QLYQS_9
分别为发电机定子
Figure QLYQS_12
轴和
Figure QLYQS_15
轴电流、
Figure QLYQS_16
为发电机转子转速。
4. 根据权利要求3所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，在步骤2）中，包含直流母线电压、发电机定子
Figure QLYQS_20
轴和
Figure QLYQS_21
轴电流、发电机转子转速在内的表达式为：
Figure QLYQS_22
（2）
其中
Figure QLYQS_23
为直流母线电压。
5.根据权利要求4所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，在步骤3）中，通过忽略电流微分与
Figure QLYQS_24
轴电流，对式（2）进行简化后得到式（3），具体为：
Figure QLYQS_25
（3）。
6.根据权利要求5所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，在步骤4）中，发电机功率计算公式为：
Figure QLYQS_26
（4）。
7.根据权利要求4所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，通过不同发电机转子转速对应的定子
Figure QLYQS_27
轴电流得到二维形式的转速-电流边界图。
8.根据权利要求4所述的永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化方法，其特征在于，对不同发电机转子转速下对应的永磁风力发电机组的输出功率进行图形绘制，得到二维形式的风力发电机组有功功率存储边界。
9.一种永磁风力发电机组的有功功率存储极限量化系统，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1～8中任意一项所述方法的步骤。
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GR01 Patent grant
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