CN116111653B

CN116111653B - Prsv模式下考虑平衡点优化的风电apc系统及方法

Info

Publication number: CN116111653B
Application number: CN202211646069.2A
Authority: CN
Inventors: 朱介北; 刘晓龙; 俞露杰; 李峰; 么军; 郝毅; 张利; 陈天恒; 申志鹏; 陈彬彬; 欧开健
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: CN116111653A

Abstract

本发明涉及PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统，包括转矩控制模块、桨距角调节模块以及桨距角补偿模块，本发明还涉及PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其步骤为：先确定一定时间内风速的变化范围，再以减少风力机俯仰动作为目标，优化不同风速下的SEP，形成了一组最优运行平衡点，由于每一个OEP都对应一组ω_e和β_e，因此便可以形成一个函数β_e＝g_opt(ω_e)，最后通过根据测得的转子转速和β_e＝g_opt(ω_e)，便可以确定并给出转子转速在变速范围内时的桨距角补偿，以实现在风速变化的干扰下，转子转速能够尽可能在可变转速范围内被动变化。本发明方法既显著减少了桨距调节总量和桨距制动器的疲劳损伤，又改善了转子动态特性，更好地保障了风机的安全运行。

Description

PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统及方法

技术领域

本发明属于风力发电有功输出控制技术领域，涉及一种PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统及方法。

背景技术

随着风电接入电网的高度渗透，风电的不确定性和波动性给电网的安全平稳运行带来了巨大挑战。风力发电参与了自动发电控制(automatic generation control,AGC)，于是对风力发电机(wind turbine generators,WTG)进行有功功率控制(active powercontrol,APC)迫在眉睫。APC控制下的WTG由传统的最大功率点跟踪(maximum power pointtracking,MPPT)运行模式转变为响应风电场功率指令的恒功率运行模式。

然而，APC性能的提高与WTG的转子速度变化模式和稳定平衡点(stableequilibrium points,SEP)的最佳设置密切相关。对于被动转子速度变化(passive rotorspeed variation,PRSV)模式的APC，其不再采用转子速度的闭环反馈控制，只能利用风力转子中大惯性的动能缓冲，使电力完全响应功率指令，从而可以有效降低传动系负载和变桨动作，提高APC性能，而且因受限于实现原理的限制，忽略了SEP的优化和设置，使得发电机的转子速度容易达到可变速度范围的界限，这时将激活通过桨距角调节的速度限制控制，由于变桨制动器的动作滞后和速率限制，使得转子速度很有可能会超过其极限，这就会导致：

1)当转子转速超过其下限时，WTG将切换到MPPT模式，以保证涡轮的稳定性。此时风电机有功功率输出下降，无法实现有功功率指令跟踪。

2)当转子转速超过上限时，WTG完全依靠桨距角调节来限制转子转速，这会导致转速超调，危及WTG的安全运行。

综上，现有PRSV模式的APC无法优化和设置风力发电机SEP，使得发电机的转子速度容易达到、甚至超出可变速度范围的界限，导致转子速度超调和功率下降，触发较大强度的桨距角调节，影响功率命令响应和WTG的健康运行。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统及方法。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统，其特征在于：包括转矩控制模块、桨距角调节模块以及桨距角补偿模块，

所述的转矩控制模块用于判断转子转速是否超过下限，以此来确定风机的运行模式，从而给出相应的电转矩指令；

桨距角调节模块用于判断转子转速的运行范围，以此来给出桨距角指令；

桨距角补偿模块用于当转子转速处于变速范围内时，根据风速波动范围的预测结果，得到最优运行平衡点OEP集S_opt，在此基础上，动态调整桨距角，以避免转子转速达到变速范围的界限，减少螺距动作量。

PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，确定转子转速下限ω_lim.l：

步骤2，当转子转速在可变速度范围内时，转矩控制模块根据有功功率指令给出电转矩指令T_g.cmd：

步骤3，若转子转速下降到ω_lim.l，为了保持稳定性，风力发电机WTG将从恒功率切换到最大功率点跟踪MPPT模式；

步骤4，当转子转速低于ω_lim.l或高于转子转速上限ω_lim.u时，基于PI控制的桨距角调节被激活，将转子转速限制在变速范围内；

步骤5，当转子转速运行在变速范围之内时，桨距角指令将输出由桨距角补偿模块产生的补偿桨距角，进而使风机运行在最优运行平衡点OEP；

步骤6，基于风速估算，获得等效风速v^pre，采用长短期记忆预测未来60秒内的最大风速和最小风速/>进而确定风速波动范围/>

步骤7，对于每一个估算出的等效风速v^pre，计算出被动转子速度变化PRSV模式下风力发电机WTG的稳定平衡点SEP集S_v；

步骤8，通过设置螺距角，从机组中选择一个能使风力机稳定运行的稳定平衡点SEP，即OEP；对于所预测的风速范围对于任何估算出的等效风速从S_v中选择一个OEP，构成/>对应的OEP集S_oep；

构建S_oep的优化模型；

步骤9，确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt：

步骤10，根据测量到的转子转速和SEP下的桨距角β_e，确定转子转速在变速范围内时的桨距角补偿β_cop。

而且，所述确定转子转速下限ω_lim.l的方法由下式得到：

其中，P_cmd为有功功率指令，K_opt为最优有功系数：

其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，为最大功率系数，λ_opt为最优叶尖速比。

而且，所述当转子转速在可变速度范围内时，转矩控制模块根据有功功率指令给出电转矩指令T_g.cmd的方法由下式得到：

其中，ω为转子转速，n_g为变速箱比。

而且，所述若转子转速下降到ω_lim.l，为了保持稳定性，风力发电机将从恒功率切换到最大功率点跟踪模式，其电转矩指令模型为；

其中，K_opt为最优有功系数；ω为转子转速；n_g为变速箱比。

而且，所述对于每一个估算出的等效风速v^pre，计算出被动转子速度变化PRSV模式下WTG的稳定平衡点SEP集S_v的模型为：

其中，ω_e为SEP下的转子转速，β_e为SEP下的桨距角，C_p为功率系数，T_m为气动转矩，β为桨距角。

而且，所述S_oep的优化模型为：

其中，和/>为S_oep中OEP的最大和最小桨距角，/>为WTG当前的OEP。

而且，所述确定优化模型下的最优S_oep，即S_opt的模型为：

S_opt＝{(ω_e,β_e)∣β_e＝g_opt(ω_e),(ω_e,β_e)∈S_v,v∈U_v}

其中，满足/> 满足/> 和/>分别为风速最大和最小时的SEP集，/>和/>分别是风速最大和最小时的SEP下的桨距角。

而且，所述的S_opt采用滚动优化，每10秒预测未来60秒的同时更新S_opt，得到对应的函数β_e＝g_opt(ω_e)。

本发明的优点和有益效果为：

本发明提供了附加桨距角补偿，使基于被动转子速度变化PRSV的有功功率控制APC具有桨距角的设置能力，即通过调节桨距角来优化风力发电机WTG的稳定平衡点SEP。

该有功功率控制APC策略动态优化了稳定平衡点SEP，即减小了风力机俯仰作用，又降低转子转速达到变速范围边界的频率。

附图说明

图1为本发明所涉及带APC的永磁同步发电机式WTG框图；

图2为本发明所涉及考虑平衡点优化的APC原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

图1为带APC的永磁同步发电机式WTG框图，包括电网、风力机、齿轮箱、永磁同步发电机、转换器、滤波电路、桨距角控制模块、发电机控制模块和有功功率控制策略模块，其中转换器包括机侧变流器和网侧变流器。ω、P_e和P_cmd为有功功率控制策略模块的输入信号，有功功率控制策略模块的输出为β_cmd和T_g.cmd，桨距角控制以β_cmd为输入信号，调节风力机的转矩角，发电机控制以T_g.cmd为输入信号，控制风机的运行模式。

图2为考虑了平衡点优化的APC原理图，包括转矩控制模块、桨距角调节模块和桨距角补偿模块。转矩控制模块包括第一增益模块、第二增益模块和第一判断模块，第一增益模块的输入信号为ω，第二增益模块的输入信号为ω和P_cmd，第一判断模块的输入信号为ω、第一增益模块的输出和第二增益模块的输出，输出信号为T_g.cmd(即为图1中发电机控制模块的输入信号)；桨距角调节模块包括第一加法器、第二加法器、第一PI控制器、第二PI控制器和第二判断模块，第一加法器的输入信号为ω和ω_lim.l，第二加法器的输入信号为ω和ω_lim.u，第一PI控制器的输入信号为第一加法器的输出，第二PI控制器的输入信号为第二加法器的输出，第二判断模块的输入信号为ω、第一PI控制器的输出、第二PI控制器的输出和桨距角补偿模块中函数模块的输出，输出为β_cmd(即为图1中桨距角控制模块的输入信号)；桨距角补偿模块包括函数模块、S_opt滚动优化模块、风速波动范围预测模块，函数模块的输入信号为ω和S_opt滚动优化模块的输出，输出为β_cop，S_opt滚动优化模块的输入信号为P_cmd和风速波动范围预测模块的输入信号为ω_g和T_g，输出为/>

一种被动转子转速变化模式下考虑平衡点优化的风力发电机有功功率控制系统，如图2所示，包括转矩控制模块、桨距角调节模块以及桨距角补偿模块，

桨距角补偿模块用于当转子转速处于变速范围内时，根据风速波动范围的预测结果，得到最优的OEP集S_opt，在此基础上，动态调整桨距角，以避免转子转速达到变速范围的界限，减少螺距动作量。

一种被动转子转速变化模式下考虑平衡点优化的风力发电机有功功率控制系统方法，包括如下步骤：

步骤1，确定转子转速下限ω_lim.l：

所述确定转子转速下限ω_lim.l的方法由下式得到：

其中，P_cmd为有功功率指令，K_opt为最优有功系数：

其中，ω为转子转速，n_g为变速箱比。

其中，K_opt为最优有功系数；ω为转子转速；n_g为变速箱比。

步骤7，对于每一个估算出的等效风速v^pre，计算出被动转子速度变化PRSV模式下WTG的稳定平衡点SEP集S_v；

所述S_oep的优化模型为：

其中，和/>为S_oep中OEP的最大和最小桨距角，/>为WTG当前的OEP。由于风速的变化会引起OEP集的动态调整，因此约束条件保证了当前OEP始终属于已优化的OEP集，从而避免了OEP的不必要迁移，以及由此产生的调速和俯仰动作。

构建S_oep的优化模型；

能使风力机稳定运行的稳定平衡点SEP确定方法为：

由于APC通常通过调节转子速度和/或桨距角来改变空气动力，所以选择转子速度ω和俯仰角β作为状态变量。适用于APC研究的WTG系统描述如下：

其中，τ为俯仰角调节的时间常数，J为等同于低速轴的WTG的总惯性，T_g为发电机的电转矩，T_g和T_cmd可以通过特定APC策略来确定。对于该WTG系统，如果x_e＝(ω_e,β_e)满足则它是能使风力机稳定运行的稳定平衡点。

步骤9，确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt：

所述确定优化模型下的最优S_oep，即S_opt的模型为：

S_opt＝{(ω_e,β_e)∣β_e＝g_opt(ω_e),(ω_e,β_e)∈S_v,v∈U_v}

步骤10，根据测量到的转子转速和β_e＝g_opt(ω_e)，确定转子转速在变速范围内时的桨距角补偿，即β_cop＝g_opt(ω)。

所述的S_opt采用滚动优化，每10秒预测未来60秒的同时更新S_opt，得到对应的函数β_e＝g_opt(ω_e)。避免了突然而大幅度的风速变化导致S_opt失配的问题。

经过上述包括转矩控制模块、桨距角调节模块和桨距角补偿模块在内的全流程，即可实现在风速变化的情况下，自适应对SEP动态优化，以避免转子转速达到变转速范围的界限，减少螺距动作量。

本发明解决了现有被动转子转速变化(passive rotor speed variation,PRSV)模式的有功功率控制(active power control,APC)无法优化和设置风力发电机(windturbine generators,WTG)稳定运行点(stable equilibrium points,SEP)，使得发电机的转子速度容易达到、甚至超出可变速度范围的界限，导致转子速度超调和功率下降的问题。本发明方法继承了现有PRSV的优点，通过附加桨距角补偿实现了SEP的动态优化，其过程是：先确定一定时间内风速的变化范围，再以减少风力机俯仰动作为目标，优化不同风速下的SEP，形成了一组最优运行平衡点(operating equilibrium point,OEP)，由于每一个OEP都对应一组ω_e和β_e，因此便可以形成一个函数β_e＝g_opt(ω_e)，最后通过根据测得的转子转速和β_e＝g_opt(ω_e)，便可以确定并给出转子转速在变速范围内时的桨距角补偿，以实现在风速变化的干扰下，转子转速能够尽可能在可变转速范围内被动变化。本发明方法既显著减少了桨距调节总量和桨距制动器的疲劳损伤，又改善了转子动态特性，更好地保障了风机的安全运行。

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用存储介质(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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC系统，其特征在于：包括转矩控制模块、桨距角调节模块以及桨距角补偿模块，

桨距角补偿模块用于当转子转速处于变速范围内时，根据风速波动范围的预测结果，得到最优运行平衡点OEP集S_opt，在此基础上，动态调整桨距角，以避免转子转速达到变速范围的界限，减少螺距动作量；

对于每一个估算出的等效风速v^pre，计算出被动转子速度变化PRSV模式下风力发电机WTG的稳定平衡点SEP集S_v；

通过设置螺距角，从机组中选择一个能使风力机稳定运行的稳定平衡点SEP，即OEP；对于所预测的风速范围对于任何估算出的等效风速/>从S_v中选择一个OEP，构成/>对应的OEP集S_oep；

构建S_oep的优化模型；

确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt：

根据测量到的转子转速和SEP下的桨距角β_e，确定转子转速在变速范围内时的桨距角补偿β_cop；

所述对于每一个估算出的等效风速v^pre，计算出被动转子速度变化PRSV模式下WTG的稳定平衡点SEP集S_v的模型为：

其中，ω_e为SEP下的转子转速，β_e为SEP下的桨距角，C_p为功率系数，T_m为气动转矩，β为桨距角，P_cmd为有功功率指令，ρ为空气密度，R为风轮半径；

所述S_oep的优化模型为：

其中，和/>为S_oep中OEP的最大和最小桨距角，/>为WTG当前的OEP；

所述确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt的模型为：

S_opt＝{(ω_e,β_e)∣β_e＝g_opt(ω_e),(ω_e,β_e)∈S_v,v∈U_v}

其中，满足/> 满足和/>分别为风速最大和最小时的SEP集，/>和/>分别是风速最大和最小时的SEP下的桨距角，/>为当前SEP下的转子转速，/>为当前SEP下的桨距角。

2.PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，确定转子转速下限ω_lim.l：

步骤8，通过设置螺距角，从机组中选择一个能使风力机稳定运行的稳定平衡点SEP，即OEP；对于所预测的风速范围对于任何估算出的等效风速/>从S_v中选择一个OEP，构成/>对应的OEP集S_oep；

构建S_oep的优化模型；

步骤9，确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt：

步骤10，根据测量到的转子转速和SEP下的桨距角β_e，确定转子转速在变速范围内时的桨距角补偿β_cop；

所述S_oep的优化模型为：

所述确定S_oep优化模型下的最优S_oep，即S_opt的模型为：

S_opt＝{(ω_e,β_e)∣β_e＝g_opt(ω_e),(ω_e,β_e)∈S_v,v∈U_v}

3.根据权利要求2所述PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：所述确定转子转速下限ω_lim.l的方法由下式得到：

其中，P_cmd为有功功率指令，K_opt为最优有功系数：

4.根据权利要求2所述PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：所述当转子转速在可变速度范围内时，转矩控制模块根据有功功率指令给出电转矩指令T_g.cmd的方法由下式得到：

其中，ω为转子转速，n_g为变速箱比。

5.根据权利要求2所述PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：所述若转子转速下降到ω_lim.l，为了保持稳定性，风力发电机将从恒功率切换到最大功率点跟踪模式，其电转矩指令模型为；

其中，K_opt为最优有功系数；ω为转子转速；n_g为变速箱比。

6.根据权利要求2所述PRSV模式下考虑平衡点优化的风电APC方法，其特征在于：所述的S_opt采用滚动优化，每10秒预测未来60秒的同时更新S_opt，得到对应的函数β_e＝g_opt(ω_e)。