CN116316672A - 一种变减载系数的改进超速减载控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种变减载系数的改进超速减载控制方法和系统，首先预测未来时刻的平均风速，并进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量；再根据平滑风功率波动量对减载系数进行修正，并计算出减载功率参考值，然后减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值；最后根据风机有功控制的有功功率参考值对风电机组一次调频控制。本发明利用减载系数修正环节，使超速减载控制能够根据风速变化及时调整，从而实现平滑部分风功率，降低对系统频率的影响，同时，本发明在不增设储能环节情况下，依靠风机自身对风功率进行平滑处理，提高供电质量，避免由于频率调整导致转速下跌时出现失速现象，具有更好的稳定性。

Description

一种变减载系数的改进超速减载控制方法和系统

技术领域

本发明涉及风电发电领域，具体涉及到一种变减载系数的改进超速减载控制方法和系统。

背景技术

随着双碳政策的提出，风能作为一种清洁能源在我国发展迅速，风电渗透率逐年不断的提高。由于考虑风能捕获效率的问题，目前风电场主要采用变速恒频风电机组，这种风电机组通过快速控制的电力电子变流装置并网，实现了发电系统与电网的解耦控制。变速恒频风电机组与常规火电机组相比，具有控制灵活、响应速度快等优点，但由于转子转速和电网频率解耦，转子转速不再响应电网频率，这同样也带来了一系列难以解决的问题，如电网惯性下降，电网频率不稳定，风功率波动导致电网频率的波动等。

随着风电累计装机容量的增加，为保证电力系统的安全可靠，许多国家纷纷出台了对风电辅助服务功能的导则、要求或规定，其基本出发点是希望风电能够像传统发电机组那样具备提供惯性响应和有功支撑等能力为电力系统的频率调整降低负担。

湍流风况是风电场中最常见的风况之一，具有随机性强，波动性大的特点。在这样的风况下要使风电机组参与电网调频是一件棘手的问题，风电机组输出的功率也会随着风速的波动而波动，这会对电网频率造成较大的影响。目前现有的一次调频控制策略，主要针对恒定风速情况提出，在湍流风况下存在效果差或者不适用的情况，并且在湍流风况下，可能出现过分调频而导致风机退出运行。

中国专利CN112615391A《一种基于减载系数的风电机组一次调频控制方法及装置》公开了一种基于减载系数的风电机组一次调频控制方法及装置，该方法通过获取电网的频率偏差，并基于频率偏差和一次调频死区确定是否启动采样保持器，当启动采样保持器，则获取PI控制器输出的第一PI输出值，并将获取的初始减载系数减去第一PI输出值得到的值作为实际减载系数；当不启动采样保持器，则获取PI控制器输出的第二PI输出值，并将获取的初始减载系数作为实际减载系数，最后基于实际减载系数对风电机组进行一次调频控制。然而，该发明建立在恒定风速的基础上，不适用于湍流风速，不符合工程实际。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种变减载系数的改进超速减载控制系统方法、系统及装置。

本发明采用如下的技术方案：

本发明一方面提供一种变减载系数的改进超速减载控制系统方法，包括以下步骤：

预测未来时刻的平均风速，并进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量；

根据平滑风功率波动量对减载系数进行修正，得到修正后的减载系数；

根据修正后的减载系数计算出减载功率参考值；

减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值；

根据风机有功控制的有功功率参考值对风电机组一次调频控制。

优先地，预测未来时刻的平均风速，并进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量，还包括以下步骤：

根据未来时刻的平均风速，计算出转子转速参考值；

将转子转速参考值与转子转速实际值作差，得到转子转速偏差值Δω；

根据转子转速偏差值计算出风功率波动估算得到平滑风功率波动量。

优先地，转子转速参考值具体表达式为：

式中，ω_ref是转子转速参考值，R是风电机组的风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，

是未来时刻的平均风速。

优先地，转子转速偏差值的具体表达式为：

Δω＝ω_ref-ω_act

式中，Δω是转子转速偏差值，ω_ref是转子转速参考值，ω_act是转子转速实际值。

优先地，平滑风功率波动量的具体表达式为：

式中，ΔP_wind是平滑风功率波动量，K_d为减载系数的基准值，K_opt为最优转矩增益系数，Δω是转子转速偏差值。

优先地，K_d是0.8。

优先地，修正后的减载系数的具体表达式为：

式中，K_d′是修正后的减载系数，K_d是减载系数的基准值，ΔP_wind是平滑风功率波动量，P_MPPT为MPPT控制下有功参考值。

优先地，K_d′在0.6～1之间。

优先地，预测未来时刻的平均风速包括利用风速测量仪进行预测未来时刻的平均风速。

本发明另一方面提供了一种变减载系数的改进超速减载控制系统，包括以下模块：

风功率波动计算模块，用于预测未来时刻的平均风速，并进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量；

减载系数修正模块，用于根据平滑风功率波动量对减载系数进行修正，得到修正后的减载系数；

减载功率计算模块，用于根据修正后的减载系数计算出减载功率参考值；

有功功率计算模块，用于减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值；

调频控制模块，用于根据风机有功控制的有功功率参考值对风电机组一次调频控制。

优先地，风功率波动计算模块，还用于：

根据未来时刻的平均风速，计算出转子转速参考值；

将转子转速参考值与转子转速实际值作差，得到转子转速偏差值Δω；

根据转子转速偏差值计算出风功率波动估算得到平滑风功率波动量。

优先地，转子转速参考值具体表达式为：

式中，ω_ref是转子转速参考值，R是风电机组的风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，

是未来时刻的平均风速。

优先地，转子转速偏差值的具体表达式为：

Δω＝ω_ref-ω_act

式中，Δω是转子转速偏差值，ω_ref是转子转速参考值，ω_act是转子转速实际值。

优先地，平滑风功率波动量的具体表达式为：

式中，ΔP_wind是平滑风功率波动量，K_d为减载系数的基准值，K_opt为最优转矩增益系数，Δω是转子转速偏差值。

优先地，K_d是0.8。

优先地，修正后的减载系数的具体表达式为：

式中，K_d′是修正后的减载系数，K_d是减载系数的基准值，ΔP_wind是平滑风功率波动量，P_MPPT为MPPT控制下有功参考值。

优先地，K_d′在0.6～1之间。

优先地，预测未来时刻的平均风速包括利用风速测量仪进行预测未来时刻的平均风速。

本发明还提供一种变减载系数的改进超速减载控制系统装置，该装置是考虑湍流特性的风电机组一次调频控制方法的风力发电机。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明在超速减载控制的基础上采用变减载系数，利用湍流风况的风速预测，得到未来时刻的平均风速，再根据未来时刻的平均风速得到转子转速参考值和实际值的偏差，并通过风功率波动量估算环节得到风功率波动量的估计值，并利用减载系数修正环节，得到周期性修正减载系数，使超速减载控制能够根据风速变化及时做出调整，从而实现平滑部分风功率，降低对系统频率的影响，同时，本发明能够在不增设储能环节情况下，依靠风机自身对风功率进行平滑处理，提高供电质量，避免转子转速由于频率调整导致转速下跌时出现失速现象，具有更好的稳定性。

附图说明

图1是变减载系数的改进超速减载控制系统方法的流程图；

图2是变减载系数的改进超速减载控制系统方法的示意图

图3是所述步骤1的流程图；

图4为仿真时采用的湍流风速图；

图5是仿真结果中的电网频率偏差变化示意图；

图6是仿真结果中的风功率变化示意图；

图7是仿真结果中的转子转速变化示意图；

图8是变减载系数的改进超速减载控制系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

图1是变减载系数的改进超速减载控制系统方法的流程图；图2是变减载系数的改进超速减载控制系统方法的示意图。

如图1及图2所示，本实施例提供了一种变减载系数的改进超速减载控制系统方法，包括以下步骤：

步骤1，利用风速预测手段(如风速测量仪或其他风速预测技术)获取未来时刻的平均风速，并利用风功率波动估算环节，计算所需平滑的风功率波动量。

图3是所述步骤1的流程图。

如图3所示，步骤1还包括以下步骤：

步骤1.1根据平均风速

并计算对应的转子转速参考值ω_ref。

设定控制周期为40s，控制周期序号k＝0，利用风速测量仪风速预测出当前周期的平均风速

转子转速参考值ω_ref的具体表达式为：

式中，R是风电机组的风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比。

计算出转子转速参考值。

步骤1.2，将转子转速参考值与转子转速实际值作差，得到转子转速偏差值Δω

转子转速偏差值Δω的具体表达式为：

Δω＝ω_ref-ω_act

式中，ω_ref是转子转速参考值，ω_act是转子转速参考值。

步骤1.3，根据转子转速偏差值计算出风功率波动估算得到平滑风功率波动量ΔP_wind。

平滑风功率波动量ΔP_wind的具体表达式为：

式中，K_d为减载系数的基准值，设置为0.8，K_opt为最优转矩增益系数。

步骤2，将平滑风功率波动量ΔP_wind引入减载系数修正环节，得到修正后的减载系数K_d′。

减载系数修正环节的控制原理为：将风功率波动量的估计值引入下式计算减载系数的修正值，并修正后的减载系数K_d′的具体表达式为：

式中，P_MPPT为MPPT控制下有功参考值。

步骤3，将减载系数值引入超速减载控制，得到减载功率参考值。

步骤4，将减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值，并导入变频器控制系统。

利用限幅器将K′_d进行限幅，K′_d约束在0.6～1范围内。防止过大或过小，并导入超速减载控制中,得到的减载功率参考值后与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，从而得到风机的有功功率参考值并导入变频器系统。

P_ref＝P_del+ΔP₁+ΔP_wind

式中，P_del是风电机组减载功率，ΔP₁是下垂控制功率，ΔP_wind为风电平滑功率。

ΔP₁＝-K_p·Δf

K_P是比例系数。

步骤5，变频器控制系统利用有功参考值计算电磁力矩，从而实现对风机的转速控制，进而能够修正风机的输出功率，从而调整电网频率，实现风电机组一次调频控制。

判断是否控制周期结束，若未结束则返回至步骤3，若结束则返回至步骤2。

本实施例通过风机为0.6MW的永磁同步风力发电机组，电网模型采用低阶频率响应模型作为仿真实验。

图4是仿真时采用的湍流风速图。

如图5所示，本实施例中的方法考虑的是平均风速8m/s,湍流强度等级为A级的湍流风。

图5是仿真结果中的电网频率偏差变化示意图。

如图5所示，本实施例提供的考虑湍流风况下的方法与仅包含超速减载控制以及下垂控制的传统方法的频率改善效果对比，可以看出改进策略相较于传统策略在频率改善方面具有明显的效果。

图6是仿真结果中的风功率变化示意图。

如图6所示，湍流风况下，本实施例提供的考虑湍流风况下的方法与仅包含超速减载控制以及下垂控制的传统方法之间风功率波动对比图，可以看到，本发明策略的风功率较为平缓，对风功率波动具有一定的改善效果。

图7是仿真结果中的转子转速变化示意图。

如图7所示，湍流风况下，本实施例提供的考虑湍流风况下的方法与仅包含超速减载控制以及下垂控制的传统方法之间的转子转速对比图，可以看到，本发明策略的转子转速基本高于传统方法，更好的避免转子转速由于频率调整导致转速下跌时出现失速现象，具有更好的稳定性。

图8是变减载系数的改进超速减载控制系统结构示意图。

如图8所示，本实施例还提供了一种变减载系数的改进超速减载控制系统，包括风功率波动计算模块、减载系数修正模块、减载功率计算模块、有功功率计算模块和调频控制模块。该系统可以通过相应的各个模块执行如上述步骤1～5的流程，来实现对变减载系数的改进超速减载进行控制。

本实施例还提供了一种变减载系数的改进超速减载控制装置，该装置是实现变减载系数的改进超速减载控制方法的风力发电机。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明在超速减载控制的基础上采用变减载系数，利用湍流风况的风速预测，得到未来时刻的平均风速，再根据未来时刻的平均风速得到转子转速参考值和实际值的偏差，并通过风功率波动量估算环节得到风功率波动量的估计值，并利用减载系数修正环节，得到周期性修正减载系数，使超速减载控制能够根据风速变化及时作出调整，从而实现平滑部分风功率，降低对系统频率的影响，同时，本发明能够在不增设储能环节情况下，依靠风机自身对风功率进行平滑处理，提高供电质量，避免转子转速由于频率调整导致转速下跌时出现失速现象，具有更好的稳定性。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其它设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

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 (10)

1.一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取平均风速预测值，进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量；

步骤2，根据平滑风功率波动量对减载系数进行修正，得到修正后的减载系数；

步骤3，根据修正后的减载系数引入超速减载控制，计算得到减载功率参考值；

步骤4，将减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值，并导入变频器控制系统；

步骤5，变频器控制系统利用有功参考值计算电磁力矩，从而实现对风机的转速控制，进而能够修正风机的输出功率，从而调整电网频率，实现风电机组一次调频控制。

2.根据权利要求1所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

步骤1包括：

步骤1.1，获取平均风速预测值，计算得到转子转速参考值；

步骤1.2，将转子转速参考值与转子转速实际值作差，得到转子转速偏差值Δω；

步骤1.3，根据转子转速偏差值计算出风功率波动估算得到平滑风功率波动量。

3.根据权利要求2所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

转子转速参考值满足如下关系式：

式中，ω_ref是转子转速参考值，R是风电机组的风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比，v是平均风速预测值。

4.根据权利要求2所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

转子转速偏差值满足如下关系式：

Δω＝ω_ref-ω_act

式中，Δω是转子转速偏差值，ω_ref是转子转速参考值，ω_act是转子转速实际值。

5.根据权利要求4所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

平滑风功率波动量满足如下关系式：

式中，ΔP_wind是平滑风功率波动量，K_d为减载系数的基准值，K_opt为最优转矩增益系数，ω_ref是平均风速所对应的最优转速值。

6.根据权利要求5所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

K_d取值范围为0.7～0.9。

7.根据权利要求5所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

步骤2中，修正后的减载系数满足如下关系式：

式中，K_d′是修正后的减载系数，K_d是减载系数的基准值，ΔP_wind是平滑风功率波动量，P_MPPT为最大功率点跟踪控制下有功参考值。

8.根据权利要求7所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

K_d′的数值为大于等于0.6且小于等于1。

9.根据权利要求1所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，其特征在于：

利用风速测量仪进行预测平均风速。

10.一种变减载系数的改进超速减载控制系统，用于实现权利要求1-9任一项所述的一种变减载系数的改进超速减载控制方法，包括风功率波动计算模块、减载系数修正模块、减载功率计算模块、有功功率计算模块、调频控制模块，其特征在于：

风功率波动计算模块，用于预测未来时刻的平均风速，并进行风功率波动估算，得到平滑风功率波动量；

减载系数修正模块，用于根据平滑风功率波动量对减载系数进行修正，得到修正后的减载系数；

减载功率计算模块，用于根据修正后的减载系数计算出减载功率参考值；

有功功率计算模块，用于减载功率参考值与下垂控制得到的附加功率参考值进行叠加，得到风机有功控制的有功功率参考值；

调频控制模块，用于根据风机有功控制的有功功率参考值对风电机组一次调频控制。

Images