CN116505598B - 一种风电机群服役质量动态调控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电机群服役质量动态调控方法及系统，方法包括步骤：1）获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗等线路参数；风电场需求参数包括端电压幅值、相角、有功功率和无功功率；2）在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值；3）根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值，以及风电场的桨距角和发电机转速，得到各风电机组的有功功率及无功功率以对风电机组进行调控。本发明具有提升场群级的发电运行性能和单机级机组的健康度服役性能等优点。

Description

一种风电机群服役质量动态调控方法及系统

技术领域

本发明主要涉及风电技术领域，具体涉及一种风电机群服役质量动态调控方法及系统。

背景技术

风能是一种高效清洁，分布广泛，蕴藏丰富的可再生能源，目前风能的发展已经非常成熟。风电机组工作环境恶劣，运行工况复杂多变，对风电机组的运行可靠性造成极大的影响，随着风电机组装机容量的不断提高，风电机组的服役质量开始引起研究者的关注。

风电场集群是一个复杂的机电系统，它的服役性能需要被关注，服役性能指数是一个评价服役性能很好的指标，风电场的服役质量包括运行性能指标以及健康度指标。目前的研究都是从单一性能指标出发，对于风电机群服役性能的评价不够全面，针对风电机群服役质量没有完整的评估体系，因此需要提出关于风电机群服役性能评价的综合性能指标。

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，本发明提供一种提升场群级的发电运行性能和单机级机组的健康度服役性能的风电机群服役质量动态调控方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风电机群服役质量动态调控方法，包括步骤：

1）获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

2）在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

3）根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控。

优选地，在步骤2）中，预先构建运行性能控制器，将风电场参数以及风电场需求参数输入至运行性能控制器，得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>。

优选地，运行性能控制器的构建过程为：

首先构建连续时间状态方程为：

其中状态变量,输入变量/>，输出变量/>；

式中，为风电机组端电压增量、/>为风电机组有功功率增量、/>为风电机组无功功率增量，/>为风电机组端电压参考值增量、/>为风电机组有功功率参考值增量、/>为风电机组无功功率参考值增量，/>为有功环时间常数；

其次，设定采样时间为，对连续时间状态方程进行离散化，得到离散时间状态方程，即为运行性能控制器，具体为：

其中，/>，/>。

优选地，其中运行性能控制器的优化目标为：

其中为母线电压MV与母线电压参考值/>的电压预测差值，/>为母线节点数目，/>为风电机组估计的风电场有功功率参考值，/>为风电场的全局最优有功功率参考值；/>为预测偏差值；/>为获得的有功功率，/>和/>分别为风电机组最小无功容量和最大无功容量。

优选地，在步骤3）中，预先构建健康度控制器，将风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>输入至健康度控制器，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>；其中构建健康度控制器的过程为：首先建立风电机组塔架顶端位移模型；再建立功率输出与水平推力之间的关联模型；根据风电机组塔架顶端位移模型和关联模型得到风电机组塔架顶端位移模型总的状态空间方程，即为健康度控制器；其中关联模型包括桨距角模型、发电机转速与滤波后的增量模型和轴转矩与推力的增量模型。

优选地，所述桨距角模型为：

式中，为桨距角参考值增量，/>为桨距角增量，/>与/>分别为发电机转速和滤波后的差值，/>为滤波后的初值，/>为发电机转速额定值，/>为滤波器时间常数，/>、/>分别为桨距控制器的比例增益和积分增益，/>为桨距角参考值增量，/>为桨距角增量，/>为时间常数，/>为经PI控制器后得到的桨距角参考值初值，/>为经PI控制器后得到的桨距角初值，/>，/>、/>为常数，/>、/>为常数。

优选地，所述发电机转速与滤波后的增量模型为：

式中，为齿轮箱增速比，/>为惯性常数，/>为发电机效率，/>、/>分别为空气动力转矩与发电机转矩初值，/>为风电机组给出的有功功率初值，/>为风电机组有功功率参考值增量，/>、/>是/>、/>在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

优选地，所述轴转矩与推力/>的增量模型为：

式中，为变桨伺服系统的时间常数，/>为发电机转矩，/>、/>、/>是/>、/>在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

优选地，所述健康度控制器的优化目标为：

其中为风电机组有功功率，/>为风电机组有功功率参考值，/>为风电机组无功功率，/>为风电机组无功功率参考值，/>为风电机组水平位移增量，/>为风电机组横向位移增量，/>为下层健康度控制器获得的功率，/>与/>分别为下层健康度控制器的最小无功容量与最大无功容量。

本发明还公开了一种风电机群服役质量动态调控系统，用于执行如上所述的风电机群服役质量动态调控方法，包括：

第一程序模块，用于获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

第二程序模块，用于在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

第三程序模块，用于根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在上层运行性能控制器中，根据风机参数，通过灵敏度计算与电压测量等，保证母线电压保持在可行性范围内，同时满足外部电网功率需求，并将其作为输入信号发送到下层控制器；在下层服役健康度控制器中，需要跟踪上层运行性能控制器的有功功率及无功功率参考值，并根据风电机组塔架受到的载荷等参数，对塔架顶端位移进行优化控制，以此来实现对风电系统服役质量动态调控。本发明通过对风电机组服役质量的优化控制，提升了场群级的发电运行性能和单机级机组的健康度服役性能。

附图说明

图1为本发明的风电机群服役质量动态调控方法在实施例的控制框图。

图2为本发明的风电场在实施例的拓扑结构图。

图3为本发明的风电机组塔架振动的水平位移与横向位移曲线图；其中（a）为水平位移曲线图；（b）为横向位移曲线图。

图4为本发明的风电机组输出的有功功率与上层有功功率参考值跟随曲线图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的风电机群服役质量动态调控方法，包括步骤：

1）获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗等线路参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

2）在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

3）根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控。

在步骤2）中，预先构建运行性能控制器，将风电场参数以及风电场需求参数输入至运行性能控制器，得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，具体过程为：

根据风电场参数（线路电阻、电抗等）计算风电机组的导纳矩阵，再进行灵敏度计算，得到敏感系数/>、/>、/>、/>，再结合风电场反馈回来的风电机组的端电压的幅值V与相角/>，以及此时发出的有功功率P和无功功率Q，建立上层连续时间状态空间方程：

其中状态变量,输入变量/>，输出变量/>；

式中，为风电机组端电压增量、/>为风电机组有功功率增量、/>为风电机组无功功率增量，/>为风电机组端电压参考值增量、/>为风电机组有功功率参考值增量、/>为风电机组无功功率参考值增量，/>为有功环时间常数。

设定采样时间为，对上述连续时间状态空间方程进行离散化，得到离散时间状态空间方程，具体为：

其中，/>，/>。

其中运行性能控制器的长时间控制中，风电出力的波动性不仅会导致并网点电压的大幅度波动，而且可能会导致风电机组端电压过限，因此其目标函数的设定使电压偏差最小，从而减小风电并网时对电力系统运行稳定性的影响，并且风电机组发出的功率应与其设定的参考功率的偏差尽可能小。由此可得运行性能控制器的优化目标为：

其中，/>为母线电压MV与母线电压参考值/>的电压预测差值，/>为母线节点数目，/>为风电机组估计的风电场有功功率参考值，/>为风电场的全局最优有功功率参考值；/>为预测偏差值，可由下式得出：

其中

其中为获得的有功功率，/>和/>分别为风电机组最小无功容量和最大无功容量，受风电机组端电压和有功功率输出的影响，可由线性化方法进行预测。

根据上述信息，在运行性能控制器中，进行功率以及电压的优化控制，使母线电压保持在可行性范围内且满足外部电网的功率需求，同时求解出风电场的全局最优功率参考值和/>，并作为下层健康度控制器的输入。

在一具体实施例中，在步骤3）中，预先构建健康度控制器，将风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速输入至健康度控制器，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>。具体过程为：

首先对对风电机组塔架顶端位移进行建模，设塔架顶端总水平位移为（、/>）：

其中：为风电机组塔架顶端水平位移，/>为风电机组塔架顶端横向位移，/>为塔架高度，Z为距塔架结构底端的距离，/>为水平推力，/>为塔架高度方向集中应力，/>为风轮重力，/>为机舱重力，单位均为N；/>为空气动力转矩；E为塔架结构材料的弹性模量；/>为塔架结构距离为Z处的截面惯性矩。

令，/>，上式简化为：

其中，，/>为轴扭矩，/>为发电机转矩，由上式可得出水平位移差/>和横向位移差/>：

其中，为机舱与风轮的重力差，/>为水平轴向推力增量，/>为轴扭矩增量，/>为发电机转矩增量；

由此可得风电机组塔架顶端位移的状态空间方程为：

其中，，/>

，/>

接下来建立功率输出与水平推力之间的关联模型，具体为：

首先是桨距角模型：

式中，为桨距角参考值增量，/>为桨距角增量，/>与/>分别为发电机转速和滤波后的差值，/>为滤波后的初值，/>为发电机转速额定值，/>为滤波器时间常数，/>、/>分别为桨距控制器的比例增益和积分增益，/>为桨距角参考值增量，/>为桨距角增量，/>为时间常数，/>为经PI控制器后得到的桨距角参考值初值，/>为经PI控制器后得到的桨距角初值，/>，/>、/>为常数，/>、/>为常数。

发电机转速与滤波后的增量模型为：

式中，为齿轮箱增速比，/>为惯性常数，/>为发电机效率，/>、/>分别为空气动力转矩与发电机转矩初值，/>为风电机组给出的有功功率初值，/>为风电机组有功功率参考值增量，/>、/>是/>、/>在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

轴转矩与推力/>的增量模型为：

式中，为变桨伺服系统的时间常数，/>为发电机转矩，/>、/>、/>是/>、/>在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

由此可得其状态空间方程为：

其中状态变量，输入变量/>，输出变量

，/>，

，/>，

因此可得风电机组塔架顶端位移模型总的状态空间方程为:

其中，状态变量，输入变量/>，输出变量，/>，/>。

下层健康度控制器的目标是优化风电机组的健康状况以及使运行性能与健康度多目标的权衡优化，因此其优化目标为：

其中为风电机组有功功率，/>为风电机组有功功率参考值，/>为风电机组无功功率，/>为风电机组无功功率参考值，/>为风电机组水平位移增量，/>为风电机组横向位移增量，/>为下层健康度控制器获得的功率，/>与/>分别为下层健康度控制器的最小无功容量与最大无功容量。

在健康度控制器中，将风电场的参数（桨距角和发电机转速/>），带入模型预测控制中，求解出风电机组需求的有功功率/>及无功功率/>，将其传递给风电机组以进行质量调控。

本发明在上层运行性能控制器中，根据风机参数，通过灵敏度计算与电压测量等，保证母线电压保持在可行性范围内，同时满足外部电网功率需求，并将其作为输入信号发送到下层控制器；在下层服役健康度控制器中，需要跟踪上层运行性能控制器的有功功率及无功功率参考值，并根据风电机组塔架受到的载荷等参数，对塔架顶端位移进行优化控制，来实现对风电系统服役质量动态调控。本发明通过对风电机组服役质量的优化控制，提升了场群级的发电运行性能和单机级机组的健康度服役性能。

本发明实施例还提供了一种风电机群服役质量动态调控系统，用于执行如上所述的风电机群服役质量动态调控方法的步骤，包括：

第一程序模块，用于获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

第二程序模块，用于在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

第三程序模块，用于根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控。

本发明的风电机群服役质量动态调控系统，用于执行如上所述的风电机群服役质量动态调控方法的步骤，同样具有如上动态调控方法的优点。

如图3所示，为本发明实施后得到的风电机组塔架振动位移图，风电机组塔架的水平位移与横向位移变化量是动态波动曲线，会受到功率变化、转子转速变化与桨距角变化的影响，从图3中可看出在高功率输出阶段的功率协调优化过程中，风电机组的塔架位移能保持在可控范围内。

如图4所示，为本发明实施后得到的风电机组输出的有功功率与上层有功功率参考值的跟随，采用一种动态权重系数策略，在风电场的有功功率输出较少的时候，跟随指令的权重系数较大，输出有功功率可以很好跟随上有功功率参考值。随着输出的有功功率的增加，跟随指令的权重系数随之减小，舍弃一部分有功功率跟随以保证风电机组的健康状况。

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 (8)

1.一种风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，包括步骤：

1）获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

2）在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

3）根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控；

在步骤3）中，预先构建健康度控制器，将风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>输入至健康度控制器，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>；其中构建健康度控制器的过程为：首先建立风电机组塔架顶端位移模型；再建立功率输出与水平推力之间的关联模型；根据风电机组塔架顶端位移模型和关联模型得到风电机组塔架顶端位移模型总的状态空间方程，即为健康度控制器；其中关联模型包括桨距角模型、发电机转速与滤波后的增量模型和轴转矩与推力的增量模型；

所述健康度控制器的优化目标为：

其中为风电机组有功功率，/>为风电机组有功功率参考值，/>为风电机组无功功率，/>为风电机组无功功率参考值，/>为风电机组水平位移增量，/>为风电机组横向位移增量，/>为下层健康度控制器获得的功率，/>与/>分别为下层健康度控制器的最小无功容量与最大无功容量。

2.根据权利要求1所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，在步骤2）中，预先构建运行性能控制器，将风电场参数以及风电场需求参数输入至运行性能控制器，得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>。

3.根据权利要求2所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，运行性能控制器的构建过程为：

首先构建连续时间状态方程为：

其中状态变量,输入变量/>，输出变量/>；A、B、C为系数矩阵；

式中，为风电机组端电压增量、/>为风电机组有功功率增量、/>为风电机组无功功率增量，/>为风电机组端电压参考值增量、/>为风电机组有功功率参考值增量、为风电机组无功功率参考值增量，/>为有功环时间常数；

其次，设定采样时间为，对连续时间状态方程进行离散化，得到离散时间状态方程，即为运行性能控制器，具体为：

其中，/>，/>。

4.根据权利要求3所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，其中运行性能控制器的优化目标为：

其中为母线电压MV与母线电压参考值/>的电压预测差值，/>为母线节点数目，/>为风电机组估计的风电场有功功率参考值，/>为风电场的全局最优有功功率参考值；/>为预测偏差值；/>为获得的有功功率，/>和/>分别为风电机组最小无功容量和最大无功容量。

5.根据权利要求4所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，所述桨距角模型为：

式中，为桨距角参考值增量的微分，/>为桨距角增量的微分，/>与/>分别为发电机转速和滤波后的差值，/>为滤波后的初值，/>为发电机转速额定值，/>为滤波器时间常数，/>、/>分别为桨距控制器的比例增益和积分增益，/>为桨距角参考值增量，/>为桨距角增量，/>为时间常数，/>为经PI控制器后得到的桨距角参考值初值，/>为经PI控制器后得到的桨距角初值，/>，/>、/>为常数，/>、/>为常数。

6.根据权利要求5所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，所述发电机转速与滤波后的增量模型为：

式中，为齿轮箱增速比，/>为惯性常数，/>为发电机效率，/>、/>分别为空气动力转矩与发电机转矩初值，/>为风电机组给出的有功功率初值，/>为风电机组有功功率参考值增量，/>、/>是/>、/>在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

7.根据权利要求6所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，所述轴转矩与推力/>的增量模型为：

式中，为变桨伺服系统的时间常数，/>为发电机转矩，/>、/>、/>是/>、在工作点附近进行泰勒近似导出得到的系数。

8.一种风电机群服役质量动态调控系统，用于执行如权利要求1-7中任意一项所述的风电机群服役质量动态调控方法，其特征在于，包括：

第一程序模块，用于获取风电场参数和风电场需求参数；其中风电场参数包括线路电阻和电抗参数；风电场需求参数包括端电压幅值V、相角、有功功率P和无功功率Q；

第二程序模块，用于在保持风电机组母线电压在预设范围内且满足外部电网功率需求的情况下，根据风电场参数以及风电场需求参数得到风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>；

第三程序模块，用于根据风电场的全局最优有功功率参考值和全局最优无功功率参考值/>，以及风电场的桨距角/>和发电机转速/>，得到各风电机组的有功功率/>及无功功率/>以对风电机组进行调控。