CN116683546A - 不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法 - Google Patents

不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法 Download PDF

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CN116683546A CN202310967644.7A CN202310967644A CN116683546A CN 116683546 A CN116683546 A CN 116683546A CN 202310967644 A CN202310967644 A CN 202310967644A CN 116683546 A CN116683546 A CN 116683546A
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陈雨薇
陈晴
杨林刚
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李景一
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Abstract

本发明提供了一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，所述方法基于分层控制框架，包括：上层的功率备用控制器和下层的定比例降载控制器，上层功率备用控制器基于当前降载比例和输出有功，估算出当前最大可获得的风功率，并进一步计算出新的降载比例参考值，作为下层定比例降载控制器的输入；下层定比例降载控制器基于降载比例参考值，查表获得相应的拟合系数，并进一步结合当前转速和桨距角，计算出新的有功功率参考值，作为变流器有功控制的输入。本发明的方法与传统方法相比，不依赖风速测量，更加简单且控制性能良好。

Description

不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电控制技术领域，具体涉及一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法。
背景技术
随着新能源占比的不断提升，电力系统在功率平衡和频率稳定方面面临新的挑战。在新型电力系统背景下，风力发电机组不仅需要工作在最大功率追踪状态以尽可能多地提供输出有功，还需要工作在降载运行状态以按照要求保留一定量的有功备用。
功率备用控制是风力发电机组降载运行控制的一种重要类型，它可以使风力发电机组减少风能功率捕获以维持一定量的有功功率备用。基于功率备用控制的风力发电机组可以在频率扰动事件发生后永久增加其输出有功，以参与电力系统长期调频。不仅如此，风力发电机组功率备用控制还是风电场功率备用控制的前提和基础，其对于电力系统功率平衡、频率稳定意义重大。
到目前为止，已公开的绝大多数研究通常针对风力发电机组的定比例降载运行控制，很少关注风力发电机组的功率备用控制。通常认为，由于风力发电机组风轮的非线性特性，需要基于风速测量实现风力发电机组的功率备用控制。但是，风速测量难以准确反映风轮有效风速，基于风速测量的功率备用控制一般精度不高。因此，不依赖于风速测量的功率备用控制方法对于提高风力发电机组功率备用控制精度至关重要。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术在实现风力发电机组功率备用控制时依赖于风速测量、且控制精度不高的不足，提供一种更加简单且控制性能良好的不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述方法基于分层控制框架，包括：上层的功率备用控制器和下层的定比例降载控制器，其中，下层定比例降载控制器的参考值由上层功率备用控制器的输出给定；所述方法包括以下步骤：
上层功率备用控制器基于当前降载比例和输出有功，估算出当前最大可获得的风功率，并进一步计算出新的降载比例参考值，作为下层定比例降载控制器的输入；
下层定比例降载控制器基于降载比例参考值，查表获得相应的拟合系数，并进一步结合当前转速和桨距角，计算出新的有功功率参考值，作为变流器功率控制的输入。
进一步地，所述上层功率备用控制器基于当前降载比例和输出有功，采用下式估算当前最大可获得的风功率：
其中，P est,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算值，del为当前降载比例，所述当前降载比例为减少的风功率占最大可捕获风功率的比例，P wtg 为当前风力发电机组输出有功。
所述上层功率备用控制器采用滑动时间窗口对P est,wtg 进行平均化计算处理：
其中，P ave,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，t c 为当前时刻，t w 为时间窗口的长度，t为积分变量。
进一步地，所述上层功率备用控制器基于当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，采用下式计算新的降载比例参考值：
其中，del ref 为降载比例参考值，∆P resref,wtg 为功率备用参考值。
进一步地，所述下层定比例降载控制器基于上层功率备用控制器生成的降载比例参考值del ref ，查表获得相应的拟合系数，包括次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem 和额定风速时的桨距角β nom 。
次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom 的计算方法如下：
（1）利用下式求解得到某一降载比例参考值下的k sub ，其中，k opt为最优功率系数，λ opt为最优叶尖速比，λ sub 为超速降载后的次优叶尖速比；
（2）基于风轮特性函数，分别求解出所述某一降载比例参考值下的基于桨距角生成的有功参考值与风速的映射关系图、桨距角值与风速的映射关系图，得到β dem 和β nom ；
（3）以风速作为中介桥梁，建立基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图；
（4）对于基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图，采用分段函数拟合的方式进行描述；对于风速区间v ’ ωmax< v ≤ v ωmax，以风速为参考，将该区域数据均分为n段，得到n+1个采样点，采用6阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ’ ωmax和v ωmax对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为6阶多项式的7个系数a i ；对于风速区间（v ωmax < v ≤ v nom），以风速为参考，将该区域数据均分为m段，得到m+1个采样点，采用2阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ωmax和v nom对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为2阶多项式的3个系数b j ；其中，v ’ ωmax为所述某一降载比例对应的最大转速对应切入风速，v ωmax为最优运行控制对应的最大转速对应切入风速，v nom为额定风速。
（5）修改所述某一降载比例参考值，重复步骤（1）~（4），得到不同降载比例参考值下的k sub 、a i 、b j 、β dem 和β nom 。
进一步地，所述下层定比例降载控制器基于查表获得的次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom ，并结合当前转速和桨距角，对有功功率参考值进行计算；当转速尚未达到最大值时，采用超速方式实现定比例降载控制，此时，基于转速计算生成有功功率参考值；当转速达到最大值时，采用变桨距配合实现定比例降载控制，此时，基于转速和桨距角计算生成有功功率参考值。
所述下层定比例降载控制器的有功功率参考值由两部分组成，计算如下：
其中，P ref 为总的有功参考值，P sub 为基于转速生成的有功参考值，P ext 为基于桨距角生成的有功参考值，k sub 为次优定比例功率系数，ω r 为转速，ω max为最大转速，a i 为六阶拟合多项式系数，b j 为二阶拟合多项式系数，β为桨距角。
本发明的有益效果是：
本发明基于分层控制框架，即上层采用功率备用控制、下层采用定比例降载控制，通过超速控制和变桨控制配合的方式，实现了风力发电机组精准功率备用控制。与已有方法相比，本方法：（1）不依赖于风速测量，极大地提升了功率备用控制的精度；（2）通用性强，适用于不同容量的风力发电机组；（3）控制系统更为简单。
附图说明
图1为本发明控制方法的一个具体示例系统原理图。
图2为基于桨距角生成的额外有功参考值P ext 与风速v之间的关系示意图（10%降载比例）。
图3为桨距角值β与风速v之间的关系示意图（10%降载比例）。
图4为基于桨距角生成的额外有功参考值P ext 与桨距角值β之间的关系示意图（10%降载比例）。
图5为基于桨距角生成的额外有功参考值P ext 与桨距角值β之间映射关系的函数拟合效果图（10%降载比例）。
图6为次优定比例功率系数k sub 与降载比例参考值del ref 之间的关系示意图。
图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5、图7-6、图7-7、图7-8、图7-9和图7-10分别为多项式拟合函数系数a 6、a 5、a 4、a 3、a 2、a 1、a 0、b 2、b 1和b 0与降载比例参考值del ref 之间的关系示意图。
图8为最大转速切入风速时的桨距角β dem 与降载比例参考值del ref 之间的关系示意图。
图9为额定风速时的桨距角β nom 与降载比例参考值del ref 之间的关系示意图。
图10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6分别为阶跃风速变化情形下的本发明风力发电机组功率备用控制方法仿真案例的风速v、转速ω r 、桨距角β、风能利用系数C p 、降载比例del和输出有功P wtg 波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
基于本发明中一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制的控制方法的系统实现如图1所示，本方法基于分层控制框架，上层为功率备用控制器，下层为定比例降载控制器，下层定比例降载控制器的参考值由上层功率备用控制器的输出给定。该方法通过超速控制和变桨控制结合的方式，实现了风力发电机组精准功率备用控制，且不依赖于风速测量。其中，上层控制器包括两个模块，分别为可获得风功率估算模块1，降载比例参考值计算模块2；下层控制器包括两个模块，分别为定比例降载控制参数查询模块3，有功功率参考值计算模块4。
以下结合附图对本发明的控制方法详细说明，包括以下步骤：
上层功率备用控制器的可获得风功率估算模块1基于当前风力发电机组的有功输出和降载比例，采用下式估算当前最大可获得的风功率：
其中，P est,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算值，del为当前降载比例所述当前降载比例为减少的风功率占最大可捕获风功率的比例，P wtg 为当前风力发电机组输出有功。
所述上层功率备用控制器采用滑动时间窗口对P est,wtg 进行平均化计算处理：
其中，P ave,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，t c 为当前时刻，t w 为时间窗口的长度，t为积分变量。
上层功率备用控制器的降载比例参考值计算模块2基于当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，计算新的降载比例参考值，作为下层定比例降载控制器的输入，具体计算方法如下：
其中，del ref 为降载比例参考值，∆P resref,wtg 为功率备用参考值。
下层定比例降载控制器的定比例降载控制参数查询模块3基于上层功率备用控制器生成的降载比例参考值del ref ，查表获得相应的拟合系数，包括次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom 。
次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom 的计算方法如下：
（1）利用下式求解得到某一降载比例参考值下的k sub ，其中，k opt为最优功率系数，λ opt为最优叶尖速比，λ sub 为超速降载后的次优叶尖速比；
（2）基于风轮特性函数，分别求解出所述某一降载比例参考值下的基于桨距角生成的有功参考值与风速的映射关系图、桨距角值与风速的映射关系图，得到β dem 和β nom ，图2展示了10%降载比例参考值下的基于桨距角生成的有功参考值与风速的映射关系图，图3展示了10%降载比例参考值下的桨距角值与风速的映射关系图；
（3）以风速作为中介桥梁，建立基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图，图4展示了10%降载比例参考值下基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图；
（4）对于基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图，采用分段函数拟合的方式进行描述；对于风速区间v ’ ωmax< v ≤ v ωmax，以风速为参考，将该区域数据均分为20段，得到21个采样点，采用6阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ’ ωmax和v ωmax对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为6阶多项式的7个系数a i ；对于风速区间（v ωmax < v ≤ v nom），以风速为参考，将该区域数据均分为2段，得到3个采样点，采用2阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ωmax和v nom对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为2阶多项式的3个系数b j ；其中，v ’ ωmax为所述某一降载比例对应的最大转速对应切入风速，v ωmax为最优运行控制对应的最大转速对应切入风速，v nom为额定风速；图5展示了10%降载比例下的基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图的拟合效果，在图5中已无法分辨拟合函数和原始数据，可见拟合函数与原始数据几乎重合，拟合效果良好；
（5）修改所述某一降载比例参考值，重复步骤（1）~（4），得到不同降载比例参考值下的k sub 、a i 、b j 、β dem 和β nom ；图6展示了不同降载比例参考值下的k sub ；图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5、图7-6、图7-7、图7-8、图7-9、图7-10分别展示了不同降载比例参考值下的a 6、a 5、a 4、a 3、a 2、a 1、a 0、b 2、b 1、b 0，因部分多项式拟合系数变化范围较大，图7-1、图7-2、图7-3、图7-4、图7-5、图7-6、图7-8、图7-9曲线与横纵坐标轴十分接近；图8展示了不同降载比例参考值下的β dem ；图9展示了不同降载比例参考值下的β nom 。
下层定比例降载控制器的有功功率参考值计算模块4基于定比例降载控制参数查询模块3查表获得的次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom ，并结合当前转速和桨距角，对有功功率参考值进行计算；当转速尚未达到最大值时，采用超速方式实现定比例降载控制，此时，基于转速计算生成有功功率参考值；当转速达到最大值时，采用变桨距配合实现定比例降载控制，此时，基于转速和桨距角计算生成有功功率参考值。下层定比例降载控制器的有功功率参考值计算模块4通过下式计算有功功率参考值：
其中，P ref 为总的有功参考值，P sub 为转速生成的有功参考值，P ext 为桨距角生成的有功参考值（额外有功参考值），k sub 为次优定比例功率系数，ω r 为转速，ω max为最大转速，a i 为六阶拟合多项式系数，b j 为二阶拟合多项式系数，β为桨距角。。
参见图10-1、图10-2、图10-3、图10-4、图10-5、图10-6，在风速阶跃变化的仿真案例分析中，风力发电机组额定功率为2MW，功率备用参考值设置为0.1MW，从仿真结果可以看出，当采用本发明中所提出的控制方法时，功率备用控制下的输出有功低于最优运行控制下的输出有功一定量，功率波形也十分平稳，风力发电机组固定功率备用得到有效保证。以下进一步说明，当风速较低时，由于转速尚未达到最大值时，采用超速方式实现功率备用控制，因此功率备用控制下的转速要高于最优运行控制下的转速，如图10-2所示；随着风速阶跃增加，当转速达到最大值，采用变桨距配合方式实现功率备用控制，因此功率备用控制下的桨距角开始增加，如图10-3所示；为了保证恒定的功率备用，功率备用控制下的风能利用系数与最优运行控制下的风能利用系数之间的差距会随风速增大而减小，而功率备用控制下的降载比例会随着风速增大而减小，如图10-4和图10-5所示；最终，如图10-6所示，功率备用控制下的输出有功比最优运行控制下的输出有功少0.1MW，即形成了0.1MW的有功备用，功率波形也十分平稳，风力发电机组功率备用得到有效保证，验证了本发明所提出方法的有效性。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述方法基于分层控制框架，包括：上层的功率备用控制器和下层的定比例降载控制器，其中，下层定比例降载控制器的参考值由上层功率备用控制器的输出给定；所述方法包括以下步骤：
上层功率备用控制器基于当前降载比例和输出有功，估算出当前最大可获得的风功率，并进一步计算出新的降载比例参考值，作为下层定比例降载控制器的输入；
下层定比例降载控制器基于降载比例参考值，查表获得相应的拟合系数，并进一步结合当前转速和桨距角，计算出新的有功功率参考值，作为变流器有功控制的输入。
2.根据权利要求1所述的一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述上层功率备用控制器基于当前降载比例和输出有功，采用下式估算当前最大可获得的风功率：
，
其中，P est,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算值，del为当前降载比例，所述当前降载比例为减少的风功率占最大可捕获风功率的比例，P wtg 为当前风力发电机组输出有功；
所述上层功率备用控制器采用滑动时间窗口对P est,wtg 进行平均化计算处理：
，
其中，P ave,wtg 为当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，t c 为当前时刻，t w 为时间窗口的长度，t为积分变量。
3.根据权利要求2所述的一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述上层功率备用控制器基于当前风力发电机组最大可捕获风功率的估算平均值，采用下式计算新的降载比例参考值：
，
其中，del ref 为降载比例参考值，∆P resref,wtg 为功率备用参考值。
4.根据权利要求1所述的一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述下层定比例降载控制器基于上层功率备用控制器生成的降载比例参考值del ref ，查表获得相应的拟合系数，包括次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom ；
次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom 的计算方法如下：
（1）利用下式求解得到某一降载比例参考值下的k sub ，其中，k opt为最优功率系数，λ opt为最优叶尖速比，λ sub 为超速降载后的次优叶尖速比；
，
（2）基于风轮特性函数，分别求解出所述某一降载比例参考值下的基于桨距角生成的有功参考值与风速的映射关系图、桨距角值与风速的映射关系图，得到β dem 和β nom ；
（3）以风速作为中介桥梁，建立基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图；
（4）对于基于桨距角生成的有功参考值与桨距角值之间的映射关系图，采用分段函数拟合的方式进行描述；对于风速区间v ’ ωmax< v ≤ v ωmax，以风速为参考，将该区域数据均分为n段，得到n+1个采样点，采用6阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ’ ωmax和v ωmax对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为6阶多项式的7个系数a i ；对于风速区间v ωmax < v ≤ v nom，以风速为参考，将该区域数据均分为m段，得到m+1个采样点，采用2阶多项式进行函数拟合，拟合函数过v ωmax和v nom对应数据点，拟合数学基础为最小二乘法曲线拟合原理，拟合结果为2阶多项式的3个系数b j ；其中，v ’ ωmax为所述某一降载比例对应的最大转速对应切入风速，v ωmax为最优运行控制对应的最大转速对应切入风速，v nom为额定风速；
（5）修改所述某一降载比例参考值，重复步骤（1）~（4），得到不同降载比例参考值下的k sub 、a i 、b j 、β dem 和β nom 。
5.根据权利要求4所述的一种不依赖于风速测量的风力发电机组功率备用控制方法，其特征在于，所述下层定比例降载控制器基于查表获得的次优定比例功率系数k sub 、六阶拟合多项式系数a i 、二阶拟合多项式系数b j 、最大转速切入风速时的桨距角β dem ，额定风速时的桨距角β nom ，并结合当前转速和桨距角，对有功功率参考值进行计算；当转速尚未达到最大值时，采用超速方式实现定比例降载控制，此时，基于转速计算生成有功功率参考值；当转速达到最大值时，采用变桨距配合实现定比例降载控制，此时，基于转速和桨距角计算生成有功功率参考值；
所述的下层定比例降载控制器生成的有功功率参考值由两部分组成，计算方法如下：
，
其中，P ref 为总的有功参考值，P sub 为基于转速生成的有功参考值，P ext 为基于桨距角生成的有功参考值，k sub 为次优定比例功率系数，ω r 为转速，ω max为最大转速，a i 为六阶拟合多项式系数，b j 为二阶拟合多项式系数，β为桨距角。
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