CN117028145B - 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置 - Google Patents

考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117028145B
CN117028145B CN202311289924.3A CN202311289924A CN117028145B CN 117028145 B CN117028145 B CN 117028145B CN 202311289924 A CN202311289924 A CN 202311289924A CN 117028145 B CN117028145 B CN 117028145B
Authority
CN
China
Prior art keywords
rotating speed
pitch angle
wind turbine
speed
pitch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202311289924.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117028145A (zh
Inventor
汪成根
吕振华
李强
唐伟佳
邹小明
任必兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd, Electric Power Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority to CN202311289924.3A priority Critical patent/CN117028145B/zh
Publication of CN117028145A publication Critical patent/CN117028145A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117028145B publication Critical patent/CN117028145B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/304—Spool rotational speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/40—Type of control system
    • F05B2270/404—Type of control system active, predictive, or anticipative
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/06—Wind turbines or wind farms

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

本发明公开了一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置，在风机达到额定转速开始变桨调节时，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，基于模型预测控制优化求解风轮转速触及额定转速时的桨距角指令。本发明提出的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，在限制风轮转速越限的同时，能够有效减少变桨启动阶段的变桨动作量，进而达到抑制塔架载荷的目的。

Description

考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置
技术领域
本发明属于风机有功功率控制技术领域，具体涉及一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置。
背景技术
随着风电大规模接入电力系统，风电功率的随机性和波动性使得电网部门迫切需要风机具备一定的有功功率调节能力。也即，风机的控制策略需要从传统的最大功率点跟踪控制转变为输出电磁功率响应电网功率指令的有功功率控制。风机的有功功率控制可以通过给定电磁转矩指令和桨距角指令来调节风机的风轮转速和桨距角，进而使得风机捕获的气动功率、输出的电磁功率和接收的功率指令保持一致。
对于被动变速运行模式下以优先转速控制为代表的风机有功功率控制，其电磁转矩指令优先响应电网功率指令。当转速小于额定转速时，变桨执行机构不动作，输入与输出之间的不平衡功率优先由风轮转子动能进行缓冲，风机电磁功率输出能够准确响应电网功率指令。只有当转速触及额定转速时，限转速变桨控制启动，以限制风轮转速稳定运行在额定转速处。
然而，风机受到的轴向推力大小（即塔架载荷）与风机的变桨动作紧密相关。当转速触及额定转速时，限转速变桨启动阶段将造成桨距角快速上升，引发轴向推力剧烈波动，造成塔架载荷增大。同时，现有方法一般基于PI控制获取桨距角指令，实际变桨动作与PI参数的设定强相关。由于风速的随机扰动，在湍流风况下PI调节很难得到最优值，过于激进的PI参数将使桨距角变化剧烈，超调严重，引发风机的疲劳载荷增强；而过于保守的PI参数无法完成限制风轮超速的目标，可能导致发电机损坏。
基于上述情况，迫切需要一种新的风电机组有功功率功率控制方法，能够优化给定风机限转速变桨启动阶段的桨距角指令，在避免转速越限的同时减少变桨动作量，以抑制塔架载荷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法、装置、存储介质及计算设备，在现有被动变速运行模式下优先转速控制的基础上，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，基于模型预测控制（MPC）优化求解风轮转速触及额定转速时的桨距角指令，在限制风轮转速越限的同时，进一步减少变桨启动阶段的变桨动作量，进而达到抑制塔架载荷的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，包括：
获取风机风轮转速，基于风轮转速、最低转速和额定转速，按如下方式对风机电磁转矩和桨距角进行控制：
若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；
在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
进一步的，所述最低转速为能够实现对功率指令跟踪的最低转速，计算如下：
；
其中，为最低转速，/>为功率指令， />为最优转矩增益系数，
计算如下：
；
其中，为空气密度，/>为风轮半径，/>为最大风能利用系数，/>为最佳叶尖速比。
进一步的，所述基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令，如下：
；
其中，表示基于最大功率点跟踪控制的电磁转矩指令，/>为风轮转速，/>为齿轮箱变比。
进一步的，所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，如下：
；
其中，表示基于被动变速运行模式下有功功率控制的电磁转矩指令，/>为风轮转速，/>为齿轮箱变比。
进一步的，所述基于模型预测控制给定桨距角指令，包括：
在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型；
将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程；
基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，所述模型预测控制器以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为目标设计代价函数；
对所述模型预测控制器进行求解，得到风电机组的桨距角指令。
进一步的，将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程，包括：
选取状态空间的控制量为，状态量为/>，输出量为/>，扰动量为/>，则风电机组的线性化状态空间方程为：
；
其中，为桨距角指令与初始稳定工作点处桨距角指令之间的偏差，/>为风轮转速与初始稳定工作点处风轮转速的偏差，/>为桨距角与初始稳定工作点处桨距角的偏差，/>为风速与初始稳定工作点处风速的偏差，/>为风轮转速变化率与初始稳定工作点处风轮转速变化率之间的偏差，/>为变桨速率与初始稳定工作点处变桨速率之间的偏差，/>为风机的气动转矩，/>为功率指令，/>为初始稳定工作点处风轮转速，/>为变桨执行机构惯性时间常数。
进一步的，基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，包括：
所述模型预测控制器的代价函数为：
；
；
其中，为控制周期，/>为当前时刻，/>为当前时刻/>在预测时域内的第/>步预测输出，/>为当前时刻/>在预测时域内的第/>步控制输入，/>为当前时刻在预测时域内的第/>步控制输入，/>为当前时刻/>的控制输入，/>为当前时刻/>控制输入的变化量，/>为发电机转速限速的惩罚权重，/>为桨距角变化量的惩罚权重，/>和分别为桨距角动作的下限与上限，/>和/>分别为变桨速率的下限与上限，表示输出的平方乘以权重，/>表示控制输入在相邻步长的变化量的平方乘以权重。
进一步的，对所述模型预测控制器进行求解，得到桨距角指令，包括：
采用二次规划问题的开源求解器对所述模型预测控制器进行求解，得到每一采样周期的控制量，得到桨距角指令为：
，
其中，为当前时刻/>的桨距角指令，/>为初始稳定工作点处桨距角。
第二方面，本发明提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制装置，用于实现前述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，所述装置包括：
参数获取模块，用于获取风电机组风轮转速；
电磁转矩控制模块，用于基于风轮转速和最低转速按如下方式进行风电机组电磁转矩控制：若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；
桨距角控制模块，用于基于风轮转速和额定转速按如下方式进行桨距角控制：在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
第三方面，本发明提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据前述的方法中的任一方法。
第四方面，本发明提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据前述的方法中的任一方法的指令。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
1）本发明提出了一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，在风机达到额定转速开始变桨调节时，基于模型预测控制给定桨距角指令，解决了现有基于PI控制给定桨距角指令引起的变桨启动阶段塔架载荷增大的问题；
2）本发明公开了考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法的步骤，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，基于MPC控制优化求解风轮转速触及额定转速时的桨距角指令，避免风轮转速越限的同时降低了塔架载荷。
附图说明
图1为本发明提供的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法流程图；
图2为本发明一个实施例中风电机组给定电磁转矩指令控制原理框图；
图3为本发明一个实施例中风电机组给定桨距角指令控制原理框图；
图4为一个实施例中本发明所提方法和现有方法下的风速、转速和桨距角的轨迹图；
图5为一个实施例中本发明所提方法和现有方法的叶尖速比、电磁功率和塔架弯矩的轨迹图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，参见图1，包括：
获取风机风轮转速，基于风轮转速、最低转速和额定转速，按如下方式对风机电磁转矩和桨距角进行控制：
若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；
在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
本发明的一个实施例中，还包括，预先获取风机相关参数，包括：空气密度，风机风轮半径/>，额定转速/>，齿轮箱变比/>，风轮转动惯量/>，发电机转动惯量/>，风机气动特性/>，最佳叶尖速比/>，最大风能利用系数/>，功率指令/>，风轮转速/>和桨距角。
本发明的一个实施例中，还包括，基于功率指令计算最低转速如下：
；
其中，为最低转速，/>为最优转矩增益系数，具体可表示为：
。
参见图2，本发明中，时，基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令，电磁转矩指令计算如下：
；
其中，表示基于最大功率点跟踪控制的电磁转矩指令。
参见图2，本发明中，时，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，电磁转矩指令计算如下：
；
其中，表示基于被动变速运行模式下有功功率控制的电磁转矩指令。
参见图3，本发明中，时，基于模型预测控制给定桨距角指令，具体实现过程如下：
S1，设定风机的初始稳态工作点，其中/>，/>，/>满足下式：
；
，/>，/>分别为初始风轮转速、初始桨距角和初始风速。
S2，在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型，具体计算如下：
风机的气动转矩可表示为：
；
气动转矩的线性化表达式为：
；
式中的代表变量与其设定的稳态工作点的偏差，
；
；
；
传动链的运动方程为：
；
式中，为等效到低速侧的等效转动惯量，即/>，/>与/>二者分别代表风轮转速变化率和风轮转速变化率与平衡点之间的偏差量。
为发电机电磁转矩，考虑到风机电磁动态的时间尺度较短，发电机电磁转矩能瞬时响应发电机电磁转矩指令，即，
；
传动链的线性化表达式为：
；
式中，代表风轮转速变化率与平衡点之间的偏差；
；
变桨执行机构的运动方程为：
；
式中，为变桨执行机构惯性时间常数。
变桨执行机构的线性化表达式为：
。
S3，基于步骤S2得到的线性化模型，列写状态空间方程，具体过程包括：
选取状态空间的控制量为，状态量/>，输出量/>，扰动量/>，则风机的线性化状态空间方程为：
；
式中，、/>、/>、/>、/>、/>分别代表风轮转速变化率、变桨速率、变桨指令、风轮转速、桨距角、风速与各自稳定平衡点之间的偏差。
S4，基于S3得到的线性化状态空间方程，设计MPC控制器，具体过程包括：
在风机达到额定转速开始变桨调节时，首先希望风机不要出现过大的超速，即变桨调节要可以完成限速目标；此外需要尽可能地减少桨距角变化量，避免变桨启动阶段过于激烈的变桨动作造成轴向推力的剧烈变化，引发塔架疲劳载荷增大。基于此，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，设计MPC控制器优化问题的代价函数为：
；
；
式中，为控制周期，/>为当前时刻，/>为当前时刻/>在预测时域内的第/>步预测输出，/>为当前时刻/>在预测时域内的第/>步控制输入，/>为当前时刻在预测时域内的第/>步控制输入，/>为当前时刻/>的控制输入，/>为当前时刻/>控制输入的变化量，/>为风机转速限速的惩罚权重，/>为桨距角变化量的惩罚权重，/>和/>分别为桨距角动作的下限与上限，/>和/>分别为变桨速率的下限与上限，表示2范数定义的输出平方代价函数，即取输出的平方再乘上权重，目的在于避免风轮转速偏差的正负对目标函数的影响，从而更合理地表征限转速性能；同理，表示控制输入在相邻步长的变化量的平方乘权重，用以表征付出的控制代价。
上述代价函数的前一项表示输出量（转速偏差量）的代价，后一项表示控制量单步变化量（桨距角变化量）的代价。转速偏差量最小与桨距角变化量最小这两个目标一定程度上是互相矛盾的，一个性能的提升以另一个性能的下降为代价。代价函数的作用就是用不同目标所占的权重来协调这种矛盾。通过合理的权重选取得到的优化问题的代价函数可以使控制器较好地兼顾两个目标。
S5，基于步骤S4设计的MPC控制器优化求解桨距角指令，具体计算如下：
设定MPC控制器优化求解所需的相关参数（包括采样间隔、控制周期、预测周期和惩罚权重），对所述模型预测控制器的二次规划问题进行求解，得到每一采样周期的控制量，则得到桨距角指令为：
。
需要说明的是，上述优化问题是一个二次规划问题，当前已有较多针对二次规划问题的开源求解器，这些求解器主要使用交替方向乘子法、内点法、有效集法等算法求解。采用现有技术即可实现上述求解，故该优化求解过程不再赘述。
实施例
本实施例基于美国国家可再生能源实验室（National Renewable EnergyLaboratory, NREL）提供的5MW风电机组机型，风机参数如下表1所示，
表1 5MW风机主要参数
对于上述风电机组，采用本发明的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，具体实施过程如下：
1、获取风机相关参数，包括空气密度=1.225，风轮半径/>=63m，额定转速/>=1.267rad/s，，齿轮箱变比/>=97，风轮转动惯量/>=35444067kgm2，发电机转动惯量/>=543.116kgm2，风机气动特性/>，最佳叶尖速比/>=7.6、最大风能利用系数/>=0.4865，功率指令/>=2.5MW，风轮转速/>和桨距角/>。
2、确定风机能够实现对功率指令跟踪的最低转速/>，具体计算如下：
=1.057rad/s；
式中，为最优转矩增益系数，具体可表示为：
=2116414.76。
3、为了维持风机稳定运行，需要判断转速与最低转速/>的关系，当/>时，基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令/>，具体计算如下：
=/>；
否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，具体计算如下：
=/>。
4、为了避免风轮转速越限，需要判断转速与额定转速/>的关系，当/>时，不启动限转速变桨，将桨距角指令/>设为0，否则启动限转速变桨，基于MPC控制给定桨距角指令/>，具体包括：
设定风机的初始稳态工作点，其中/>=1.267rad/s，/>，/>满足下式：
；
=9.363m/s。
在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型，具体计算如下：
风机的气动转矩可表示为：
；
气动转矩的线性化表达式为：
；
式中的代表变量与其设定的稳态工作点的偏差；
；
；
；
传动链的运动方程为：
；
式中，为等效到低速侧的等效转动惯量，即/>；/>为发电机电磁转矩，考虑到风机电磁动态的时间尺度较短，发电机电磁转矩能瞬时响应发电机电磁转矩指令，即：
；
传动链的线性化表达式为：
；
式中，
；
变桨执行机构的运动方程为：
；
式中，为变桨执行机构惯性时间常数。
变桨执行机构的线性化表达式为：
。
选取状态空间的控制量为，状态量/>，输出量/>，扰动量/>，则风机的线性化状态空间方程为：
。
在风机达到额定转速开始变桨调节时，首先希望风机不要出现过大的超速，即变桨调节要可以完成限速目标；此外需要尽可能地减少桨距角变化量，避免变桨启动阶段过于激烈的变桨动作造成轴向推力的剧烈变化，引发塔架疲劳载荷增大。基于此，设计MPC控制器优化问题的代价函数为：
；
；
式中，为控制周期，本实施例中取/>；/>为当前时刻；/>为发电机转速限速的惩罚权重，本实施例中取/>；/>为桨距角变化量的惩罚权重，本实施例中取/>；和/>分别为桨距角动作的下限与上限，/>和/>分别为变桨速率的下限与上限。
设定MPC控制器优化求解所需的其他相关参数，如采样间隔设为0.01s，预测周期设为10，优化求解得到每一采样周期的控制量，则得到桨距角指令为：
。
5、选取600s湍流风速序列（平均风速为9m/s、湍流强度为C级），功率指令设为2.5MW，分别对现有基于PI控制给定桨距角指令的方法和本发明所提方法进行仿真。现有方法和本发明所提方法的风速、转速和桨距角的轨迹图如图4所示，现有方法和本发明所提方法的叶尖速比、电磁功率和塔架弯矩的轨迹图如图5所示，图中，实线为采用本发明方法的仿真结果，虚线为采用现有方法的仿真结果。可见，本发明所提方法控制下的桨距角变化更为保守，避免了变桨启动阶段桨距角的剧烈变化，从而有效抑制了塔架弯矩的剧烈波动。
为了更加直观地比较现有方法和本发明所提方法的塔架载荷，基于雨流计数法分别计算现有方法和本发明所提方法的塔架弯矩等效损伤载荷（DEL）。DEL定义为恒定频率下产生与时间/>中的原始塔架载荷序列相同的损伤的正弦应力的振幅，具体计算如下：
；
式中，为雨流计数法计算得到的第/>个塔架弯矩幅度，/>为雨流计数法计算得到的在/>幅度下经历的循环次数，/>为总疲劳循环次数，/>为材料特性S-N曲线的斜率（风机塔架为钢材，/>一般取3）。取/>，现有方法和本发明所提方法的塔架弯矩等效损伤载荷如表2所示。
表2 塔架弯矩等效损伤载荷对比
从表2可以看出，本发明所提方法的轴向推力造成的塔架疲劳载荷明细小于现有方法。从图4和图5可以看出，在变桨启动阶段，本发明所提方法的桨距角变化量基本小于现有方法，轴向推力产生的塔架弯矩变化量也小于PI控制。这很大程度上由于本发明所提方法可以协调桨距角与转速，在转速超过上限后，采取更合理的变桨策略，以尽可能小地桨距角变化量实现转速限制。
如110s与340s左右的变桨启动阶段，当风速短时间内快速上升时，由于现有方法的变桨调节量完全由风轮转速超过额定转速的偏差所决定，变桨调节快速启动。然而，风速并未维持而又很快下降，导致桨距角付出了不必要的调节量。相比之下，本发明所提方法的变桨策略并不使桨距角快速上升，且未导致转速严重超调，其限速效果与现有方法相近。在150s-300s的时间段内，现有方法的桨距角由于变化过于激进，共启停3次，引发轴向推力剧烈波动，而本发明所提方法仅启停1次，轴向推力波动抑制效果十分显著。
以上仿真结果表明，采用本发明所提出的考虑塔架抑制的风电机组有功功率控制方法能有效降低风机限转速变桨启动阶段的桨距角变化量和塔架疲劳载荷，验证了本发明所提出改进方法的有效性和实用性。
基于上述发明构思，本发明还提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制装置，用于实现前述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，所述装置包括：
参数获取模块，用于获取风电机组风轮转速；
电磁转矩控制模块，用于基于风轮转速和最低转速按如下方式进行风电机组电磁转矩控制：若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；
桨距角控制模块，用于基于风轮转速和额定转速按如下方式进行桨距角控制：在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行前述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法。
本发明还提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行前述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法的指令。
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 (9)

1.一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，包括：
获取风机风轮转速，基于风轮转速、最低转速和额定转速，按如下方式对风机电磁转矩和桨距角进行控制：
若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；所述最低转速为能够实现对功率指令跟踪的最低转速，计算如下：
其中，ωlim为最低转速，Pcmd为功率指令，Kopt为最优转矩增益系数，
Kopt计算如下：
其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，CPmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比；
在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令，包括：
在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型；
将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程；
基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，所述模型预测控制器以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为目标设计代价函数；
对所述模型预测控制器进行求解，得到风电机组的桨距角指令。
2.根据权利要求1所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令，如下：
其中，表示基于最大功率点跟踪控制的电磁转矩指令，ω为风轮转速，ng为齿轮箱变比。
3.根据权利要求1所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，如下：
其中，表示基于被动变速运行模式下有功功率控制的电磁转矩指令，ω为风轮转速，ng为齿轮箱变比。
4.根据权利要求1所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程，包括：
选取状态空间的控制量为u＝[Δβref]T，状态量为x＝[Δω,Δβ]T，输出量为y＝[Δω]T，扰动量为v＝[Δv]T，则风电机组的线性化状态空间方程为：
其中，Δβref为桨距角指令与初始稳定工作点处桨距角指令之间的偏差，Δω为风轮转速与初始稳定工作点处风轮转速的偏差，Δβ为桨距角与初始稳定工作点处桨距角的偏差，Δv为风速与初始稳定工作点处风速的偏差，为风轮转速变化率与初始稳定工作点处风轮转速变化率之间的偏差，/>为变桨速率与初始稳定工作点处变桨速率之间的偏差，Tm为风机的气动转矩，Pcmd为功率指令，ω0为初始稳定工作点处风轮转速，τβ为变桨执行机构惯性时间常数。
5.根据权利要求4所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，包括：
所述模型预测控制器的代价函数为：
其中，NC为控制周期，k为当前时刻，y(k+i|k)为当前时刻k在预测时域内的第i步预测输出，u(k+i|k)为当前时刻k在预测时域内的第i步控制输入，u(k+i-1|k)为当前时刻k在预测时域内的第i-1步控制输入，u(k)为当前时刻k的控制输入，为当前时刻k控制输入的变化量，Q1为发电机转速限速的惩罚权重，Q2为桨距角变化量的惩罚权重，βmin和βmax分别为桨距角动作的下限与上限，βrate_min和βrate_max分别为变桨速率的下限与上限，/>表示输出的平方乘以权重，/>表示控制输入在相邻步长的变化量的平方乘以权重。
6.根据权利要求5所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，对所述模型预测控制器进行求解，得到桨距角指令，包括：
采用二次规划问题的开源求解器对所述模型预测控制器进行求解，得到每一采样周期的控制量Δβref(k)，得到桨距角指令为：
βref(k)＝β0+Δβref(k)；
其中，βref(k)为当前时刻k的桨距角指令，β0为初始稳定工作点处桨距角。
7.一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制装置，其特征在于，用于实现权利要求1至6任意一项所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，所述装置包括：
参数获取模块，用于获取风电机组风轮转速；
电磁转矩控制模块，用于基于风轮转速和最低转速按如下方式进行风电机组电磁转矩控制：若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；其中最低转速为能够实现对功率指令跟踪的最低转速，计算如下：
其中，ωlim为最低转速，Pcmd为功率指令，Kopt为最优转矩增益系数，
Kopt计算如下：
其中，ρ为空气密度，R为风轮半径，CPmax为最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比；
桨距角控制模块，用于基于风轮转速和额定转速按如下方式进行桨距角控制：在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令；
所述基于模型预测控制给定桨距角指令，具体实现方式为：
在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型；
将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程；
基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，所述模型预测控制器以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为目标设计代价函数；
对所述模型预测控制器进行求解，得到风电机组的桨距角指令。
8.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法。
9.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至6所述的方法中的任一方法的指令。
CN202311289924.3A 2023-10-08 2023-10-08 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置 Active CN117028145B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311289924.3A CN117028145B (zh) 2023-10-08 2023-10-08 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311289924.3A CN117028145B (zh) 2023-10-08 2023-10-08 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117028145A CN117028145A (zh) 2023-11-10
CN117028145B true CN117028145B (zh) 2023-12-22

Family

ID=88630333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311289924.3A Active CN117028145B (zh) 2023-10-08 2023-10-08 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117028145B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117277452B (zh) * 2023-11-23 2024-03-26 中国电力科学研究院有限公司 一种双馈风电机组快速有功控制的方法及装置
CN117738844B (zh) * 2024-02-20 2024-04-30 威海亨策新能源科技有限公司 一种农业新能源风力发电控制系统及控制方法

Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102588211A (zh) * 2012-02-29 2012-07-18 沈阳华人风电科技有限公司 一种风力发电机组全工况模型预测控制方法及系统
CN103629047A (zh) * 2013-11-05 2014-03-12 清华大学 一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
CN106786807A (zh) * 2016-12-15 2017-05-31 电子科技大学 一种基于模型预测控制的风电场有功功率控制方法
CN108350862A (zh) * 2015-10-09 2018-07-31 维斯塔斯风力系统集团公司 使用模型预测控制的风力涡轮机的电力增强
CN111181199A (zh) * 2020-02-17 2020-05-19 江苏方天电力技术有限公司 协调风电机组调频能力的风电场功率分配方法、系统、计算机设备和存储介质
CN113809760A (zh) * 2021-09-24 2021-12-17 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种风电场参与电网二次调频的控制方法及装置
CN113847197A (zh) * 2020-06-28 2021-12-28 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机组及其避转速控制方法、装置
CN114687937A (zh) * 2020-12-29 2022-07-01 北京金风科创风电设备有限公司 用于风力发电机组的变桨控制方法和装置
CN115167140A (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 华北电力大学 风力发电机组多目标随机模型预测控制策略方法及系统
CN115263668A (zh) * 2022-06-09 2022-11-01 北京华能新锐控制技术有限公司 一种风电机组变工况最优有功功率控制方法及系统
CN115276039A (zh) * 2022-09-02 2022-11-01 东北电力大学 适用于风电并网系统频率调节的转子动能非线性控制方法
CN115306634A (zh) * 2022-07-01 2022-11-08 暨南大学 一种两自由度的风电机组有功功率控制方法
EP4112919A1 (en) * 2021-07-01 2023-01-04 Vestas Wind Systems A/S Control of a multi-rotor wind turbine system using local mpc controllers
EP4166782A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-19 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine model predictive control (mpc) with thrust and/or power correction
CN116624343A (zh) * 2023-06-14 2023-08-22 华北电力大学 一种风电机组塔筒异常振动监测及健康度评价方法及系统
CN116624332A (zh) * 2023-07-21 2023-08-22 中国电力科学研究院有限公司 一种抑制双馈风电机组传动链扭振的控制方法和系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK2799711T3 (en) * 2013-05-03 2017-10-23 Ge Renewable Tech Wind Bv Method of operating a wind turbine
DK2878809T3 (en) * 2013-11-29 2017-09-25 Alstom Renovables Espana Sl Methods of operating a wind turbine, wind turbines and wind farms
ES2939661T3 (es) * 2017-09-15 2023-04-25 Vestas Wind Sys As Control de paso individual para turbinas eólicas
WO2020125901A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-25 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine control based on optimising and non-optimising controller routines
DE102019105296A1 (de) * 2019-03-01 2020-09-03 Wobben Properties Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage, Reglerstruktur, Windenergieanlage und Windpark

Patent Citations (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102588211A (zh) * 2012-02-29 2012-07-18 沈阳华人风电科技有限公司 一种风力发电机组全工况模型预测控制方法及系统
CN103629047A (zh) * 2013-11-05 2014-03-12 清华大学 一种降低风电机组载荷的非线性桨距角控制方法
CN108350862A (zh) * 2015-10-09 2018-07-31 维斯塔斯风力系统集团公司 使用模型预测控制的风力涡轮机的电力增强
CN106786807A (zh) * 2016-12-15 2017-05-31 电子科技大学 一种基于模型预测控制的风电场有功功率控制方法
CN111181199A (zh) * 2020-02-17 2020-05-19 江苏方天电力技术有限公司 协调风电机组调频能力的风电场功率分配方法、系统、计算机设备和存储介质
CN113847197A (zh) * 2020-06-28 2021-12-28 北京金风科创风电设备有限公司 风力发电机组及其避转速控制方法、装置
CN114687937A (zh) * 2020-12-29 2022-07-01 北京金风科创风电设备有限公司 用于风力发电机组的变桨控制方法和装置
EP4112919A1 (en) * 2021-07-01 2023-01-04 Vestas Wind Systems A/S Control of a multi-rotor wind turbine system using local mpc controllers
CN113809760A (zh) * 2021-09-24 2021-12-17 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种风电场参与电网二次调频的控制方法及装置
EP4166782A1 (en) * 2021-10-14 2023-04-19 Vestas Wind Systems A/S Wind turbine model predictive control (mpc) with thrust and/or power correction
CN115263668A (zh) * 2022-06-09 2022-11-01 北京华能新锐控制技术有限公司 一种风电机组变工况最优有功功率控制方法及系统
CN115306634A (zh) * 2022-07-01 2022-11-08 暨南大学 一种两自由度的风电机组有功功率控制方法
CN115167140A (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 华北电力大学 风力发电机组多目标随机模型预测控制策略方法及系统
CN115276039A (zh) * 2022-09-02 2022-11-01 东北电力大学 适用于风电并网系统频率调节的转子动能非线性控制方法
CN116624343A (zh) * 2023-06-14 2023-08-22 华北电力大学 一种风电机组塔筒异常振动监测及健康度评价方法及系统
CN116624332A (zh) * 2023-07-21 2023-08-22 中国电力科学研究院有限公司 一种抑制双馈风电机组传动链扭振的控制方法和系统

Non-Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
An_Adaptive_Control_Strategy_for_Maximum_Power_Point_Tracking_of_Variable_Speed_Wind_Turbine_using_Model_Predictive_Control;Apoorva Srivastava;2019 International Conference on Cutting-edge Technologies in Engineering;全文 *
Model Predictive wind turbine control for load_alleviation_and_power leveling in Extreme Operation conditions;Uwe Jassmann etal.;Model Predictive wind turbine control for load_alleviation_and_power leveling in Extreme Operation conditions;全文 *
刘青 ; 徐宏璐 ; .提高STATCOM/BESS风电系统频率与电压支撑的智能联调优化控制方法.电力自动化设备.(第07期),全文. *
双馈风力发电机组有功功率多模型预测控制;刘兴杰;郭九旺;邬旭东;王伟;;太阳能学报(第04期);全文 *
张旭 ; 陈云龙 ; 岳帅 ; 查效兵 ; 张东英 ; 薛磊 ; .风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望.电网技术.2018,(第06期),全文. *
抑制载荷的风力机扰动前馈与预测反馈复合控制;王晓兰;唐慧敏;包广清;张晓英;梁琛;;电工技术学报(第02期);全文 *
提高STATCOM/BESS风电系统频率与电压支撑的智能联调优化控制方法;刘青;徐宏璐;;电力自动化设备(第07期);全文 *
王晓兰 ; 唐慧敏 ; 包广清 ; 张晓英 ; 梁琛 ; .抑制载荷的风力机扰动前馈与预测反馈复合控制.电工技术学报.2016,(第02期),全文. *
考虑载荷抑制的风电场分布式自动发电控制;姚琦;电工技术学报;第37卷(第3期);全文 *
适用于长期调频风电机组的被动变速运行模式分析与控制;汤雪松;中国博士学位论文全文数据库电子期刊工程科技Ⅱ辑第1期;全文 *
风电参与电力系统调频技术研究的回顾与展望;张旭;陈云龙;岳帅;查效兵;张东英;薛磊;;电网技术(第06期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117028145A (zh) 2023-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN117028145B (zh) 考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置
EP2292928B1 (en) Wind turbine control methods and systems
DK2878809T3 (en) Methods of operating a wind turbine, wind turbines and wind farms
CN110145436A (zh) 应用于风机的非线性经济模型预测控制方法
CN110552850B (zh) 一种基于风速提前测量的风电机组有功调节方法及装置
CN114465287B (zh) 一种风电场快速有功功率优化方法及系统
CN113883008B (zh) 一种可抑制多扰动因素的风机模糊自适应变桨距控制方法
CN107313898B (zh) 基于Markov跳变规律的风力发电系统控制的方法
Dhar et al. Study on pitch angle control of a variable speed wind turbine using different control strategies
CN108825434B (zh) 基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法
CN111502914B (zh) 基于线性变参数系统的风机变桨控制器设计方法
CN114294155A (zh) 风电机组有功功率控制方法及装置
CN115167140A (zh) 风力发电机组多目标随机模型预测控制策略方法及系统
Yuan et al. Disturbance observer-based pitch control of wind turbines for enhanced speed regulation
CN115182844B (zh) 一种变速风力发电机组有界ude转矩控制方法
Aleksandr et al. MPPT algorithms for wind turbines: review and comparison
CN113864114B (zh) 半潜漂浮式风机协调控制方法、装置、设备及存储介质
US11692527B2 (en) Wind turbine control using constraint scheduling
CN115573857A (zh) 基于时滞adrc的风电机组变桨距控制方法及控制装置
Yan et al. MIMO control of wind turbine using direct shooting method
Fahmy et al. Fuzzy model predictive pitch control of flexible wind turbine blade
KR101939908B1 (ko) 풍력 터빈의 전역적 전력 조정 방법 및 그 시스템
CN109707565A (zh) 一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法
CN117277452B (zh) 一种双馈风电机组快速有功控制的方法及装置
CN118092147B (zh) 海上风电机组的工业规划控制器设计方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant