基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法与流程

本发明属于风机控制领域，具体涉及一种基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法。

背景技术

风电机组出力具有显著的间歇性和随机波动特性。随着其大规模、高渗透率接入电网，风电功率秒级至分钟级的大幅波动将使电力系统面临更为严峻的频率稳定问题。为此，风电机组放弃传统的最大化风能捕获，转而采用平滑功率控制，成为缓解电网调频压力的有效途径之一。

目前，实现风电机组出力平滑的方法主要可以分为两大类：依靠外部储能的平滑功率方法和依靠风机控制的方法。对于前者，利用储能设备的能量缓存虽能有效缓解风电功率波动，但也大幅增加了风电场的发电成本与运维难度。因此，考虑到大转动惯量风轮同样可用作能量缓冲，依靠风机控制的方法业已成为当前研究热点。

依靠风机控制的功率平滑主要包括优先桨距角控制和优先转速控制。前者通过调节桨距角改变输入气动功率，其过于频繁的桨距角动作不可避免地增大了变桨伺服机构的疲劳和叶片载荷。相比而言，优先转速控制通过交替积累和释放风轮动能，不仅实现了风电功率的平滑输出，而且有效减少了桨距角的动作量。这将有利于平滑功率控制的工程应用。

但是，研究发现：由于利用风轮加速来缓存动能，采用平滑功率控制的风机常常容易加速至额定转速。达到转速上限不仅使得风轮动能缓冲失效，而且风机控制重点也转变为仅依赖变桨调节的恒转速控制。此时，风机仍需频繁而大量的桨距角调节以避免风机超速，这同样会增大变桨伺服机构的疲劳与叶片载荷。究其原因在于，现有平滑功率方法囿于变速控制和变桨控制的独立应用，导致只有桨距角为零度时的风轮才被用作动能缓冲器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法，通过将任意桨距角下的风轮均用作动能缓冲，变速调节与变桨调节交替进行，极大程度上减少了桨距角动作幅度和频率，降低了变桨伺服机构的动作压力和叶片载荷。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径r、额定转速ωrate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λopt以及最大风能利用系数cpmax；

步骤2、基于风轮动能的平滑功率控制方法，确定转速区间[ωlim.l,ωlim.u]；

步骤3、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωlim.l≤ωr≤ωlim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；

步骤4、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωr＞ωlim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；

步骤5、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωr＜ωlim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；

步骤6、获得参考桨距角指令βref。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明提出了一种基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法，解决了现有方法在高风速风况下频繁变桨的问题；2)本发明公开了基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法的步骤，通过将任意桨距角(零度和非零度)风轮用作动能缓冲，能够在保证不扩大功率波动对电网频率的影响的同时，大幅减少桨距角动作的幅度和频率，降低变桨伺服机构的动作压力和叶片载荷。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法流程图。

图2(a)～图2(c)为本发明的有效性验证的实验结果，其中图2(a)是风机模拟器在本发明所提方法和现有方法下的风速序列、转速、桨距角和功率曲线图，图2(b)是本发明所提方法和现有方法在变桨时对叶片根部造成的力矩大小比较图，图2(c)是本发明所提方法和现有方法下的风机输出功率引入至电网的频率波动比较图。

具体实施方式

结合图1，一种基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径r、额定转速ωrate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λopt以及最大风能利用系数cpmax；

步骤2、基于风轮动能平滑功率控制方法，确定转速区间[ωlim.l,ωlim.u]；

步骤3、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωlim.l≤ωr≤ωlim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；

步骤4、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωr＞ωlim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；

步骤5、根据转速信号ωr选择桨距角控制模式，当ωr<ωlim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；

步骤6、获得参考桨距角指令βref。

进一步的，步骤2中的基于风轮动能的平滑功率控制方法和转速区间[ωlim.l,ωlim.u]的具体确定方式如下：

基于风轮动能进行风机输出功率平滑是依靠风轮的动能缓冲功能而实现的。当风速增加时，风机转速加快，储存动能。当风速降低时，风机转速减慢，释放动能。其本质是对风轮转速ωr进行平滑，平滑后的参考转速ωref具体计算如下：

风机运行在最大功率点跟踪控制方式下，其最大输出功率pmax为

pmax＝teωopt

其中，te是电磁转矩，ωopt是最优转速。

风机最大输出功率在周期t的平均值为

其中，t表示当前时间，t表示周期。

风轮的动能e定义为

其中，jg表示发电机的转动惯量，jω表示风轮的转动惯量，jg+jω表示风机等效转动惯量。

平滑后的风轮参考转速ωref计算为

其中，△p表示最大输出功率pmax与最大输出功率周期t内平均值的差值，e表示风轮动能。

为避免风机因转速过低而失稳，设置风机稳定运行的转速区间下限值ωlim.l。本发明中，将转速区间下限值设置为ωlim.l＝0.7ωrate，转速区间的上限值设置为ωlim.u＝ωrate。

进一步的，步骤3中恒定桨距角模式的具体形式：

当ωlim.l≤ωr≤ωlim.u时，风机桨距角维持不变，充分利用任意桨距角风轮的动能缓冲作用对风机输出功率进行平滑。

进一步的，步骤4中上调桨距角模式的具体形式：

当ωr＞ωlim.u时，为防止风轮转速超过额定转速，通过上调桨距角来降低风能捕获系数，从而降低风轮转速，桨距角的给定形式为：

βref＝kup(ωr-ωlim.u)+kui∫(ωr-ωlim.u)dt

其中，kup、kui分别为上调桨距角过程中的比例系数和积分系数。

进一步的，步骤5中下调桨距角模式的具体形式：

当ωr<ωlim.l时，为防止风轮转速过低而停机，通过下调桨距角来增大风能捕获系数，从而提升风轮转速，桨距角的给定形式为：

βref＝klp(ωr-ωlim.l)+kli∫(ωr-ωlim.l)dt

其中，klp、kli分别为下调桨距角过程中的比例系数和积分系数

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

利用美国国家能源部可再生能源实验室(nationalrenewableenergylaboratory，nrel)提供的开源的专业风力机仿真软件fast(fatigue,aerodynamics,structures,andturbulence)来模拟控制效果。风力机模型采用nrel开发的600kwcart3试验机型，具体参数如表1所示。

表1nrel600kwcart3风力机主要参数

将风轮转速ωr作为输入，输出转矩指令和桨距角指令βref，进而将该两个指令分别发送到发电机和变桨伺服机构。

基于风轮动能的平滑功率控制方法实现及变桨优化方法的转速区间确定如下：

风机运行在最大功率点跟踪控制方式下，其最大输出功率pmax为

pmax＝teωopt

其中，te是电磁转矩，ωopt是最优转速。

风机的最大输出功率在周期t的平均值为

其中，t表示当前时间，t表示周期。

风轮的动能e定义为

其中，jg表示发电机的转动惯量，jω表示风轮的转动惯量，jg+jω表示风机等效转动惯量。

平滑后的风轮参考转速ωref计算为

其中，△p表示最大输出功率pmax与最大输出功率周期t内平均值的差值，e表示风轮动能。

基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法的转速区间确定如下：

为避免风机因转速过低而失稳，应设置风机稳定运行的转速区间下限值ωlim.l。通常，将转速区间下限值设置为ωlim.l＝0.7ωrate，转速区间的上限值设置为ωlim.u＝ωrate。

式中，比例系数kup、klp和积分系数kui、kli是常量参数。

然后，根据转速变化情况来确定风机的运行模式，具体流程图如图1。

模式1：当ωr＞ωlim.u时，风机处在上调桨距角阶段；

模式2：当ωr<ωlim.l时，风机处在下调桨距角阶段；

模式3：当ωlim.l≤ωr≤ωlim.u时，风机桨距角维持不变，充分利用任意桨距角风轮的动能缓冲作用对风机输出功率进行平滑。

最后，通过风机模拟器平台对本发明进行实验验证。选取600s湍流风速序列，分别对现有方法和本发明所提改进方法进行实验，其实验结果如图2(a)～图2(c)。图2(a)中曲线分别为风速序列、转速、桨距角以及功率信号，转速图中实直线是设定的转速上限，虚直线是设定的转速下限，本发明所提方法的转速运行范围宽于现有方法，并且在较长时间内保持桨距角恒定，变桨频率低于现有方法。图2(b)所示为本发明所提方法和现有方法在变桨时对叶片根部造成的力矩大小比较，可以看出本发明所提方法的叶根载荷低于现有方法。图2(c)为两种方法输出的功率波动引入电网模型后，对电网频率的影响，±0.2hz处的虚直线是电网容许的最大频率偏差，可以看出，两种方法对电网频率的影响均在其允许范围内。

以上实验结果说明，采用本发明所提的基于风轮动能平滑功率控制的风机变桨优化方法能有效减少桨距角动作的幅度和频率，进一步验证了本发明所提的改进方法的有效性和实用性。