桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及风力发电并网技术领域，尤其是涉及一种奖距角控制与超级电容相结 合的风电入网功率控制方法。
【背景技术】
[0002] 1.风力发电技术介绍
[0003] 风力发电的基本原理是将风的动能通过风机叶片转换成机械能，再带动发电机发 电，将风机叶片的机械能转换成电能。目前，常见的变奖风力发电机组一般为水平轴式风力 发电机，它由叶片、齿轮箱、发电机、偏航装置、变奖系统、培架等部件所组成。叶片的作用是 将风能转换为机械能，一般为2片或者3片装在轮毅上。低速转动的叶片由增速齿轮箱增 速后，将动力传递给发电机。变奖系统通过改变叶片与风向之间的夹角来控制叶片转动的 力矩，进而改变发电机的发电功率。在风速超过风机额定风速时，若不能进行相应的奖距角 控制，会导致发电功率飘升，造成风机的严重损耗，变奖控制系统可W通过改变奖距角的方 式使机组功率限制在额定功率附近，减小叶片高速转动的冲击载荷。另外，当风速超过安全 风速时，变奖系统可W对叶片进行顺奖控制，使叶片不接受风能，停止发电保护风机。
[0004] 由于变奖系统能够改变风机的发电功率输出，因此可W通过对风机奖距角实时控 制的方法来控制风机的入网电量。
[0005] 2.风电入网功率控制技术介绍
[0006] 风电入网功率控制技术中普遍采用储能技术对风电的输出功率进行缓冲，使得风 电的实际输出与预测输出之间的误差小于给定值。在风电输出功率高于预测输出时，储能 系统存储多余电能。在风电输出功率低于预测输出时，储能系统通过放电来进行补充。目 前，风电入网功率控制中采用的储能技术有铅酸蓄电池、裡电池组、超级电容、压缩空气、 蓄水储能等多种。其中，压缩空气和蓄水储能都对自然环境具有较高的要求，因此较少采 用。而大容量的电化学储能技术等，如铅酸蓄电池、裡电池组等，需要较高的成本投入，并且 该些储能系统的适用寿命通常较低。其中，超级电容技术具有较高的寿命，一般能够使用 10-20年，并且使用过程中容量几乎不会衰减，因此比较适合长期使用。
[0007] 3.面临的问题
[0008] 风电入网功率控制中，系统运行和维护成本是决定控制系统成功的关键因素。其 中运行成本，包含了储能系统的成本、各个部件的电能损耗成本等。维护成本包含储能系统 日常维护、故障维修、元件替换成本等。而现有的基于奖距角控制的风电入网功率控制方法 和基于储能系统的风电入网功率控制方法中，尚存在着下述几个方面的问题：
[0009] ?基于奖距角控制的风电入网功率控制方法的控制范围有限。变奖控制只能降低 风力发电机的输出功率，当风机的输出功率低于预测功率时，无法起到补充的作用。根据相 关分析，基于奖距角控制的入网功率控制只能在约57%的时间内使得预测输出和实际输出 的误差低于4%。
[0010] ?基于电化学储能系统的风电入网功率控制方法的运行成本较高。电化学储能系 统如铅酸蓄电池、裡电池组等成本较高，并且充放电次数一般在1000次W内，长期的成本 投入较高。另外，该些电化学储能系统的循环效率（round-trip efficiency)较低，通常在 75% -85%之间，导致控制过程中电能的损失较多。
[0011] ?基于电化学储能系统的风电入网功率控制方法的维护成本较高。由于电化学储 能系统如铅酸蓄电池、裡电池组等且充放电次数有限，不能够满足长期使用的需求，需要每 隔一定时间就进行更换，导致了控制系统的维护成本的增加。
[0012] 本发明针对上述问题，设计了奖距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制 方法，能够增加功率控制范围，并且降低控制系统的各项成本。
【发明内容】
[0013] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可预测性高、成 本低、风电入网功率稳定高的奖距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法。
[0014] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0015] 一种奖距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法，该方法首先采集风 机实际输出功率、风机预测输出功率、超级电容充电状态、超级电容容量数据，并设定控制 时间间隔，采用基于模糊逻辑控制的方法计算奖距控制后的风机输出功率和超级电容输出 功率；然后根据奖距控制后的风机输出功率，采用基于风机功率密度频谱的奖距角控制算 法计算对应的预期奖距角；最后W获得的预期奖距角和超级电容输出率分别控制风机和超 级电容。
[0016] 所述的基于模糊逻辑控制的方法具体为：
[0017] 101)初始化奖距控制后的风机输出功率化和超级电容输出功率化；
[001引10。判断当前风机实际输出功率Pw是否满足Pw > Pt*0.96,若是，则执行步骤 103)，若否，则化=P巧0. 96-Pw，其中，Pt为与Pw相应的风机预测输出功率；
[0019] 103)定义 delta = Pw-P巧0. 96，i吨ut = Gu-S0Cu)/T，其中，SOCu 为超级电容充 电状态，化为超级电容容量，T为控制时间间隔；
[0020] 104)判断Pw是否满足Pw > 1. 04冲t，若是，则执行步骤105)，若否，则执行步骤 106)；
[00引]l〇W判断Pw是否满足（Pw-1. 04冲1:) > ;[吨ut,若是，则化=-i吨ut,化= Pw-1. 04冲t+Pu，若否，则执行步骤106);
[0022] 106)判断 Pw 是否满足（Pw-Pl:*0. 96) > ;[吨ut,若是，贝Ij Pu = -i吨ut，Pc = 0,若 否，则化=-(Pw-Pl:*0. 96)，化=0 ;
[0023] 107)判断化是否满足化< 0,若是，则Pc = 0 ;
[0024] 108)判断化是否满足化> delta,若是，则化=delta。
[0025] 所述的基于风机功率密度频谱的奖距角控制算法具体为：
[0026] 201)在风机功率密度频谱上寻找与当前风机状态相应的点pO ;
[0027] 202)在风机功率密度频谱中功率为化的点中，与点pO在X轴方向垂直距离最近 的点定为pi ;
[0028] 203)点pi所对应的奖距角即为预期奖距角目C。
[0029] 所述的风机状态包括风机的奖距角、发动机转速和输出功率。
[0030] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[003。 1)本发明降低了传统的基于储能系统的风电入网功率控巧巧法的成本，能够在采 用相同容量的储能系统的前提下实现更加精确的可预测性控制目标；
[0032] 2)本发明通过基于模糊逻辑控制的方法对风机进行控制，可W控制风机的功率输 出变化在指定范围之内；
[0033] 3)本发明能够增加功率控制范围，并且降低控制系统的各项成本。
【附图说明】
[0034] 图1为奖距角控制示意图；
[0035] 图2为奖距角、发动机转速与输出功率的频谱关系图；
[0036] 图3为超级电容与风机、电网的接线示意图；
[0037] 图4为基于模糊逻辑控制的方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例W本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0039] -种奖距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法，该方法首先采集风 机实际输出功率、风机预测输出功率、超级电容充电状态、超级电容容量数据，并设定控制 时间间隔，采用基于模糊逻辑控制的方法计算奖距控制后的风机输出功率和超级电容输出 功率；然后根据奖距控制后的风机输出功率，采用基于风机功率密度频谱的奖距角控制算 法计算对应的预期奖距角；最后W获得的预期奖距角和超级电容输出率分别控制风机和超 级电容。
[0040] 上述方法可在风机发电功率高于预测功率时通过奖距控制和超级电容结合控制 方法降低入网功率，在发电功率低于预测功率时通过超级电容储能输出增加入网功率。
[00川 1、奖距角控制
[0042] 如图1所示，风机的能量吸收与风速、奖距角、叶片角速度等都有关系，可W按照 如下公式计算：
[0043]
【主权项】
1. 一种桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法，其特征在于，该方法 首先采集风机实际输出功率、风机预测输出功率、超级电容充电状态、超级电容容量数据， 并设定控制时间间隔，采用基于模糊逻辑控制的方法计算桨距控制后的风机输出功率和超 级电容输出功率；然后根据桨距控制后的风机输出功率，采用基于风机功率密度频谱的桨 距角控制算法计算对应的预期桨距角；最后以获得的预期桨距角和超级电容输出率分别控 制风机和超级电容。
2. 根据权利要求1所述的一种桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方 法，其特征在于，所述的基于模糊逻辑控制的方法具体为： 101) 初始化桨距控制后的风机输出功率Pc和超级电容输出功率Pu ; 102) 判断当前风机实际输出功率Pw是否满足Pw > Pt*0. 96,若是，则执行步骤103)， 若否，则Pu = Pt*0. 96-Pw，其中，Pt为与Pw相应的风机预测输出功率； 103) 定义 delta = Pw-Pt*0. 96, input = (Ju-SOCu)/T，其中，SOCu 为超级电容充电状 态，Ju为超级电容容量，T为控制时间间隔； 104) 判断Pw是否满足Pw > I. 04*Pt，若是，则执行步骤105)，若否，则执行步骤106); 105) 判断 Pw 是否满足（Pw-1. 04*Pt) > input，若是，则 Pu = -input，Pc = Pw-1.04*Pt+Pu，若否，则执行步骤106); 106) 判断 Pw 是否满足（Pw_Pt*0. 96) > input，若是,则 Pu = -input，Pc = 0,若否， 则 Pu = - (Pw-Pt*0. 96)，Pc = 0 ; 107) 判断Pc是否满足Pc < 0,若是，则Pc = 0 ; 108) 判断Pc是否满足Pc > delta，若是，则Pc = delta。
3. 根据权利要求2所述的一种桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方 法，其特征在于，所述的基于风机功率密度频谱的桨距角控制算法具体为： 201) 在风机功率密度频谱上寻找与当前风机状态相应的点p0 ; 202) 在风机功率密度频谱中功率为Pc的点中，与点p0在X轴方向垂直距离最近的点 定为pl ; 203) 点pi所对应的桨距角即为预期桨距角i3c。
4. 根据权利要求3所述的一种桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方 法，其特征在于，所述的风机状态包括风机的桨距角、发动机转速和输出功率。
【专利摘要】本发明涉及一种桨距角控制与超级电容相结合的风电入网功率控制方法，该方法首先采集风机实际输出功率、风机预测输出功率、超级电容充电状态、超级电容容量数据，并设定控制时间间隔，采用基于模糊逻辑控制的方法计算桨距控制后的风机输出功率和超级电容输出功率；然后根据桨距控制后的风机输出功率，采用基于风机功率密度频谱的桨距角控制算法计算对应的预期桨距角；以获得的预期桨距角和超级电容输出率分别控制风机和超级电容。与现有技术相比，本发明具有可预测性高、成本低、风电入网功率稳定高等优点。
【IPC分类】F03D7-00
【公开号】CN104564519
【申请号】CN201310500736
【发明人】尚笠, 李东胜, 陈超
【申请人】同济大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月22日