一种多模式风力机功率控制系统的制作方法

本发明公开的一种多模式风力机功率控制系统，属于新能源开发与利用技术领域。

背景技术：

现有技术中，风力机均采用最大风能跟踪控制的基本方法对风能实现最大效率的捕获。但就目前而言风能自身存在波动性大、预测精度低等缺陷，若长期采用该方法对风机输出功率进行控制将导致电网无法消纳风力机输出功率的波动，产生以下几方面的不良影响：

(1)对电能质量的影响

受限于风电机组固有的特性，出现“塔影效应”或者多台机组欠/过载而退出运行的工况时，都会引起电压波动和闪变的问题。

(2)对系统稳定的影响

当电网电压下降时，风电场对无功的需求攀升，若此时并网点无功调节的能力差，无功补偿的容量不足，则可能加大电压的降幅，严重时将导致故障的发生，进而引起系统崩溃。随着渗透率逐渐增大，由短时间内的大幅波动引起的风电输出功率的骤变，也可能对电压造成冲击，影响系统的稳定性。

(3)对调峰调频的影响

由于风电自身存在波动性大、预测精度低等缺陷，其静态出力特性与常规电源大相径庭，风电并网给电力系统正常的调峰调频带来巨大的影响，随着风电装机容量的不断增大，电力系统用于调峰调频的备用容量比例下降，其影响将更甚。

(4)对系统调度的影响

风电的预测精度低、误差范围大一直是阻碍风电快速发展的瓶颈，在这种现状下使得考虑风电的电力系统调度变得相对困难，频繁地修改调度计划也增大了操作上的不便和错误出现的可能性。并且由于风电难以与火电等其它常规电源进行优化组合，也给电力系统调度的经济性打了很大的折扣。

目前，消除风电波动性和随机性所带来的影响均是在风力机之后，并网点之前加入储能来弥补风电的间歇性和波动性，改善风电输出功率的可控性，增强稳定性，并改善电能质量及优化系统运行的经济性。但储能的容量配置有限，只能小幅度降低风电输出功率的波动，对于长时间或大幅度的风电波动不能起到实质性效果，可以说效果微乎其微。因此，从源头入手，不再采用最大风能跟踪控制，进而研制一套适应多场景拥有多模式的风力机功率控制系统已刻不容缓。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了多模式风力机功率控制系统以解决上述现有技术中存在的上述技术问题和缺陷，实现了风力机功率控制的平稳性、精确性和安全性。

具体来说，本发明采用以下技术方案：

一种多模式风力机功率控制系统，包括控制系统、检测系统和执行系统三大系统，其中控制系统为包含控制算法的单片机装置，通过通信线路向执行系统下达动作指令；执行系统包括叶片转向器、调速器和储能装置；其中，叶片转向器和调速器分别通过第一线路和第二线路与控制系统连接以进行其两者间的信号传输；检测系统和储能装置则分别通过第三线路和与第四线路与控制系统连接以进行其两者间的信号传输。

作为本发明的一个方面，叶片转向器与叶片的旋转轴直接相连，控制系统通过叶片转向器调节风力机的叶片的迎风角以改变迎风面积，最终达到调节风机输出功率的目的；调速器为小型电动机，其与风力机通过主轴进行齿轮连接，通过加减输出功率改变风力机转速，控制系统通过调速器调节风力机的转速以改变风能利用系数，最终达到调节风机输出功率的目的；

作为本发明的一个方面，储能装置在发电机接入电网的接入点接入，控制系统在风能过大时通过对储能装置进行充电吸收超出一定范围的风机输出功率，并为风能越限后风机离网动作提供备用容量。

作为本发明的重要方面，本发明的控制系统包括以下五种控制模式：

其中模式一：根据前一天正常工作时的输出功率低通滤波后作为电网调度计划ps，因此当风速较小时，所能获得的最大风能功率pwmax与电网调度计划ps相比较小，在ps＞pwmax时采取最大风能跟踪控制策略：控制系统7通过调速器3调节风力机1的转速ω至cp＝cp(ω)max，通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时通过储能装置5放电补充风力机未能达到的功率，即pbess＝ps-pwmax；

模式二：当风速适中时，即1.2ps＞pwmax≥ps采取存裕度控制策略：控制系统7通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时不由叶片转向器2调节风力机输出功率，迎风角始终保持在90°以最大程度地接收风能，根据功率曲线将转速ω调至此时风力机的输出功率与电网调度计划ps相当且存有一定的功率裕度来应对风能回落或突降的情况；此时储能装置5不动作，即不对外充放电；

模式三：当风速较大时，即1.5ps＞pwmax≥1.2ps采取调迎风面的控制策略：由于此时风速较大，控制系统7通过调节调速器3改变风力机1的转速ω进而使风力机的输出功率达到电网调度计划ps将导致叶片承受额外的应力影响叶片的使用寿命，因此控制系统通过调速器3反馈获取实时的ω实，结合检测系统8所测的空气流速v计算得到cp实；控制系统通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角令此时储能装置5不动作，即不对外充放电；

模式四：当风速极大时，即2ps＞pwmax≥1.5ps采取备储能控制策略：此时风能功率即将超过预设的限值，因此利用该风能对储能3进行充电为之后的风电离网做准备，因此控制系统7通过调速器3调节风力机1的转速ω至cp＝cp(ω)max，通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时通过储能装置5充电消耗风力机输出功率使并网点功率为电网调度计划ps，即pbess＝ps-pwmax。此模式为离网过渡模式，为模式三与模式五的过渡期，其维持时间比上述前三种模式的维持时间短。该模式四既利用了大功率风电功率对储能装置5完成了风电离网的电量储备，又利用了储能装置5对风力机1的输出功率在并网点完成了修正；

模式五：当风速越限时或储能装置5的soc＝1时，即储能满点状态，即pwmax≥2ps采取储能离网控制策略：此时风能功率已超过预设的限值，风电离网时控制系统通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝0°以确保s＝0；由储能装置5提供功率支撑，该功率以一定的比率a随时间增大而减小，即pbess＝aⁿps，其中n为采样次数，采样频率为15min/次；所述比率a的值不小于0.8；且当soc<0.1时n>8。

采用上述技术方案后，取得如下有益效果：

1)本发明适应于风电的多场景应用，相较于单单采用最大风能跟踪控制的控制系统能够从源头上控制风力机并网时的输出功率，使其与电网调度计划相匹配，降低了电网调度部门的调控难度，有利于电网稳定；

2)本发明充分利用储能参与并网输出功率的调控，仅在几种必要模式下储能参与调控，其他模式由风力机控制系统自行调控，这大大降低了储能的容量配置，可将储能成本降低；

3)本发明实现了各种模式的无缝切换，且在电网无法消纳风电功率时制定了风电离网的储能出力控制策略，给了电网缓冲时间，由其他相关设备进行支撑保证了电网运行的平稳性和安全性。

附图说明

附图1为本发明公开的不同风速和转速下的风力机功率曲线图；

附图2为本发明公开的各模块位置结构示意图；

附图3为本发明公开的多模式选择流程判断图。

具体实施方式

参见图1所示，在同一个风速下，不同的风力机转速会使风力机输出不同的功率，这是由于转速与风能利用系数有关，其规律为先增大后减小，同时输出功率随着风速的增大而增大。系统将输入的电网调度计划与所得到的最大风能功率进行比较，根据分类情况选择所述系统的控制模式。具体而言，从图1中可以看出，在同一个风速下，不同的转速会使风力机输出不同的功率。在同一风速下，风力机输出功率随着转速的增大先增大后减小呈凸函数变化规律；并且最大输出功率以及所对应的转速随着风速的增大而增大。同一风速下风力机的最大输出功率一定，只要能够根据风速的变化，适当的调整风电机组转速，就可使风力机运行在合适的功率点上，使风力机既能跟踪电网所需的计划出力，又能为需求侧的功率需求响应提供备用容量或是为频率塌陷与风力塌陷提供短时支撑。

参见图2所示，本发明给出的一种多模式风力机功率控制系统，包括控制系统7、检测系统8和执行系统三大系统，其中控制系统7为包含控制算法的单片机装置，通过通信线路向执行系统下达动作指令；执行系统包括叶片转向器2、调速器3和储能装置5；其中，叶片转向器2和调速器3分别通过第一线路9和第二线路10与控制系统7连接以进行其两者间的信号传输；检测系统8和储能装置5则分别通过第三线路11和与第四线路12与控制系统7连接以进行其两者间的信号传输。叶片转向器2是由步进电机控制的传动机构，其与叶片14的旋转轴直接相连，控制系统7通过叶片转向器2调节风力机1的叶片14的迎风角θ以改变迎风面积，最终达到调节风机输出功率的目的；调速器3为小型电动机，其与风力机1通过主轴13进行齿轮连接，通过加减输出功率改变风力机转速，控制系统7通过调速器3调节风力机1的转速ω以改变风能利用系数cp，最终终达到调节风机输出功率的目的；发电机4与风力机1通过主轴13进行齿轮连接；储能装置5在发电机4接入电网6的接入点14接入，控制系统7在风能pw过大时通过对储能装置5进行充电吸收超出一定范围的风机输出功率，并为风能越限后风机离网动作提供备用容量。

控制系统7根据检测系统8所检测到的风速大小通过公式pw＝0.5ρscpv³得到最大风能功率pwmax，其中ρ为空气密度kg/m³；v为空气流速m/s；cp为风能利用系数；s为风力机叶片的迎风面积，当且仅当s＝smax，cp＝cp(ω)max得到最大风能功率。

参见图3所示，本发明公开的多模式风力机功率控制系统根据不同供需场景包括以下五种控制模式：

模式一：电网调度部门一般根据风电厂前一天正常工作时的输出功率低通滤波后作为电网调度计划ps，因此当风速较小时，所能获得的最大风能功率pwmax与电网调度计划ps相比较小，在ps＞pwmax时采取最大风能跟踪控制策略：控制系统7通过调速器3调节风力机1的转速ω至cp＝cp(ω)max，通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时通过储能装置5放电补充风力机未能达到的功率，即pbess＝ps-pwmax；

模式二：当风速适中时，即1.2ps＞pwmax≥ps采取存裕度控制策略：控制系统7通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时不由叶片转向器2调节风力机输出功率，迎风角始终保持在90°以最大程度地接收风能，根据图1中的功率曲线将转速ω调至此时风力机的输出功率与电网调度计划ps相当且存有一定的功率裕度来应对风能回落或突降的情况，此时储能装置5不动作，即不对外充放电；

模式三：当风速较大时，即1.5ps＞pwmax≥1.2ps采取调迎风面的控制策略：由于此时风速较大，控制系统7通过调节调速器3改变风力机1的转速ω进而使风力机的输出功率达到电网调度计划ps将导致叶片承受额外的应力影响叶片的使用寿命，因此控制系统通过调速器3反馈获取实时的ω实，结合检测系统8所测的空气流速v计算得到cp实；所述控制系统通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角令此时储能装置5不动作，即不对外充放电；

模式四：当风速极大时，即2ps＞pwmax≥1.5ps采取备储能控制策略：此时风能功率即将超过预设的限值，因此利用该风能对储能3进行充电为之后的风电离网做准备，因此控制系统7通过调速器3调节风力机1的转速ω至cp＝cp(ω)max，通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝90°以确保s＝smax；此时通过储能装置5充电消耗风力机输出功率使并网点功率为电网调度计划ps，即pbess＝ps-pwmax；

模式五：当风速越限时或储能装置5的soc＝1时，即储能满点状态，即pwmax≥2ps采取储能离网控制策略：此时风能功率已超过预设的限值，风电离网时控制系统通过叶片转向器2调节风力机1的叶片迎风角θ＝0°以确保s＝0；由储能装置5提供功率支撑，该功率以一定的比率a随时间增大而减小，即pbess＝aⁿps，其中n为采样次数，采样频率为15min/次；所述比率a的值不小于0.8；且当soc<0.1时n>8。

基于上述描述，本发明的多模式风力机功率控制系统适应于风电的多场景应用，相较于单单采用最大风能跟踪控制的控制系统能够从源头上控制风力机并网时的输出功率，使其与电网调度计划相匹配，降低了电网调度部门的调控难度，有利于电网稳定；同时在控制过程中充分利用储能参与并网输出功率的调控，仅在必要模式下储能参与调控，其他模式由风力机控制系统自行调控，这大大降低了储能的容量配置，可将储能成本降低；此外，本发明实现了这五种控制模式的无缝切换，且在电网无法消纳风电功率时制定了风电离网的储能出力控制策略，给了电网缓冲时间，保证了电网运行的平稳性和安全性。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

附：说明书符号含义对照