一种风机转速恢复控制方法、控制器及风电场

本发明属于电力系统控制领域，更具体地，涉及一种风机转速恢复控制方法、控制器及风电场。

背景技术：

近年来，风电场，尤其是大型海上风电场正成为清洁能源的发展热点，由于风电场通常离受端交流系统较远，需要进行远距离、大容量电力传输，从技术和经济角度来看，多端柔性直流(voltagesourceconverter-basedmulti-terminaldirectcurrent，vsc-mtdc)输电系统是风电场并网的理想方式。由于多端柔性直流机电系统之间的解耦控制，风电场不能直接响应受端交流系统频率偏差，系统频率变化率(rocof)可能随着风电场渗透率的增加而迅速增大。因此，随着风电渗透率的不断增加，以及风电场工程建设，为保证系统的稳定运行，风电场需具备参与受端交流系统频率调节的能力。

现有的风电场参与交流系统频率调节技术，主要通过附加调频控制器来实现，采用转子转速控制，使风电机通过释放转子动能或备用功率进行一次调频。当风电场各风机进入转子转速恢复阶段，不能向交流系统提供稳定状态时的电能，可能导致陆上交流系统频率发生二次跌落，如图1所示，风机正常工作时，风机的p-ω曲线和最大功率点跟踪曲线相交于pmppt点处，此为风机正常工作状态下的工作点。当风机参与系统频率调节后，通过降低转子转速，释放转子动能，风机工作点下降到pop1点处。此时采用现有方法对风机进行转速恢复，风机的工作点将会先变化到pop2点处，随后沿着最大功率点跟踪曲线返回pmppt点。在由pop1点下降到pop2点这一过程中，导致风机发出的功率产生δp的阶跃变化，最终导致系统出现二次频率跌落；若δp的过大，将会导致二次频率跌落的值比初次频率跌落还严重。现有的风机转速恢复策略主要分为两种：1、不加入任何附加控制，由于风电场工作在最大功率点跟踪曲线处，当频率扰动时会增加发出的功率进行响应，当风电场结束频率调节时，风电增发功率归0，在最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)曲线的约束下，风机转子转速会自动恢复到参与调频前的值。2、加入pi控制器，在风电场恢复的时候启动，把风机转速拉回到频率扰动前的值。

由于现有的控制策略仅利用最大功率点曲线对风机的功率和转速进行约束，有可能无法实现转子转速恢复，还可能导致受端交流系统频率发生的二次频率跌落比一次频率跌落更为严重，影响整个受端交流系统的稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种风机转速恢复控制方法、控制器及风电场，其目的在于，使风机在提供频率支撑后进行平滑的转速恢复，以缓解受端交流系统的二次频率跌落的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种风机转速恢复控制方法，包括：

在风机转速恢复的开始时刻tb，对于风电场中的每一台风机fi，获取其瞬时功率pmes,i和转速ωmes,i；i表示风机编号；

按照获取风机fi的渐进系数αi在时刻tb的初始值αi,0，并确定渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内随时间变化的关系式αi(t)，使渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内从αi,0变化到1；ki表示风机fi的最大功率点跟踪曲线方程中的跟踪系数，δt为预设的转速恢复时间；

对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω在时间段tb～tb+δt内满足p＝αi(t)kiω³，从而在时刻tb+δt完成转速恢复。

进一步地，在时间段tb～tb+δt内，

进一步地，7s≤δt≤15s。

进一步地，本发明提供的风机转速恢复控制方法，还包括：在风机转恢复开始前，以及在风机转速恢复结束后，对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω满足p＝kiω³。

按照本发明的另一个方面，提供了一种风机转速恢复控制器，包括：数据采集模块、数据处理模块和控制模块；

数据采集模块，用于在风机转速恢复的开始时刻tb，获取风机的瞬时功率pmes,i和转速ωmes,i，并触发数据处理模块；

数据处理模块，用于按照获取风机fi的渐进系数αi在时刻tb的初始值αi,0，并确定渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内随时间变化的关系式αi(t)，使渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内从αi,0变化到1，之后触发控制模块；ki表示风机的最大功率点跟踪曲线方程中的跟踪系数，δt为预设的转速恢复时间；

控制模块，用于对风机进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω在时间段tb～tb+δt内满足p＝αi(t)kiω³，从而在时刻tb+δt完成转速恢复。

进一步地，本发明提供的风机转速恢复控制器，还包括：最大功率跟踪模块；

最大功率跟踪模块，用于在风机转恢复开始前，以及在风机转速恢复结束后，对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω满足p＝kiω³。

按照本发明的又一个方面，提供了一种风电场，包括多台风机，各风机中均安装有本发明提供的风机转速恢复控制器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过延长风机转速的恢复时间，并使风机在转速恢复期间，其瞬时功率p和转速ω满足p＝αi(t)kiω³，由于在风机转速恢复的开始时刻，渐进系数αi的初始值为而且在转速恢复期间，渐进系数αi会从αi,0变化到1，由此能够使各风机转速恢复曲线的参数(即渐进系数αi)进行渐进式变化，逐渐向最大功率点跟踪曲线拟合，最终和最大功率点跟踪曲线一致，避免了风机的瞬时功率在风机转速恢复期间发生突变，实现了风机转速的平滑恢复，有效缓解了受端交流系统的二次频率跌落。

(2)本发明使各风机转速恢复曲线的参数(即渐进系数αi)在转速恢复期间线性变化，从αi,0逐渐降低为1，由此能够简化风机转速恢复期间的转矩控制，并使风机转速恢复更为平滑。

(3)本发明所设定的转速恢复时间为7s～15s，由此能够避免因转速恢复时间设置过短，而无法有效缓解受端交流系统的二次频率跌落问题，同时避免因转速恢复时间设置过长，而带来没有明显效益的额外控制成本。

附图说明

图1为现有的风机转速恢复策略导致二次频率跌落的示意图；

图2为本发明实施例提供的风机转速恢复控制方法示意图；

图3为本发明实施例提供的风机转速恢复控制方法原理图；

图4为本发明实施例提供的风机渐进系数随时间变化的曲线图；

图5为本发明实施例缓解二次频率跌落的示意图；

图6为本发明实施例提供的海上风电场与陆上交流系统组成的电力系统示意图；

图7为本发明实施例提供的200mw负荷突增扰动情况下，采用不同的风机转速恢复控制策略时，陆上交流系统中两个换流器的频率随时间变化的曲线图；其中，(a)为换流器vsc1的频率随时间变化的曲线图，(b)为换流器vsc2的频率随时间变化的曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决现有的风机转速恢复控制策略会导致受端交流系统的二次频率跌落情况恶化的技术问题，本发明提供了一种风机转速恢复控制方法、控制器及风电场，其整体思路在于：延长风机转速恢复时间，对风机设计类似于最大功率点跟踪曲线的转速恢复曲线p＝αkω³，并使其中的渐进系数α在转速恢复时间内发生渐进式变化，从而使各风机的转速恢复曲线逐渐向最大功率点跟踪曲线拟合，最终和最大功率点跟踪曲线一致，实现风机转速平滑恢复，在此过程中，能够有效避免风机功率发生突变，有效缓解了受端交流系统二次频率跌落的问题。

本发明所提供的技术方案，可适用于任意一种形式的风电场，不失一般性地，在以下实施例中，若无特殊说明，所指的风电场均指海上风电场。

以下为实施例。

实施例1：

一种风机转速恢复控制方法，如图2所示，包括：

在风机转速恢复的开始时刻tb，对于风电场中的每一台风机fi，获取其瞬时功率pmes,i和转速ωmes,i；i表示风机编号；

按照获取风机fi的渐进系数αi在时刻tb的初始值αi,0，并确定渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内随时间变化的关系式αi(t)，使渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内从αi,0变化到1；ki表示风机fi的最大功率点跟踪曲线方程(即p＝kiω³)中的跟踪系数；对于给定风机，ki为已知参数；δt为预设的转速恢复时间；

对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω在时间段tb～tb+δt内满足p＝αi(t)kiω³，从而在时刻tb+δt完成转速恢复。

作为一种优选的实施方式，本实施例中，在时间段tb～tb+δt内，如此设定渐进系数在风机转速恢复时间内随时间变化的关系，能够简化风机转速恢复期间的转矩控制，并使风机转速恢复更为平滑；应当说明的是，此处仅为本发明实施例优选的实施方式，不应理解为对本发明唯一的限定，在本发明其他的一些实施例中，也可以使用正弦、余弦等其他的关系确定渐进系数的变化方式；

本实施例中，风电场具体为海上风电场，其受端交流系统即陆上交流控制系统；综合考虑对陆上交流系统二次频率跌落的缓解效果以及控制效益，本发明中，转速恢复时间的取值范围具体是7s≤δt≤15s；可选地，本实施例中，δt＝7s。

在风机转恢复开始前，以及在风机转速恢复结束后，无需考虑陆上交流系统二次频率跌落的问题，因此，本实施例还包括：在风机转恢复开始前，以及在风机转速恢复结束后，对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω满足p＝kiω³。

因此，基于本实施例提供的风机状态恢复控制方法，海上风电场的的状态可划分为如图3所示的3个状态，最大功率点跟踪状态、频率支撑状态以及转速恢复状态，其中，转速恢复状态下，风机的瞬时功率p和转速ω满足p＝αi(t)kiω³的约束关系，在其他状态下，风机的瞬时功率p和转速ω满足p＝kiω³的约束关系。

将风机的瞬时功率p和转速ω之间的约束关系统一表示为p＝αkω³，则在不同状态下，α的取值具体为：

其中，te＝tb+δt，表示转速恢复的结束时间；α的取值随时间变化的曲线如图4所示。

总体而言，本实施例通过延长风机转速的恢复时间，并使风机在转速恢复期间，其转速恢复曲线的参数(即渐进系数αi)进行渐进式变化，逐渐向最大功率点跟踪曲线拟合，最终和最大功率点跟踪曲线一致，如图5所示，当风机参与频率响应增发功率，工作点从正常工作状态的最大功率跟踪点pmppt下降到pop1后，风机转子转速开始进行恢复。通过求取此时pop1处的风机转速和功率，可以计算出拟合曲线p＝αkω³中渐进系数α的初始值α0，随后α渐进式变化至1，这样风机工作点由pop1较为平滑地变化到pmppt点，避免了风机的瞬时功率在风机转速恢复期间发生突变，实现了风机转速的平滑恢复，有效缓解了受端交流系统的二次频率跌落。

以下结合一个具体的应用场景，对本实施例所能取得的有益效果进行进一步的描述。

图6所示为一个包含两个海上风电场和一个陆上交流系统的电力系统，其中，area1表示陆上交流系统，area2和area3表示两个海上风电场，海上风电场area2通过换流器vsc4、vsc1和vsc2将电能输送至陆上交流系统area1，海上风电场area3通过换流器vsc3和vsc2将电能输送至陆上交流系统area1。g1～g4表示陆上交流系统area1中的四台发电机，g5～g9表示海上风电场area2中的5台风机，g10～g14表示海上风电场area3中的5台风机。

在200mw负荷突增扰动情况下，采用以本发明提出的转速恢复控制方法、现有的转速恢复控制方法(即pi控制方法)以及风机不参与调频的策略分别对海上风电场area2中的风机进行转速恢复控制，不同转速恢复控制策略下，换流器vsc1和vsc2的频率随时间变化的曲线图分别如图7中的(a)和(b)所示。从图7中的(a)和(b)可知，未采用本发明提出的控制方法时，换流站处测量到的频率将会出现明显的二次跌落现象；而采用本发明提供的风机转速恢复控制方法后，可以有效避免出现二次频率跌落的问题。

实施例2：

一种风机转速恢复控制器，包括：数据采集模块、数据处理模块和控制模块；

数据采集模块，用于在风机转速恢复的开始时刻tb，获取风机的瞬时功率pmes,i和转速ωmes,i，并触发数据处理模块；

数据处理模块，用于按照获取风机fi的渐进系数αi在时刻tb的初始值αi,0，并确定渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内随时间变化的关系式αi(t)，使渐进系数αi在时间段tb～tb+δt内从αi,0变化到1，之后触发控制模块；ki表示风机的最大功率点跟踪曲线方程中的跟踪系数，δt为预设的转速恢复时间；

控制模块，用于对风机进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω在时间段tb～tb+δt内满足p＝αi(t)kiω³，从而在时刻tb+δt完成转速恢复；

本实施例还包括：最大功率跟踪模块；

最大功率跟踪模块，用于在风机转恢复开始前，以及在风机转速恢复结束后，对风机fi进行转矩控制，使其瞬时功率p和转速ω满足p＝kiω³；

本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述方法实施例中的描述，在此将不作复述。

实施例3：

一种风电场，包括多台风机，各风机中均安装有上述实施例2提供的风机转速恢复控制器。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明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。

上述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。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。