双馈风机一次调频控制方法、系统及介质与流程

1.本发明属于风力发电领域，更具体地，涉及一种双馈风机一次调频控制方法、系统及介质。


背景技术：

2.双馈异步风力发电机(doubly fed induction generator，dfig)是应用最为广泛的风力发电机。当并网电源系统频率低于额定频率时，新能源场站应根据一次调频曲线增加有功输出，一次调频功率变化幅度限制设置应不小于6％的运行功率。依据上述标准，双馈风机等新能源设备若采用减载留备用的方式参与一次调频，至少应减载6％的额定功率。只有在找到风机的最优功率的情况下，才能做到精准减载，否则会过量减载或减载不足。最优功率与风速挂钩，因此，要测量或评估出风机的等效风速，才能精准减载。
3.现有技术中存在两种风速测量方式，一种是在风机机舱上安装风速测量仪器以测量风速，另一种是在风机本体之外设立风速测量装置来评估风机所捕捉到的等效风速。这两种方式下，测得的风速并不代表风机捕捉到的风速，而且捕捉到的仅仅是一个点的风速，即存在测量不准确的问题，由此导致计算的最优功率存在误差，从而容易减载过量造成电能浪费，或减载不足使备用功率不足，达不到一次调频要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种双馈风机一次调频控制方法、系统及介质，其目的在于依据风速、桨距角、转速、机械功率四者的函数对应关系，确定风机当前运行工况下应有的最优功率，在此基础上做固定减载，并施以一次调频控制。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种双馈风机一次调频控制方法，包括：s1，基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算得到等效风速，并根据并网频率、预设减载功率、所述等效风速和所述风机功率计算桨距角补偿信号；s2，根据所述桨距角补偿信号、所述风机功率和所述风机转速，计算得到桨距角参考信号和电磁转矩参考信号；s3，根据采集到的风机的电磁功率、输出无功功率、三相电压和所述电磁转矩参考信号，计算得到第一驱动信号，根据采集到的风机直流母线电容电压和网侧q轴电流，计算得到第二驱动信号；s4，根据所述桨距角参考信号控制风机的桨距角，根据所述第一驱动信号驱动与风机转子相连的转子侧pwm变换器，根据所述第二驱动信号驱动与电网相连的网侧pwm变换器，以调节风机转速、风机定子输出的有功功率和无功功率。
6.更进一步地，所述s1中计算桨距角补偿信号包括：计算所述等效风速对应的最优功率与所述预设减载功率之间的差值，得到减载运行状态下的参考功率；所述并网频率经下垂控制后得到补偿功率，将减载运行状态下的参考功率与所述补偿功率之和作为风机参考功率；根据所述风机参考功率和所述风机功率计算所述桨距角补偿信号。
7.更进一步地，所述根据所述风机参考功率和所述风机功率计算所述桨距角补偿信
号包括：计算所述风机参考功率与所述风机功率之间的差值，得到功率偏差，所述功率偏差经比例积分控制后得到所述桨距角补偿信号。
8.更进一步地，所述并网频率经下垂控制后得到补偿功率包括：计算所述并网频率与工频之间的差值，得到频率偏差，所述频率偏差经比例控制后得到所述补偿功率。
9.更进一步地，还包括：当所述桨距角补偿信号小于0时，将所述桨距角补偿信号限制为0。
10.更进一步地，所述s2包括：将所述风机功率对应的最优转速作为风机参考转速，计算所述风机参考转速与所述风机转速之间的差值，得到转速偏差；所述转速偏差经比例积分控制后得到所述电磁转矩参考信号；所述转速偏差经比例控制后得到桨距角控制信号，计算所述桨距角补偿信号与所述桨距角控制信号之和，得到所述桨距角参考信号。
11.更进一步地，还包括：当所述桨距角控制信号小于0时，将所述桨距角控制信号限制为0。
12.按照本发明的另一个方面，提供了一种双馈风机一次调频控制系统，其特征在于，包括：与风机转子相连的转子侧pwm变换器，以及与电网相连的网侧pwm变换器；调浆减载调频控制器，用于基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算得到等效风速，并根据并网频率、预设减载功率、所述等效风速和所述风机功率计算桨距角补偿信号；风机控制器，用于根据所述桨距角补偿信号、所述风机功率和所述风机转速，计算得到桨距角参考信号和电磁转矩参考信号，并根据所述桨距角参考信号控制风机的桨距角；转子侧电流电压控制器，用于根据采集到的风机的电磁功率、输出无功功率、三相电压和所述电磁转矩参考信号，计算得到第一驱动信号，并根据所述第一驱动信号驱动所述转子侧pwm变换器；网侧电流电压控制器，用于根据采集到的风机直流母线电容电压和网侧q轴电流，计算得到第二驱动信号，并根据所述第二驱动信号驱动所述网侧pwm变换器；实现风机转速、风机定子输出的有功功率和无功功率的调节。
13.更进一步地，所述调浆减载调频控制器包括：等效风速计算器，用于基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算等效风速；最优功率计算器，用于计算所述等效风速对应的最优功率；第一减法器，用于计算所述等效风速对应的最优功率与所述预设减载功率之间的差值，得到减载运行状态下的参考功率；下垂控制器，用于对所述并网频率进行下垂控制，得到补偿功率；第一加法器；用于计算减载运行状态下的参考功率与所述补偿功率之和，得到风机参考功率；第二减法器，用于计算所述风机参考功率与所述风机功率之间的差值，得到功率偏差；第一比例积分器，用于对所述功率偏差进行比例积分控制，得到所述桨距角补偿信号。
14.按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如上所述的双馈风机一次调频控制方法。
15.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：提供一种双馈风机一次调频控制方法，基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的函数关系，确定风机当前风速下应有的最优功率，获得更精准的最优功率，并在此基础上对风机进行调桨减载，精准预留一次调频所需备用功率，确保风机参与一次调频及时响应的同时，避免过度减载造成的能量浪费，以及避免减载不足造成的调频时有功功率不足。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的双馈风机一次调频控制方法的流程图；
17.图2为本发明实施例提供的双馈风机一次调频控制系统的框图；
18.图3为本发明实施例提供的调浆减载调频控制器的控制原理图；
19.图4为本发明实施例提供的调浆减载调频控制器中下垂控制器的控制原理图；
20.图5为本发明实施例提供的风机控制器的控制原理图。
具体实施方式
21.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。
22.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。
23.图1为本发明实施例提供的双馈风机一次调频控制方法的流程图。参阅图1，结合图2-图5，对本实施例中双馈风机一次调频控制方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s4。
24.操作s1，基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算得到等效风速，并根据并网频率、预设减载功率、等效风速和风机功率计算桨距角补偿信号。
25.以图2所示出的双馈风机一次调频控制系统为例，本实施例中，通过系统中调浆减载调频控制器执行操作s1，如图3所示。根据本发明的实施例，操作s1包括子操作s11-子操作s14。
26.在子操作s11中，基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算得到等效风速。
27.风机所捕获风能的风机功率与桨距角、风机转速、风速成一定的函数关系，即pm＝f(v,ωr,β)，其中，pm为风机功率，β为桨距角，ωr为风机转速，v为风速。因此，基于采集的风机功率、桨距角和风机转速，可以确定等效风速，该操作由调浆减载调频控制器中的等效风速计算器完成。
28.在子操作s12中，计算等效风速对应的最优功率与预设减载功率之间的差值，得到减载运行状态下的参考功率。
29.由于最优功率跟踪区、恒转速区中，最优工作点的桨距角β为0。等效风速确定之后，可以基于确定的等效风速、桨距角0，通过关系式pm＝f(v,ωr,β)计算等效风速对应的最优功率，该操作由调浆减载调频控制器中的最优功率计算器完成。
30.进一步地，计算该最优功率与预设减载功率p
deline
之间的差值，该差值为减载运行状态下的参考功率，该操作由调浆减载调频控制器中的第一减法器完成。
31.在子操作s13中，并网频率经下垂控制后得到补偿功率，将减载运行状态下的参考功率与补偿功率之和作为风机参考功率。
32.根据本发明的实施例，并网频率经下垂控制后得到补偿功率具体包括：计算并网
频率与工频f之间的差值，得到频率偏差，频率偏差经比例控制后得到补偿功率。
33.具体地，并网频率例如经过调浆减载调频控制器中的下垂控制器后得到补偿功率。下垂控制器的结构如图4所示，包括第三减法器和第一比例器。利用第三减法器计算并网频率f
ref
与工频f之间的差值，得到频率偏差并输入第一比例器，经比例控制后第一比例器输出补偿功率。第一加法器将第一减法器输出的减载运行状态下的参考功率与第一比例器输出的补偿功率相加，得到风机参考功率。
34.在子操作s14中，根据风机参考功率和风机功率计算桨距角补偿信号。
35.根据本发明的实施例，子操作s14具体包括：计算风机参考功率与风机功率之间的差值，得到功率偏差，功率偏差经比例积分控制后得到桨距角补偿信号。
36.具体地，例如经过调浆减载调频控制器中的第二减法器计算风机参考功率与风机功率之间的差值，得到功率偏差；功率偏差经过调浆减载调频控制器中的第一比例积分器后，第一比例积分器输出桨距角补偿信号β
cps
。
37.根据本发明的实施例，当桨距角补偿信号小于0时，需要将桨距角补偿信号限制为0，以保证桨距角补偿信号大于等于0。
38.操作s2，根据桨距角补偿信号、风机功率和风机转速，计算得到桨距角参考信号和电磁转矩参考信号。
39.以图2所示出的双馈风机一次调频控制系统为例，本实施例中，通过系统中风机控制器执行操作s2。根据本发明的实施例，操作s2包括子操作s21-子操作s23。
40.在子操作s21中，将风机功率对应的最优转速作为风机参考转速，计算风机参考转速与风机转速之间的差值，得到转速偏差。
41.由于风机的最优转速与风机功率成一一对应关系，因此，基于风机功率可以给出风机参考转速，即风机功率对应的最优转速。该操作可以由风机控制器中的最优转速计算器完成，如图5所示。最优转速计算器根据输入的风机功率，判断风机工作在最大转速区还是次优功率跟踪区，并给出风机参考转速。
42.进一步地，例如通过风机控制器中的第四减法器，计算风机参考转速与风机转速ωr之间的差值，得到转速偏差。
43.在子操作s22中，转速偏差经比例积分控制后得到电磁转矩参考信号。具体地，转速偏差输入风机控制器中的第二比例积分器，经比例积分控制后得到电磁转矩参考信号t
emref
。
44.在子操作s23中，转速偏差经比例控制后得到桨距角控制信号，计算桨距角补偿信号与桨距角控制信号之和，得到桨距角参考信号。
45.具体地，转速偏差输入风机控制器中的第二比例器，经比例控制后得到桨距角控制信号。根据本发明的实施例，当桨距角控制信号小于0时，需要将桨距角控制信号限制为0，以保证桨距角控制信号大于等于0。进一步地，将桨距角控制信号输入第二加法器，第二加法器计算桨距角补偿信号β
cps
与桨距角控制信号之和，得到桨距角参考信号β
ref
。
46.操作s3，根据采集到的风机的电磁功率、输出无功功率、三相电压和电磁转矩参考信号，计算得到第一驱动信号，根据采集到的风机直流母线电容电压和网侧q轴电流，计算得到第二驱动信号。
47.以图2所示出的双馈风机一次调频控制系统为例，本实施例中，通过系统中转子侧
电流电压控制器和网侧电流电压控制器执行操作s3。具体地，将采集到的风机的电磁功率pe、输出无功功率q、三相电压u
abc
和电磁转矩参考信号t
emref
输入转子侧电流电压控制器，得到第一驱动信号；将采集到的风机直流母线电容电压u
dc
和网侧q轴电流i
gq
输入网侧电流电压控制器，得到第二驱动信号。
48.操作s4，根据桨距角参考信号控制风机的桨距角，根据第一驱动信号驱动与风机转子相连的转子侧pwm变换器，根据第二驱动信号驱动与电网相连的网侧pwm变换器，以调节风机转速、风机定子输出的有功功率和无功功率。
49.本实施例中，双馈风机的转子与转子侧pwm变换器的输出端电连接，双馈风机的定子经变压器接入电网；网侧pwm变换器的输入端通过直流母线连接电容，同时与转子侧pwm变换器的输入端相连接；网侧pwm变换器的输出端经过滤波电感与变压器相连接接入电网。
50.以图2所示出的双馈风机一次调频控制系统为例，风机控制器基于其输出的桨距角参考信号β
ref
控制风机的桨距角，转子侧电流电压控制器基于其输出的第一驱动信号驱动转子侧pwm变换器，网侧电流电压控制器基于其输出的第二驱动信号驱动网侧pwm变换器。
51.转子侧pwm变换器和转子侧电流电压控制的控制目标有两个：一是给双馈风机的转子提供励磁所需的电流，以调节定子输出的无功功率；二是通过转子电流转矩分量来控制双馈风机的转矩、转速，进而控制风机输出的有功功率。网侧pwm变换器的主要功能是保持直流母线的电压稳定和控制输入功率因数。
52.本发明实施例还提供了一种双馈风机一次调频控制系统，其结构框图如图2-图5所示。系统包括：与风机转子相连的转子侧pwm变换器，以及与电网相连的网侧pwm变换器。系统还包括：调浆减载调频控制器，用于基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算得到等效风速，并根据并网频率、预设减载功率、等效风速和风机功率计算桨距角补偿信号；风机控制器，用于根据桨距角补偿信号、风机功率和风机转速，计算得到桨距角参考信号和电磁转矩参考信号，并根据桨距角参考信号控制风机的桨距角；转子侧电流电压控制器，用于根据采集到的风机的电磁功率、输出无功功率、三相电压和电磁转矩参考信号，计算得到第一驱动信号，并根据第一驱动信号驱动转子侧pwm变换器；网侧电流电压控制器，用于根据采集到的风机直流母线电容电压和网侧q轴电流，计算得到第二驱动信号，并根据第二驱动信号驱动网侧pwm变换器；实现风机转速、风机定子输出的有功功率和无功功率的调节。
53.根据本发明的实施例，调浆减载调频控制器包括：等效风速计算器，用于基于风机功率、桨距角、风机转速和风速之间的映射关系，根据采集到的风机功率、桨距角和风机转速，计算等效风速；最优功率计算器，用于计算等效风速对应的最优功率；第一减法器，用于计算等效风速对应的最优功率与预设减载功率之间的差值，得到减载运行状态下的参考功率；下垂控制器，用于对并网频率进行下垂控制，得到补偿功率；第一加法器；用于计算减载运行状态下的参考功率与补偿功率之和，得到风机参考功率；第二减法器，用于计算风机参考功率与风机功率之间的差值，得到功率偏差；第一比例积分器，用于对功率偏差进行比例积分控制，得到桨距角补偿信号。
54.本实施例中的双馈风机一次调频控制系统用于执行图1-图5中示出的双馈风机一次调频控制方法，其结构及原理与图1-图5所示实施例中双馈风机一次调频控制系统相同，
此处不再赘述。
55.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如图1-图5所示的双馈风机一次调频控制方法。
56.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。