風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率控制方法，尤其涉及一種考慮變槳機(jī)組動(dòng)態(tài) 響應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功控制方法，屬于風(fēng)電場(chǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性，不能提供穩(wěn)定的發(fā)電功率。為了應(yīng)對(duì)大規(guī) 模風(fēng)電接入給電網(wǎng)有功調(diào)度和安全穩(wěn)定帶來(lái)的巨大壓力和新的挑戰(zhàn)。GB/T19963-2011《風(fēng) 電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)的《風(fēng)電調(diào)度運(yùn)行管理規(guī)范》等規(guī)范風(fēng)電 并網(wǎng)運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并明確要求，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門 指令控制其有功功率輸出。
[0003] 近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率控制展開(kāi)大量研宄，關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)有 功功率控制協(xié)調(diào)分配的成果整體分為兩類。一類是以降低損耗、優(yōu)化運(yùn)行為目標(biāo)展開(kāi)研宄。 另一類，部分學(xué)者從有功控制能力的角度展開(kāi)研宄。
[0004] 然而，在上述研宄的分析過(guò)程中均未考慮風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，仍存在以下 兩點(diǎn)問(wèn)題：一方面機(jī)組間響應(yīng)特性存在差異性，難以同時(shí)完成下發(fā)的給定功率，這會(huì)導(dǎo)致 閉環(huán)過(guò)程中控制指令下發(fā)時(shí)間存在嚴(yán)重超前或滯后，穩(wěn)態(tài)精度較低；另一方面風(fēng)電場(chǎng)通常 由幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，在協(xié)調(diào)分配計(jì)算時(shí)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，占用內(nèi)存大，實(shí)現(xiàn)困 難。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 綜上所述，確有必要提供一種考慮變槳機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)、計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確 反映機(jī)組外特性的風(fēng)電場(chǎng)有功功率的控制方法。
[0006] 一種風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟：根據(jù)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間尺 度的需求，對(duì)變槳風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行降階，得到變槳風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型；依據(jù)變槳機(jī)組簡(jiǎn)化 模型，量化變槳風(fēng)電機(jī)組調(diào)整時(shí)間，得到基于變槳風(fēng)電機(jī)組降階模型的等效時(shí)間常數(shù)；以風(fēng) 電場(chǎng)閉環(huán)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)態(tài) 風(fēng)速信息，計(jì)算得到分配給變槳風(fēng)電機(jī)組的給定功率。
[0007] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，考慮風(fēng)電機(jī)組 間參數(shù)與工況差異等狀態(tài)信息，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)特性，消除了機(jī)組參數(shù)不同、風(fēng)資源波動(dòng) 性導(dǎo)致的機(jī)組響應(yīng)特性的差異，從而能夠準(zhǔn)確反映機(jī)組調(diào)整時(shí)間，并且使得風(fēng)電機(jī)組能夠 在相同時(shí)間內(nèi)完成給定功率，縮短了閉環(huán)周期，改善了風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明提供的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法的流程示意圖。
[0009] 圖2為本發(fā)明提供的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法中變槳風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的示 意圖。
[0010] 圖3為本發(fā)明提供的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法中線性化后風(fēng)電機(jī)組線性 化模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖4為本發(fā)明提供的考慮機(jī)組差異性和風(fēng)資源波動(dòng)性的閉環(huán)風(fēng)電場(chǎng)等效變換示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面根據(jù)說(shuō)明書(shū)附圖并結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)表述。
[0013] 請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種考慮變槳機(jī)組動(dòng)態(tài)的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方 法，主要包括以下步驟：
[0014] 步驟S10,根據(jù)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間尺度的需求，對(duì)變槳風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行降階，得 到變槳機(jī)組簡(jiǎn)化模型。
[0015] 步驟S20,量化變槳風(fēng)電機(jī)組調(diào)整時(shí)間，得到基于變槳風(fēng)電機(jī)組降階模型的等效時(shí) 間常數(shù)。
[0016] 步驟S30,以風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機(jī)組的 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)速信息，計(jì)算得到分配給變槳風(fēng)電機(jī)組的給定功率。
[0017] 在步驟S10中，所述變槳機(jī)組的簡(jiǎn)化模型的獲取包括如下步驟：
[0018] 步驟S11，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲原理，得到變槳風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程。
[0019] 所述風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要決定于風(fēng)力機(jī)所捕獲的風(fēng)能，變槳風(fēng)力機(jī)捕獲 風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩如下：
[0020]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟： 根據(jù)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間尺度的需求，對(duì)變槳風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行降階，得到變槳風(fēng)電機(jī) 組簡(jiǎn)化模型； 依據(jù)變槳機(jī)組簡(jiǎn)化模型，量化變槳風(fēng)電機(jī)組調(diào)整時(shí)間，得到基于變槳風(fēng)電機(jī)組降階模 型的等效時(shí)間常數(shù)； 以風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀 態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)速信息，計(jì)算得到分配給變槳風(fēng)電機(jī)組的給定功率。
2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，所述變槳機(jī)組 的簡(jiǎn)化模型的獲取包括如下步驟： 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲原理，得到變槳風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程； 利用傳遞函數(shù)表示變槳風(fēng)力機(jī)槳距角運(yùn)動(dòng)方程； 根據(jù)變槳風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程與槳距角運(yùn)動(dòng)方程，得到變槳機(jī)組數(shù)學(xué)模型； 忽略時(shí)間尺度毫秒級(jí)的電磁調(diào)節(jié)模塊，將變槳風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型在平衡點(diǎn)處線性化得 到變槳風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型。
3. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，變槳風(fēng)力機(jī)捕 獲風(fēng)能產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩如下：
式中：G為變槳風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲系數(shù)；P為空氣密度；為葉輪半徑；為風(fēng)速； 叫為變槳風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；其中，變槳風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲系數(shù)G是風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角 的函數(shù)，即：
式中，2為變槳風(fēng)力機(jī)葉尖速比，々為槳距角；(^-(36為常數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，在單質(zhì)量塊模 型中，忽略機(jī)械損耗，則變槳風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：
式中為風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；G為風(fēng)電機(jī)組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；J為變槳風(fēng)電機(jī) 組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
5. 如權(quán)利要求4所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，電磁轉(zhuǎn)矩工作 在最大功率跟蹤模式，與轉(zhuǎn)速關(guān)系滿足：
其中，β M為變槳風(fēng)力機(jī)槳距角控制器產(chǎn)生的槳距角參考值，C ^iax為最大功率跟蹤模 式下的風(fēng)能捕獲系數(shù)，λ_為對(duì)應(yīng)的最佳葉尖速比；槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)為液壓系統(tǒng)，4為槳 距角調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，變槳風(fēng)力機(jī)槳 距角的運(yùn)動(dòng)方程為：
用傳遞函數(shù)描述為：
7. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，所述等效時(shí)間 常數(shù)的獲取包括如下步驟： 根據(jù)變槳機(jī)組簡(jiǎn)化模型，得到傳遞函數(shù)描述的變槳機(jī)組簡(jiǎn)化模型數(shù)學(xué)模型，風(fēng)速不變 時(shí)的變槳風(fēng)電機(jī)組閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
據(jù)上述得到的傳遞函數(shù)，計(jì)算閉環(huán)特征根，所述閉環(huán)傳遞函數(shù)特征方程為：
? 根據(jù)閉環(huán)特征方程，計(jì)算變槳機(jī)組降階模型的調(diào)整時(shí)間：
考慮風(fēng)資源波動(dòng)性，得到考慮機(jī)組差異性和風(fēng)資源波動(dòng)性的等效時(shí)間常數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，所述閉環(huán)傳遞 函數(shù)特征方程的特征根為一對(duì)共軛復(fù)根：
9. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，以風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié) 時(shí)間最短為目標(biāo)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)的控制方法進(jìn)行優(yōu)化，遵循調(diào)節(jié)速度快則多 發(fā)，速度慢則少發(fā)的原則，得到目標(biāo)函數(shù)：
式中6_為第η臺(tái)機(jī)組完成給定功率&^所需要的調(diào)節(jié)時(shí)間fn = UJ，F(xiàn)為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi) 機(jī)組調(diào)節(jié)時(shí)間的平均數(shù)，S'為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組調(diào)整時(shí)間的方差。
10. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī) 組準(zhǔn)確執(zhí)行調(diào)度下發(fā)的指令為基本要求對(duì)風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率進(jìn)行控制，即風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組 給定功率需要滿足：
式中，為調(diào)度下發(fā)的指令，為第η臺(tái)機(jī)組的給定功率。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟：根據(jù)調(diào)度對(duì)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間尺度的需求，對(duì)變槳風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行降階，得到變槳風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型；依據(jù)變槳機(jī)組簡(jiǎn)化模型，量化變槳風(fēng)電機(jī)組調(diào)整時(shí)間，得到基于變槳風(fēng)電機(jī)組降階模型的等效時(shí)間常數(shù)；以風(fēng)電場(chǎng)閉環(huán)最優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)與動(dòng)態(tài)風(fēng)速信息，計(jì)算得到分配給變槳風(fēng)電機(jī)組的給定功率。本發(fā)明考慮了變槳機(jī)組動(dòng)態(tài)響應(yīng)，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單且能夠準(zhǔn)確反映機(jī)組外特性。
【IPC分類】H02J3-46
【公開(kāi)號(hào)】CN104538989
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410364168
【發(fā)明人】喬穎, 魯宗相
【申請(qǐng)人】清華大學(xué), 海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年7月29日