風(fēng)電場閉環(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)電場閉環(huán)有功功率控制方法，尤其涉及一種考慮變槳機組動態(tài) 響應(yīng)的風(fēng)電場閉環(huán)有功控制方法，屬于風(fēng)電場控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動性和隨機性，不能提供穩(wěn)定的發(fā)電功率。為了應(yīng)對大規(guī) 模風(fēng)電接入給電網(wǎng)有功調(diào)度和安全穩(wěn)定帶來的巨大壓力和新的挑戰(zhàn)。GB/T19963-2011《風(fēng) 電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和國家電網(wǎng)公司出臺的《風(fēng)電調(diào)度運行管理規(guī)范》等規(guī)范風(fēng)電 并網(wǎng)運行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并明確要求，風(fēng)電場應(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，國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)電場閉環(huán)有功功率控制展開大量研宄，關(guān)于風(fēng)電場有 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)化運行為目標(biāo)展開研宄。 另一類，部分學(xué)者從有功控制能力的角度展開研宄。
[0004] 然而，在上述研宄的分析過程中均未考慮風(fēng)電機組的動態(tài)響應(yīng)過程，仍存在以下 兩點問題：一方面機組間響應(yīng)特性存在差異性，難以同時完成下發(fā)的給定功率，這會導(dǎo)致 閉環(huán)過程中控制指令下發(fā)時間存在嚴(yán)重超前或滯后，穩(wěn)態(tài)精度較低；另一方面風(fēng)電場通常 由幾十臺甚至上百臺風(fēng)力發(fā)電機組成，在協(xié)調(diào)分配計算時計算時間長，占用內(nèi)存大，實現(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組動態(tài)響應(yīng)、計算過程相對簡單且準(zhǔn)確 反映機組外特性的風(fēng)電場有功功率的控制方法。
[0006] 一種風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟：根據(jù)調(diào)度對風(fēng)電場時間尺 度的需求，對變槳風(fēng)電機組模型進行降階，得到變槳風(fēng)電機組簡化模型；依據(jù)變槳機組簡化 模型，量化變槳風(fēng)電機組調(diào)整時間，得到基于變槳風(fēng)電機組降階模型的等效時間常數(shù)；以風(fēng) 電場閉環(huán)最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機組的風(fēng)電場運行狀態(tài)與動態(tài) 風(fēng)速信息，計算得到分配給變槳風(fēng)電機組的給定功率。
[0007] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，考慮風(fēng)電機組 間參數(shù)與工況差異等狀態(tài)信息，根據(jù)風(fēng)電機組響應(yīng)特性，消除了機組參數(shù)不同、風(fēng)資源波動 性導(dǎo)致的機組響應(yīng)特性的差異，從而能夠準(zhǔn)確反映機組調(diào)整時間，并且使得風(fēng)電機組能夠 在相同時間內(nèi)完成給定功率，縮短了閉環(huán)周期，改善了風(fēng)電場閉環(huán)動態(tài)特性。
【附圖說明】
[0008] 圖1為本發(fā)明提供的風(fēng)電場閉環(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)電場閉環(huán)有功功率的控制方法中變槳風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的示 意圖。
[0010] 圖3為本發(fā)明提供的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法中線性化后風(fēng)電機組線性 化模型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖4為本發(fā)明提供的考慮機組差異性和風(fēng)資源波動性的閉環(huán)風(fēng)電場等效變換示 意圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步詳細(xì)表述。
[0013] 請參閱圖1，本發(fā)明提供一種考慮變槳機組動態(tài)的風(fēng)電場閉環(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)度對風(fēng)電場時間尺度的需求，對變槳風(fēng)電機組模型進行降階，得 到變槳機組簡化模型。
[0015] 步驟S20,量化變槳風(fēng)電機組調(diào)整時間，得到基于變槳風(fēng)電機組降階模型的等效時 間常數(shù)。
[0016] 步驟S30,以風(fēng)電場閉環(huán)最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機組的 風(fēng)電場運行狀態(tài)與動態(tài)風(fēng)速信息，計算得到分配給變槳風(fēng)電機組的給定功率。
[0017] 在步驟S10中，所述變槳機組的簡化模型的獲取包括如下步驟：
[0018] 步驟S11，根據(jù)風(fēng)電機組風(fēng)能捕獲原理，得到變槳風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子運動方程。
[0019] 所述風(fēng)電機組輸出的有功功率主要決定于風(fēng)力機所捕獲的風(fēng)能，變槳風(fēng)力機捕獲 風(fēng)能產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩如下：
[0020]
【主權(quán)項】
1. 一種風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟： 根據(jù)調(diào)度對風(fēng)電場時間尺度的需求，對變槳風(fēng)電機組模型進行降階，得到變槳風(fēng)電機 組簡化模型； 依據(jù)變槳機組簡化模型，量化變槳風(fēng)電機組調(diào)整時間，得到基于變槳風(fēng)電機組降階模 型的等效時間常數(shù)； 以風(fēng)電場閉環(huán)最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機組的風(fēng)電場運行狀 態(tài)與動態(tài)風(fēng)速信息，計算得到分配給變槳風(fēng)電機組的給定功率。
2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，所述變槳機組 的簡化模型的獲取包括如下步驟： 根據(jù)風(fēng)電機組風(fēng)能捕獲原理，得到變槳風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子運動方程； 利用傳遞函數(shù)表示變槳風(fēng)力機槳距角運動方程； 根據(jù)變槳風(fēng)力機轉(zhuǎn)子運動方程與槳距角運動方程，得到變槳機組數(shù)學(xué)模型； 忽略時間尺度毫秒級的電磁調(diào)節(jié)模塊，將變槳風(fēng)電機組數(shù)學(xué)模型在平衡點處線性化得 到變槳風(fēng)電機組簡化模型。
3. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，變槳風(fēng)力機捕 獲風(fēng)能產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩如下：
式中：G為變槳風(fēng)力機的風(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)力機轉(zhuǎn)速；其中，變槳風(fēng)力機的風(fēng)能捕獲系數(shù)G是風(fēng)速、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速和槳距角 的函數(shù)，即：
式中，2為變槳風(fēng)力機葉尖速比，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，忽略機械損耗，則變槳風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子運動方程為：
式中為風(fēng)力機捕獲的機械轉(zhuǎn)矩；G為風(fēng)電機組輸出的電磁轉(zhuǎn)矩；J為變槳風(fēng)電機 組的轉(zhuǎn)動慣量。
5. 如權(quán)利要求4所述的風(fēng)電場閉環(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_為對應(yīng)的最佳葉尖速比；槳距角執(zhí)行機構(gòu)為液壓系統(tǒng)，4為槳 距角調(diào)節(jié)時間常數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，變槳風(fēng)力機槳 距角的運動方程為：
用傳遞函數(shù)描述為：
7. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，所述等效時間 常數(shù)的獲取包括如下步驟： 根據(jù)變槳機組簡化模型，得到傳遞函數(shù)描述的變槳機組簡化模型數(shù)學(xué)模型，風(fēng)速不變 時的變槳風(fēng)電機組閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
據(jù)上述得到的傳遞函數(shù)，計算閉環(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，計算變槳機組降階模型的調(diào)整時間：
考慮風(fēng)資源波動性，得到考慮機組差異性和風(fēng)資源波動性的等效時間常數(shù)。
8. 如權(quán)利要求7所述的風(fēng)電場閉環(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共軛復(fù)根：
9. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，以風(fēng)電場調(diào)節(jié) 時間最短為目標(biāo)對動態(tài)響應(yīng)過程的風(fēng)電場閉環(huán)的控制方法進行優(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臺機組完成給定功率&^所需要的調(diào)節(jié)時間fn = UJ，F(xiàn)為風(fēng)電場內(nèi) 機組調(diào)節(jié)時間的平均數(shù)，S'為風(fēng)電場內(nèi)機組調(diào)整時間的方差。
10. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，其特征在于，以風(fēng)電場內(nèi)機 組準(zhǔn)確執(zhí)行調(diào)度下發(fā)的指令為基本要求對風(fēng)電場閉環(huán)有功功率進行控制，即風(fēng)電場內(nèi)機組 給定功率需要滿足：
式中，為調(diào)度下發(fā)的指令，為第η臺機組的給定功率。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種風(fēng)電場閉環(huán)有功功率的控制方法，包括以下步驟：根據(jù)調(diào)度對風(fēng)電場時間尺度的需求，對變槳風(fēng)電機組模型進行降階，得到變槳風(fēng)電機組簡化模型；依據(jù)變槳機組簡化模型，量化變槳風(fēng)電機組調(diào)整時間，得到基于變槳風(fēng)電機組降階模型的等效時間常數(shù)；以風(fēng)電場閉環(huán)最優(yōu)動態(tài)響應(yīng)為目標(biāo)，并根據(jù)含多種不同類型風(fēng)電機組的風(fēng)電場運行狀態(tài)與動態(tài)風(fēng)速信息，計算得到分配給變槳風(fēng)電機組的給定功率。本發(fā)明考慮了變槳機組動態(tài)響應(yīng)，計算過程相對簡單且能夠準(zhǔn)確反映機組外特性。
【IPC分類】H02J3-46
【公開號】CN104538989
【申請?zhí)枴緾N201410364168
【發(fā)明人】喬穎, 魯宗相
【申請人】清華大學(xué), 海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年7月29日