一種設有轉速禁區的風電機組限功率控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及風電機組限功率控制的技術領域，尤其是指一種設有轉速禁區的風電機組限功率控制方法。
【背景技術】
[0002]現代風力發電機組基本上都為變速、柔性結構；并且在單機容量上從上世紀的千瓦級別突破到目前的3-8MW，未來應用到海上的單機容量將達到1Mff。在這樣的背景下，為最大程度的獲取風能和降低機組載荷，風力發電機組需要擁有大范圍的變速運行區間。但大范圍的速度范圍將可能導致機組葉輪旋轉頻率和機組其它部件，如葉片、塔架和傳動鏈的固有頻率在某個速度點上重合，從而導致共振。當部件的優化設計無法解決共振問題時，通過控制策略來避免機組運行在共振轉速點是唯一可行的方法。一般情況下，共振轉速在并網轉速和額定轉速之間，因此在常規控制策略中，圍繞這一區域的控制策略都是針對于轉矩控制器而進行的優化設計。
[0003]在目前公開的文獻中，有兩種控制策略來建立和跨越包含共振轉速在內的轉速禁區，避免機組運行在特定的轉速范圍，分別為荷蘭風能研究機構ECN提出的轉速-轉矩非線性函數法[參考文獻:Crossing resonance rotor speeds of wind turbines](方法I)和GH公司提出的基于PI控制的斜率設定法[參考文獻:The Design of closed loopcontrollers for wind turbines](方法2)。基于常規的轉速-轉矩查表轉矩控制方法，雖然沒有相關專利文獻公開它的具體設計方案，但方法I在風電控制系統中已經得到廣泛應用，例如明陽風電的兩葉片機組控制系統的應用中。方法2基于轉速-轉矩的PI控制，雖然GH公司有相關文獻中講述過它的原理，但目前只有明陽風電申請了基于這一方法的專利設計[參考專利:一種避開風電塔架固有頻率點的控制方法]。但上述文獻及專利中，針對具有轉速禁區的控制策略設計局限于常規控制模式下，也即機組運行在最大風能獲取的模式下。
[0004]隨著電力系統中風電比重的不斷攀升，為維持電網系統的穩定性，風電系統被要求和常規能源一樣進行調度控制。無論對于目前集中大電網系統和離網孤島電網，還是將來的分布式電網系統中，來自于電網調度指令下的限功率控制都將會是風電機組的常規運行模式。對于一般風電機組，限功率控制方法已經在眾多文獻中被加以研究，例如[參考文獻 -Comparative study on the performance of control systems for doubly fedinduct1n generator (DFIG)wind turbines operating with power regulat1n]中針對雙饋風電機組比較研究了三種限功率控制策略。在專利申請方面，先后有華北電力大學公開的風電場限功率運行控制方法及系統[參考專利:一種控制風電機組限功率運行的方法及系統]，金風科技公開的限功率控制方法[參考專利:一種風機的限功率運行控制方法、裝置及系統]和國電聯合動力公開的限功率方法[參考專利:一種變速變槳距風電機組全風速限功率優化控制方法]。但上述文獻和專利只考慮全轉速范圍正常的機組控制，無法滿足具有轉速禁區的機組需求。
[0005]對于具有轉速禁區的機組，需要結合它原有控制策略的特點來設計合適的限功率控制策略，滿足機組在常規控制模式和限功率控制模式下的功率輸出要求，以及自身的載荷約束。通過研究具有轉速禁區機組的常規控制策略，考慮限功率控制下的特殊需求，本發明提出一種解決方案。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種設有轉速禁區的風電機組限功率控制方法，能有效解決此類具有轉速禁區的機組的限功率運行問題。
[0007]為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為:一種設有轉速禁區的風電機組限功率控制方法，所述風電機組限功率控制方法以轉速設定作為第一控制目標，功率輸出作為第二控制目標，通過將限功率值的大小和常規控制策略中的轉速禁區值比較，進而劃分出允許轉速設定區域，確保機組在運行過程中有效避開轉速禁區的同時，輸出期望的功率，并且將控制性能指標分成三類:載荷降低作為主要指標，載荷降低和發電量優化的綜合指標和發電量優化作為主要指標，選擇不同的轉速設定值，即可滿足機組不同設計類型的性能需求；其包括以下步驟:
[0008]I)根據限功率值和轉速禁區的功率限制值的比較結果，將轉速設定目標范圍劃分為第一區域和第二區域；
[0009]2)根據控制性能指標，從對應的目標區域中選擇所需的轉速設定值作為變槳控制器和轉矩控制器的輸入；
[0010]3)根據轉速設定值的設定，變槳控制器和轉矩控制器在常規控制器的作用下進行輸出。
[0011]在步驟I)中，將限功率值和轉速禁區的功率限值中的大值進行比較；
[0012]當限功率值在[0，轉速禁區的功率限制的大值]范圍內，轉速設定目標限制在第一區域；當限功率值在[轉速禁區的功率限制的大值，額定功率]范圍內，轉速設定目標限制在第二區域；
[0013]第一區域位于[并網轉速，轉速禁區的下限轉速]范圍，第二區域位于[轉速禁區的下限轉速，額定轉速]范圍；
[0014]為避免限功率值頻繁變化引起的轉速設定目標在第一區域和第二區域之間的來回切換，設定等待時間使轉速設定目標區域在等待時間內不會進行區域切換；
[0015]當轉速設定目標在第一區域和第二區域之間切換時，設置斜率限制，避免轉速設定值在切換過程中的突變。
[0016]在步驟2)中，所述控制性能指標分為三種:載荷降低作為主要指標，載荷降低和發電量優化的綜合指標和發電量優化作為主要指標；
[0017]轉速設定值的選擇分為三種模式:最小轉速設定、中間轉速設定和最高轉速設定，分別與載荷降低、綜合指標和發電量優化三種性能指標對應；
[0018]當轉速設定目標位于第一區域時，最小轉速設定選擇限功率值對應的最低轉速，最高轉速設定選擇轉速禁區的下限轉速，中間轉速設定選取最小轉速和最高轉速的平均值；
[0019]當轉速設定目標位于第二區域時，最小轉速設定選擇轉速禁區的上限轉速和限功率值對應的最低轉速之間的較小值，最高轉速設定選擇額定轉速，中間轉速設定選取最小轉速和最高轉速的平均值；
[0020]限功率值對應的最低轉速根據預先設定的查表值進行計算得到，查表點根據電氣部件的容量與轉速之間的約束關系設置。
[0021]在步驟3)中，轉速設定值分別作為常規變槳控制器和轉矩控制器的給定輸入，常規變槳控制器維持原狀，轉矩控制器需要進行限幅后進行輸出；
[0022]轉矩控制器的限幅上限值取限功率值乘以特定系數除以當前轉速值，該特定系數等于限功率下的允許的最大功率與限功率值的比值。
[0023]本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0024]本發明提出的限功率控制方法能有效解決此類具有轉速禁區的機組的限功率運行問題。通過將限功率值的大小和常規控制策略中的轉速禁區值比較，進而劃分出允許轉速設定區域，確保機組在運行過程中有效避開轉速禁區的同時，輸出期望的功率。同時，將控制性能指標分成三類，選擇不同的轉速設定值，即可滿足機組不同設計類型的性能需求。因此，在只對常規控制策略下做有限修改的情況下(對轉矩控制器輸出加入利用限功率值計算得到轉矩限制值)滿足機組常規運行和限功率運行，本發明提出的技術方案能很方便地應用于現有的控制策略。根據經驗，在限功率運行模式下，較高的運行轉速在提升機組能量捕獲的同時也加大機組主要部件的載荷。基于此經驗，在允許轉速設定區域選擇合適的轉速設定值，即可滿足考慮機組不同運行時期和不同風況下對控制性能的不同需求，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0025]圖1為常規運行模式下，具有轉速禁區的機組的轉矩控制特性曲線圖之一。
[0026]圖2為常規運行模式下，具有轉速禁區的機組的轉矩控制特性曲線圖之二。
[0027]圖3為本發明所述風電機組限功率控制方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。
[0029]在介紹本發明方法之前，需要對具有轉速禁區的常規運行模式下的控制策略進行介紹。常規運行模式下，具有轉速禁區的機組的轉矩控制特性曲線分為如附圖1和附圖2所示的兩種。
[0030]圖1所示的