[发明专利]基于限转速平滑功率控制的风机变桨优化方法

说明书

本发明公开了一种基于限转速平滑功率控制的风机变桨优化方法，针对风机在高风速风况下频繁变桨的问题，该方法在基于限转速平滑功率控制减小风机输出功率波动的基础上，充分利用任意桨距角大转动惯量风轮动能缓冲/释放作用，实现风机在任意桨距角下的转速区间控制；变速调节与变桨调节配合使用，变速调节光滑由小幅值、高频率风速波动导致的功率波动，变桨调节应对大幅值、低频率的风速变化。功率波动引起的电网频率波动在电网允许范围内，本发明有效降低变桨动作的幅度和频率，减小变桨伺服机构的疲劳程度和叶片载荷，延长风机寿命。

技术领域

本发明属于风机控制领域，具体涉及一种基于限转速平滑功率控制的风机变桨优化方法。

背景技术

风电功率具有显著的随机性和波动性。随着其大规模、高渗透率并入电网，风电功率秒级至分钟级的剧烈波动将使电网面临严峻的频率稳定问题。为此，风电机组需要采取一系列的平滑功率控制，以此来缓解电网调频压力。

目前，实现风电功率平滑的方法主要可以分为两大类：依靠外部储能的平滑功率方法和依靠风机控制的方法。对于前者，利用储能设备的能量缓存虽能有效减小风电功率波动，但也大幅增加了风电场的发电成本与运维难度。因此，考虑到大转动惯量风轮同样可用作能量缓冲，依靠风机控制的方法业已成为当前研究热点。

依靠风机控制的功率平滑主要包括优先桨距角控制和优先转速控制。前者通过调节桨距角调整输入气动功率，其过于频繁的桨距角动作大幅增大了变桨伺服机构的疲劳和叶片载荷。相比而言，优先转速控制通过交替积累和释放风轮动能，不仅实现了风电功率的平滑输出，而且有效减少了桨距角动作量。这将有利于平滑功率控制的工程应用。

然而，研究发现：由于设置的风机运行转速上限较低，风速的上升易使风机积聚动能，导致其加速至转速上限值。风轮转速达到上限值时，不仅风轮的动能缓冲机制失效，而且风机控制重点也从原有的变速控制转变为仅依赖变桨调节的恒转速控制。此时，风机频繁的桨距角动作增大了变桨伺服机构的疲劳程度与叶片载荷。究其原因在于，现有平滑功率方法囿于变速和变桨控制的独立应用，导致只有桨距角为零度时的风轮才被用作动能缓冲器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于限转速平滑功率控制的风机变桨优化方法，通过将任意桨距角下的风轮均用作动能缓冲，变速调节与变桨调节交替进行，极大程度上减少了桨距角动作幅度和频率，降低了变桨伺服机构的动作压力和叶片载荷。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于限转速平滑功率控制的风机变桨优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的结构参数、气动参数，结构参数包括风机的叶片半径R，额定转速ω_rate，气动参数包括空气密度ρ、最优叶尖速比λ_opt以及最大风能利用系数C_pmax；

步骤2、基于限转速平滑功率控制方法，确定转速区间[ω_lim.l,ω_lim.u]

步骤3、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_lim.l≤ω_r≤ω_lim.u时，选择模式1：恒定桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤4；

步骤4、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_r＞ω_lim.u时，选择模式2：上调桨距角模式，进入步骤6，否则，进入步骤5；

步骤5、根据转速信号ω_r选择桨距角控制模式，当ω_rω_lim.l时，选择模式3：下调桨距角模式，进入步骤6；

步骤6、获得参考桨距角指令β_ref。