一种风电机组变工况最优有功功率控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种风电机组变工况最优有功功率控制方法及系统，该方法包括以下步骤：设计多目标优化函数，获得风电机组最优功率点跟踪的多目标优化模型，利用无模型自适应预测控制，结合多目标优化函数，构建全风速下变工况最优功率控制算法，将最优控制变量值输送给风电机组；进行风速预测，实施前馈控制，结合优化结果实现在变工况条件下风电机组功率的最优控制。本发明专利技术通过设计不显含受控对象任何模型信息的数据驱动控制律，得到仅利用对象在线I/O数据的MFAPC算法，可保证全风速范围内输出功率和控制变化量的多目标滚动优化目标，实现在功率平稳变化的同时减少桨距角的载荷不均的目标，能够应用于变速变桨系统风力发电机组的控制系统中。控制系统中。控制系统中。

【技术实现步骤摘要】
一种风电机组变工况最优有功功率控制方法及系统


[0001]本专利技术属于风力发电
，具体涉及一种风电机组变工况最优有功功率控制方 法及系统。

技术介绍

[0002]风的随机波动与间歇特性决定了变桨距系统大扰动、随机时变和非线性的特点。传统 基于机理模型的控制算法，如中国专利技术专利，公告号CN102588211B，专利名称为一种风 力发电机组全工况模型预测控制方法及系统公开的MPC控制等，由于对设备结构模型的 依赖性较高，很难较好地实现系统的优化控制及运行。因此，基于传统机理模型的控制无 法从根本上解决空气动力学等不确定因素对风机稳定性产生的影响，使其在含风场电力系 统AGC调度的实际应用中较难达到满意的效果。
[0003]此外，对于复杂耦合的变速变桨风能转换系统，采用两个独立的控制器分别针对低、 高两种不同风速下的控制目标调节发电机功率和转速，忽略了系统的多变量特性，且不利 于全风速变桨距系统的稳定调节。因此，研究针对不同工况主动变速和桨距角控制相结合 的变工况控制器，同时调整桨距角和电机转速以实现全风速范围内的有功功率平滑控制和 系统的安全稳定运行，成为变桨距优化控制研究的热点问题。
[0004]中国专利技术专利，公告号CN101769232A，专利名称为一种定桨距变速风力发电机组的 全风速功率控制方法，公开了该控制方法由转速调节环节
①
、最大功率跟踪环节
②
和最大 功率限制环节
③
三个部分构成。其中转速调节环节有转速调节器PID1组成；最大功率跟 踪控制环由转速反馈最佳功率控制算法和调节器PID2组成；最大功率限制环节由气动功 率观测器和调节器PID3组成。运用本专利技术控制方法可以方便的实现机组额定转速对应的 风速以下的最大功率跟踪、额定转速对应的风速以上和额定风速以下的恒转速运行、额定 风速以上的恒功率运行以及这三个工况之间的软切换。但是该专利包含一定的模型信息， 且未设置减轻随机风速影响的前馈补偿方法和考虑多目标最优控制。
[0005]中国专利技术专利，公告号CN102588211B，专利名称为一种风力发电机组全工况模型预 测控制方法及系统，公开该系统包括MPC控制器、反馈信息测量器、风轮、传动链、塔 筒、发电单元、变桨驱动器、变流器，风轮、传动链、塔筒和发电单元的状态变量通过反 馈信息测量器检测得到，检测结果传递给MPC控制器，通过MPC控制器计算出叶片桨距 角和发电机转矩的目标，通过变桨驱动器和变流器对叶片桨距角和风力发电机转矩进行调 整。该专利的控制器基于被控系统模型信息，可能存在未建模动态，而且该系统未提及在 变工况下进行多目标优化设计。

技术实现思路

[0006]为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种风电机组变工况最 优有功功率控制方法及系统，保证在随机大扰动风速环境下工作的风力发电机组在变工 况、大扰动下的安全可靠运行。
[0007]为实现上述目的，达到上述技术效果，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，包括以下步骤：
[0009]根据风电机组第2工况和第3工况的运行目标，设计以输出功率最优和控制变化量最 小为目标的多目标优化函数，获得风电机组最优功率点跟踪的多目标优化模型，利用无模 型自适应预测控制，结合多目标优化函数，构建全风速下变工况最优功率控制算法，将最 优控制变量值输送给风电机组。为了对快速变化的风速进行超前预测与控制，通过前馈模 块，利用采集到的天气预报数据和神经网络预测模型，如小世界预测算法(SWBP算法)， 进行风速预测，以此实施前馈控制，结合滚动优化结果，实现在变工况条件下风电机组功 率的最优控制。
[0010]一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，具体还包括以下步骤：
[0011]步骤1：构建目标函数
[0012]1)输出功率最优
[0013]建立全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目标函数；
[0014]2)控制变化量最小
[0015]建立以桨距角和转速为控制变量的最小变化量目标函数；
[0016]步骤2：设置约束条件，包括气动功率平衡约束条件、输出功率上下限约束条件和参 数可行性范围约束条件；
[0017]步骤3：构建多目标优化模型
[0018]基于全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目标函数和以桨距角和转速为 控制变量的最小变化量目标函数构建风电机组输出功率最优、控制变化量最小的多目标函 数，最终获得风电机组最优功率点跟踪的多目标优化模型；
[0019]步骤4：构建输出功率预测模型
[0020]步骤5：MFAPC控制律的推导
[0021]步骤6：未知参数伪偏导数的估计
[0022]步骤7：伪偏导数的N步超前预测。
[0023]步骤8：利用风速预测数据对控制器进行前馈校正。
[0024]步骤1中，目标函数的构建步骤包括：
[0025]1)输出功率最优
[0026]针对风电机组额定风速以下最大风能捕获，额定风速以上额定功率输出的控制目标， 将全风速范围内的期望输出功率表示为min{P
e
,P
m
}，其中，P
m
为风电机组从风能中捕获 的功率理论值，P
e
为额定功率，故建立全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目 标函数：
[0027]J
p
＝ω
p
|P
k
‑
min{P
e
,P
m
}|+(1
‑
ω
p
)|P
k+1
‑
min{P
e
,P
m
}|
ꢀꢀꢀ
(1)
[0028]式中：ω
p
∈(0,1)为权重系数；P
k
为k时刻的输出功率；P
k+1
为k+1时刻的预测功率；
[0029]2)控制变化量最小
[0030]以桨距角β和转速ω为控制变量的最小变化量目标函数表示为：
[0031][0032]式中：ω
k
、ω
k+1
分别为k时刻和k+1时刻的发电机组的发电机转速；β
k
、β
k+1
分别为k 时刻和k+1时刻的发电机桨距角；分别为计算得到k+1时刻的发电机转速和桨 距角；α
ω
、α
β
为最小化权系数，且α
ω
+α
β
＝1；n为优化进程，取n＝150。
[0033]步骤2中，气动功率平衡约束为：
[0034][0035][0036]式中：ρ为空气密度，kg/m3，一般为1.25～1.29；R为风轮半径，m；ν为风速，m/s；
[0037]输出功率上下限约束为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据风电机组第2工况和第3工况的运行目标，设计以输出功率最优和控制变化量最小为目标的多目标优化函数，获得风电机组最优功率点跟踪的多目标优化模型，利用无模型自适应预测控制，结合多目标优化函数，构建全风速下变工况最优功率控制算法，将最优控制变量值输送给风电机组；进行风速预测，实施前馈控制，结合优化结果实现在变工况条件下风电机组功率的最优控制。2.根据权利要求1所述的一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：构建目标函数1)输出功率最优建立全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目标函数；2)控制变化量最小建立以桨距角和转速为控制变量的最小变化量目标函数；步骤2：设置约束条件，包括气动功率平衡约束条件、输出功率上下限约束条件和参数可行性范围约束条件；步骤3：构建多目标优化模型基于全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目标函数和以桨距角和转速为控制变量的最小变化量目标函数构建风电机组输出功率最优、控制变化量最小的多目标函数，最终获得风电机组最优功率点跟踪的多目标优化模型；步骤4：构建输出功率预测模型步骤5：MFAPC控制律的推导步骤6：未知参数伪偏导数的估计步骤7：伪偏导数的N步超前预测。步骤8：利用风速预测数据对控制器进行前馈校正。3.根据权利要求2所述的一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，其特征在于，步骤1中，目标函数的构建步骤包括：1)输出功率最优针对风电机组额定风速以下最大风能捕获，额定风速以上额定功率输出的控制目标，将全风速范围内的期望输出功率表示为min{P
e
,P
m
}，其中，P
m
为风电机组从风能中捕获的功率理论值，P
e
为额定功率，故建立全风速范围内实际功率输出追踪期望功率输出的目标函数：J
p
＝ω
p
|P
k
‑
min{P
e
,P
m
}|+(1
‑
ω
p
)|P
k+1
‑
min{P
e
,P
m
}|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中：ω
p
∈(0,1)为权重系数；P
k
为k时刻的输出功率；P
k+1
为k+1时刻的预测功率；2)控制变化量最小以桨距角β和转速ω为控制变量的最小变化量目标函数表示为：式中：ω
k
、ω
k+1
分别为k时刻和k+1时刻的发电机组的发电机转速；β
k
、β
k+1
分别为k时刻
和k+1时刻的发电机桨距角；分别为计算得到k+1时刻的发电机转速和桨距角；α
ω
、α
β
为最小化权系数，且α
ω
+α
β
＝1；n为优化进程，取n＝150；步骤2中，气动功率平衡约束为：步骤2中，气动功率平衡约束为：式中：ρ为空气密度，kg/m3，一般为1.25～1.29；R为风轮半径，m；ν为风速，m/s；输出功率上下限约束为：0≤P
k+1
≤min{P
e
,P
m
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)参数可行性范围约束为：参数可行性范围约束为：式中：β
+
、β
‑
分别为桨距角的变化范围上下限；ω
+
、ω
‑
分别为转速的变化范围上下限。4.根据权利要求2所述的一种风电机组变工况最优有功功率控制方法，其特征在于，步骤3中，多目标优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：麻红波，杨继明，李丹阳，高岳，曹利蒲，陈岩磊，
申请(专利权)人：北京华能新锐控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：