一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法技术

本发明专利技术一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其可在快速有功功率控制期间减少所有PMSG的桨距角波动，且可最小化风力发电机的疲劳损伤，延长其使用寿命并减少维护费用；包括以下步骤：S1、风力发电场中的风电场控制器向若干个永磁同步发电机发送参考功率，随后构建永磁同步发电机的数学模型，以获得风力发电机的功率系数c

【技术实现步骤摘要】
一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法


[0001]本专利技术涉及风力发电
，尤其涉及一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法。

技术介绍

[0002]为了减缓气候变化并实现巴黎气候目标，化石能源必须被风能、水力和太阳能等可再生能源取代。目前，风能是仅次于水力发电的第二大能源。这一增长趋势似乎将在未来继续下去，直到2050年成为主要的能源生产来源，为了促进这一积极和可持续的趋势，风能和风力发电机的研究必须继续并向前迈进。
[0003]在目前风机电组单机容量不断增大和风电技术不断成熟的背景下，如今大型风机电组的重点是如何降低制造和运行的成本；其中降低风电机组成本的一个有效途径是减小风电机组各关键部件的磨损，以此提高风电设备的可靠性、延长风力发电机使用寿命。但是大型风电机组在风湍流、风剪切、塔影效应、偏航偏差等气动效应的影响下会对叶轮产生不均衡的载荷，且伴随着风轮直径越大，整个风轮面受力的不均衡度就越强，叶轮上不均衡载荷也就越明显，而叶轮上的不均衡载荷会给变桨轴承、轮毂、主轴、偏航轴承、塔架等风电机组关键部件造成很大疲劳载荷，也就会增加运行成本。理论上分析，若在风力发电机快速有功功率调节控制运行期间，通过叶片变桨控制，减小风力发电机的桨距角波动，可将最小化风力发电机的疲劳损伤，从而延长其使用寿命并减少维护费用，但目前桨距角是通过传统的比例积分控制器(PI)来确定的，该方法存在一定的误差，使得结果不够准确，也就无法作为使用依据。由此，研究考虑风力发电机的变桨控制方法是亟需解决的关键问题。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1、风力发电场中的风电场控制器向若干个永磁同步发电机发送参考功率，随后构建永磁同步发电机的数学模型，以获得风力发电机的功率系数c
P
；
[0008]S2、构建包含多个永磁同步发电机数学模型的风电场的尾流效应模型，以从功率系数c
P
中确定若干桨距角β；
[0009]S3、构建风力发电场的快速有功功率控制模型，以满足永磁同步发电机的桨距角β波动最小。
[0010]进一步地，所述步骤S1中，永磁同步发电机数学模型的表达式为：
[0011]P
mech
＝0.5ρAv3c
P
(λ,β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中，P
mech
表示机械输入功率；
[0013]ρ、A和v分别表示空气密度、叶片转子扫掠面积和风速；
[0014]c
P
是风力发电机的功率系数；
[0015]λ为叶尖速比；β为桨距角；
[0016]进一步地，风力发电机的功率系数c
P
表示为：
[0017][0018]其中，
[0019][0020]进一步地，所述步骤S2中，通过尾流效应模型的构建，获得在考虑尾流效应后的合成风速，合成风速的表达式为：
[0021][0022]其中，V
i
表示WTG
j
的合成风速；
[0023]WTG
j
表示为第j个风力发电机；
[0024]V
j
是WTG
j
处没有任何尾流时的风速；
[0025]β
ji
是WTG
i
阴影下的面积与其总面积的比率；
[0026]WTG
i
表示为第i个风力发电机；
[0027]x
ji
是第j和第i个风力发电机单元之间的径向距离；
[0028]a
j
是WTG
j
的轴向感应系数；
[0029]D
j
是WTG
j
转子面积的直径；
[0030]k表示用于实现MPPT控制的常数；
[0031]n是风力发电机的总数；
[0032]进一步地，所述快速有功功率控制模型的构建包括以下步骤：
[0033]S3.1、风电场控制器向永磁同步发电机分配所需功率以调节公共耦合点的输出功率，分配规则为：
[0034][0035]其中，和分别是WTG
i
的参考功率、有功功率控制命令和可用功率；
[0036]WTG
i
表示为第i个风力发电机；
[0037]S3.2、风力发电机控制器从风电场控制器接收参考功率以获得风力发电机的参考功率系数表达式为：
[0038][0039]P
air
＝0.5ρAv3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0040]其中，P
air
是可用空气功率；
[0041]S3.3、根据风力发电机的参考功率系数确定得到最佳的叶尖速比λ；
[0042]进一步地，确定桨距角β波动最小，包括以下步骤：
[0043]S4.1、基于不同桨距角β绘制特性曲线；
[0044]S4.2、通过风力发电机的参考功率系数确定第一直线；
[0045]S4.3、通过最佳的叶尖速比λ确定第二直线；
[0046]S4.4、根据特性曲线与所述第一直线、第二直线，确定三者相交交点，则交点位置即为最佳桨距角，记作β
ref
，满足波动最小。
[0047]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0048]本专利可在快速有功功率控制期间减少所有永磁同步发电机的桨距角波动，即从风力发电机的功率系数c
P
解析获得若干桨距角β后，通过构建快速有功功率控制模型，确定在有功功率调节期间最佳的叶尖速比λ，最后获得满足波动最小的最佳桨距角β
ref
，从而不仅能够确保在桨距角和转子速度波动最小的情况下稳定的有功功率控制运行，且可最小化风力发电机的疲劳损伤，延长其使用寿命并减少维护费用。
[0049]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本专利技术的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0050]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0051]图1为本专利技术的流程框图；
[0052]图2为永磁同步发电机PMSG的机械输入功率特性曲线图；
[0053]图3为本专利技术风电场中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、风力发电场中的风电场控制器向若干个永磁同步发电机发送参考功率，随后构建永磁同步发电机的数学模型，以获得风力发电机的功率系数c
P
；S2、构建包含多个永磁同步发电机数学模型的风电场的尾流效应模型，以从功率系数c
P
中确定若干桨距角β；S3、构建风力发电场的快速有功功率控制模型，以满足永磁同步发电机的桨距角β波动最小。2.根据权利要求1所述的一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，永磁同步发电机数学模型的表达式为：P
mech
＝0.5ρAv3c
P
(λ,β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，P
mech
表示机械输入功率；ρ、A和v分别表示空气密度、叶片转子扫掠面积和风速；c
P
是风力发电机的功率系数；λ为叶尖速比；β为桨距角。3.根据权利要求1所述的一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其特征在于，风力发电机的功率系数c
P
表示为：其中，4.根据权利要求1所述的一种考虑风力发电机快速有功功率调节的桨距角控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过尾流效应模型的构建，获得在考虑尾流效应后的合成风速，合成风速的表达式为：其中，V
i
表示WTG
j
的合成风速；WTG
j
表示为第j个风力发电机；V
j
是WTG
j
处没有任何尾流时的风速；β
ji
是...

【专利技术属性】
技术研发人员：张长安，邓巍，刘腾飞，汪臻，张恩享，郭靖，李冲，马勇，许瑾，张轶东，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：