基于导数最优的功率转换及暂态储能控制方法

摘要

本发明公开了一种并网风电场的能量控制方法，其特征在于其包括：设置一个数据采集和判断周期；通过实时监控系统搜集风场每台风机的实时功率数据，包括：每台风机当前功率、每台风机下一周期功率指令、风电场当前总输出功率、风电场下一周期总输出功率指令；设置一个风场输出节点允许的功率波动率极限值；设置一种增量判断规则，用于判断下一周期的功率控制趋势是实时风能功率指令为增量进行，或者以极限值为增量进行；设置一种能量分配规则，用于分配极限功率在风机中的比例；本发明在不额外增加储能设备的前提下通过风轮的暂态储能作用解决了风电场瞬态功率波动问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种并网风电场的能量控制方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

进入21世纪，并网风力发电倍受关注，发展十分迅猛。根据世界风能协会(WWEA)统计，全球总装机容量已从2001年的24,322MW增长为2009年的159,213MW。随着并网风电容量的增加，风电快速的输出功率波动使其成为电网的一种随机扰动源，不利于电网的稳定性。至少可以表现为以下两个方面：(1)快速的能量波动而电网的调节滞后，将容易造成接入点的电压波动，出现闪变；(2)功率不平衡将引起系统中节点的频率波动。风机产生功率波动的原因主要来源于风速的随机性和间歇性，但大量变速恒频机组采用的实时最大功率点跟踪控制方式加剧了波动，特别是瞬时功率波动。针对这种瞬时功率波动，风电场可以在不增加额外储能设备的前提下通过改变控制策略寻求风机效率和电网稳定性之间的平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不增加额外储能设备的前提下，对风电场输出功率进行导数最优控制的方法。

借助风轮的储能在保证风机较高效率的前提下减小风电的瞬时功率波动对电网电能质量的威胁。

为了达到上述目的，本发明是采用以下技术方案来实现的：

一种基于导数最优的功率转换及暂态储能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据实时监控系统搜集的每台风机当前功率和下一周期功率计算单台风机的功率增量(ΔP_x)，同时计算风场总功率增量(∑ΔP)，

ΔP_x＝P_x2-P_x1，x∈{1，2，3，4...n-1，n}…………………(式1)

式1中：n表示风场中总风机台数；

P_x2表示第x台风机下一周期的功率指令；

P_x1表示第x台风机当前周期的功率值；

ΔP_x表示第x台风机的功率增量；

∑ΔP＝ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃+...+ΔP_n-1+ΔP_n……………………(式2)

式2中：∑ΔP表示风场总功率增量；

2)根据ΔP_x将风场的风机集合分为三个子集：a)功率增加的风机；b)功率不变的风机；c)功率减小的风机；

3)根据风场总功率增量(∑ΔP)判断是否进入功率限制程序：若|∑ΔP/T|≤M，则不进入功率限制程序，风机按照各自主控单元下一周期功率指令(P_x2)进行功率跟踪和调节，本次判断结束；若|∑ΔP/T|＞M，则进入功率限制程序，所允许的风场总功率增量绝对值为：M·T；

4)若进入功率限制程序，则进行功率分配：若∑ΔP/T＞M，则查找出功率增加的风机子集元素，同时对这些风机的功率增量按式3进行修正与分配，

ΔP′_x＝(ΔP_x/|∑ΔP|)×(M·T)，x∈{1，2，3，4...n-1，n}…………………(式3)

式3中：ΔP′_x为下一周期功率将要增加或减小的风机功率指令修订值；

T为数据采集和判断周期；

M为风场输出节点允许的功率波动率极限值

若∑ΔP/T＜-M，则查找出功率减小的风机子集元素，同时对这些风机的功率增量按式3进行修正与分配。

前述的基于导数最优的功率转换及暂态储能控制方法，其特征在于：所述的实时监控系统为SCADA系统。

本发明采用上述方案平抑功率变化时，若发电机当前输出功率低于风轮实际功率，即发电机电磁转矩小于风轮机械转矩，风轮将增速，没有被发电机吸收的风能将转化为风轮的动能，风轮存储能量。若发电机当前输出功率高于风轮实际功率，即发电机电磁转矩大于风轮机械转矩，风轮将减速，风轮的动能转化为发电机电能输出，风轮释放能量。上述方案中对能量波动率限幅不针对单台风机进行，而是针对风电场进行。这样明显的优势在于：当风场中同时存在快速功率增加和功率降低的风机时，风电场总输出功率变化可能不大，即单台风机的快速功率波动没有传递到电网，这时不需要限制单台风机的功率变化率，单台风机仍执行最大功率跟踪算法，保证效率。

附图说明

图1为根据风场中风机的功率变化趋势将风机分类示意图；

图2为实施流程图；

具体实施方式

附图2为具体实施方案流程，结合附图叙述如下：

本发明的工作原理为：

1)设置一个数据采集和判断周期，记为T；设置的数据采集和判断周期应保证功率跟踪的实时性，保证风机较高的效率。这个周期是建立在通讯波特率基础上的。

2)通过实时监控系统(如SCADA系统)搜集风场每台风机的实时功率数据，包括：①当前功率，分别记为：P₁₁，P₂₁，P₃₁…P_(n-1)1，P_n1；②下一周期功率指令，分别记为：P₁₂，P₂₂，P₃₂…P_(n-1)2，P_n2。另将风场当前总输出功率记为∑P₁，有：∑P₁＝P₁₁+P₂₁+P₃₁+...+P_(n-1)1+P_n1；风电场下一周期总输出功率指令记为∑P₂，有：∑P₂＝P₁₂+P₂₂+P₃₂+...+P_(n-1)2+P_n2；SCADA搜集的每台风机当前和下一周期功率信息作为增量选择规则和能量分配规则的依据。

3)设置一个风场输出节点允许的功率波动率极限值M，单位为kW/s；风电场的极限功率波动率在于限制风电波动对电网的危害水平。

4)设置一种增量判断规则，用于判断下一周期的功率控制趋势或以实时风能功率指令为增量进行，或以极限值(M·T)为增量进行；增量判断规则判断是否需要进入能量分配规则。

5)设置一种能量分配规则，用于分配(M·T)在风机中的比例；能量分配规则应使风机尽量运行于其最佳叶尖速比附近。

具体步骤如下：

1)根据SCADA搜集的每台风机当前功率和下一周期功率计算单台风机的功率增量(ΔP_x)，如式1所示。同时计算风场总功率增量(∑ΔP)，如式2所示。

ΔP_x＝P_x2-P_x1，x∈{1，2，3，4...n-1，n}…………………(式1)

式1中：n表示风场中总风机台数；

P_x2表示第x台风机下一周期的功率指令；

P_x1表示第x台风机当前周期的功率值；

ΔP_x表示第x台风机的功率增量；

∑ΔP＝ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃+...+ΔP_n-1+ΔP_n……………………(式2)

式2中：∑ΔP表示风场总功率增量；

2)根据ΔP_x可将风场的风机集合分为三个子集，即：a)功率增加的风机；b)功率不变的风机；c)功率减小的风机。如图1所示。

3)根据风场总功率增量(∑ΔP)判断是否进入功率限制程序。若|∑ΔP/T|≤M，则不进入功率限制程序，风机按照各自主控单元下一周期功率指令(P_x2)进行功率跟踪和调节，本次判断结束。若|∑ΔP/T|＞M，则进入功率限制程序。所允许的风场总功率增量绝对值为：M·T。

4)若进入功率限制程序，则进行功率分配。若∑ΔP/T＞M，则需要查找出功率增加的风机子集元素。同时对这些风机的功率增量进行修正与分配，如式3所示。即这些风机不再以ΔP_x为指令值，而是以修正值ΔP′_x为指令值。

ΔP′_x＝(ΔP_x/|∑ΔP|)×(M·T)，x∈{1，2，3，4...n-1，n}…………………(式3)

式3中：ΔP′_x为下一周期功率将要增加(或减小)的风机功率指令修订值；

T为数据采集和判断周期；

M为风场输出节点允许的功率波动率极限值

若∑ΔP/T＜-M，则需要查找出功率减小的风机子集元素。同时对这些风机的功率增量进行修正与分配，如式3所示。即这些风机不再以ΔP_x为指令值，而是以ΔP′_x为指令值。

上述的能量平抑过程，实际也是风轮进行能量暂态存储和释放的过程。通过此过程，实现电能质量与风机效率之间的平衡，并且实施比较简单。

以上实例不以任何形式限制本发明，凡采用等同变换或等效变换所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。