一种风机转速恢复控制方法、系统及海上风电场与流程

1.本发明属于电力系统控制领域，更具体地，涉及一种风机转速恢复控制方法、系统及海上风电场。


背景技术：

2.近年来，海上风电因具有稳定性强、能源丰富、不占用陆地面积、以及噪声污染小等优势受到了全球广泛关注。当海上风电的离岸距离较远时，多端柔性直流输电系统是可有效地解决大规模远海风电并网消纳的手段。采用柔性直流输电方式并网时，由于变速风力发电机组与陆上交流系统频率解耦，海上风电场无法对于陆上系统发生的频率偏移做出直接响应，相当于减小了电力系统惯性，将削弱电力系统的频率调节能力。因此，海上风电场参与电力系统的频率调节十分必要。
3.海上风电场参与电力系统频率调节的主要方式是通过采用减载控制和转子转速控制。减载控制分为超速减载控制以及桨距角减载控制。采用减载策略为风电场储备了备用能量，但其在风机正常运行过程中减小了其经济性，且变桨距的控制策略易造成机械磨损。采用转子转速控制主要问题在于——海上风电场的风机在释放转子动能提供频率支持后，在转子转速恢复阶段由于易导致系统频率二次跌落。如图1所示，采用转速控制时，风机正常工作状态下工作在输入机械功率pm与最大功率点跟踪曲线(maximum power point tracking，mppt)的交点a处。当风机参与频率支撑后，将通过减小转子转速，释放转子动能，增大输出电磁功率pe，此时风机工作点先上升，后因陆上系统频率情况好转，下降到b点，此时若采用现有方法进行转速恢复，在b点处会出现功率的阶跃下降，然后风机工作点随转速回升而出力上升，直到工作点回到最大功率点跟踪曲线mppt，由c点沿最大功率点跟踪曲线回到频率事件前的原工作点。由于采用现存方法在b点产生的功率缺额，将导致陆上系统的频率再次跌落，即二次频率跌落。当此时的功率缺额过大时，二次频率跌落甚至可能比一次频率跌落更为严重。
4.现有的风机转速恢复控制策略包括：1、连续恢复方法。在风机工作过程中始终使用pi(proportional integral，比例积分)控制，风机提供频率支撑后，由于pi控制，风机将自动回到与原工作状态近似的工作点。2、阶跃恢复方法。在风机结束频率支持时，将风机附加功率直接归0，风机沿mppt曲线回到原工作点。
5.然而，现存控制策略中，连续恢复控制策略由于积分环节存在，无法使风机回到原工作运行点。而阶跃恢复的方法可能造成二次频率跌落比一次更严重，从而影响陆上交流系统的稳定性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风机转速恢复控制方法、系统及海上风电场，由此解决现有的风机转速恢复控制策略不能很好地缓解陆上交流系统产生的二次频率跌落的技术问题。
7.为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种风机转速恢复控制方法，包括：
8.s1，在海上风电场中的任一风机wti对陆上交流系统提供频率支撑后，获取所述风机wti在t1时刻的附加功率p
s1,i
(t1)；其中，在t1时刻，所述风机的输出电磁功率与输入机械功率相等，i为风机编号；
9.s2，将p
s1,i
(1t)作为风机预设加速曲线δp
s2,i
(t)在t1时刻的初始值，并使得t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续变化为0；其中，δt为预设转速恢复时间；
10.s3，对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速在t1～t1 δt期间满足附加功率控制条件，以使所述风机在t1 δt时刻完成转速恢复。
11.优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续线性变化为0。
12.优选地，t1时刻至t1 δt时刻，所述风机预设加速曲线的表达式为：
[0013][0014]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续非线性变化为0。
[0015]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线呈余弦或抛物线形式。
[0016]
优选地，所述附加功率控制条件为：
[0017]
pe＝ωr×
(k0ω
r2
δp
s2,i
(t))；
[0018]
其中，pe为风机的输出电磁功率，ωr为风机转速，k0为最大功率点跟踪曲线系数。
[0019]
优选地，5s≤δt≤25s
[0020]
优选地，所述方法还包括，在所述对陆上系统提供频率支撑前，以及在所述风机完成转速恢复后，对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速满足以下关系式：
[0021]
pe＝k0ω
r3
；
[0022]
其中，pe为风机的输出电磁功率，ωr为风机转速，k0为最大功率点跟踪曲线系数。
[0023]
按照本发明的第二方面，提供了一种风机转速恢复控制系统，包括：
[0024]
数据采集模块，用于在海上风电场中的任一风机wti对陆上系统提供频率支撑后，获取所述风机wti在t1时刻的附加功率p
s1,i
(t1)；其中，在t1时刻，所述风机的输出电磁功率与输入机械功率相等，i为风机编号；
[0025]
数据处理模块，用于将p
s1,i
(t1)作为风机预设加速曲线δp
s2,i
(t)在t1时刻的初始值，并使得t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续变化为0；其中，δt为预设转速恢复时间；
[0026]
控制模块，用于对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速在t1～t1 δt期间满足附加功率控制条件，以使所述风机在t1 δt时刻完成转速恢复。
[0027]
按照本发明的第三方面，提供了一种海上风电场，包括多台风机，其特征在于，各风机均采用如第二方面所述的风机转速恢复控制系统。
[0028]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
[0029]
1、本发明提供的风机转速恢复控制方法，通过设定转速恢复阶段开始时刻的判据，即输入机械功率等于输出电磁功率，保证风机提供频率支撑的时间；并使风机在转速恢复期间，其瞬时功率和转速满足附加功率的控制条件，由于在风机转速恢复的初始时刻t1，加速曲线δp
s2,i
(t
1)
的初始值为风机频率支持阶段附加功率末值p
s1,i
(t1)，且在转速恢复期间，加速曲线的值δp
s2,i
(t)会从p
s1,i
(t1)变化到0，因此，各风机转速恢复曲线的参数，即加速曲线δp
s2,i
(t)渐进变化，输出功率逐渐趋近于最大功率点跟踪曲线，最终与最大功率点跟踪曲线一致。从而避免了风机切换到转速恢复阶段的输出瞬时功率突变，实现风机转速的平滑恢复，有效缓解了陆上交流系统的二次频率跌落问题。
[0030]
2、本发明提供的风机转速恢复控制方法，使各风机转速恢复曲线的加速曲线δp
s2,i
(t)在转速恢复期间线性变化，从p
s1,i
(t1)逐渐降低为0，可简化风机转速恢复期间的转矩控制，使风机由频率支撑阶段更为平滑地转换到转速恢复阶段。
[0031]
3、本发明提供的风机转速恢复控制方法，设定的转速恢复时间为5s～25s，由此能够避免因转速恢复时间设置过短，而缓解陆上系统二次频率跌落问题效果不佳，同时避免因转速恢复时间设置过长，对风电场风机正常运行产生较大干扰，无法及时回到原工作点为下次事件做准备。
附图说明
[0032]
图1为现有的风机转速恢复策略导致二次频率跌落的原理示意图；
[0033]
图2为本发明提供的风机转速恢复控制方法流程示意图；
[0034]
图3为本发明提供的风机转速恢复控制方法控制原理图；
[0035]
图4为本发明提供的风机转速恢复控制方法缓解二次频率跌落的原理示意图；
[0036]
图5为本发明提供的海上风电场经柔性直流电网并入陆上交流系统的电力系统示意图；
[0037]
图6为采用不同转速恢复控制方法时陆上换流站vsc 1频率随时间变化的曲线图；
[0038]
图7为采用不同转速恢复控制方法时vsc 2频率随时间变化的曲线图。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]
为缓解现存的风机转速恢复控制策略导致的陆上系统二次频率跌落情况的技术问题，本发明提供了一种风机转速恢复控制方法、控制系统及海上风电场，其整体思路在于：当风机满足输入机械功率与输出电磁功率相等时，使风机进入转速恢复阶段，对风机瞬时功率设计加速曲线δp
s2,i
(t)，使风机输出功率pe和转速ωr满足附加功率控制条件，并使加速曲线的值δp
s2,i
(t)在转速恢复期间由上一阶段附加功率的末值变化到0，从而输出功率逐渐趋近于最大功率点跟踪曲线，最终回到最大功率点跟踪曲线。该方法可有效保证风机频率支持的时间，避免风机切换到转速恢复阶段的输出瞬时功率突变，有效缓解陆上交
流系统的二次频率跌落问题。
[0041]
本发明实施例提供一种风机转速恢复控制方法，如图2所示，包括：
[0042]
s1，在海上风电场中的任一风机wti对陆上交流系统提供频率支撑后，获取所述风机wti在t1时刻的附加功率p
s1,i
(t1)；其中，在t1时刻，所述风机的输入机械功率与输出电磁功率相等，i为风机编号。
[0043]
具体地，对于海上风电场中的每一台风机wti，获取其在对陆上系统提供频率支撑后，输入机械功率与输出电磁功率相等时刻、即t1时刻的附加功率p
s1,i
(t1)。
[0044]
s2，将p
s1,i
(1t)作为风机预设加速曲线δp
s2,i
(t)在t1时刻的初始值，并使得t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续变化为0；其中，δt为预设转速恢复时间。
[0045]
具体地，将t1时刻作为转速恢复阶段的预设加速曲线δp
s2,i
(t)的初始时刻，将p
s1,i
(t1)作为转速恢复阶段的预设加速曲线δp
s2,i
(t)在初始时刻，即t1时刻的初值δp
s2,i
(t1)，并确定预设加速曲线δp
s2,i
(t)在时间段t1～t1 δt的表达式，使预设加速曲线的值在t1～t1 δt的时间段内由p
s1,i
(t1)恢复至0；p
s1,i
(t1)为风机提供频率支撑阶段的附加功率末值，δt为预设的转速恢复时间。
[0046]
s3，对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速在t1～t1 δt期间满足附加功率控制条件，以使所述风机在t1 δt时刻完成转速恢复。
[0047]
优选地，所述附加功率控制条件为：
[0048]
pe＝ωr×
(k0ω
r2
δp
s2,i
(t))
ꢀꢀꢀ
(1)
[0049]
其中，pe为风机的输出电磁功率，ωr为风机转速，k0为最大功率点跟踪曲线系数。
[0050]
具体地，对所述风机wti进行输出电磁转矩控制，使其输出功率pe和转速ωr在转速恢复阶段t1～t1 δt内满足式(1)，从而在时刻t1 δt完成转速恢复。
[0051]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续线性变化为0。
[0052]
具体地，设定加速曲线在风机转速恢复阶段随时间线性变化，可简化风机转速恢复期间的转矩控制，并使风机转速恢复更为平滑。
[0053]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，所述风机预设加速曲线的表达式为：
[0054][0055]
具体地，公式(2)的推导过程如下：
[0056]
首先探究加速曲线形状与二次频率跌落间的关系。转速恢复初始时刻t1时刻的系统频率方程如式(3)：
[0057][0058]
在转速恢复阶段，系统负荷可视作不变；同步机忽略调速系统作用。对于不同形状加速曲线，其t1时刻陆上频率变化率相同，可将df/dt(t1)视作常数c1，因此可得式(4)：
[0059][0060]
其中，δpe(t)＝pe(t)-pe(t1)，δf(t)＝f(t)-f(t1)。
[0061]
当陆上系统频率下降至二次频率跌落最低点时，陆上系统频率变化率为0，因此整理可得式(5)。
[0062][0063]
因此，二次频率跌落δf与风机出力pe间具有近似线性的关系。转子能量可表达为：
[0064][0065]
带入转子运动方程可得：
[0066][0067]
由于风机输入机械功率pm表达式较复杂，且从图5中可看出其在风机参与调频过程中随时间变化很小，因此，将pm视作恒定值，得到式(8)：
[0068][0069]
由式(8)得二次频率最大跌落幅度δf与转子能量变化率最大值de/dt间具近似线性的负相关关系。故选择的加速曲线形状尽可能减小转子能量变化率最大值，才可以有效缓解二次频率跌落问题。
[0070]
将风机转速恢复阶段出力表达式带入风机转子运动方程式(7)则可得到加速曲线δp
s2
与转子能量变化率de/dt间的关系。
[0071][0072]
对式(9)等式两边求导得：
[0073][0074]
当转子能量变化率de/dt取极值时，有：
[0075][0076]
因此：
[0077][0078]
又由于上式中加速曲线标幺值δp
s2
相对于3k0ω
r2
一项较小，因此等式括号中的3k0ω
r2
项对右侧式子影响更大。最终得到转子转速ωr与加速曲线δp
s2
有以下近似关系：
[0079][0080]
由式(13)可知，减小风机转子恢复阶段时的转子能量变化率峰值需要减小加速曲线变化率最大值。对所有形状的加速曲线而言，在设定相同的转速恢复时间δtr时，其曲线在转速恢复初始时刻t1时的初值(即p
s1
(t1))以及在t1 δt时刻的末值(即0)相等，当其变
化率保持不变时，有最小的变化率峰值。因此缓解二次频率跌落最有效的加速曲线为斜率始终保持不变的斜坡曲线。
[0081]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续非线性变化为0。
[0082]
优选地，t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线呈余弦或抛物线形式。
[0083]
具体地，也可以使用余弦、抛物线等其他的关系确定加速曲线的变化方式。
[0084]
优选地，5s≤δt≤25s。
[0085]
具体地，综合考虑对陆上交流系统二次频率跌落的缓解效果以及控制效益，本发明中，转速恢复时间的取值范围具体是5s≤δt≤25s；本实施例中，δt＝10s。
[0086]
优选地，所述方法还包括，在所述对陆上系统提供频率支撑前，以及在所述风机完成转速恢复后，对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速满足以下关系式：
[0087]
pe＝k0ω
r3
ꢀꢀꢀ
(14)
[0088]
其中，pe为风机的输出电磁功率，ωr为风机转速，k0为最大功率点跟踪曲线系数。
[0089]
具体地，在风机提供频率支持前以及转速恢复阶段结束后，无需考虑陆上交流系统二次频率跌落的问题，因此，在风机提供频率支持前以及风机转速恢复结束后，对风机wti进行转矩控制，使其瞬时输入机械功率pm和转速ωr满足pe＝k0ω
r3
。
[0090]
基于本发明提供的风机转速恢复控制方法，风电场的风机参与频率调整的过程可分为如图3所示的3个阶段，包括频率支撑阶段、转速恢复阶段以及最大功率点跟踪阶段(mppt阶段)。在频率支撑阶段，风机的瞬时功率pe和转速ωr满足pe＝ωr×
(k0ω
r2
p
s1,i
(t))的关系；其中，p
s1,i
(t)表示附加功率值，包括惯量控制功率值和一次调频功率值；在转速恢复阶段，风机的瞬时功率pe和转速ωr满足pe＝ωr×
(k0ω
r2
δp
s2,i
(t))的关系；在最大功率点跟踪阶段，风机的瞬时功率pe和转速ωr满足pe＝k0ω
r3
的约束关系。
[0091]
本发明提供的风机转速恢复控制方法，设置了风机转入转速恢复阶段的判据，并使风机在转速恢复期间，其加速曲线δp
s2,i
(t)渐进变化，输出功率逐渐趋近于最大功率点跟踪曲线，并最终与最大功率点跟踪曲线一致，如图4所示，当风机开始进行频率支撑，工作点从正常工作状态的最大功率跟踪点a点升高，直至陆上系统频率情况好转，输入功率与输出功率相等，工作点变化至b点时，风机进入转子转速恢复阶段。通过采集此时b处的附加功率p
s1,i
(t1)，可以得到加速曲线δp
s2,i
(t)的初始值，随后δp
s2,i
(t)渐进减小至0，这样风机工作点可由b点较为平滑地回到最大功率点跟踪曲线上的c点，避免了风机的输出功率在转速恢复阶段的突变，实现了风机各阶段间的平滑切换，有效缓解了陆上交流系统的二次频率跌落问题。也即，a点至b点为频率支撑阶段、b点至c点为转速恢复阶段，c点至a点为最大功率点跟踪阶段(mppt阶段)。
[0092]
以下结合一个具体的应用场景，对本实施例所能取得的有益效果进行进一步的描述。
[0093]
如图5所示的一个三区域的电力系统，包含两个海上风电场和一个陆上交流系统。其中，area1表示陆上交流系统，area2和area3分别表示海上风电场和。area2海上风电场通过换流器vsc4、vsc1和vsc2将电能输送至陆上交流系统area1，area3海上风电场通过换流器vsc3和vsc2将电能输送至陆上交流系统area1。g1～g4为陆上系统中的4台同步发电机，
g5～g9表示海上风电场的5台风机，g10～g14表示海上风电场中的5台风机。
[0094]
在母线a在10s时发生200mw负荷突增事件的情况下，采用本发明提出的转速恢复控制方法、现有的连续恢复方法、以及现有的阶跃恢复方法分别对area2即海上风电场1中的风机进行转速恢复控制，不同转速恢复控制策略下，陆上换流站vsc 1和vsc 2测量频率随时间变化的曲线图分别如图6和图7所示。由如图6和图7可知，采用现存其他控制方法时，换流站处测量频率将出现明显的二次频率跌落现象；而采用本发明提供的风机转速恢复控制方法后，可以有效缓解二次频率跌落问题。
[0095]
下面对本发明提供的风机转速恢复控制系统进行描述，下文描述的风机转速恢复控制系统与上文描述的风机转速恢复控制方法可相互对应参照。
[0096]
本发明实施例提供一种风机转速恢复控制系统，包括：
[0097]
数据采集模块，用于在海上风电场中的任一风机wti对陆上系统提供频率支撑后，获取所述风机wti在t1时刻的附加功率p
s1,i
(t1)；其中，在t1时刻，所述风机的输出电磁功率与输入机械功率相等，i为风机编号；
[0098]
数据处理模块，用于将p
s1,i
(t1)作为风机预设加速曲线δp
s2,i
(t)在t1时刻的初始值，并使得t1时刻至t1 δt时刻，风机预设加速曲线的值从p
s1,i
(t1)连续变化为0；其中，δt为预设转速恢复时间；
[0099]
控制模块，用于对所述风机的输出电磁转矩进行控制，使其输出电磁功率和转速在t1～t1 δt期间满足附加功率控制条件，以使所述风机在t1 δt时刻完成转速恢复。
[0100]
本发明提供一种海上风电场，包括多台风机，各风机均采用如上述实施例所述的风机转速恢复控制系统。
[0101]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。