考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法及系统

557 编辑：中冶有色技术网来源：南京理工大学

2024-06-12 14:51:43

权利要求书： 1.一种考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比λopt、最大风能利用系数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

步骤2，检测电网频率偏差是否超过死区，若没有，则启动最大功率点跟踪控制，否则风机启动惯性响应控制，转入步骤3；

步骤3，电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入步骤4；

步骤4，根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入步骤5，否则，转入步骤3；

步骤5，将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入步骤6；

步骤6，根据风机的实际转速选择转速恢复阶段的电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则电磁功率设定选择风机镇定模式，之后转入步骤7；

步骤7，根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入步骤6。

2.根据权利要求1所述的考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，其特征在于，步骤6中所述风轮加速模式对应的电磁功率指令Pe.ref设定形式为：式中， Cp(λsub)为λsub对应的风能利用系数。

3.根据权利要求2所述的考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，其特征在于，步骤6中所述风机镇定模式对应的电磁功率指令Pe.ref设定形式为：式中，Ksub为次优功率曲线系数，其计算公式为：

4.根据权利要求3所述的考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，其特征在于，步骤7中所述转速恢复终止条件为：式中，为下风机最大功率点对应转速。

5.用于实现权利要求1至4所述方法的考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制系统，其特征在于，所述系统包括依次执行的：风机参数获取模块，用于获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比λopt、最大风能利用系数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

惯性响应控制启动模块，用于实时检测电网频率偏差是否超过死区，若超过，风机启动惯性响应控制，之后转入频率支撑阶段电磁功率设定模块，否则，风机启动最大功率点跟踪控制；

频率支撑阶段电磁功率设定模块，用于将电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入第一判断模块；

第一判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入基准转速初始化模块，否则，转入频率支撑阶段电磁功率设定模块；

基准转速初始化模块，用于将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块；

转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块，用于根据风机的实际转速选择电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则电磁功率设定选择风机镇定模式，之后转入第二判断模块；

第二判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块。

说明书：考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法及系统

技术领域[0001] 本发明属于风机控制领域，特别是一种考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法及系统。

背景技术[0002] 当前电力系统中广泛采用的变速风电机组通常运行在最大功率点跟踪模式，风轮转速与电网频率解耦，越来越高的风电占比给维持电力系统频率稳定带来艰巨挑战。为此，

在发生频率事件时，风电机组需要采用惯性相应控制，通过释放风轮动能为电网提供短时

有功功率支撑，从而改善电网频率响应。

[0003] 为保障风电机组运行稳定性及发电效益，在频率支撑结束后风轮需要重新加速至最优转速。目前，对于转速恢复方法的研究大多关注风轮转速恢复和电网支撑的协调问题，

主要提出了两类转速恢复方法，分别是基于恒定电磁功率的恢复方法和基于预设加速功率

的恢复方法。前者根据低于风轮捕获气动功率的某一恒定值设定风电机组电磁功率指令，

后者根据预期的加速功率以及风轮捕获气动功率设定风电机组的电磁功率指令。

[0004] 然而，上述转速恢复方法均采用单一的电磁功率设定。由于实际湍流风速具有很强的随机波动性，单一的电磁功率设定无法满足风电机组兼顾转速恢复和电网支撑的运行

要求。一方面，若恢复方法始终采用过高的电磁功率设定，湍流风速中包含的渐弱阵风可能

导致恢复中断、甚至恢复失败，进而造成电网频率的二次跌落；另一方面，渐弱阵风时持续

恢复转速会导致风电机组对电网有功功率支撑不足，进而引起电网频率二次跌落。

发明内容[0005] 本发明的目的在于提供一种考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法及系统，在转速恢复阶段根据风况调整电磁功率设定，在湍流风速下既能够可靠

恢复转速，同时避免引起电网频率二次跌落。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，所述方法包括以下步骤：

[0007] 步骤1，获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比λopt、最大风能利用系

数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

[0008] 步骤2，检测电网频率偏差是否超过死区，若没有，则启动最大功率点跟踪控制，否则风机启动惯性响应控制，转入步骤3；

[0009] 步骤3，电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入步骤4；[0010] 步骤4，根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入步骤5，否则，转入步骤3；

[0011] 步骤5，将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入步骤6；

[0012] 步骤6，根据风机的实际转速选择转速恢复阶段的电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则电磁功率设定选择风机

镇定模式，之后转入步骤7；

[0013] 步骤7，根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入步骤6。

[0014] 一种考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制系统，所述系统包括依次执行的：

[0015] 风机参数获取模块，用于获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比

λopt、最大风能利用系数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

[0016] 惯性响应控制启动模块，用于实时检测电网频率偏差是否超过死区，若超过，风机启动惯性响应控制，之后转入频率支撑阶段电磁功率设定模块，否则，风机启动最大功率点

跟踪控制；

[0017] 频率支撑阶段电磁功率设定模块，用于将电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入第一判断模块；

[0018] 第一判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入基准转速初始化模块，否则，转入频率支撑阶段电磁功率设定模块；

[0019] 基准转速初始化模块，用于将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块；

[0020] 转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块，用于根据风机的实际转速选择电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则

电磁功率设定选择风机镇定模式，之后转入第二判断模块；

[0021] 第二判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模

块。

[0022] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)提出了一种考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法，解决了现有方法在湍流风速下难以兼顾转速可靠恢复

和电网频率支撑的问题；2)公开了考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制

方法的步骤，通过在转速恢复阶段根据风况调整电磁功率设定，在渐强阵风时利用强劲的

气动功率加速风轮，在渐弱阵风时跟踪次优功率曲线镇定风机，能够在实际湍流风速下可

靠恢复风轮转速，同时避免引起电网频率二次跌落。

[0023] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。附图说明[0024] 图1为本发明的转速恢复策略流程图。[0025] 图2为本发明考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法的控制器结构图。

[0026] 图3为一个实施例中本发明有效性验证的实验结果，其中图(a)为湍流风速，图(b)～图(d)分别为本发明所提方法和现有方法的风机输出电磁功率、风轮转速、以及对电网频

率的影响比较。

具体实施方式[0027] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不

用于限定本申请。

[0028] 本发明提供了一种考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法，所述方法包括以下步骤：

[0029] 步骤1，获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比λopt、最大风能利用系

数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

[0030] 步骤2，检测电网频率偏差是否超过死区，若没有，则启动最大功率点跟踪控制，否则风机启动惯性响应控制，转入步骤3；

[0031] 步骤3，电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入步骤4；[0032] 步骤4，根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入步骤5，否则，转入步骤3；

[0033] 步骤5，将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入步骤6；

[0034] 步骤6，根据风机的实际转速选择转速恢复阶段的电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则电磁功率设定选择风机

镇定模式，之后转入步骤7；

[0035] 步骤7，根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入步骤6。

[0036] 进一步地，结合图1，对本发明在转速恢复阶段的电磁功率设定策略进行说明：[0037] 步骤6中所述风轮加速模式的具体形式为：当时，利用渐强阵风带来的强劲气动功率加速风轮，对应的电磁功率指令Pe.ref设定形式为：

[0038][0039] 式中， Cp(λsub)为λsub对应的风能利用系数。[0040] 步骤6中所述风机镇定模式的具体形式为：当时，中断转速恢复，通过跟踪次优功率曲线维持风机稳定运行，对应的电磁功率指令Pe.ref设定形式为：

[0041][0042] 式中，Ksub为次优功率曲线系数，其计算公式为：[0043][0044] 步骤7中所述转速恢复终止条件为：[0045][0046] 式中，为下风机最大功率点对应转速。[0047] 本发明提供了一种考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制系统，所述系统包括依次执行的：

[0048] 风机参数获取模块，用于获取风机的结构参数和气动参数；所述结构参数包括风轮半径R、电磁转矩上限Tlim、转速下限ωmin，所述气动参数包括空气密度ρ，最优叶尖速比

λopt、最大风能利用系数Cpmax、风机的实时转速ωr、平均风速以及电网频率偏差；

[0049] 惯性响应控制启动模块，用于实时检测电网频率偏差是否超过死区，若超过，风机启动惯性响应控制，之后转入频率支撑阶段电磁功率设定模块，否则，风机启动最大功率点

跟踪控制；

[0050] 频率支撑阶段电磁功率设定模块，用于将电磁功率设定模式选为频率支撑模式，转入第一判断模块；

[0051] 第一判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足频率支撑终止条件，若满足，转入基准转速初始化模块，否则，转入频率支撑阶段电磁功率设定模块；

[0052] 基准转速初始化模块，用于将频率支撑结束时的转速作为判断转速恢复状态的基准转速的初始值，之后转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块；

[0053] 转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模块，用于根据风机的实际转速选择电磁功率设定模式：若将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式，否则

电磁功率设定选择风机镇定模式，之后转入第二判断模块；

[0054] 第二判断模块，用于根据风机的实际转速判断是否满足预设转速恢复终止条件，若满足，风机启动最大功率点跟踪控制，否则，转入转速恢复阶段电磁功率设定模式选择模

块。

[0055] 关于考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制系统的具体限定可以参见上文中对于考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制方法的限定，在此不再赘

述。上述考虑湍流风速对转速恢复影响的风机惯性响应控制系统中的各个模块可全部或部

分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备

中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执

行以上各个模块对应的操作。

[0056] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述。[0057] 实施例[0058] 通过含风电接入的电力系统动模实验平台对本发明进行实验验证。[0059] 考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法的控制结构如图2所示。当检测到电网频率偏差超过死区后，风机启动惯性响应控制，频率支撑模式采用基于限

转矩的电磁功率设定，形式如下：

[0060][0061] 式中，ωr0为惯性响应控制启动前的风轮转速，为最大功率点跟踪控制下的最优增益系数，Tlim为风机电磁转矩上限，ωmin为转速下限。频率支撑终止条

件为：

[0062] |Δωr|＜γ[0063] 式中，Δωr为两个连续控制周期内风轮转速变化量，γ为收敛阈值。[0064] 在转速恢复阶段根据风机的实际转速选择电磁功率设定模式：当时，将更新为当前转速，同时电磁功率设定选择风轮加速模式；当时，电磁功率设定选择风

机镇定模式。

[0065] 然后，根据风机的实际转速判断是否满足转速恢复终止条件若满足，风机终止惯性响应控制并启动最大功率点跟踪控制。

[0066] 风机输入风速信号采用湍流风速，分别对现有方法和本发明所提改进方法进行实验，其中现有方法在转速恢复阶段分别采用基于恒功率的恢复方法和基于预设加速功率的

恢复方法。实验结果如图3所示。

[0067] 图3中曲线分别为湍流风速、本发明所提方法和现有方法的风机输出电磁功率比较、本发明所提方法和现有方法的风轮转速比较以及本发明所提方法和现有方法对电网频

率的影响比较。可以看出，与现有方法相比，本发明所提方法在湍流风速下能够可靠恢复转

速，并且在转速恢复阶段不会引起电网频率二次跌落。

[0068] 以上实验结果说明，采用本发明所提的考虑湍流风速对转速恢复综合影响的风机惯性响应控制方法，在湍流风速下既能可靠恢复风轮转速又能避免引起电网频率二次跌

落，进一步验证了本发明的有效性和实用性。

[0069] 综上，针对单一电磁功率设定在湍流风速下难以兼顾转速可靠恢复和电网频率支撑的问题，本发明充分考虑湍流风速的渐强/渐弱阵风交替变化特性，在惯性响应控制的转

速恢复阶段根据风速变化切换设定风机电磁功率指令，在渐强阵风时利用强劲的气动功率

加速风轮，在渐弱阵风时中断转速恢复并切换至次优功率曲线运行以镇定风机。本发明在

湍流风速下能够可靠实现转速恢复，同时避免电网频率出现二次跌落。

[0070] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原

理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进

都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界

定。