CN110714880B - 多台风电机组并联运行的发电系统、功率控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多台风电机组并联运行的发电系统、功率控制系统和方法，属于风电机组领域，多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，还包括：与变频交流母线连接的机侧变流器；实时风速采集模块，用于采集M台风电机组的实时风速；最大风能输出控制器，与实时风速采集模块连接，用于根据实时风速计算出能获得最佳风能输出的风力机群同一转速ω_opt；机侧控制器，用于根据最佳的同一转速ω_opt控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；变桨控制器，用于输出各台风力机的桨距角控制值，使各台风电机组发电功率不超过额定功率值。本发明能够减少风机并联运行过程中的风能损失，且避免了各台风电机组的输出功率超过额定值。

Description

多台风电机组并联运行的发电系统、功率控制系统和方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，尤其涉及一种多台风电机组并联运行的发电系统、功率控制系统和方法。

背景技术

近海风电具有风速高、湍流强度小、风速风向稳定等优点，是风电行业发展的主要趋势。若采用多台风力机并联运行取代单机分立控制，有利于降低故障率，从而减少海上维护工作、增加有效发电时间，同时可降低系统总成本。然而，当连接至同一变频交流母线上的风力机处风速存在差异时，这将导致一定的风能损失，对于风速过高的风电机组其输出功率容易超过额定值，如何根据风速变化实时快速的计算出风力机群的运行转速，减少系统控制过程中的风能损失，且实时有效的控制各台风电机组的输出功率不超过额定值是目前还有待进一步解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于多台风电机组并联运行的发电系统、功率控制系统和方法，可以减少多台风力机并联运行控制下的风能损失，且能够避免风电机组输出功率超过额定值。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种用于多台风电机组并联运行的功率控制系统，所述多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，还包括：

与所述变频交流母线连接的机侧变流器；

实时风速采集模块，用于采集所述M台风电机组的实时风速；

最大风能输出控制器，与实时风速采集模块连接，用于根据实时风速计算出能获得最佳风能输出的风力机群同一转速ω_opt；

机侧控制器，用于根据最佳的同一转速ω_opt控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；

变桨控制器，用于判断各台风力机的输出功率是否超过额定功率值并以此输出各台风力机的桨距角控制值。

进一步地，最大风能输出控制器存储有运行计算最佳的风力机群同一转速ω_opt的计算机程序，所述计算机程序运行时实现如下步骤：

1)计算各台风力机的功率输出公式：

式(1)中，P_t为风力机输出的功率，A为叶片扫掠面积，ρ为空气密度，V为风速，C_p为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，V为实时风速：

式(2)中，β为桨距角，λ为叶尖速比，可表示为：

式(3)中，ω_t为风力机转速，R为叶片长度。

2)考虑到桨距角β＝0时，风力机的风能利用系数C_p最大，故可将式(2)中的桨距角β置0，同时通过曲线拟合算法将式(2)简化为如下(4)所示的五次幂多项式：

C_P'(λ)＝a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵ (4)

式(4)中，a₀～a₅为拟合多项式的系数；

3)由上述步骤1)、2)可知，M台并联运行的风电机组总输出功率如下：

4)由式(5)可知，当各台风力机处风速已知的情况下，风电机组总输出功率仅与风电机群同一转速ω_t有关，因此可通过对M台风电机组总输出功率求导，求导公式如下：

对上式(6)中的四次五项式求根，即可得出最佳的风电机群同一转速ω_opt。

进一步地，还包括与M台风力机连接的电压传感器和电流传感器，用于采集各风力机的三相电压和电流值并输入变桨控制器。所述变桨控制器，用于根据实时采集的各台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出各台风电机组的实时功率，并与机组的额定功率作比较：当机组的输出功率小于额定值时，机组的桨距角β置0，其继续运行于最佳风能捕获状态；当某台机组的输出功率大于额定值时，两者作差经过PID控制器调节输出合适的桨距角控制值，使得该台机组输出功率维持在额定值。

另一方面，提供一种用于多台风电机组并联运行的功率控制方法，所述多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，包括：

S1：首先采集连接至同一条变频交流母线上M台风电机组的实时风速；

S2：通过最大风能输出控制模块计算出最佳的风力机群同一转速ω_opt，用于控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；所述最大风能输出控制模块通过计算最佳的转速ω_opt是为了获得M台风电机组最大的风能输出；

S3：通过变桨控制器输出各台风力机的桨距角控制值，使各台风电机组发电功率不超过额定功率值。

进一步地，所述步骤S2中最佳的同一转速ω_opt的计算方法，包括如下步骤：

1)计算各台风力机的功率输出公式：

式(1)中，P_t为风力机输出的功率，A为叶片扫掠面积，ρ为空气密度，V为风速，C_p为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，V为实时风速：

式(2)中，β为桨距角，λ为叶尖速比，可表示为：

式(3)中，ω_t为风力机转速，R为叶片长度。

2)考虑到桨距角β＝0时，风力机的风能利用系数C_p最大，故可将式(2)中的桨距角β置0，同时通过曲线拟合算法将式(2)简化为如下(4)所示的五次幂多项式：

C_P'(λ)＝a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵ (4)

式(4)中，a₀～a₅为拟合多项式的系数；

3)由上述步骤1)、2)可知，M台并联运行的风电机组总输出功率如下：

4)由式(5)可知，当各台风力机处风速已知的情况下，风电机组总输出功率仅与风电机群同一转速ω_t有关，因此可通过对M台风电机组总输出功率求导，求导公式如下：

对上式(6)中的四次五项式求根，即可得出最佳的风电机群同一转速ω_opt。

进一步地，所述S3步骤中，实时采集各台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出的各台风电机组的实时功率，与机组的额定功率作比较：当机组的输出功率小于额定值时，机组的桨距角β置0，其继续运行于最佳风能捕获状态；当某台机组的输出功率大于额定值时，两者作差经过PID控制器调节输出合适的桨距角控制值，使得该台机组输出功率维持在额定值。

进一步地，所述的最佳的风力机群同一转速ω_opt，其范围∈[ω_min,ω_max]，其中ω_min为0，ω_max为发电机的额定转速。

再一方面，提供一种多台风电机组并联运行的发电系统，包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，还包括所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制系统。

采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：

本发明能够减少M台风力机并联运行过程中，因各台风力机处风速大小不一导致的风能损失，同时避免了各台风电机组的输出功率超过额定值，且本发明控制算法简单，能够根据系统的风速变化做出快速的响应。这极大的保证了系统的高效、安全、稳定运行。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的用于多台风电机组并联运行的功率控制系统的各部件的连接示意图；

图2是本发明的变桨控制器示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域技术人员。

本发明提供一种用于多台风电机组并联运行的功率控制系统的实施例，如图1、2所示，所述多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，还包括：与所述变频交流母线连接的机侧变流器；实时风速采集模块，用于采集所述M台风电机组的实时风速；最大风能输出控制器，与实时风速采集模块连接，用于根据实时风速计算出能获得最佳风能输出的风力机群同一转速ω_opt；机侧控制器，用于根据最佳的同一转速ω_opt控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；变桨控制器，用于判断各台风力机的输出功率是否超过额定功率值并以此输出各台风力机的桨距角控制值。

本发明通过最大风能输出控制器计算出最佳的风力机群同一转速ω_opt，通过机侧控制器控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电，能够减少M台风力机并联运行过程中，因各台风力机处风速大小不一导致的风能损失，同时通过变桨控制器控制桨距角值，避免了各台风电机组的输出功率超过额定值，且本发明控制算法简单，能够根据系统的风速变化做出快速的响应。这极大的保证了系统的高效、安全、稳定运行。

进一步地，还包括与M台风力机连接的电压传感器和电流传感器，用于采集各风力机的三相电压和电流值并输入变桨控制器，变桨控制器，如图2所示，是根据实时采集的各台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出的各台风电机组的实时功率，并与机组的额定功率作比较：当机组的输出功率小于额定值时，机组的桨距角β置0，其继续运行于最佳风能捕获状态；当某台机组的输出功率大于额定值时，两者作差经过PID控制器调节输出合适的桨距角控制值，使得该台机组输出功率维持在额定值。

进一步地，最佳的风力机群同一转速ω_opt的范围∈[ω_min,ω_max]，其中ω_min为0，ω_max为发电机的额定转速。

具体的，上述用于多台风电机组并联运行的功率控制系统的控制方法，具体包括如下步骤：

S1：首先采集连接至同一条变频交流母线上M台风电机组的实时风速；

S2：通过最大风能输出控制模块计算出最佳的风力机群同一转速ω_opt，用于控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；所述最大风能输出控制模块通过计算最佳的转速ω_opt是为了获得M台风电机组最大的风能输出；

S3：通过变桨控制器输出各台风力机的桨距角控制值，使各台风电机组发电功率不超过额定功率值。

而步骤S3中，变桨控制器，如图2所示，是根据实时采集的各台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出的各台风电机组的实时功率，并与机组的额定功率作比较：当机组的输出功率小于额定值时，机组的桨距角β置0，其继续运行于最佳风能捕获状态；当某台机组的输出功率大于额定值时，两者作差经过PID控制器调节输出合适的桨距角控制值，使得该台机组输出功率维持在额定值。

进一步地，最大风能输出控制器存储有运行计算最佳的风力机群同一转速ω_opt的计算机程序，所述计算机程序运行时实现如下步骤，即根据M台风力机处的实时风速计算出最佳的风力机群同一转速ω_opt，其计算方法的实现依据以下步骤：

1)计算各台风力机的功率输出公式：

式(1)中，P_t为风力机输出的功率，A为叶片扫掠面积，ρ为空气密度，V为风速，C_p为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，V为实时风速：

式(2)中，β为桨距角，λ为叶尖速比，可表示为：

式(3)中，ω_t为风力机转速，R为叶片长度。

2)考虑到桨距角β＝0时，风力机的风能利用系数C_p最大，故可将式(2)中的桨距角β置0，同时通过曲线拟合算法将式(2)简化为如下(4)所示的五次幂多项式：

C_P'(λ)＝a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵ (4)

式(4)中，a₀～a₅为拟合多项式的系数。

3)由上述步骤1)、2)可知，M台并联运行的风电机组总输出功率如下：

4)由式(5)可知，当各台风力机处风速已知的情况下，风电机组总输出功率仅与风电机群同一转速ω_t有关，因此可通过对M台风电机组总输出功率求导，求导公式如下：

对上式(6)中的四次五项式求根，即可得出最佳的风电机群同一转速ω_opt。

关于所述的最佳的风力机群同一转速ω_opt，由于所有连接至同一条变频交流母线上的M台风力机，其均运行于同一大小的转速ω_t。考虑到各台风力机处的风速大小不一，由式(3)可知，当各台风力机运行于同一大小的转速ω_t时，其将有可能不同程度的偏离最佳的叶尖速比λ_opt，从而导致一定的风能损失，这是不可避免的。故本发明通过上一步骤中所述的方法计算最佳的风力机群同一转速ω_opt，在一定程度上去减少这种风能损失。

再一方面，提供一种多台风电机组并联运行的发电系统，包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，还包括所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于多台风电机组并联运行的功率控制系统，所述多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，其特征在于，还包括：

与所述变频交流母线连接的机侧变流器；

实时风速采集模块，用于采集连接至同一变频交流母线的M台风电机组的实时风速；

最大风能输出控制器，与实时风速采集模块连接，用于根据实时风速计算出能获得最佳风能输出的风力机群同一转速ω_opt；

机侧控制器，用于根据最佳的同一转速ω_opt控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；

与M台风力机连接的电压传感器和电流传感器，用于采集各风力机的三相电压和电流值并输入变桨控制器；

变桨控制器，用于判断各台风力机的输出功率是否超过额定功率值并以此输出各台风力机的桨距角控制值；

所述变桨控制器用于根据实时采集的M台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出各台风电机组的实时输出功率，并分别与额定功率值作比较：对M台风电机组中实时输出功率小于额定功率值的机组，将其桨距角β赋值为0，使其继续运行于最佳风能捕获状态；对M台风电机组中实时输出功率大于额定功率值的机组，对其实时输出功率和额定功率值作差经过PID控制器调节输出桨距角控制值，使调节后的输出功率维持在额定功率值。

2.根据权利要求1所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制系统，其特征在于，最大风能输出控制器存储有运行计算最佳的风力机群同一转速ω_opt的计算机程序，所述计算机程序运行时实现如下步骤：

1)计算各台风力机的功率输出公式：

式(1)中，P_t为风力机输出的功率，A为叶片扫掠面积，ρ为空气密度，V为风速，C_p为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，V为实时风速：

式(2)中，β为桨距角，λ_i为固定符号表达，代表叶尖速比λ和桨距角β相关的一个变量，λ为叶尖速比，表示为：

式(3)中，ω_t为风力机转速，R为叶片长度；

2)考虑到桨距角β＝0时，风力机的风能利用系数C_p最大，故将式(2)中的桨距角β赋值为0，同时通过曲线拟合算法将式(2)简化为如下(4)所示的五次幂多项式：

C_P'(λ)＝a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵ (4)

式(4)中，a₀～a₅为拟合多项式的系数；

3)由上述步骤1)、2)可知，M台并联运行的风电机组总输出功率如下：

其中，式(5)中，V_i表示第i台机组的风速；

4)由式(5)可知，当各台风力机处风速已知的情况下，风电机组总输出功率仅与风电机群转速ω_t有关，因此通过对M台风电机组总输出功率求导，求导公式如下：

对上式(6)中的四次五项式求根，即得出最佳的风电机群同一转速ω_opt。

3.一种用于多台风电机组并联运行的功率控制方法，所述多台风电机组包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，其特征在于，包括：

S1：首先采集连接至同一条变频交流母线上M台风电机组的实时风速；

S2：通过最大风能输出控制模块计算出最佳的风力机群同一转速ω_opt，用于控制机侧变流器实现M台风电机组的变速发电；获得M台风电机组最大的风能输出；

S3：通过变桨控制器输出各台风力机的桨距角控制值，使各台风电机组发电功率不超过额定功率值；所述变桨控制器实时采集各台风电机组机侧的三相电压、电流值，计算出的各台风电机组的实时功率，分别与额定功率值作比较：对M台风电机组中实时输出功率小于额定功率值的机组，将其桨距角β赋值为0，使其继续运行于最佳风能捕获状态；对M台风电机组中实时输出功率大于额定功率值时，对其实时输出功率和额定功率值作差经过PID控制器调节输出桨距角控制值，使调节后的输出功率维持在额定功率值。

4.根据权利要求3所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制方法，其特征在于，所述步骤S2中最佳的同一转速ω_opt的计算方法，包括如下步骤：

1)计算各台风力机的功率输出公式：

式(1)中，P_t为风力机输出的功率，A为叶片扫掠面积，ρ为空气密度，V为风速，C_p为风能利用系数，是叶尖速比和桨距角的函数，V为实时风速：

式(2)中，β为桨距角，λ为叶尖速比，表示为：

式(3)中，ω_t为风力机转速，R为叶片长度；

2)考虑到桨距角β＝0时，风力机的风能利用系数C_p最大，故将式(2)中的桨距角β赋值为0，同时通过曲线拟合算法将式(2)简化为如下(4)所示的五次幂多项式：

C_P'(λ)＝a₀+a₁λ+a₂λ²+a₃λ³+a₄λ⁴+a₅λ⁵ (4)

式(4)中，a₀～a₅为拟合多项式的系数；

3)由上述步骤1)、2)可知，M台并联运行的风电机组总输出功率如下：

4)由式(5)可知，当各台风力机处风速已知的情况下，风电机组总输出功率仅与风电机群同一转速ω_t有关，因此通过对M台风电机组总输出功率求导，求导公式如下：

对上式(6)中的四次五项式求根，即得出最佳的风电机群同一转速ω_opt。

5.根据权利要求3或4所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制方法，其特征在于，所述的最佳的风力机群同一转速ω_opt，其范围∈[ω_min,ω_max]，其中ω_min为0，ω_max为发电机的额定转速。

6.一种多台风电机组并联运行的发电系统，包括连接至同一变频交流母线的M台并联运行的风电机组，其特征在于，还包括权利要求1或2所述的用于多台风电机组并联运行的功率控制系统。

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