[發明專利]一種適用于集中變流控制變速風電機群的最大功率輸出控制方法

有效

• 申請號: 201410176027.6
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103939287B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 陳思哲;章云;張淼;唐雄民;楊俊華
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司11227
• 代理人: 王學強

技術領域

本發明屬于風力發電領域，涉及集中變流控制的變速風電機群，特別涉及一種適用于集中變流控制變速風電機群的最大功率輸出控制方法。

背景技術

與陸上風力發電相比，近海風力發電具有風速高、湍流強度小、風速風向穩定等優點，是風電行業發展的主要趨勢。

為每臺風力機單獨配置變流器以實現最大風能捕獲，是陸上風電場的主流方案。然而，對于近海風電場，機組海上維護成本高，而且故障后的維修可能因天氣、海洋環境影響難以及時開展，導致長時間停機。若采用風電機群集中控制取代單機分立控制，有利于降低故障率，從而減少海上維護工作、增加有效發電時間，同時可降低系統總成本。

鑒于集中變流控制方式的優勢，國內外學者分別提出基于高壓直流、分頻輸電的變速風電機群集中控制方案。然而，這兩種方案均面臨同一問題：變頻交流母線上全體風力機的轉速基本一致，風電場內風速的不均勻分布將導致風能損失。針對這一問題，目前的主要方案包括：

1.假定風電場內的風速基本一致，控制風電機群運行于平均最佳轉速，這種方式的風能損失較大；

2.對風電機群進行分組集中控制，通過權衡風能損失和系統投資，折中選定每個變流單元控制的風電機組數量，但控制方法仍沿用單機最大風能捕獲的思路，未針對風速不均勻分布進行專門優化；

3.對變頻交流母線頻率施加擾動并觀測風電場功率變化趨勢，動態搜索最佳頻率，該方法易陷入局部極大值，且未涉及槳距角優化；

4.將風電場輸出功率函數對變頻交流母線頻率求導，取導數為零時的頻率為最佳頻率，該方法僅針對頻率進行優化，未涉及槳距角優化。

上述控制方案中，變槳距機構僅用于防止風電機組的轉速、功率超過額定值，然而作為集中變流控制方式中風力機唯一的獨立調節手段，變槳距機構對于減少集中控制導致的風能損失具有重要作用。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足之處，本發明的目的在于提供一種適用于集中變流控制變速風電機群的最大功率輸出控制方法，根據各風力機的風速實時計算風電機群統一轉速、全體風力機槳距角的全局最優解，通過集中式變流器、各風力機變槳距機構的協調優化控制，實現集中變流控制方式下變速風電機群的最大功率輸出。

為達到上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種適用于集中變流控制變速風電機群的最大功率輸出控制方法，針對由同一臺變流器集中控制的、轉速一致但輸入風速不同的n臺風力機，通過對集中式變流器、全體風力機變槳距機構的協調控制，實現風電機群的最大功率輸出。

集中式變流器通過控制變頻交流母線的頻率使風速較高的風力機盡量接近最優轉速，變槳距機構通過控制各風力機的槳距角使風速較低的風力機在風電機群的統一轉速下獲得最高的風能利用率。

為求解使n臺轉速一致的風力機輸出功率最大化所對應的變頻交流母線頻率、全體風力機槳距角，將風電機群的統一轉速、全體風力機的槳距角作為待優化的(1+n)個控制變量，將風電機群的總輸出功率作為優化目標函數，將風力機轉速和槳距角的允許范圍作為約束條件，采用最優化計算方法，根據各風力機的輸入風速實時計算風電機群統一轉速、全體風力機槳距角的全局最優解。

所述最優化計算方法，先引入松弛變量將不等式約束轉化為等式約束，然后采用對數障礙函數消去松弛變量的非負性約束，再通過拉格朗日乘子將等式約束方程引入到優化目標函數中，從而構成增廣拉格朗日目標函數；根據Karush-Kuhn-Tucker最優性條件，令增廣拉格朗日目標函數對原始變量、松弛變量、拉格朗日乘子的偏導數為零，從而獲得一組非線性方程；采用牛頓法對該非線性方程組迭代求解，計算出風電機群統一轉速、各臺風力機槳距角的全局最優解。

所述集中式變流器，可以是高壓直流輸電系統中的交-直變流器，也可以是分頻輸電系統中的交-交變頻器。

本發明的優點和積極效果是：

通過對集中式變流器、全體風力機變槳距機構的協調控制，實現集中變流控制方式下變速風電機群的最大功率輸出，減少風電場內風速分布不均時，因風力機轉速不能獨立調節導致的風能損失。

本發明有助于提高高壓直流輸電、分頻輸電集中控制的變速風電機群的風能利用率，推動風電機群集中變流控制方式在近海風電中的應用。

附圖說明

圖1為本發明適用的集中變流控制變速風電機群拓撲結構之一；

圖2為本發明適用的集中變流控制變速風電機群拓撲結構之二；

圖3為通過調節槳距角提高風速較低風力機風能利用率的原理。