【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及風場，具體涉及協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法。
技術介紹
1、風力發電已經成為發展最快的一種可再生能源，但大量風場的并網也影響了電網的安全性和穩定性。許多風電發展較快的國家都強調風場應提高電網的友好性，并具備有功功率控制能力。風場需要具備參考功率跟蹤能力，以及有效的有功功率控制能力，這就要求風場以合理的方式給風力發電機分配電力指令。該領域的研究重點是在完成配電的同時提高風場運行的經濟性。由于風電無燃料成本，降低機組運行損耗自然成為優化的重點。然而，以往的控制策略仍然采用多個控制器分別控制，每個控制器只控制一個參數，由于控制策略比較簡單，犧牲了控制的自由度，對于疲勞載荷仍有很大的優化空間。因此迫切需要一種方法控制有效功率，在支持電網頻率的同時降低整個風場的疲勞載荷。
技術實現思路
1、針對上述問題，本專利技術提出了協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，以實現最大功率控制要求，滿足風場調度指令實現功率跟蹤，抑制疲勞載荷。該方法基于模型預測控制框架，通過風力發電機轉子轉速和槳距角的解耦控制，實現風場參考功率跟蹤，風機葉片、齒輪箱、低速軸等部件疲勞載荷抑制的多目標優化。
2、本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：
3、協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，包括以下步驟：
4、步驟1：建立風力發電機非線性模型，包括空氣動力學模型、機械傳動系統分析模型、發電機轉矩控制模型、槳距角伺服系統模型及塔筒
5、步驟2：建立風力發電機轉子轉速和槳距角解耦控制框架，實現參考功率跟蹤，同時減少風力發電機的疲勞；
6、步驟3：風力發電機非線性模型線性化；通過構造非線性模型的線性增量來獲得相關模型的線性描述；
7、步驟4：有功功率控制器的設計；
8、步驟5：反饋校正。
9、進一步的，所述步驟1具體如下：
10、1.1)空氣動力學模型
11、使用以下數學模型來描述其空氣動力學特性：
12、pm＝0.5πρr2cp(λ,β)v3???#(1)
13、ft＝0.5πρr2ct(λ,β)v2???#(2)
14、pm和ft分別為風輪機械功率和風輪推力，ρ是空氣密度，r是風輪葉片半徑，λ是葉尖速比，cp為風輪機械功率系數，ct為風輪推力系數，v為風速，β是風機槳距角；
15、1.2)機械傳動系統分析模型
16、風力發電機機械傳動系統包括風輪、低速軸、齒輪箱、高速軸和發電機，采用三質量塊彈簧阻尼系統模型對機械傳動系統進行描述：
17、風輪的動力學分析計算：
18、
19、ts＝tk1+td1???#(4)
20、
21、
22、
23、jr為風輪的轉動慣量，tm為風輪的機械轉矩，ts為低速軸轉矩，krs為風輪與低速軸之間的彈簧常數，drs為風輪與低速軸之間的阻尼系數，ωr為風輪轉速，ωs為低速軸轉速，為風輪轉速和低速軸轉速的差值；為風輪主軸和低速軸轉角的差值
24、低速軸的動力學建模如下：
25、
26、
27、
28、
29、js為低速軸的轉動慣量，ksg為低速軸與發電機之間的彈簧系數，dsg為低速軸與發電機之間的阻尼系數，ωg為發電機轉速，ngear為齒輪箱傳動比，為低速軸轉速對時間的一階導數，為低速軸轉速和發電機轉速的差值，為低速軸和發電機軸轉角的差值。
30、發電機的動力學分析：
31、
32、jg為發電機的轉動慣量，te為發電機轉矩，為發電機轉速對時間的一階導數；
33、1.3)發電機轉矩控制模型
34、發電機轉矩控制模型采用一階慣性模型，其表達式為：
35、
36、pe＝μωgte???#(14)
37、τe為發電機的慣性時間，te為發電機的轉矩設定值，μ為發電機效率，為發電機的轉矩參考值，發電機轉矩設定值對時間的一階導數；
38、1.4)槳距角伺服系統模型
39、槳距角伺服系統被簡化為一階慣性模型，如下所示：
40、
41、τβ為槳距角伺服系統慣性時間，β為槳距角設定值，βref為將槳距角參考值；
42、1.5)塔筒模型
43、mt＝hft???#(16)
44、mt為塔筒彎矩，h為塔高，ft為塔筒推力。
45、進一步的，所述步驟2具體如下：
46、2.1)功率參考跟蹤
47、當風力發電機處于最大功率點追蹤模式時，控制發電機轉子轉速和槳距角，使風力發電機在最佳功率系數下運行；當風力發電機需要在功率參考追蹤狀態下運行，調整風輪機械功率系數cp使其偏離最優值即可；功率參考追蹤狀態下的cp由下式計算：
48、
49、為功率參考跟蹤下的參考功率系數，為最大功率點跟蹤模式下最優功率系數，為參考功率值，為當前風速下的最大功率；
50、2.2)風力發電機轉子轉速和槳距角解耦控制策略
51、將發電機功率參考值和風速v輸入到轉子轉速和槳距角控制系統中，輸出發電機轉速參考值和槳距角參考值βref，再將發電機轉速參考值槳距角參考值βref分別輸入到參考轉矩控制系統、槳距角伺服系統中，最后輸出發電機轉矩值和槳距角；基于該策略的線性建模和控制器，實現功率參考跟蹤，同時減少風力發電機的疲勞。
52、其中，為發電機一階慣性系統；為槳距角一階慣性系統；表示除于齒輪箱傳動比。
53、進一步的，所述步驟3具體如下：
54、3.1)小信號分析方法
55、為得到風機控制模型的增量式表達，采用小信號分析法；
56、
57、
58、
59、
60、
61、
62、
63、分析如下：
64、a)通過潮流計算得到系統的穩態工作點；
65、b)在穩態工作點進行一階泰勒展開，得到其增量表達：
66、
67、式中，δx和δu分別為狀態變量和代數變量的增量向量；
68、
69、將式(26)簡化為穩態工作點處的系統小信號狀態空間模型：
70、
71、其中a是系統模型的狀態矩陣，
72、
73、3.2)風力發電機系統的增量線性模型如下：
74、空氣動力學模型：
75、
76、其中和分別表示tm對ωr、v和β的偏導數，其中δ為增量表達形式；
77、機械傳動系統：
78、
79、
80、
81、
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1.協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟1具體如下：
3.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟2具體如下：
4.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟3具體如下：
5.根據權利要求4所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟4具體如下：
6.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟5具體如下：
【技術特征摘要】
1.協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟1具體如下：
3.根據權利要求1所述的協調有功功率跟蹤與疲勞載荷優化的風機解耦控制方法，其特征在于，所述步驟2具體如下：
4.根...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高藝肖，柳嘉，成舒豪，傅雷，
申請(專利權)人：浙江工業大學臺州研究院，
類型：發明
國別省市：
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