本发明专利技术公开了一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置，在风机达到额定转速开始变桨调节时，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，基于模型预测控制优化求解风轮转速触及额定转速时的桨距角指令。本发明专利技术提出的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，在限制风轮转速越限的同时，能够有效减少变桨启动阶段的变桨动作量，进而达到抑制塔架载荷的目的。进而达到抑制塔架载荷的目的。进而达到抑制塔架载荷的目的。
【技术实现步骤摘要】
考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置
[0001]本专利技术属于风机有功功率控制
，具体涉及一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法及装置。
技术介绍
[0002]随着风电大规模接入电力系统，风电功率的随机性和波动性使得电网部门迫切需要风机具备一定的有功功率调节能力。也即，风机的控制策略需要从传统的最大功率点跟踪控制转变为输出电磁功率响应电网功率指令的有功功率控制。风机的有功功率控制可以通过给定电磁转矩指令和桨距角指令来调节风机的风轮转速和桨距角，进而使得风机捕获的气动功率、输出的电磁功率和接收的功率指令保持一致。
[0003]对于被动变速运行模式下以优先转速控制为代表的风机有功功率控制，其电磁转矩指令优先响应电网功率指令。当转速小于额定转速时，变桨执行机构不动作，输入与输出之间的不平衡功率优先由风轮转子动能进行缓冲，风机电磁功率输出能够准确响应电网功率指令。只有当转速触及额定转速时，限转速变桨控制启动，以限制风轮转速稳定运行在额定转速处。
[0004]然而，风机受到的轴向推力大小（即塔架载荷）与风机的变桨动作紧密相关。当转速触及额定转速时，限转速变桨启动阶段将造成桨距角快速上升，引发轴向推力剧烈波动，造成塔架载荷增大。同时，现有方法一般基于PI控制获取桨距角指令，实际变桨动作与PI参数的设定强相关。由于风速的随机扰动，在湍流风况下PI调节很难得到最优值，过于激进的PI参数将使桨距角变化剧烈，超调严重，引发风机的疲劳载荷增强；而过于保守的PI参数无法完成限制风轮超速的目标，可能导致发电机损坏。
[0005]基于上述情况，迫切需要一种新的风电机组有功功率功率控制方法，能够优化给定风机限转速变桨启动阶段的桨距角指令，在避免转速越限的同时减少变桨动作量，以抑制塔架载荷。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法、装置、存储介质及计算设备，在现有被动变速运行模式下优先转速控制的基础上，以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为优化目标，基于模型预测控制（MPC）优化求解风轮转速触及额定转速时的桨距角指令，在限制风轮转速越限的同时，进一步减少变桨启动阶段的变桨动作量，进而达到抑制塔架载荷的目的。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：第一方面，本专利技术提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，包括：获取风机风轮转速，基于风轮转速、最低转速和额定转速，按如下方式对风机电磁转矩和桨距角进行控制：
若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
[0008]进一步的，所述最低转速为能够实现对功率指令跟踪的最低转速，计算如下：；其中，为最低转速，为功率指令， 为最优转矩增益系数，计算如下：；其中，为空气密度，为风轮半径，为最大风能利用系数，为最佳叶尖速比。
[0009]进一步的，所述基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令，如下：；其中，表示基于最大功率点跟踪控制的电磁转矩指令，为风轮转速，为齿轮箱变比。
[0010]进一步的，所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，如下：；其中，表示基于被动变速运行模式下有功功率控制的电磁转矩指令，为风轮转速，为齿轮箱变比。
[0011]进一步的，所述基于模型预测控制给定桨距角指令，包括：在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型；将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程；基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，所述模型预测控制器以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为目标设计代价函数；对所述模型预测控制器进行求解，得到风电机组的桨距角指令。
[0012]进一步的，将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程，包括：选取状态空间的控制量为，状态量为，输出量为，扰动量为，则风电机组的线性化状态空间方程为：
；其中，为桨距角指令与初始稳定工作点处桨距角指令之间的偏差，为风轮转速与初始稳定工作点处风轮转速的偏差，为桨距角与初始稳定工作点处桨距角的偏差，为风速与初始稳定工作点处风速的偏差，为风轮转速变化率与初始稳定工作点处风轮转速变化率之间的偏差，为变桨速率与初始稳定工作点处变桨速率之间的偏差，为风机的气动转矩，为功率指令，为初始稳定工作点处风轮转速，为变桨执行机构惯性时间常数。
[0013]进一步的，基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，包括：所述模型预测控制器的代价函数为：；；其中，为控制周期，为当前时刻，为当前时刻在预测时域内的第步预测输出，为当前时刻在预测时域内的第步控制输入，为当前时刻在预测时域内的第步控制输入，为当前时刻的控制输入，为当前时刻控制输入的变化量，为发电机转速限速的惩罚权重，为桨距角变化量的惩罚权重，和分别为桨距角动作的下限与上限，和分别为变桨速率的下限与上限，表示输出的平方乘以权重，表示控制输入在相邻步长的变化量的平方乘以权重。
[0014]进一步的，对所述模型预测控制器进行求解，得到桨距角指令，包括：采用二次规划问题的开源求解器对所述模型预测控制器进行求解，得到每一采样周期的控制量，得到桨距角指令为：，其中，为当前时刻的桨距角指令，为初始稳定工作点处桨距角。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制装置，用于实现前述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，所述装置包括：参数获取模块，用于获取风电机组风轮转速；电磁转矩控制模块，用于基于风轮转速和最低转速按如下方式进行风电机组电磁转矩控制：若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否
则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；桨距角控制模块，用于基于风轮转速和额定转速按如下方式进行桨距角控制：在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。
[0016]第三方面，本专利技术提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据前述的方法中的任一方法。
[0017]第四方面，本专利技术提供一种计算设备，包括，一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据前述的方法中的任一方法的指令。
[0018]本专利技术与现有技术相比，其有益效果为：1）本专利技术提出了一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，在风机达到本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，包括：获取风机风轮转速，基于风轮转速、最低转速和额定转速，按如下方式对风机电磁转矩和桨距角进行控制：若风轮转速小于最低转速，则基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令；否则，基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令；在所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制中，若风轮转速达到最低转速且小于额定转速，则不启动限转速变桨，将桨距角指令设为0；否则，启动限转速变桨，基于模型预测控制给定桨距角指令。2.根据权利要求1所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述最低转速为能够实现对功率指令跟踪的最低转速，计算如下：；其中，为最低转速，为功率指令， 为最优转矩增益系数，计算如下：；其中，为空气密度，为风轮半径，为最大风能利用系数，为最佳叶尖速比。3.根据权利要求2所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述基于最大功率点跟踪控制给定电磁转矩指令，如下：；其中，表示基于最大功率点跟踪控制的电磁转矩指令，为风轮转速，为齿轮箱变比。4.根据权利要求2所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述基于被动变速运行模式下的有功功率控制给定电磁转矩指令，如下：；其中，表示基于被动变速运行模式下有功功率控制的电磁转矩指令，为风轮转速，为齿轮箱变比。5.根据权利要求1所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，所述基于模型预测控制给定桨距角指令，包括：在初始稳态工作点处对风机非线性模型进行线性化处理，得到线性化描述的风电机组模型；将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程；基于所述线性化状态空间方程，设计模型预测控制器，所述模型预测控制器以转速偏差量最小和桨距角变化量最小为目标设计代价函数；对所述模型预测控制器进行求解，得到风电机组的桨距角指令。
6.根据权利要求5所述的考虑塔架载荷抑制的风电机组有功功率控制方法，其特征在于，将所述线性化描述的风电机组模型转化为线性化状态空间方程，包括：选取状态空间的控制量为，状态量为，输出量为，扰动量为，则风电机组的线性化状态空间方程为：；其中，为桨距角指令与初始稳定工作点处桨距角指令之间的偏差，为风轮转速与初始稳定工作点处风轮转速的偏差，为桨距角与初始稳定工作点处桨距角的偏差，为风速与初始稳定工作点处风速的偏差，为风轮转速变化率与初始稳定工作点处风轮转速变化...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪成根，吕振华，李强，唐伟佳，邹小明，任必兴，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：
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