[发明专利]一种计及变流器寿命和输出电能质量的功率优化控制方法

说明书

本发明涉及一种计及变流器寿命和输出电能质量的功率优化控制方法，包括基于风机运行工况建立风机模型、功率损耗模型和热网络模型，构建与功率变流器寿命和输出电能质量相关的两个目标函数；通过所使用的帕累托多目标优化功率控制方法，获得最优解集；最后，采用分层优化方法选取最优转子角速度和功率因数角。与现有技术相比，本发明通过多目标优化功率控制方法主动调节发电机侧输出的有功功率和无功功率来平滑结温波动，不局限于局部信息，有效延长了变流器使用寿命。

技术领域

本发明涉及功率变流器控制技术领域，尤其是涉及一种计及变流器寿命和输出电能质量的功率优化控制方法。

背景技术

随着风电、光伏等新能源发电的大力发展，近年来，风电装机容量不断增加，尤其是海上风电，凭借其风资源丰富稳定、利用小时数高、靠近负荷中心等优点，未来将成为新能源发电领域的发展重心。由于海上风电机组运维难度较大，海上风速多变，同时风电机组中存在大量电力电子器件，因此，确保其低运营和高可靠性至关重要。

功率变流器是风力发电机系统中最脆弱的部件，它导致风电变流器系统故障率高达50％。尤其是在海上环境中，风速和温度的变化会造成变流器负载情况复杂，例如过载状态和系统瞬变，会导致更高的故障率，以及在达到预期寿命之前过早失效。风力发电中常用的有功功率控制方法是最大功率点跟踪(MPPT)，无功功率控制采用单位功率因数(UPF)策略。当风速有较大变化时，风速突变和MPPT策略的应用会使发电机输出功率产生较大波动，导致严重的热循环，从而造成IGBT模块损伤甚至失效，这是由于风机进利用局部信息进行最大功率点跟踪。

现有技术中，文献“Consideration of lifetime and fatigue load in windturbine control”(J.G.Njiri,N.Beganovic,M.H.Do,and D.Renew.Energy,vol.131,pp.818–828,2019)提出了一种通过将在线损伤评估模型集成到减少结构载荷的控制策略中来延长风能转换系统寿命的新方案。文献“A novel MPPT method forenhancing energy conversion efficiency taking power smoothing into account”(J.Liu,H.Meng,Y.Hu,Z.Lin,and W.Wang,Energy Convers.Manag.,vol.101,pp.738–748,2015)提出了一种新的最大功率点跟踪方法来提高大型风力发电机的能量转换效率，同时根据风速的波动，将功率平滑作为第二个控制目标以减少波动。但是它没有考虑风机系统在长期任务剖面下的累积损坏，也没有量化改进策略对风机寿命的影响。文献“Effect ofwind speed on wind turbine power converter reliability”(K.Xie,Z.Jiang,andW.Li,IEEE Trans.Energy Convers.,vol.27,no.1,pp.96–104,2012)提出了一种新的风电变流器系统故障率模型和可靠性评估技术，考虑了风速任务曲线的影响，证明了风电变流器系统的可靠性性能与任务曲线密切相关，但没有根据其结论给出一种优化控制方法以提高变流器的寿命。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计及变流器寿命和输出电能质量的功率优化控制方法，以有效平滑IGBT器件结温波动，延长变流器使用寿命。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种计及变流器寿命和输出电能质量的功率优化控制方法，包括以下步骤：

根据负荷区域划分风电机组的功率控制策略工作区间；

获取风机运行工况参数，并与对应的功率控制策略一起载入预设的风机模型中，获取风机的电气参数；