本发明属于风电参与电网调频技术领域，具体涉及一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法。
背景技术：
随着新能源机组的不断增加，电网的转动惯量不断减小，导致电网的频率稳定性面临严峻的挑战。迫切要求风电机组参与调频提高电网的频率稳定性，在风电并网导则中要求风电场具备调频能力，然而目前风电场很少有具备调频功能，并且现有的研究都是如何提高风电场对电网频率变化的响应能力，没有考虑对机组的疲劳载荷的影响。风电机组参与调频时，转矩的大幅度变化会影响其机械主轴的疲劳载荷，造成风电机组的稳定安全运行，以及风电场业主的经济损失。因此，研究计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法提升电网端电气特性和机组端机械特性具有重要意义。
现有计及风电机组疲劳载荷的方法主要侧重于对风电场有功输出的综合控制的研究。具体介绍如下：
现有某些技术，通过对有功调节模式下的风电机组部件进行del数据建模，并基于该del数据模型进行复杂地形的风电场优化控制；其中，控制策略采用基于风况特征预测的有功优化智能分配与有功辅助调节相结合的复合控制策略。该发明专利通过风电场有功调节和机组疲劳的综合优化控制方法，有效降低风力发电设备的生产制造和维护成本，其不足在于没有考虑机组参与调频对疲劳载荷的影响。
还有一些技术，通过对有功调节模式下的风电机组部件进行del数据建模，并基于该del数据模型进行复杂地形的风电场优化控制。该发明适用于尾流效应较小的复杂地形的风电场，通过对有功调节下的风电场机组部件疲劳均匀分布进行优化，有效降低风力发电设备的生产制造和维护成本，提高风力发电系统的稳定性，但没有考虑调频或有功输出对机组机械主轴疲劳载荷的影响。
随着风电场参与调频技术的发展及电网友好型风电场建设需求，急需一种考虑机组疲劳载荷的风电机组调频方法。
技术实现要素：
发明目的：
本发明的目的在于解决风电机组参与电网调频是的主轴疲劳载荷问题。
技术方案：
一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，该方法步骤如下：
第一、设定触发限制转矩的条件；
第二、当触发第一步设定的限制转矩条件时，对补偿转矩进行最值(比如最值可能是正100，也可能是-100)限制(补偿转矩给定值是通过程序算法算出来的，在程序里直接对补偿转矩的给定值设定最值进行限制)，限定的补偿转矩的最值为当前补偿值；
第三、将第二步限制后得到的转矩补偿值与mppt算法得到的转矩值te,mppt求和，最终得到给变流器系统发送的转矩参考值te,ref。
第一步中，触发限制转矩的条件为：
1-1、采集主轴转矩数据，当机组转矩斜率为负时，确定主轴转矩最大值点(斜率刚为负时，可认为当前为最大值，然后根据实时值不断计算疲劳寿命，进行比较)，并以当前转矩为最大值，根据疲劳载荷计算方法进行求解；
当机组转矩斜率为正时，确定主轴转矩最小值点，并以当前转矩为最小值(斜率刚为正时，可认为当前为最小值，然后根据实时值不断计算疲劳寿命，进行比较)，根据疲劳载荷计算方法进行求解；1-2、判断上述求解值是否超过预先设定的机组疲劳载荷寿命，如果超过则进一步考虑转矩斜率与电网频率偏差是否为同号(都为正，或都为负，即为同号)，如果同号，不必限制补偿转矩；
如果不同号，则进一步考虑上述求解值连续超过设定疲劳载荷寿命的次数后(这个次数具体的数据不同厂家不同要求，根据自己的要求可以灵活设置。例如5次或10次)，对补偿转矩进行限制，此时为触发限制转矩的条件。
所述疲劳载荷计算方法为根据s-n曲线实时计算机组主轴疲劳载荷。
所述疲劳载荷计算方法为：
基于s-n曲线理论，首先计算主轴的循环应力幅sa和平均应力sm，如式(1)所示；
式中，τmax与τmin分别为最大切应力和最小切应力；τmax与τmin分别由(te,max/wt)和(te,min/wt)计算所得；其中te,max和te,min为转矩的最大和最小值，wt为主轴的抗扭截面模量；
s-n曲线用幂函数表示时，有：
式中，k为反应不同载荷作用形式的系数，可由经验值给出，su为材料的极限强度值，m与c是与材料、应力比、加载方式有关的参数；
机组疲劳载荷寿命：根据goodman方程求得对称循环应力下的应力水平sa(r＝-1)：
(sa/sa(r＝-1)) (sm/su)＝1(3)
sm为循环平均应力，sa为应力幅，su为极限强度；
最后疲劳寿命n由式(4)得出：
n＝c/sa(r＝-1)(4)。之后利用此疲劳寿命与预先设定机组疲劳载荷寿命进行比较。
第二步中所述的补偿转矩为由调频算法得出的补偿转矩，
调频算法的输入为电网频率偏差δf(调频算法是为了计算得出转矩补偿值)，其具体算法可采用式(5)计算；
δte＝kdroopδf(5)
式中，kdroop为设定的转矩-频率下垂系数。调频算法的输入为δf，输出δte之后，然后对δte进行限制，补偿转矩给定值是通过程序算法计算得出，在程序里直接对补偿转矩的给定值设定最值进行限制。
第三步中：mppt算法的输入为机组实时转速，mppt算法采用最优转矩计算方法、最佳叶尖速比查表法或爬山搜索法等多种方法计算。
优点效果：
风电参与电网调频时，转矩的快速调节可能对机组主轴的疲劳载荷产生一定的影响，造成主轴寿命降低。目前的研究中只是从电网频率稳定性的角度，对如何提高风电机组对电网频率贡献进行了深入探索，没有考虑对风电机组主轴疲劳载荷的影响，给风电场业主的经济性及风电机组安全运行带来了一系列难题。
为解决上述问题，本发明提供一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，在风电场调频过程中，对机组主轴的疲劳载荷进行在线估算。设计限制转矩条件，对满足该条件的情况实施补偿转矩限制。上述两部分功能与常用的mppt控制算法、调频算法具有很强的兼容性，能够适用于双馈、半直驱、直驱的陆上及海上风电机组。该方案既能够保证风电机组的调频能力，又能够改善机组主轴的疲劳载荷。其特征在于，包括以下步骤：
所述计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法包括以下步骤：
如图1所示，在plc控制器内，机组先利用主轴的疲劳载荷进行计算，其输入为从变流器系统采集的实际转矩te与最值，并根据情况对机组的补偿转矩实施相应的限制，发出限制指令。调频算法计算得出补偿转矩δte，接收限制指令，并对其进行限制。限制后得到的转矩与mppt算法得到的转矩值te,mppt求和，最终得到给变流器系统发送的转矩参考值te,ref。mppt算法的输入为机组实时转速，其具体算法可采用最优转矩计算方法、最佳叶尖速比查表法、爬山搜索法等多种方法计算。调频算法的输入为电网频率偏差δf，其具体算法可采用式(1)计算。
δte＝kdroopδf(1)
式中，kdroop为设定的转矩-频率下垂系数。
所述风电机组主轴的疲劳载荷计算包括以下步骤：
基于s-n曲线理论，首先计算主轴的循环应力幅sa和平均应力sm，如式(2)所示。
式中，τmax与τmin分别由(te,max/wt)和(te,min/wt)计算所得。其中te,max和te,min为转矩的最大最小值，wt为主轴的抗扭截面模量。s-n曲线用幂函数表示时，有：
式中，k为反应不同载荷作用形式的系数，可有经验值给出，su为材料的极限强度值。进一步根据goodman方程可求得对称循环应力下的应力水平sa(r＝-1)：
(sa/sa(r＝-1)) (sm/su)＝1(4)
最后疲劳寿命n可由式(5)得出：
n＝c/sa(r＝-1)(5)
所述对风电机组实施补偿转矩限制流程包括以下步骤：
如图2所示。当风电机组参与调频时，采集转矩数据，并确定转矩最大或最小值点。当机组转矩斜率为负时，确定最大值点，并以当前转矩为最小值根据上述疲劳载荷计算方法进行求解。当机组转矩斜率为正时，确定最小值点，并以当前转矩为最小值根据上述疲劳载荷计算方法进行求解。预先设定机组疲劳载荷寿命，判断所求解值是否超过疲劳载荷寿命。并考虑转矩变化率与电网频率偏差(δf＝实际频率-额定频率50hz)是否为同号，如果同号，那么补偿转矩在减小转矩幅度变化，因此不必限制补偿转矩。如果不同号，那么补偿转矩在增加转矩幅度变化，恶化疲劳载荷寿命。进一步考虑到参与调频时，仅有较少次数的大幅度转矩对主轴疲劳载荷影响不大，当求解值连续超过设定疲劳载荷寿命的次数(设为j)后，对补偿转矩进行限制，限定当前补偿值为补偿转矩相应的最值。当调频结束后，解除限制。
综上，本发明充分考虑对风电机组主轴疲劳载荷的影响，解决了风电场业主的经济性及风电机组安全运行带来的一系列难题。
附图说明
图1为计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法整体架构说明
图2为疲劳载荷计算与实施限制的整体流程说明
具体实施方式
一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，该方法步骤如下：
第一、设定触发限制转矩的条件；
第二、当触发第一步设定的限制转矩条件时，对补偿转矩进行最值(比如最值可能是正100，也可能是-100)限制(补偿转矩给定值是通过程序算法算出来的，在程序里直接对补偿转矩的给定值设定最值进行限制)，限定的补偿转矩的最值为当前补偿值；
第三、将第二步限制后得到的转矩补偿值与mppt算法得到的转矩值te,mppt求和，最终得到给变流器系统发送的转矩参考值te,ref。
第一步中，触发限制转矩的条件为：
1-1、采集主轴转矩数据，当机组转矩斜率为负时，确定主轴转矩最大值点(斜率刚为负时，可认为当前为最大值，然后根据实时值不断计算疲劳寿命，进行比较)，并以当前转矩为最大值，根据疲劳载荷计算方法进行求解；
当机组转矩斜率为正时，确定主轴转矩最小值点，并以当前转矩为最小值(斜率刚为正时，可认为当前为最小值，然后根据实时值不断计算疲劳寿命，进行比较)，根据疲劳载荷计算方法进行求解；1-2、判断上述求解值是否超过预先设定的机组疲劳载荷寿命，如果超过则进一步考虑转矩斜率与电网频率偏差是否为同号(都为正，或都为负，即为同号)，如果同号，不必限制补偿转矩；
如果不同号，则进一步考虑上述求解值连续超过设定疲劳载荷寿命的次数后(这个次数具体的数据不同厂家不同要求，根据自己的要求可以灵活设置。例如5次或10次)，对补偿转矩进行限制，此时为触发限制转矩的条件。
所述疲劳载荷计算方法为根据s-n曲线实时计算机组主轴疲劳载荷。
所述疲劳载荷计算方法为：
基于s-n曲线理论，首先计算主轴的循环应力幅sa和平均应力sm，如式(1)所示；
式中，τmax与τmin分别为最大切应力和最小切应力；τmax与τmin分别由(te,max/wt)和(te,min/wt)计算所得；其中te,max和te,min为转矩的最大和最小值，wt为主轴的抗扭截面模量；
s-n曲线用幂函数表示时，有：
式中，k为反应不同载荷作用形式的系数，可由经验值给出，su为材料的极限强度值，m与c是与材料、应力比、加载方式有关的参数；
机组疲劳载荷寿命：根据goodman方程求得对称循环应力下的应力水平sa(r＝-1)：
(sa/sa(r＝-1)) (sm/su)＝1(3)
sm为循环平均应力，sa为应力幅，su为极限强度；
最后疲劳寿命n由式(4)得出：
n＝c/sa(r＝-1)(4)。之后利用此疲劳寿命与预先设定机组疲劳载荷寿命进行比较。
第二步中所述的补偿转矩为由调频算法得出的补偿转矩，
调频算法的输入为电网频率偏差δf(调频算法是为了计算得出转矩补偿值)，其具体算法可采用式(5)计算；
δte＝kdroopδf(5)
式中，kdroop为设定的转矩-频率下垂系数。调频算法的输入为δf，输出δte之后，然后对δte进行限制，补偿转矩给定值是通过程序算法计算得出，在程序里直接对补偿转矩的给定值设定最值进行限制。
第三步中：mppt算法的输入为机组实时转速，mppt算法采用最优转矩计算方法、最佳叶尖速比查表法或爬山搜索法等多种方法计算。
综上，本发明涉及一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，所述的调频方法包括最大风能捕获控制计算、参与调频的补偿转矩计算和考虑机组疲劳载荷的转矩变化限制计算，此三部分计算都在风电机组主控制器plc内实现，且三者之间紧密衔接，最终发出转矩参考指令至变流器系统，plc采集变流器系统变量至上述计算中，形成闭环系统。考虑机组疲劳载荷的转矩变化限制计算，首先根据s-n曲线实时计算机组主轴疲劳载荷，设定触发限制转矩条件，当触发时限定补偿转矩的最值。将限定值发送至参与调频的补偿计算，对其计算结果进行限制。限定后，再加上mppt计算得出的参考转矩，最后得出最终的转矩参考值。该方法在风电参与调频时分别提高了电网端的电气特性与机组端的机械特性：
(1)所述计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，该方法涉及风最大风能捕获控制计算、调频计算和考虑机组疲劳载荷的转矩变化限制计算，此三部分计算都在风电机组主控制器plc内实现，转矩变化限制计算发送指令给调频计算，调频计算发送指令给最大风能捕获控制计算，三者相连，架构简单、可靠。
(2)所述最大风能捕获控制计算、调频计算均采用常用的控制算法，只需要最大风能捕获控制计算出最优转矩参考值，需要调频计算得出转矩补偿值，对常规的双馈、半直驱、直驱风电机组具有普遍适用性，移植性强。
(3)所述考虑机组疲劳载荷的转矩变化限制计算，包括疲劳载荷在线计算和转矩变化限制判断两部分。具体思路为：在机组调频时，根据实时转矩在线计算疲劳载荷，并根据判断条件判断是否满足条件，满足条件进行相应的补偿转矩限制，否则不限制。
(4)所述在线疲劳载荷计算，当机组转矩斜率为负时，确定转矩最大值点，并以当前转矩为最小值根据上述疲劳载荷计算方法进行求解。当机组转矩斜率为正时，确定转矩最小值点，并以当前转矩为最小值，基于s-n曲线理论，利用实时转矩在线求解。
(5)所述转矩变化限制判断，首先需要由调频指令激活，只有当机组调频时才进行计算与判断。预先设定机组疲劳载荷寿命，判断所求解值是否超过疲劳载荷寿命。如果不超过，可不进行限制。
(6)如果超过，进一步判别机组转矩变化率与电网频率偏差(δf＝实际频率-额定频率50hz)是否为同号，如果同号，不必限制补偿转矩。
(7)如果不同号，进一步判断求解的疲劳载荷值连续超过设定疲劳载荷寿命的次数，如果不超过预定次数，可不进行限制。
(8)如果超过预定次数，对转矩补偿值进行限制，限定当前转矩补偿值为补偿转矩相应的最值。一旦调频结束，解除限制。
(9)所述计及机组疲劳载荷调频方法得到的转矩参考值，考虑了电网的频率偏差与机械主轴疲劳载荷的影响，优化了机组的调频时的输出转矩，不仅提高了电网的频率调节能力，而且延长了机械主轴的寿命，保证了机组的稳定运行，提高了风电场业主的经济利益。
1.一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：该方法步骤如下：
第一、设定触发限制转矩的条件；
第二、当触发第一步设定的限制转矩条件时，对补偿转矩进行最值限制，限定的补偿转矩的最值为当前补偿值；
第三、将第二步限制后得到的转矩补偿值与mppt算法得到的转矩值te,mppt求和，最终得到给变流器系统发送的转矩参考值te,ref。
2.根据权利要求1所述的一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：
第一步中，触发限制转矩的条件为：
1-1、采集主轴转矩数据，当机组转矩斜率为负时，确定主轴转矩最大值点，并以当前转矩为最大值，根据疲劳载荷计算方法进行求解；
当机组转矩斜率为正时，确定主轴转矩最小值点，并以当前转矩为最小值，根据疲劳载荷计算方法进行求解；
1-2、判断上述求解值是否超过预先设定的机组疲劳载荷寿命，如果超过则进一步考虑转矩斜率与电网频率偏差是否为同号，如果同号，不必限制补偿转矩；
如果不同号，则进一步考虑上述求解值连续超过设定疲劳载荷寿命的次数后，对补偿转矩进行限制，此时为触发限制转矩的条件。
3.根据权利要求1所述的一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：所述疲劳载荷计算方法为根据s-n曲线实时计算机组主轴疲劳载荷。
4.根据权利要求3所述的一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：
所述疲劳载荷计算方法为：
基于s-n曲线理论，首先计算主轴的循环应力幅sa和平均应力sm，如式(1)所示；
式中，τmax与τmin分别为最大切应力和最小切应力；τmax与τmin分别由(te,max/wt)和(te,min/wt)计算所得；其中te,max和te,min为转矩的最大和最小值，wt为主轴的抗扭截面模量；
s-n曲线用幂函数表示时，有：
式中，k为反应不同载荷作用形式的系数，可由经验值给出，su为材料的极限强度值，m与c是与材料、应力比、加载方式有关的参数；
机组疲劳载荷寿命：根据goodman方程求得对称循环应力下的应力水平sa(r＝-1)：
(sa/sa(r＝-1)) (sm/su)＝1(3)
sm为循环平均应力，sa为应力幅，su为极限强度；
最后疲劳寿命n由式(4)得出：
n＝c/sa(r＝-1).(4)
5.根据权利要求1所述的一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：
第二步中所述的补偿转矩为由调频算法得出的补偿转矩，
调频算法的输入为电网频率偏差δf，其具体算法可采用式(5)计算；
δte＝kdroopδf(5)
式中，kdroop为设定的转矩-频率下垂系数。
6.根据权利要求5所述的一种计及机组疲劳载荷的风电机组调频方法，其特征在于：
第三步中：mppt算法的输入为机组实时转速，mppt算法采用最优转矩计算方法、最佳叶尖速比查表法或爬山搜索法等多种方法计算。
技术总结