CN101252334B - 变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法，包括风轮气动转矩测量计算方法和动态最优能量捕获调节方法两部分，风轮气动转矩测量计算方法是：在低速轴两端安装扭转角度测量仪，实时测量出低速轴的扭转角度，将低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数测量出来，根据低速轴的这两个参数以及实时测量的低速轴的扭转角度，可以实时测量计算出低速轴的扭转力矩，根据低速轴的扭转力矩和风轮转速的变化计算出瞬时风轮的气动转矩，所述动态最优能量捕获调节方法是根据测量计算出的瞬时风轮的气动转矩以及功率的变化梯度计算出最优能量捕获转矩，施加到发电机轴上，该发电机轴上转矩再通过齿轮箱施加到低速轴，从而调节风轮转速，使风轮达到最优能量捕获状态。

Description

变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法

技术领域

本发明涉及一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法。主要应用于现代水平轴升力型变速恒频风力发电机，可以提高风力发电系统在低于额定风速情况下的从湍流风中捕获的能量，增加风力发电机的年发电量。

背景技术

现代风力发电机一般为水平轴升力型，也就是说利用发电机叶片的特殊设计的气动外形，在风速和风轮转速共同作用下在叶片的每一段上产生升力，在升力的作用下，产生旋转力矩，带动发电机发出电能。相对于阻力型风力发电机，现代水平轴升力型风力发电机具有效率高的特点。为了能够在不同的风速下，获得最大的能量捕获，现代大型水平轴升力型风力发电机，一般采用变速恒频方式操作风力发电机。因此，会在不同的风速下采用不同的控制策略。根据参考文献1，在风速低于额定风速下工作时，风力发电机主要是工作在欠功率状态，即叶片的桨距角被调整到最佳桨距角位置，调节风轮转速，达到较高的能量捕获；在风速高于额定风速情况下，保持转速不变，调节桨距角，减少风轮能量捕获，进入恒功率工作状态。

图1是IEC标准中的三类风场的风速分布，我国大部分风场介于二类风场和三类风场之间，具有很强的代表性。以1.5兆瓦变速恒频风力发电

机为例，风轮直径可以达到70-77米，额定风速在12米/秒左右。风力发电机主要年工作小时数，从切入风速(4m/s左右)到额定风速(12m/s左右)为大约6000小时，而额定风速以上的年工作小时数大约为1381小时。这样，提高在风力发电机工作在低于额定风速情况下的发电效率，将对于提高风力发电机年发电量产生巨大的影响。

对于兆瓦级变速恒频风力发电机来说，为了能够优化地捕获风中的能量，主要依靠通过静态仿真得出的优化转矩转速曲线进行开环控制。如图2所示的黑色曲线(摘自参考文献1)。而一般的控制系统框图如图3所示。根据静态曲线控制有以下问题：

1、静态曲线考虑的是正面吹来的风作用。而实际上，由于风向时刻改变，而发电机的偏航控制反应较慢，导致偏航误差，风会在左右方向和上下方向与风轮所成的夹角，使风力发电机处于非最优能量捕获状态，降低了能量捕获。

2、由于静态曲线根据稳态风得出，而实际的风场为三维湍流风场。这样，就造成风轮获得的升力与静态情况有所不同，导致能量捕获下降。

3、静态曲线一般根据叶片数据，有常见的载荷仿真软件，如GH Bladed和Flex5，根据叶片数据直接计算出来，由于实际叶片和叶片数据模型之间存在误差，经过计算得出的曲线本身就存在误差，使用这个曲线控制时，也会降低能量捕获。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，克服上述恒频变速风力发电机在低于额定风速下的静态非最优能量捕获的问题，提供一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法。

本发明的目的是这样实现的：一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法，其特征在于所述方法包括风轮气动转矩测量计算方法和动态最优能量捕获调节方法两部分，

所述的风轮气动转矩测量计算方法是：在低速轴两端安装扭转角度测量仪，该测量仪测量低速轴在工作状态下，实时测量出低速轴的扭转角度，扭转角度以弧度为单位，低速轴在锻造的时候通过做实验的方法将低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数测量出来，根据低速轴的这两个参数以及实时测量的低速轴的扭转角度，可以实时测量计算出低速轴的扭转力矩，根据低速轴的扭转力矩和风轮转速的变化计算出瞬时风轮的气动转矩，

所述动态最优能量捕获调节方法是根据测量计算出的瞬时风轮的气动转矩以及功率的变化梯度计算出最优能量捕获转矩，施加到发电机轴上，该发电机轴上转矩再通过齿轮箱施加到低速轴，从而调节风轮转速，使风轮达到最优能量捕获状态，达到动态最优能量捕获的目的，具体计算过程如下，

所述瞬时风轮的气动转矩的计算公式如下：

T_a＝J_rω_r′_r+T＝J_rω′_r+K_sθ+B_sθ′，

其中，T_a为风轮获得的气动转矩，T为低速轴与齿轮箱链接处的扭矩，单位为牛顿米，J_r为风轮的转动惯量，单位是公斤米平方，ω′_r为风轮转速的导数，θ为低速轴两端扭转角度，单位是弧度，θ′为低速轴的扭转角度的导数，K_s是低速轴的扭转刚度，单位是牛顿米/弧度，B_s为低速轴的扭转阻尼系数，单位是牛顿米/(弧度/秒)。

所述动态最优能量捕获调节方法的控制公式为：

T_e(k+1)＝J_r(ω_r(k)-ω_r(k-1))/T_s+K_sθ+B_s(θ(k)-θ(k-1))/T_s+η(P_e(k)-P_e(k-1))/T_s

其中，T_e为发电机的电转矩，单位是牛顿米，(k+1)，(k)，和(k-1)分别表示下一时刻，当前时刻，和前一时刻对应变量的值，令η＝α/P_e，P_e为测量的电功率。α作为归一化的调节参数，α的调节范围为0.1-0.3。

附图说明

图1是以往IEC标准中的三类风场的风速分布图。

图2是优化转矩转速曲线图。

图3是通常的控制系统框图。

图4是本发明变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法的方案框图。

图5是本发明的风力发电机简化模型图。

具体实施方式

本发明所涉及的变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法具体的方案框图4所示，方案由两部分组成：风轮气动转矩测量计算方法和动态最优能量捕获调节方法。

所述风轮气动转矩测量计算所述的风轮气动转矩测量计算方法包括测量和计算两部分。

第一部分、风轮气动转矩测量

风轮气动转矩测量是通过设置在低速轴两端的扭转角度测量仪，该测量仪测量低速轴在工作状态下，实时直接测量出低速轴的扭转角度θ，以弧度为单位。再根据低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数(低速轴在锻造的时候通过做实验的方法将低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数测量出来)，根据低速轴的这两个参数以及实时测量的低速轴的扭转角度，可以实时测量出低速轴的扭转力矩。根据低速轴的扭转力矩和风轮角速度的变化计算出瞬时风轮的气动转矩。风轮的气动转矩直接跟风的湍流密度，偏航误差，以及风的垂直入射角度有关。因此，直接测量的风轮捕获的气动转矩考虑到了风速湍流密度，偏航误差，以及风的垂直入射角度。根据测算出的风轮捕获的气动转矩，叠加功率的梯度信息，设计了动态优化跟踪调节算法。

风轮气动转矩计算：

风轮捕获的气动转矩直接反映了风力发电机的能量捕获状态，因此如何获得风轮捕获的气动转矩，是最优能量捕获算法的基础。根据参考文献[1]，可知风轮捕获的气动转矩与风速和风轮转速以及叶片特性相关：

$T_a=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{R}^3\frac{C_p}{\mathrm{\λ}}{U}^2---\left(1\right)$

其中，T_a为风轮获得的气动转矩，单位为牛顿米，ρ为空气密度，单位公斤/立方米，π为圆周率，R为风轮半径，单位为米，U为风轮平面上的等效风速，单位为米/秒，C_ρ为功率捕获系数，λ为叶尖速比。由于风力发电机的风轮平面很大，例如1.5MW的风力发电机风轮平面面积至少为3800平方米，因此测量整个风轮平面的等效风速非常困难，所以这个公式在实际的控制中无法使用。

根据风力发电机的简化模型(如图5)，可以得出如下关系：

T_a-T＝J_rω′_r(2)

$\frac{1}{n}T-T_e=J_e{\mathrm{\ω}}_g^{\′}---\left(3\right)$

$T=K_s\mathrm{\θ}+B_s{\mathrm{\θ}}^{\′}=K_s{\∫}_0^t({\mathrm{\ω}}_r-\frac{1}{n}{\mathrm{\ω}}_g)\mathrm{d\τ}+B_s({\mathrm{\ω}}_r-\frac{1}{n}{\mathrm{\ω}}_g)---\left(4\right)$

其中，T_a为风轮获得的气动转矩，T为低速轴与齿轮箱链接处的扭矩，T_e为发电机电转矩，转矩的单位为牛顿米，J_r和J_g分别为风轮和发电机的转动惯量，单位是公斤米平方，ω_r和ω_g分别是风轮和电动机的转速，单位是弧度/秒，ω′_r和ω′_g分别是风轮和电动机的转速的导数，θ为低速轴两端扭转角度，单位是弧度，θ′为低速轴的扭转角度的导数，K_s是低速轴的扭转刚度，单位是牛顿米/弧度，B_s为低速轴的扭转阻尼系数，单位是牛顿米/(弧度/秒)。n为齿轮箱变速比，无单位。

有文章采用上述公式作为自适应控制的基础，而在实际控制过程中，由于齿轮箱内部的齿轮啮合过程中，转速的传递会出现非线性，也就是说用公式(4)后半部分公式

计算出的T误差较大，从而导致控制误差，不能达到最优的能量捕获的目的。如果能够精确测量和计算出风轮获得的气动转矩，才能更加准确地控制风力发电机。因此，本发明提出了在低速轴的两端安装轴的扭转测量装置，直接测量出低速轴的扭转角度θ及其变化θ’，根据公式(4)中K_sθ+B_sθ′，就可以得出精确的低速轴上的扭转力矩，这样，就可以通过低速轴的扭转力矩和风轮速度的改变，计算出瞬时风轮从风中获取的气动转矩T_a＝J_rω′+T＝J_rω′_r+K_sθ+B_sθ′。测速装置可以参见文献2。

第二部分、动态最优能量捕获方法

瞬时电功率P_e＝T_e·ω_g，电功率对时间的导数为：

$\frac{{\mathrm{dP}}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{d{T}_e}{\mathrm{dt}}\·{\mathrm{\ω}}_g+T_e\frac{d{\mathrm{\ω}}_g}{\mathrm{dt}}.---\left(5\right)$

根据参考文献3，基于梯度的最优化方法是一种常用的优化方法，本发明为了能够优化地获得最大功率，将梯度法应用于风力发电机动态最优能量捕获，即沿梯度方向改变电功率，经过多次的迭代就会得到最优的电功率捕获。

由于整个传动系统的转动惯量比较大，速度很难快速改变，所以电功率的改变直接和电转距的改变成正比：

因此，电转矩的改变梯度和功率改变梯度是一致的。电功率的梯度表示了电功率的变化方向，如果电功率的梯度为正数，则说明电功率增加，如果电功率的梯度为负数，电功率变小。为了获得最大功率，就可以按照电功率变化梯度来调节电转距大小，在每步的控制步骤中，按照功率梯度方向调整功率。也就是说，为了能够动态跟踪，达到最优能量捕获，在电气转矩上叠加一个电功率的梯度项，即，

$T_e=T_a+\mathrm{\η}\frac{d{P}_e}{\mathrm{dt}}=J_r{\mathrm{\ω}}_r^{\′}+K_s\mathrm{\θ}+B_s{\mathrm{\θ}}^{\′}+\mathrm{\η}\frac{d{P}_e}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

其中η为调节参数，是正常数，其中，ω_r，θ和P_e是可测量的，而ω′_r，θ′，和是可以计算的，因此可以直接进行控制。公式(6)就是动态最优能量捕获的控制公式，但是，计算机控制系统为离散控制系统，所以将ω′_r，θ′，和

离散化，得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_r^{\′}=({\mathrm{\ω}}_r\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_r(k-1))/T_s\\ {\mathrm{\θ}}^{\′}=(\mathrm{\θ}\left(k\right)-\mathrm{\θ}(k-1))/T_s\\ \frac{{\mathrm{dP}}_e}{\mathrm{dt}}=(P_e\left(k\right)-P_e(k-1))/T_s\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，T_s为控制步长，单位为秒。由公式(7)可以推出实际控制公式：T_e(k+1)＝J_r(ω_r(k)-ω_r(k-1))/T_s+K_sθ+B_s(θ(k)-θ(k-1))/T_s+η(P_e(k)-P_e(k-1))/T_s(8)其中，(k+1)，(k)，和(k-1)分别表示下一时刻，当前时刻，和前一时刻对应变量的值。如果η越大，对功率变化放大越大，动态跟踪越快，太大则会导致系统不稳定；如果η越小，对功率变化放大越小，动态跟踪越慢，系统越稳定。η值与风力发电机的叶片和当前功率有关系，其中由于变速恒频风力发电机的功率范围很宽，所以功率的影响更大，也就是说在小功率时η值应该稍大一些，在大功率时η值应该稍小一点。因此，令η＝α/P_e。α作为归一化的调节参数。

把公式(8)用软件实现，作为外部控制器进行仿真研究。仿真条件是：在IEC3类风场中，将传统控制器和本发明实现的控制器进行比对试验，得出表格1.由仿真得出α的调节范围为0.1-0.3。从表格中的数据可以看出本方法优于传统方法，每年可额外产生12947元的额外收益(风电上网电价按0.5元/千瓦时计算)。

参考文献：

[1]Tony Burton，David Sharpe，Nick Jenkins，Ervin Bossanyi.WindEnergy Handbook，John Wiley & Sons，Ltd，West Sussex，P019 1UD，England.2001。

[2]喻洪麟，朱传新，杨张利，光栅扭矩动态测量系统设计及实现。应用光学，2006年05期.

[3]袁亚湘，最优化理论与方法，科学出版社。

Claims (1)

1.一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法，其特征在于所述方法包括风轮气动转矩测量计算方法和动态最优能量捕获调节方法两部分，

所述的风轮气动转矩测量计算方法是：在低速轴两端安装扭转角度测量仪，该测量仪测量低速轴在工作状态下，实时测量出低速轴的扭转角度，扭转角度以弧度为单位，低速轴在锻造的时候通过做实验的方法将低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数测量出来，根据低速轴的这两个参数以及实时测量的低速轴的扭转角度，可以实时测量计算出低速轴的扭转力矩，根据低速轴的扭转力矩和风轮转速的变化计算出瞬时风轮的气动转矩，

所述动态最优能量捕获调节方法是根据测量计算出的瞬时风轮的气动转矩以及功率的变化梯度计算出最优能量捕获转矩，施加到发电机轴上，该发电机轴上转矩再通过齿轮箱施加到低速轴，从而调节风轮转速，使风轮达到最优能量捕获状态，具体计算过程如下，

所述瞬时风轮的气动转矩的计算公式如下：

T_a＝J_rω′+T＝J_rω′_r+K_sθ+B_sθ′，

其中，T_a为风轮获得的气动转矩，T为低速轴与齿轮箱链接处的扭矩，单位为牛顿米，J_r为风轮的转动惯量，单位是公斤米平方，ω′_r为风轮转速的导数，θ为低速轴两端扭转角度，单位是弧度，θ′为低速轴的扭转角度的导数，K_s是低速轴的扭转刚度，单位是牛顿米/弧度，B_s为低速轴的扭转阻尼系数，单位是牛顿米/(弧度/秒)，

所述动态最优能量捕获调节方法的控制公式为：

T_e(k+1)＝J_r(ω_r(k)-ω_r(k-1))/T_s+K_sθ+B_s(θ(k)-θ(k-1))/T_s+η(P_e(k)-P_e(k-1))/T_s

其中，T_e为发电机的电转矩，单位是牛顿米，k+1，k，和k-1分别表示下一时刻，当前时刻，和前一时刻对应变量的值，令η＝α/P_e，其中P_e为测量的电功率，α作为归一化的调节参数，α的调节范围为0.1-0.3。

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