CN101686034B - 基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法 - Google Patents

Abstract

基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法，属于风力发电领域。开关磁阻控制器通过改变励磁电流值的大小，向开关磁阻电机的励磁电流中注入扰动量Δi，通过设置在母线上的电压、电流传感器分别检测输出母线的电压和电流信号，开关磁阻控制器通过电压和电流信号计算开关磁阻发电机的输出功率，并根据发电机输出功率变化和发电机转速变化，自动调节励磁电流扰动量Δi，使发电机输出功率始终稳定在最大值上。无需在开关磁阻风力发电系统中额外安装风速测量装置，也无需明确知道风轮机的机械特性等参数，即可跟踪风速变化，输出最大功率。

Description

基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种基于开关磁阻风力发电系统的最大功率跟踪控制方法。属于风力发电领域。

本发明尤其涉及一种基于开关磁阻风力发电系统的利用开关磁阻控制器对开关磁阻发电机励磁电流进行扰动控制的最大功率跟踪控制方法。

本发明尤其涉及一种基于开关磁阻风力发电系统的无需知道风轮机机械特性即可自动实现最大功率输出的跟踪方法。

背景技术

由于受环境和能源问题所困，近年来风力发电技术得到了快速发展，成本也呈逐年下降的趋势。考虑污染治理成本，风力发电的成本已降至接近燃煤发电成本。因此，风力发电具有广阔的发展前景。

目前现场使用的风力发电系统多数采用普通异步感应发电机、同步发电机、直流发电机和双馈发电机四种，此类发电机大都存在风能利用效率低、变速范围不够宽、需要安装增速齿轮箱等缺点。开关磁阻发电机(简称SRG)为双凸极电机，定子、转子均为凸极齿槽结构，定子上设有集中绕组，转子上既无绕组也无永磁体，由此带来变换器及控制、驱动的简洁性。开关磁阻发电机的变速运行范围宽，低速运行性能好，电机结构简单，可靠性高，电机的损耗小，运行效率高，输出为恒压直流电，易于并网，同时可将齿轮箱省掉，提高了对风能的利用效率。但目前的开关磁阻风力发电系统中，为了实现在各种风速下的最大输出功率，大多需要安装风速测量装置，通过测量风速实现控制目标，或需在设计开关磁阻控制器前预先明确知道风轮机的机械特性，根据风轮机的转速来实现最大功率输出。由于风轮机长时间运行会导致机械特性发生改变，因此这两种实现方法除了增加投资外，还会在长期运行中偏离最大输出功率点，影响风能利用效率，也未能充分发挥开关磁阻电机控制灵活的特点。

因此，设计一种无需安装风速测量装置、也无需知道风轮机机械特性即可实现开关磁阻风力发电最大功率自动跟踪的控制方法，对解决开关磁阻风力发电实用化具有很重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有开关磁阻风力发电系统的缺陷，提出一种无需安装风速测量装置、无需知道风轮机机械特性、能在现场使用的基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：该基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法，其特征在于：开关磁阻控制器通过改变励磁电流值的大小，向开关磁阻电机的励磁电流中注入扰动量Δi，通过设置在母线上的电压、电流传感器分别检测输出母线的电压和电流信号，开关磁阻控制器通过电压和电流信号计算开关磁阻发电机的输出功率，并根据发电机输出功率变化和发电机转速变化，自动调节励磁电流扰动量Δi，使发电机输出功率始终稳定在最大值上；

电流传感器和电压传感器安装在母线上的滤波电容和负载之间；

开关磁阻控制器向开关磁阻电机的励磁电流中注入的扰动量Δi，用公式表示为：

$i(k+1)=\left\{\begin{array}{cc}i\left(k\right)+i_{\mathrm{step}}& \mathrm{\&Delta;}{p}_e\left(k\right)\&GreaterEqual;0|\mathrm{\&Delta;n}\left(k\right)\&GreaterEqual;0\\ i\left(k\right)-m\&CenterDot;i_{\mathrm{step}}& \mathrm{\&Delta;}{p}_e\left(k\right)<\&\mathrm{\&Delta;n}\left(k\right)<0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中i(k+1)为在(k+1)时刻励磁电流目标值，i(k)为在k时刻励磁电流值，i_step为单位电流扰动量，Δp_e(k)为k时刻发电机发出的电功率变化值，Δn(k)为k时刻发电机的转速变化值，电流增加时每次增加i_step，电流减小时每次减小为m·i_step，其中m≥3以确保电流快速减小。

为了提高系统响应特性和稳定性，可以在刚开始发电运行时将单位电流扰动量i_step设置的值大一些，以缩短跟踪时间。等输出功率稳定在一定范围后，可以慢慢减小i_step的值，最后使输出功率稳定在最大值附近，减小输出功率的震荡。

根据公式P＝U×I计算发电机的输出功率。

运行过程中，在扰动量Δi的作用下，开关磁阻发电机的输出功率p_e增加或者发电机的转速增加，说明这个扰动量的方向是正确的，可以在新的励磁电流基础上继续沿着这个方向施加扰动量。如果开关磁阻发电机的输出功率p_e减小同时发电机的转速也减小，则扰动量Δi应该反方向变化，减小励磁电流的值。

由于风轮机的功率转速特性曲线为凸函数，为避免风轮机工作在最高功率点的左半部分时会出现不稳定的工作状态，可采用“缓慢增加，快速减小”的方法控制励磁电流的变化，即励磁电流需要增加时每次增加一个比较小的值，需要减小时则每次减小一个较大的值。

与现有技术相比，本发明的基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法的有益效果是：

1.可以省去风速测量装置，降低了系统成本，提高了可靠性；

2.无需明确知道风轮机的机械特性，避免了为达到最大功率输出需要使用包括风轮机叶片机械特性等参数在内的繁琐的计算过程，发电机控制系统的设计更容易；

3.长期运行中，即使风轮机的机械特性有所改变，也可以自动适应这种变化，维持最大的风能利用效率；

4.只需在发电机电能输出母线上增加一个电流传感器、一个电压传感器即可使用开关磁阻控制器来实现最大功率的自动跟踪，充分运用了开关磁阻电机控制灵活的特点。

附图说明

图1是本发明的系统安装原理图。

图1是本发明的最佳实施例。其中：1风轮机、2开关磁阻发电机、3开关磁阻控制器、4电流传感器、5电压传感器、6母线滤波电容。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法做进一步说明。

参照图1：

本发明的开关磁阻风力发电系统由风轮机1、关磁阻发电机2、开关磁阻控制器3、电流传感器4、电压传感器5、母线滤波电容6组成。风轮机1叶片直接驱动开关磁阻发电机(SRG)2，并在开关磁阻控制器3的控制下实现发电。同时开关磁阻控制器3检测母线电流传感器4和母线电压传感器5的信号，计算开关磁阻发电机(SRG)2的输出功率，电流传感器4和电压传感器5应安装在母线滤波电容6和负载之间。刚开始发电工作时，开关磁阻控制器3主动给开关磁阻发电机(SRG)2的励磁电流施加一个较大的扰动量Δi，如果在这个扰动量Δi的作用下，开关磁阻发电机(SRG)2的输出功率p_e增加或者开关磁阻发电机(SRG)2的转速增加，说明这个扰动量的方向是正确的，可以在新的励磁电流基础上继续沿着这个方向增加励磁电流。如果开关磁阻发电机(SRG)2的输出功率p_e减小同时开关磁阻发电机(SRG)2的转速也减小，则扰动量Δi应该反方向变化，需要快速减小励磁电流，减小开关磁阻发电机(SRG)2输出的功率。直到开关磁阻控制器3检测到开关磁阻发电机(SRG)2的转速增加，则再开始增加励磁电流，如此反复扰动，开关磁阻风力发电系统的输出功率将在最大功率点附近震荡运行。此时可以将扰动量Δi值变小，继续在功率稳定的基础上对开关磁阻发电机(SRG)2的输出功率进行扰动试探，直到扰动量Δi近似为零或者输出功率变化近似为零结束。

Claims (1)

1.基于开关磁阻风力发电系统的最大功率自动跟踪方法，其特征在于：开关磁阻控制器通过改变励磁电流值的大小，向开关磁阻发电机的励磁电流中注入扰动量Δi，通过设置在母线上的电压、电流传感器分别检测输出母线的电压和电流信号，开关磁阻控制器通过电压和电流信号计算开关磁阻发电机的输出功率，并根据开关磁阻发电机输出功率变化和开关磁阻发电机转速变化，自动调节励磁电流扰动量Δi，使开关磁阻发电机输出功率始终稳定在最大值上；

电流传感器和电压传感器安装在母线上的滤波电容和负载之间；

开关磁阻控制器向开关磁阻发电机的励磁电流中注入的扰动量Δi，用公式表示为：

其中i(k十1)为在(k+1)时刻励磁电流目标值，i(k)为在k时刻励磁电流值，i_step为单位电流扰动量，Δp_e(k)为k时刻开关磁阻发电机发出的电功率变化值，Δn(k)为k时刻开关磁阻发电机的转速变化值，电流增加时每次增加i_step，电流减小时每次为m·i_step，其中m≥3以确保电流快速减小。

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