CN101776043A - 基于误差补偿模型的风电机组最大风能捕获控制方法 - Google Patents

Abstract

基于误差补偿模型的风电机组最大风能捕获控制方法首先建立稳定运行时测量风速与转速偏差的误差补偿模型，通过实时检测风速，获得当前时刻风速下转速偏差，迭加到风力机期望最佳转速，作为风力机转速控制给定值，进而计算发电机有功功率指令，控制机组输出功率。同时，当风力机转速接近给定值时，以实时检测的风力机转速作为风力机转速控制给定值，控制发电机达到稳定运行，实现最大风能捕获。该方法能够使风力机快速跟踪风速变化，并通过误差补偿弥补因风速测量误差造成计算的转速设定值偏差，同时在接近稳定时，以实际转速计算功率给定值，保证风力机输出功率沿最佳功率曲线，实现最大风能的快速跟踪。

Description

基于误差补偿模型的风电机组最大风能捕获控制方法

技术领域

本发明是针对风力发电机组的一种控制技术，实现机组快速跟踪风速变化，保证最大风能捕获，涉及自动控制技术和新能源发电技术领域。

背景技术

随着风力发电的广泛应用和容量不断增大，变速风力发电机组已成为大型并网风力发电机组的主流机型。风力是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源，用于风能捕获的风力机在额定风速下有一个最佳运行转速，此时对风能的捕获效率最高，而且风施加给风力机的应力最小，所以变速运行风力发电机组要求低风速时能够根据风速变化，实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，保持最佳叶尖速比以获得最大风能，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。

额定风速下的变速控制，主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，已获得最佳叶尖速比。一种方法是通过实时测量风速或根据系统参数间接估算风速，按照最佳叶尖速比计算出风力机转速期望值，作为转速控制给定值，进而计算出风力机转矩给定值来控制发电机转矩。另一种方法是通过实时测量风力机转速，按照最佳功率曲线计算风力机功率，作为发电机功率给定值，控制发电机实现最大风能的追踪和捕获。前一种方法由于空气流动的不确定性和复杂性，使得风速难以实时准确测量，从而难以计算获得对应实际最大风能的最佳转速。而后一种方法由于风力机的惯性，使得基于实际转速测量给定值的控制方法难以快速跟踪风速变化，使得最大风能捕获的效率降低。

发明内容

技术问题：本发明目的是解决额定风速以下风电机组转速控制问题，针对风速测量不准和基于实际转速测量控制的滞后性，提出一种基于误差补偿模型的风电机组最大风能捕获控制方法，以实测风速计算转速给定值，并通过建立风速与转速偏差的误差补偿模型弥补风速测量不准的问题，同时当风力机转速接近给定值时，以实时检测的风力机转速作为风力机转速控制给定值，控制发电机达到稳定运行，从而实现最大风能捕获的快速性和准确性。

技术方案：该方法基于快速准确捕获最大风能的思想，以实测风速计算最佳转速给定值，并通过误差补偿模型修正该给定值，同时在转速接近给定值时，给定值切换到实测风力机转速值，该方法采用误差补偿策略，修正风力机最佳转速的给定值，进而计算发电机有功功率指令，控制机组输出功率，实现最大风能捕获，具体实现步骤如下：

1)首先通过风速仪测得风电机组N个稳态运行点对应的风速V_i，i＝1，2，…，N，根据风力机最佳叶尖速比λ_opt计算各稳态运行点风力机期望最佳转速R为风力机风轮半径，同时通过转速传感器，测得风力机在N个稳态运行点实际的转速ω_wi，计算实际转速与期望最佳转速之间的偏差e_i＝ω_wi-(ω_opt)_i，根据N个稳态运行点风速V_i和对应的转速偏差e_i，采用多项式拟合方法得到转速偏差-风速关系模型：

$e=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{V}^j$ 式1

式中a_j为拟合多项式系数，j为多项式阶次，j＝1，2，3；

2)风电机组运行时，通过风速仪实时测量风速V，根据期望最佳转速计算公式

和转速偏差-风速函数关系式1，分别获得当前时刻风速下，风力机期望最佳转速ω_opt和转速偏差e，并定义两者之和为风力机转速控制给定值：

ω^*＝ω_opt+e    式2

3)根据风力机最佳功率曲线计算出当前时刻输出机械功率给定值P_mec ^*：

$P_{\mathrm{mec}}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{\left(\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\right)}^3{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3=K_{\mathrm{opt}}{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3$ 式3

由双馈发电机的功率关系，按照下式计算出发电机有功功率指令P^*：

$P^{*}=\frac{P_{\mathrm{mec}}^{*}}{1-s}-\mathrm{\ΔP}=\frac{{K_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3}{1-s}-\mathrm{\ΔP}$ 式4

式中，

为具有最大风能利用系数的比例系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风平面面积，C_pmax为最大风能利用系数，s为发电机转差率，ΔP为功率损耗，发电机根据有功功率指令P^*实现最大风能的追踪和捕获；

4)实时测量风力机转速ω_w，并与转速控制给定值ω^*比较，当|ω^*-ω_w|≤10％ω^*时，即风力机转速接近给定值，此时以实时检测的风力机转速ω_w替换式4中ω^*，计算发电机有功功率指令，控制发电机达到稳态运行。

有益效果：该发明采用误差补偿模型，修正基于实测风速计算的风力机转速给定值，弥补了风速难以测量和测量不精确的缺点，保证风力机能够快速跟踪风速变化，同时在接近稳态时，以实测风力机转速作为转速给定值，控制发电机达到稳态运行。该方法同时考虑了实时风速变化和实际转速变化，从而能够实现最大风能捕获的快速性和准确性。

附图说明

图1控制算法流程图；

图2控制系统方框图。

具体实施方式

该方法基于快速准确捕获最大风能的思想，以实测风速计算最佳转速给定值，并通过误差补偿模型修正该给定值，同时在转速接近给定值时，给定值切换为实测风力机转速值，进而计算发电机有功功率指令，控制机组输出功率，实现最大风能捕获，具体实施步骤如下：

(1)首先通过风速仪测得风电机组N个稳态运行点对应的风速V_i(i＝1，2，…，N)，根据风力机最佳叶尖速比λ_opt计算各稳态运行点风力机期望最佳转速

R为风力机风轮半径，同时通过转速传感器，测得风力机在N个稳态运行点实际的转速ω_wi，计算实际转速与期望最佳转速之间的偏差e_i＝ω_wi-(ω_opt)_i，根据N个稳态运行点风速V_i和对应的转速偏差e_i，采用多项式拟合方法得到转速偏差-风速函数关系：

$e=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{V}^j---\left(1\right)$

式中a_j(j＝1，2，3)为拟合多项式系数；

该模型针对具体风力机，根据历史记录数据，采用多项式拟合方法离线获得，不需要实时在线更新。

(2)风电机组运行时，通过风速仪实时测量风速V，根据期望最佳转速计算公式

和转速偏差-风速函数关系式(1)，分别获得当前时刻风速下，风力机期望最佳转速ω_opt和转速偏差e，并定义两者之和为风力机转速控制给定值：

ω^*＝ω_opt+e    (2)

(3)根据风力机最佳功率曲线计算出当前时刻输出机械功率给定值：

$P_{\mathrm{mec}}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{\left(\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\right)}^3{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3=K_{\mathrm{opt}}{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3---\left(3\right)$

由双馈发电机的功率关系，按照下式计算出发电机有功功率指令：

$P^{*}=\frac{P_{\mathrm{mec}}^{*}}{1-s}-\mathrm{\ΔP}=\frac{{K_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3}{1-s}-\mathrm{\ΔP}---\left(4\right)$

式中，为具有最大风能利用系数的比例系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风平面面积，C_pmax为最大风能利用系数，s为发电机转差率，ΔP为功率损耗，发电机根据有功功率指令P^*实现最大风能的追踪和捕获；

(4)实时测量风力机转速ω_w，并与转速控制给定值ω^*比较，当|ω^*-ω_w|≤10％ω^*时，即风力机转速接近给定值，此时以实时检测的风力机转速ω_w替换式(4)中ω^*，计算发电机有功功率指令，控制发电机达到稳态运行。

Claims (1)

1.一种基于误差补偿模型的风电机组最大风能捕获控制方法，其特征在于该方法采用误差补偿策略，修正风力机最佳转速的给定值，进而计算发电机有功功率指令，控制机组输出功率，实现最大风能捕获，具体实现步骤如下：

1)首先通过风速仪测得风电机组N个稳态运行点对应的风速V_i，i＝1，2，…，N，根据风力机最佳叶尖速比λ_opt计算各稳态运行点风力机期望最佳转速

R为风力机风轮半径，同时通过转速传感器，测得风力机在N个稳态运行点实际的转速ω_wi，计算实际转速与期望最佳转速之间的偏差e_i＝ω_wi-(ω_opt)_i，根据N个稳态运行点风速V_i和对应的转速偏差e_i，采用多项式拟合方法得到转速偏差-风速关系模型：

$e=\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{a}_j{V}^j$ 式1

式中a_j为拟合多项式系数，j为多项式阶次，j＝1，2，3；

2)风电机组运行时，通过风速仪实时测量风速V，根据期望最佳转速计算公式

和转速偏差-风速函数关系式1，分别获得当前时刻风速下，风力机期望最佳转速ω_opt和转速偏差e，并定义两者之和为风力机转速控制给定值：

ω^*＝ω_opt+e                       式2

3)根据风力机最佳功率曲线计算出当前时刻输出机械功率给定值P_mec ^*：

$P_{\mathrm{mec}}^{*}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{\left(\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\right)}^3{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3=K_{\mathrm{opt}}{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3$ 式3

由双馈发电机的功率关系，按照下式计算出发电机有功功率指令P^*：

$P^{*}=\frac{P_{\mathrm{mec}}^{*}}{1-s}-\mathrm{\ΔP}=\frac{K_{\mathrm{opt}}{\left({\mathrm{\ω}}^{*}\right)}^3}{1-s}-\mathrm{\ΔP}$ 式4

式中，

为具有最大风能利用系数的比例系数，ρ为空气密度，A为风轮扫风平面面积，C_p max为最大风能利用系数，s为发电机转差率，ΔP为功率损耗，发电机根据有功功率指令P^*实现最大风能的追踪和捕获；

4)实时测量风力机转速ω_w，并与转速控制给定值ω^*比较，当|ω^*-ω_w|≤10％ω^*时，即风力机转速接近给定值，此时以实时检测的风力机转速ω_w替换式4中ω^*，计算发电机有功功率指令，控制发电机达到稳态运行。

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