CN102434391B - 一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法。其设计机理在于风速平均值恰好反映了风速及风能量集中分布的区间。因此，最优转速跟踪区间与平均风速存在数量上的直接关系而变得容易预估，且无需迭代搜索。与调整转矩的改进方法相比，该改进方法不仅提高了风能捕获效率，且简单易行。通过对模拟风速序列的仿真计算与比较分析，验证了该方法的有效性和先进性。

Description

一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，特别是一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

为了提高低于额定风速区间的风能捕获效率，变速恒频风力发电机组一般采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制策略。其控制目标在于随着风速的变化，通过调节风轮转速使其始终运行于最优转速，即最佳叶尖速比，进而最大效率的捕获转化风能。它的实现方法主要有：功率曲线法（也称为功率信号反馈法或转矩曲线法）、叶尖速比法和爬山法。其中应用最广泛的是功率曲线法

传统的MPPT控制，特别是功率曲线法，多基于系统稳态设计，而忽略了风机系统在不同稳态工作点之间跟踪的动态过程。但是，面对不断提升的单机容量导致风轮不断增大的转动惯量及其愈发缓慢的动态响应性能，以及风速频繁处于波动过程中且很难短期预测，传统MPPT控制下的风机系统绝大部分时间处于动态过程中，而非运行在稳态工作点上。因此，风机实际的风速跟踪效果仍有待改善。

为此，美国国家可再生能源实验室的L.J. Fingersh和P. W. Carlin首次提出了利用发电机电磁转矩帮助风机加速或减速的改进思路；在此基础上，Johnson K. E.等人提出了减小转矩增益（Decreased Torque Gain，DTG）控制。该控制方法不仅通过减小电磁转矩提高了风机在跟踪渐强阵风时的加速性能，更首次应用了以放弃部分低风速段的转速跟踪效果换取高风速段的高风能捕获效率的控制思想；进一步地，考虑到DTG控制采用恒定的增益系数，Johnson K. E.等人又设计出自适应转矩控制，利用自适应算法和历史运行工况的统计数据，迭代搜索并在线修正最优增益系数，以响应迭代周期时间尺度上的风速条件变化。

上述研究工作都围绕调整电磁转矩的思路改善风机的动态性能和风能捕获效率，突破了传统功率曲线法忽略跟踪动态的局限性。但是，该思路面临的关键难题是转矩调整的最优状态与风速条件密切相关，但却很难找到它们之间直接的量化关系。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，可以收缩风机转速的跟踪区间，缩短最大功率点的跟踪过程，进而改善跟踪效果，提高风能捕获效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，采用功率曲线法，通过控制发电机输出功率运行于风机最佳功率曲线上来实现最大功率点跟踪控制，所述功率曲线法所用公式为：

                            

                        

                       

上式中， 

为转动惯量，

为风轮的机械驱动转矩，

为电磁制动转矩，

为风速，

为风轮的角速度，

为空气密度，

为风轮半径，

为风能利用系数，

是叶尖速比，为起始发电转速即起始转速，为风机的最优转矩曲线，具体为：

                             

                           

上式中

为最大风能利用系数，

为最佳叶尖速比，K _m 近似为常数；

其中起始发电转速

的调整方法包括以下步骤：

步骤1、对起始转速的调整算法进行初始化，即对风速采样周期和起始转速更新周期

进行设置，其中采样频率为1～4Hz；清空所对应的风速采样值序列，将

初始化为风机最大功率点跟踪控制阶段的最小转速； 

步骤2、进入新的起始转速更新周期

，以风速采样周期在该周期

中对风速值进行采样即读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期

是否完成，若完成，则执行步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、求取风速采样值序列的平均值

，并对起始发电转速即起始转速

进行调整，之后以更新后的

进入新更新周期

，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。对起始发电转速

进行调整具体为：

将调整为，式中，

为最佳叶尖速比，

为风速采样值序列的平均值，为补偿系数，

为风轮半径。

本发明与现有技术相比，其显著优点： 1）本发明的方法进一步提高风能捕获效率；2）本发明的方法不需要复杂的迭代搜索过程，算法非常简单易行；3）本发明的方法需要量测的信息少，计算负担轻；4）本发明的方法以近期的平均风速直接预估最优起始转速，不易受到风速条件变化的影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为减小路程以改善跟踪效果的仿真验证轨迹图，其中图（a）为转速跟踪轨迹，图（b）为风能利用系数。图中虚线表示最佳转速曲线；标识△的实线表示提高起始转速后的功率曲线法的风机轨迹；标识*的实线表示DTG控制的风机轨迹。

图2为风机模型的仿真框图。

图3为体现不同波动程度的构造平均风速斜坡图，其中图（a）为低波动程度平均风速斜坡，图（b）为中波动程度平均风速斜坡，图（c）为高波动程度平均风速斜坡。

图4为对应于不同方法及波动程度的

比较图。

具体实施方式

本发明首次提出通过收缩风机转速的跟踪区间，缩短最大功率点的跟踪过程，进而提高风能捕获效率的改进思路。并在此基础上，设计出基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法。与基于电磁转矩调整的改进方法相比，它不仅进一步提高了风能捕获效率，且算法简单易行而不易受到风速条件变化的影响。

1 收缩跟踪区间的改进思路

由物体运动方程可知，除提高加速度的绝对值之外，减小跟踪路程同样可以缩短最大功率点的跟踪过程，进而改善跟踪效果，提高风能捕获效率。

下面结合图1来验证这一观点。图1给出了一段斜坡递增风速序列下的风机仿真轨迹。其中，斜坡起始风速为3m/s，经20s后上升并保持在8m/s，相应的最佳转速曲线如虚线所示；标识△的实线为应用传统功率曲线法的风机轨迹，但将它的初始转速初始化为对应于5.0m/s风速的最佳转速；标识*的实线为应用DTG控制的风机轨迹，其初始转速初始化为对应于3.0m/s风速的最佳转速。

由图1可见，高初始转速缩短了风机转速跟踪至对应于8.0m/s最佳转速的路程。因此，尽管仍采用传统功率曲线法，但跟踪路程减小的风机的跟踪效果和风能捕获效率得到明显改善。特别是在高风速段，其

要优于初始转速较低的DTG控制。

注：通过收缩风机的转速跟踪区间可以减小最大功率点的跟踪路程，即将转速跟踪区间缩小为风机MPPT阶段转速范围的一个子区间。

2 基于起始转速调整的功率曲线法改进

为了在传统功率曲线法的基础上应用上述收缩转速跟踪区间、减小跟踪路程的改进思路，本发明提出了基于起始转速调整的跟踪区间收缩方法，并相应改进了功率曲线法。

本发明的一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，采用功率曲线法，通过控制发电机输出功率运行于风机最佳功率曲线上来实现最大功率点跟踪控制，所述功率曲线法所用公式为：

                            

                        

                       

上式中， 

为转动惯量，

为风轮的机械驱动转矩，

为电磁制动转矩，

为风速，

为风轮的角速度，为空气密度，

为风轮半径，

为风能利用系数，

是叶尖速比，

为起始发电转速即起始转速，

为风机的最优转矩曲线，具体为：

                             

                           

上式中

为最大风能利用系数，

为最佳叶尖速比，K _m 近似为常数；

其中起始发电转速

的调整方法包括以下步骤：

步骤1、对起始转速的调整算法进行初始化，即对风速采样周期

和起始转速更新周期进行设置，其中采样频率为1～4Hz；清空

所对应的风速采样值序列，将

初始化为风机最大功率点跟踪控制阶段的最小转速； 

步骤2、进入新的起始转速更新周期，以风速采样周期在该周期

中对风速值进行采样即读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期是否完成，若完成，则执行步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、求取风速采样值序列的平均值

，并对起始发电转速即起始转速进行调整，之后以更新后的

进入新更新周期，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。对起始发电转速进行调整具体为：

将

调整为

，式中，

为最佳叶尖速比，

为风速采样值序列的平均值，为补偿系数，为风轮半径。

注：在风机运行过程中，风速大部分时间内大于风机起动风速，因此由公式

计算的转速值将大于风机起动风速对应的最佳转速（即MPPT阶段的最小转速），因而根据上述公式调整起始转速，即可达到提高起始转速，收缩转速跟踪区间、减小最大功率点跟踪路程的目的。此外，除了起始转速的周期性调整，改进后的功率曲线法与传统方法完全相同。

3 改进方法的机理分析

本发明提出的改进方法虽然仅表现在起始转速的调整，但其关注并改善了最大功率点的动态跟踪过程，且蕴含着与基于转矩调整的改进方法类似的改进策略。

1）仅以区间下边界的提升实现转速跟踪区间的收缩，实质上是放弃部分低风速段的最大功率点跟踪，以换取跟踪渐强阵风时的路程减小以及跟踪效果的改善，进而从整体上优化平均风能利用率；

2）对于某一时间段的风速序列，同样存在起始转速的最优设定问题。本发明以近期的平均风速直接预估最优起始转速。主要是考虑到：转速跟踪区间与平均风速存在数量上的直接关系，其机理在于风速的平均值恰好反映了风速及风能量集中分布的风速区间。因此，风速集中分布区间对应的转速区间应该作为最大功率点跟踪的重点区域；此外，假设更新周期时间尺度上的风速平均值具有连续变化的特性。

下面结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的描述：

通过对模拟风速序列的仿真计算和统计分析，对本发明提出的基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法和自适应转矩控制进行综合比较，以验证前者的有效性和先进性。

1 实施例的仿真模型

1）简化风机模型的构建

结合图2说明本发明实施例采用的仿真模型。本文在Matlab/Simulink环境中建立了只考虑风机旋转轴系慢动态而忽略电气系统快动态的简化风机模型。其构成框图如图2所示。风机模型的主要参数设置为：风机容量1.0MW，风轮直径52.67m，转动惯量1.1204×10⁶ Kgm²。风轮的

曲线设置为：

                    

                 

为0.4109，

为8.0，β为桨距角，设置为0。

2）两种MPPT控制的仿真实现

通过修改传统功率曲线法，可以仿真实现需要比较的两种MPPT控制方法，即本发明提出的基于起始转速调整的改进功率曲线法和自适应转矩控制。依据发明内容中所述步骤周期性的修正

可实现基于起始转速调整的改进功率曲线法，具体步骤如下：

步骤1、对起始转速的调整算法进行初始化，即设置风速采样周期

（采样频率为1～4Hz），设置起始转速更新周期=20min；清空

所对应的风速采样值序列，将

初始化为风机最大功率点跟踪控制阶段的最小转速； 

步骤2、进入新的起始转速更新周期，以风速采样周期

在该周期

中对风速值进行采样即读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期

是否完成，若完成，则执行步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、求取风速采样值序列的平均值

，并按

对起始发电转速即起始转速

进行调整，其中

=0.5，之后以更新后的进入新更新周期

，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。

为便于比较，自适应转矩控制与本发明提出的方法采用相同的迭代周期，即，同设为20分钟。自适应转矩控制的起始转速设为风机MPPT阶段的最小转速，并保持不变。

3）模拟风速序列的构造方法

结合图3说明模拟风速序列的构造方法。根据自回归滑动平均（ARMA）方法，构造80个持续时间为20分钟的风速时段。并按风速平均值对上述风速时段进行排列组合，构造出平均风速的上升斜坡或上升/下降交替斜坡（如图3所示），以反映该时间尺度上风速条件的3种波动程度。此外，风速时段的湍流强度设为IEC-614000-1标准中定义的A类（高）湍流级别。

2 综合比较分析

本发明构造了82组仿真实验算例。每个算例包含80个持续时间为20分钟的风速时段，并按图3所示的方式排列组合出3种体现平均风速不同波动程度的风速序列。这样，共计生成246个模拟风速序列。针对每个风速序列，分别应用传统功率曲线法、自适应转矩控制和本发明的基于起始转速调整的改进方法，并通过统计分析风速时段的平均风能捕获比率

比较上述方法。

定义如下：

，                             

，

                 

其中，n为一个统计时段（即迭代周期）内的采样次数；为偏航误差角，本文忽略为0度。

1）风能捕获效率

结合图4对比上述3种方法的风能捕获效率。将上述3种方法应用于某个风速序列，可计算出对应于确定方法及具体风速序列的

的平均值，记为

，具体为：

                              

进一步地，以图3所示的波动程度进行分类，可统计出3种方法应用于不同波动程度风速条件时的

的平均值，记为，如图4所示。由图4可见，在各种波动程度下，基于起始转速调整的改进方法对应的

比自适应转矩控制提高0.98%左右，比传统功率曲线法大约提高1.50%。

2）风速条件波动时的算法鲁棒性

对于1组仿真算例包含的3种不同波动程度的风速序列，虽然仅是风速时段的排列方式不同，但应用相同的方法仍可能得到不同的

。而它们的标准差正反映了MPPT控制在风速条件波动时的算法鲁棒性。即标准差越大，则表明算法实施的效果越容易受到风速条件波动的影响。表1给出了上述3种方法对应的标准差的平均值。由表1可见，基于起始转速调整的改进方法对应的标准差仅为自适应转矩控制的一半，但大于传统功率曲线法。

表1 对应于不同方法的标准差的比较

方  法	自适应转矩控制	本文的改进方法	传统功率曲线法
				标准差（×10-3）	0.3216	0.1555	0.0271

3）方法实施的复杂程度

相较于自适应转矩控制，基于起始转速调整的改进方法更为简单易行，主要表现在：

A.     需要测量的信息少，仅需测量风速；

B.     计算负担轻，仅需在更新周期结束时计算一次风速的平均值；

C.     以代数方程快速确定起始转速，无需复杂的迭代搜索过程。因此，也不容易受到风速条件波动的影响。

大量仿真算例表明，本发明提出的基于起始转速调整的改进方法不仅进一步提高了风能捕获效率，且在风速条件波动时具有较强的算法鲁棒性。

Claims (2)

1.一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，采用功率曲线法，通过控制发电机输出功率运行于风机最佳功率曲线上来实现最大功率点跟踪控制，所述功率曲线法所用公式为：

$M\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=T_m(v,\mathrm{\ω})-T_e\left(\mathrm{\ω}\right)$

$T_m(v,\mathrm{\ω})=\frac{0.5\mathrm{\ρ\π}{R}^5{C}_p\left(\mathrm{\λ}\right)}{{\mathrm{\λ}}^3}{\mathrm{\ω}}^2$

$T_e\left(\mathrm{\&omega;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&omega;}<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{bgn}}\\ T_{\mathrm{opt}}& \mathrm{\&omega;}>{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{bgn}}\end{array}\right.$

上式中，M为转动惯量，T_m为风轮的机械驱动转矩，T_e为电磁制动转矩，v为风速，ω为风轮的角速度，ρ为空气密度，R为风轮半径，C_P为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ω_bgn为起始发电转速即起始转速，T_opt为风机的最优转矩曲线，具体为：

T_opt(ω)＝K_mω²

$K_m=\frac{0.5\mathrm{\&rho;\&pi;}{R}^5{C}_p^{\max }}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{opt}}^3}$

上式中为最大风能利用系数，λ_opt为最佳叶尖速比，K_m近似为常数；

其中起始发电转速ω_bgn的调整方法包括以下步骤：

步骤1、对起始转速的调整算法进行初始化，即对风速采样周期T_w和起始转速更新周期T_r进行设置，其中采样频率为1～4Hz；清空T_r所对应的风速采样值序列，将ω_bgn初始化为风机最大功率点跟踪控制阶段的最小转速；

步骤2、进入新的起始转速更新周期T_r，以风速采样周期T_w在该周期T_r中对风速值进行采样即读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期T_r是否完成，若完成，则执行步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、求取风速采样值序列的平均值

并对起始发电转速即起始转速ω_bgn进行调整，之后以更新后的ω_bgn进入新更新周期T_r，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。

2.根据权利要求1所述的基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，步骤4中对起始发电转速ω_bgn进行调整具体为：

将ω_bgn调整为

式中，λ_opt为最佳叶尖速比，

为风速采样值序列的平均值，α为补偿系数，α的取值为0.5，R为风轮半径。

Images