CN103362734A - 变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法 - Google Patents

变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法。本发明通过建立变速变桨风力发电机组传动系统的摩擦力矩模型，求取变速变桨风力发电机组在不同转速情况下摩擦力矩，通过对摩擦力矩补偿，求取在最大功率追踪情况下的最优电磁力矩设定值，并给出具体的求解公式和摩擦力矩的建模方法。该方法有效的解决了传统的自寻优控制算法进行最大功率追踪时难以准确跟踪最优阻力矩控制曲线的情况，消除摩擦力对最大功率追踪的影响，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

Description

变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的最大功率追踪控制方法。 
背景技术
风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。 
目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而变速变桨风力发电机组是主流的风力发电机型。 
变速变桨风力发电机组通过风轮吸收风能，利用传动系统将吸收风能传递到发电机轴端，通过发电机将机械能转化为电能，而传动系统的摩擦阻尼损失是传动效率损失的主要来源。 
对于大功率变速变桨风力发电机组，传动系统通常可以按照理想刚性环节考虑进行简化建模，若要实现传动系统相对准确的动态分析及控制，通常可以按照柔性的多质量块环节进行建模。 
大功率变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的一定风速段内做最大功率追踪控制，风力发电机组通过控制电磁力矩利用风轮的自寻优气动特性实现最大功率追踪。 
对于传统的最大功率追踪控制，控制策略中对传动系统考虑的相对比较理想，没有考虑传动系的阻尼影响，因此在实际控制过程中相对于最优控制力矩轨迹有一定的偏差，不能实现最优最大功率追踪控制。 
变速变桨风力发电机组传动系统输入环节中，发电机电磁力矩为可控环节，风轮气动力矩由于风的随机性和不确定性为不可控环节。 
发明内容
本发明提出一种变速变桨风力发电机组在额定风速以下的最大功率追踪控制方法，该方法通过基于对风力发电机组传动系统的摩擦阻尼特性进行补偿，实现低于额定风速以下最优阻力矩控制，实现最大功率追踪。 
本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组基于传动阻尼补偿的最大功率追踪控制方法。 
如图1所示，在理想认为风力发电机组传动系统是严格的刚性环节且不考虑阻尼的情况下，风力发电机组在低于额定风速以下一定的风速段内通过控制风力机的电磁力矩符合最优力矩变化曲线如图1中的BC段，实现最大功率追踪。 
而对于实际的变速变桨风力发电机组，如图2所示，由于其传动系统摩擦阻力相对较大，按照传统的控制方法进行控制后，由于电磁力矩和摩擦力的共同作用，实际作用于风轮与旋转方向相反的阻力合力大于最优力矩致使风轮未能实现最大功率追踪。 
针对变速变桨风力发电机组传动系统存在阻尼的情况，由于风轮转动惯量远大于传动系统及电机转动惯量，故可近似忽略传动系统和电机的转动惯量。 
在传动系统简化为刚性环节的情况下，风力发电机组传动系统可以按照以下方法建模： 
  
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
式中
Figure DEST_PATH_758022DEST_PATH_IMAGE002
表示风轮及轮毂总转动惯量；
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
表示风轮转速；
Figure DEST_PATH_550529DEST_PATH_IMAGE004
表示风轮气动力矩；
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE005
表示发电机电磁力矩；
Figure DEST_PATH_205633DEST_PATH_IMAGE006
表示摩擦力矩。
目前变速变桨风力发电机组按照常规的自寻优控制算法最优控制率可以表述为下式： 
 
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
式中
Figure DEST_PATH_538525DEST_PATH_IMAGE008
表示最优阻力力矩；
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
表示空气密度；
Figure DEST_PATH_225334DEST_PATH_IMAGE010
表示风轮扫风半径；
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
表示风轮转速；
Figure DEST_PATH_985479DEST_PATH_IMAGE012
表示叶尖速比；
表示风轮的风能利用系数在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）随叶尖速比变化的函数；
表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE015
表示风轮在叶片低于额定风速工作时时（桨距角最小）的最大风能利用系数；
表示风轮最优阻力矩系数。
可以求出，在仅考虑传动摩擦的理想情况下，变速变桨风力发电机组的最优电磁力矩可以按照下式计算： 
 
附图说明
图1变速变桨风力发电机组最优力矩控制曲线示意图。 
图2变速变桨风力发电机组传动系统受力示意图。 
具体实施方式
获取变速变桨风力发电机组叶片翼型数据，根据动量-叶素定理、有限元计算方法或者依据相关商业计算软件计算风轮在低于额定风速以下的最优阻力矩参数
Figure DEST_PATH_808707DEST_PATH_IMAGE018
。 
建立风轮的摩擦力矩模型，最简单的摩擦力矩模型可以简化为线性模型，通过根据传动系统的结构、传动方式及材料查表求取阻尼系数，依据阻尼系数建立摩擦力矩线性模型如下： 
。
由于通常变速变桨风力发电机组传动系统相对复杂，简单的线性模型在一些情况下误差较大，因此可以通过对具体型号变速变桨风力发电机组在不同转速下的摩擦力矩进行测量获取阻力数据后进行非线性建模。 
摩擦力矩非线性建模可以采用多项式拟合或其它非线性模型进行建模，多项式拟合建模方法如下： 
 
Figure DEST_PATH_434696DEST_PATH_IMAGE022
式中
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE023
表示拟合常数项；
Figure DEST_PATH_47074DEST_PATH_IMAGE024
表示拟合多项式各项系数；
Figure DEST_PATH_508142DEST_PATH_IMAGE026
表示拟合阶次。
依据
Figure 2012100899812100002DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE027
，计算最优电磁力矩
Figure DEST_PATH_875670DEST_PATH_IMAGE028
，控制变速变桨风力发电机组发电机电磁力矩按照控制设定值进行变化实现低于额定风速以下的最大功率追踪。 
本发明针对变速变桨风力发电机组由于其传动系统存在摩擦阻尼导致在低于额定风速以下机组按照传统的自寻优控制算法进行最大功率追踪时由于摩擦阻尼的存在难以准确跟踪最优阻力矩控制曲线的情况，提出了一种基于对传统的自寻优控制算法进行摩擦阻尼补偿的控制方法，并给出具体的求解公式和摩擦力矩的建模方法，该方法相对于目前的普遍采用的自寻优方法可以有效的实现最优阻力矩跟踪，消除摩擦力对最大功率追踪的影响，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。 

Claims (3)

1.变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法，其特征是该方法通过基于对风力发电机组传动系统的摩擦阻尼特性进行补偿，实现低于额定风速以下最优阻力矩控制，实现风轮气动特性的最大功率追踪。
2.根据权利要求1所述变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法，其特征是变速变桨风力发电机组的最优电磁力矩可以按照下式计算：
  
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
式中
表示风轮转速；
表示摩擦力矩；
Figure DEST_PATH_876873DEST_PATH_IMAGE004
表示最优阻力力矩；
表示空气密度；
Figure DEST_PATH_607063DEST_PATH_IMAGE006
表示风轮扫风半径；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE007
表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比；
Figure DEST_PATH_250448DEST_PATH_IMAGE008
表示风轮在叶片低于额定风速工作时时（桨距角最小）的最大风能利用系数；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE009
表示最优电磁力矩。
3.根据权利要求2所述摩擦力矩
Figure DEST_PATH_521023DEST_PATH_IMAGE010
的非线性建模方法，其特征是其建模方法可以通过对具体型号变速变桨风力发电机组在不同转速下的摩擦力矩进行测量获取阻力数据后进行非线性模型拟合进行建模。摩擦力矩非线性建模可以采用多项式拟合进行建模，多项式拟合建模方法如下：
 
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE011
式中
Figure DEST_PATH_210761DEST_PATH_IMAGE012
表示拟合常数项；
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE013
表示拟合多项式各项系数；
表示拟合阶次。
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