CN103375332A - 变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法 - Google Patents

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刘展
雷涛
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Abstract

本发明公开一种变桨风力发电机组轮毂与低速轴连接处的最优阻力矩动态优化方法。本发明通过等效推导，推导出在低于额定风速下风力发电机组动态阻力矩优化设计方法，并给出解析表达式。该方法通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，有效的提高风轮转速动态响应能力。相对于目前的普遍采用的自寻优方法明显降低由转动惯量巨大导致的最大功率追踪动态响应性能降低的影响，同时并不改变传统自寻优追踪控制的稳态精确追踪性能，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最优阻力矩动态优化方法
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最优阻力矩动态优化方法。
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。
目前变速变桨风力发电机组的容量逐步扩大，MW级以上变速变桨风力发电机组已经成为发电设备的主流产品，超过3MW的大容量海上风电机组也逐步投入应用，随着单机容量的逐步扩大叶片长度也随之增长，目前主流的MW级风力发电机组叶片长度已经超过35米，特别是针对中国气候条件设计的低速风力发电机组叶片长度往往超过40米，超长的叶片、更大功率等级的发电机和传动系统导致风轮转子转动惯量进一步增大，风轮转速调节能力进一步下降，严重影响低于额定风速以下风轮最大功率追踪动态效果。
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，控制策略中根据风轮转速控制电磁力矩按照风轮在当前转速下的最优阻力矩进行控制，利用风轮气动特性即风轮在最大功率吸收点的自身的鲁棒特性实现最大功率追踪控制。
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最优阻力矩动态优化方法，该方法通过建立风力发电机组在低于额定风速以下自寻优控制运动模型的基础上，通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，相对于传统的自寻优控制技术有效的降低了系统等效转动惯量，提高系统动态最大功率追踪能力。
本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法。
如图1所示，在传统的自寻优控制技术中，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轮毂和低速轴连接处的阻力矩使其跟踪最优力矩变化曲线如图1中的BC段，实现最大功率追踪。则风力发电机组的运动模型可以表示为：
式中
表示风轮转速；
表示风轮转动惯量；
表示空气密度；
表示风轮扫风半径；
表示风轮叶尖速比；
表示风速；
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）的最佳叶尖速比值；
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；
表示风轮气动转矩；
表示轮毂与低速轴连接处的阻力矩；
表示风轮最优阻力矩系数。
当风力发电机组风轮及传动系统总转动惯量发生变化为时，可以表示为下式：
式中
表示转动惯量变化增益，。
则此时风力发电机组运动模型可以表示为：
则可以做如下推导：
推导结果说明，在低于额定风速以下进行最大功率追踪控制时，当转动惯量不变时（保持为），如果使风力发电机组的运动轨迹与变化后转动惯量（变化为）的运动轨迹相同，则可以通过动态优化传统的最优阻力矩曲线实现。阻力矩优化控制率可以按照下式计算：
本发明的实际物理意义是，通过优化动态阻力矩曲线，使在低于额定风速最大功率追踪时风轮的动态性能与倍风轮转动惯量的同形状风轮动态性能相同。
由阻力矩优化控制率可知，由于达到稳态时，因此阻力矩优化后从稳态的角度都可以跟踪最优阻力矩曲线的稳态值。变速变桨风力发电机组阻力矩动态优化示意图如图2所示。
 
附图说明
图1变速变桨风力发电机组最优静态力矩控制曲线示意图
图2变速变桨风力发电机组阻力矩动态优化示意图
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。
通过在轮毂与低速轴连接处安装转速传感器测量风轮转速，通过差分法求取风轮转速加速度。
依据，计算动态最优阻力矩，控制风力发电机组电磁力矩是阻力矩变化跟踪动态最优阻力矩变化曲线，实现低于额定风速以下的最大功率追踪。
本发明针对大型变速变桨风力发电机组由于其风轮转动惯量巨大调速困难的情况，提出了一种通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，提高风轮转速动态响应能力的阻力矩动态优化方法。该方法相对于目前的普遍采用的自寻优方法可以从控制性能上有效降低等效转动惯量，降低由转动惯量导致的最大功率追踪动态性能降低的影响，有效的提升了风轮的最大功率追踪能力。

Claims (2)

1.变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法，其特征是建立风力发电机组在低于额定风速以下自寻优控制运动模型的基础上，通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，相对于传统的自寻优控制技术有效的降低了系统等效转动惯量，提高系统动态最大功率追踪能力。
2.根据权利要求1所述变速变桨变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法，其特征是轮毂与低速轴连接处的阻力矩优化控制率                                                
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE005
可以按照下式计算：
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE008
表示风轮转速；
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE010
表示风轮转动惯量；
表示空气密度；
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE014
表示风轮扫风半径；
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE016
表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比值；
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE018
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 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE020
表示风轮最优阻力矩系数；
Figure 2012101123387100001DEST_PATH_IMAGE022
表示转动惯量变化增益，。
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