CN103758697A

CN103758697A - 一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法

Info

Publication number: CN103758697A
Application number: CN201410016068.9A
Authority: CN
Inventors: 殷明慧; 周连俊; 杨曼; 张刘冬; 杨志强; 蔡晨晓; 杜宝珠; 邹云
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-01-14
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-14
Also published as: CN103758697B

Abstract

本发明提出一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率点跟踪控制方法。该方法以基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法为基础，通过寻找转速的有效跟踪区间及其对应的最佳起始转速来实现最大功率点跟踪控制。本发明给出了根据风能集中分布区确定风速有效跟踪区间的方法，以及根据该有效跟踪区间确定风机转速有效跟踪区间和最佳起始发电转速的方法，实现了对风能捕获效率的进一步提高。这种方法的优点在于，不仅能够使风能捕获始终围绕风能集中的区域，还可以随风速条件的变化迅速并周期性地优化转速的跟踪区间。本发明的实施例将该方法与自适应转矩控制方法进行对比，验证了该方法的有效性和先进性。

Description

一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，特别是一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法。

背景技术

由于风机变速运行可以获得更有效能量输出、降低机械应力、改善电能质量，变速风力发电系统（WPGS）在过去的十年中获得了极大的关注。为了保持最优叶尖速比（TSR）和在不同风速下实现最大风能捕获，变速WPGS需要相应地调整转子速度。

以往的研究主要集中在以下类型的最大功率点跟踪（MPPT）控制策略，即TSR控制，最优转矩（OT）控制，功率信号反馈（PSF）控制和爬山搜索（HCS）控制（也成为扰动观察控制）。并且，一些人工智能方法，如神经网络，模糊逻辑和神经模糊控制也已被引入到MPPT控制中。在上述的MPPT控制中，OT和PSF控制在大中型WPGSs中已得到实际并广泛地应用。它们根据风机测得的风轮转速和预设的最大转矩（或功率）曲线，调节发电机转矩（或有功功率）。从本质上讲，在OT和PSF控制中，仅考虑了由最大扭矩（或功率）曲线定义的不同风速的稳态工作点，而忽略了风机的动态特性和MPPT的动态过程。

为了提高OT控制的MPPT效率，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。基于这种方法，几种改进OT控制被提出，包括最佳跟踪转子（OTR）控制、降低扭矩增益（DTG）控制、自适应转矩控制和自适应补偿控制。这些方法通过调整转矩曲线使得更多的风能可以被捕获，从而实现风力发电机组的快速响应。

OTR和自适应补偿控制通过降低（或增加）发电机电磁转矩来使得风轮转速快速升高（或降低），但这两种方法必须测量或估算风机机械转矩。考虑到风中可获得能量与风速立方成正比，DTG和自适应控制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，这种改进尽管可以避免机械转矩的测量或估计，但只提高风机的加速性能，而降低了减速性为代价。

因此，现有各种MPPT控制方法，在风机的动态性能和跟踪效果方面仍有待进一步提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，该方法能提高风能捕获效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，以基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法为基础，通过跟踪风能集中分布区，周期性地调整风机有效跟踪区间及起始发电转速，从而实现最大功率点跟踪控制，所述基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法所用公式为：

M \dot{ω} = T_{m} (v, ω) - T_{e} (ω)

T_{m} (v, ω) = \frac{0.5 ρπ R^{5} C_{p} (λ)}{λ^{3}} ω^{2}

T_{e} (ω) = \{\begin{matrix} 0 & ω < ω_{bgn} \\ T_{opt} & ω > ω_{bgn} \end{matrix}

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，

为风轮角加速度，ρ为空气密度，R为风轮半径，C_P为风能利用系数，λ=ωRv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 ρπ R^{5} C_{p}^{\max}}{λ_{out}^{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；

其中周期性地调整风机有效跟踪区间及起始发电转速具体为：

步骤1、对系统进行初始化，设置起始转速更新周期ΔT_r和风速采样周期Δt_w,将ω_bgn初始化为切入风速对应的最佳风轮转速ω_opt；起始转速更新周期ΔT_r的取值为20分钟到1小时，风速采样周期Δt_w的取值为0.1秒到1秒。

步骤2、开始一个新的起始转速更新周期，重新设定更新周期计时器t_r为0,在每个更新周期清空风速采样值序列；

步骤3、在新的采样周期，测量风速，把它记录到风速采样值序列，更新周期计时器t_r以风速采样周期Δt_w为步长递增；

步骤4、判断当前更新周期是否结束：若t_r≥ΔT_r，则跳至步骤5；否则，跳至步骤3；

步骤5、根据风速采样序列仓的方法估算起始转速ω_bgn，更新ω_bgn为估算起始转速，之后执行步骤2。起始转速ω_bgn按以下公式进行估算：

U_{ω}^{m} = {(ω_{l}^{m}, ω_{u}^{m}) | ω_{l}^{m} = λ_{oup} v_{l}^{m} (r_{t}) / R, ω_{u}^{m} = λ_{oup} v_{u}^{m} (r_{t}) / R}

ω_{bgn} = ω_{l}^{m}

其中，ω_bgn为起始发电转速即起始转速，λ_opt为最佳叶尖速比，

为风机转速的有效跟踪区间，

和

分别为风机转速跟踪区间内的转速最小值和最大值，

为风速有效跟踪区间，

和

分别为风速有效跟踪区间内的转速最小值和最大值，r_t为在湍流中传统OT控制风机的总效率。

风速有效跟踪区间的确定方法和步骤如下：

步骤A、初始化，具体为：

步骤A-1、将风速范围划分为N_B个区间

U_{v}^{j} = (v_{l}^{j}, v_{u}^{j}) (j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}),

被称为“仓”，且每个仓间隔相同，均为0.1m/s；

步骤A-2、根据风速的值将风速数据分配到各个仓中；

步骤A-3、利用下式计算出每个仓对应的可利用风能占总风能的比率r，表示为r^j：

r^{j} = \frac{E_{a} (U_{v}^{j})}{{\overset{&OverBar;}{E}}_{a}} \approx \frac{\underset{v_{l}^{j} \leq v_{i} < v_{u}^{j}}{Σ} P_{a} (v_{i})}{Σ_{i = 1}^{N} P_{a} (v_{i})} i = 1, \cdot \cdot \cdot, N, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}

其中E_a(U_v)是在时间段t内风速区间U_v中包含的可捕获风能，

是在时间段t内最大功率跟踪区间可捕获的风能为，P_a(v_i)为风速v_i对应的最大能捕获的风能；

步骤A-4、设置初始风速区间U_v为整个风速变化范围，即

U_{v} = \cup_{j = 1}^{N_{B}} U_{v}^{j};

步骤B、从两个边界仓中判定具有最小r^j的仓，然后把它从U_v中取出；

步骤C、将U_v所包含仓的r^j求和，最终得到区间U_v中可利用风能占总风能的比率r；

步骤D、判定接近条件是否满足：若r<r_t，定义最大风能载体的风速区间

为U_v，跳到步骤E，否则，跳到步骤B；

步骤E、利用风机转速有效跟踪区间公式确定与

对应的以

的下线估算ω_bgn，即

在湍流中传统OT控制风机的总效率r_t的取值为0.9。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：1）本发明优化最大功率跟踪控制的跟踪区间，进一步提高了风能捕获效率；2）本发明根据具体的风速条件调整跟踪区间，使其能更好地跟踪风速；3）本发明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；4）本发明不需要复杂的迭代搜索过程，算法非常简单易行；5）本发明需要量测的信息少，计算负担轻。

附图说明

图1为简化风机模型框图。

图2为本发明的基于风机有效跟踪区间的最大功率点跟踪控制方法的流程图。

图3为不同湍流等级风速下本发明带来的风能捕获效率提高的百分比的概率分布。其中图（a）为风速湍流等级为A的情况，图（b）为风速湍流等级为B的情况，图（c）为风速湍流等级为C的情况。

具体实施方式

本发明在传统最优转矩控制方法的基础上，提出了通过收缩跟踪区间来加速风机最大功率跟踪过程的改进思路，设计出基于有效跟踪区间和初始转速调整的改进最大功率跟踪控制方法，进一步提高了风能捕获效率。

结合图1，本发明的一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，以基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法为基础，通过跟踪风能集中分布区，周期性地调整风机有效跟踪区间及起始发电转速，从而实现最大功率点跟踪控制，所述基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法所用公式为：

M \dot{ω} = T_{m} (v, ω) - T_{e} (ω)

T_{m} (v, ω) = \frac{0.5 ρπ R^{5} C_{p} (λ)}{λ^{3}} ω^{2}

T_{e} (ω) = \{\begin{matrix} 0 & ω < ω_{bgn} \\ T_{opt} & ω > ω_{bgn} \end{matrix}

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，为风轮角加速度，ρ为空气密度，R为风轮半径，C_P为风能利用系数，λ=ωRv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 ρπ R^{5} C_{p}^{\max}}{λ_{out}^{3}}

上式中

U_{ω}^{m} = {(ω_{l}^{m}, ω_{u}^{m}) | ω_{l}^{m} = λ_{oup} v_{l}^{m} (r_{t}) / R, ω_{u}^{m} = λ_{oup} v_{u}^{m} (r_{t}) / R}

ω_{bgn} = ω_{l}^{m}

为风机转速的有效跟踪区间，

和

分别为风机转速跟踪区间内的转速最小值和最大值，

为风速有效跟踪区间，

和

风速有效跟踪区间

的确定方法和步骤如下：

步骤A、初始化，具体为：

步骤A-1、将风速范围划分为N_B个区间

U_{v}^{j} = (v_{l}^{j}, v_{u}^{j}) (j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}),

被称为“仓”，且每个仓间隔相同，均为0.1m/s；

步骤A-2、根据风速的值将风速数据分配到各个仓中；

r^{j} = \frac{E_{a} (U_{v}^{j})}{{\overset{&OverBar;}{E}}_{a}} \approx \frac{\underset{v_{l}^{j} \leq v_{i} < v_{u}^{j}}{Σ} P_{a} (v_{i})}{Σ_{i = 1}^{N} P_{a} (v_{i})} i = 1, \cdot \cdot \cdot, N, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}

其中E_a(U_v)是在时间段t内风速区间U_v中包含的可捕获风能，

步骤A-4、设置初始风速区间U_v为整个风速变化范围，即

U_{v} = \cup_{j = 1}^{N_{B}} U_{v}^{j};

为U_v，跳到步骤E，否则，跳到步骤B；

步骤E、利用风机转速有效跟踪区间公式确定与

对应的

以

的下线估算ω_bgn，即

在湍流中传统OT控制风机的总效率rt的取值为0.9。

下面结合实施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风机有效跟踪区间的改进最大功率点跟踪控制方法和自适应转矩控制进行比较，以验证本发明的有效性和优越性。

1实施例的仿真模型

如图2所示，在Matlab/Simulink中建立一个采用有效跟踪区间方法的简化风机模型，其中主要包括风速数据、风机气动、风机动态和发电机等模块。该模型忽略了发电机电磁动态，假设发电机准确瞬间跟踪最大功率跟踪控制器发出的参考转矩命令。风轮C_P—-λ曲线设置为：

C_P=0.5(116λ_i-0.4β-5)e^-21λi

λ_i=[1(λ+0.08β)-0.035(β³+1)]^-1

在表1中列出风机模型主要参数设置。

表1风机模型参数

2本发明的仿真实现

依据发明内容中所述步骤周期性地优化

和

可实现基于有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，具体如下：

步骤1、对系统进行初始化，设置起始转速更新周期ΔT_r=20min，风速采样周期Δt_w=0.1s,将ω_bgn初始化为切入风速对应的最佳风轮转速ω_opt；

步骤3、在新的采样周期，测量风速，把它记录到风速采样值序列，更新周期计时器t_r以Δt_w为步长递增；

步骤5、根据风速采样序列仓的方法估算起始转速ω_bgn，具体估算方法如下：

U_{ω}^{m} = {(ω_{l}^{m}, ω_{u}^{m}) | ω_{l}^{m} = λ_{oup} v_{l}^{m} (r_{t}) / R, ω_{u}^{m} = λ_{oup} v_{u}^{m} (r_{t}) / R}

ω_{bgn} = ω_{l}^{m}

其中

为转速有效跟踪区间,r_t取0.9。之后更新ω_bgn为该估算值，跳至步骤2。

步骤5中风速有效跟踪区间

的确定方法和步骤如下：

步骤A、初始化，具体为：

步骤A-1、将风速范围划分为N_B个区间

U_{v}^{j} = (v_{l}^{j}, v_{u}^{j}) (j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}),

被称为“仓”，且每个仓间隔相同，均为0.1m/s；

步骤A-2、根据风速的值将风速数据分配到各个仓中；

步骤A-3、利用下式计算出每个仓对应的可利用风能占总风能的比率r，表示为r^j

r^{j} = \frac{E_{a} (U_{v}^{j})}{{\overset{&OverBar;}{E}}_{a}} \approx \frac{\underset{v_{l}^{j} \leq v_{i} < v_{u}^{j}}{Σ} P_{a} (v_{i})}{Σ_{i = 1}^{N} P_{a} (v_{i})} i = 1, \cdot \cdot \cdot, N, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}

其中E_a(U_v)是在时间段t内风速区间U_v中包含的可捕获风能，

步骤A-4、设置初始风速区间U_v为整个风速变化范围，即

步骤D、判定接近条件是否满足：若r<r_t，定义最大风能载体的风速区间为U_v，跳到步骤E，否则，跳到步骤B；

步骤E、利用风机转速有效跟踪区间公式确定与

对应的

以

的下线估算ω_bgn，即

3验证本发明获得的起始转速估计值的有效性

由于有效跟踪区间方法的性能完全依赖于初始转速的优化，因此首先要验证基于有效跟踪区间的估计起始转速

具体验证方法为：首先利用基于遍历算法的试错法得到实际最优起始转速

然后分别计算以

和

为起始转速的传统OT法的风能捕获量，并与以ω_opt（切入风速对应最优转速）为起始转速的传统OT法的风能捕获量相比，得到风能捕获量增加比率（表示为

和

本发明构造了18,000个20分钟的风速仿真算例。在表2和图3中对风能捕获量增加比率

和

进行了比较和总结。虽然平均

比平均

小，但它们之间的比例总是74％左右，这表明，由

跟踪区间减小引起的风能捕获量的增加也可通过估计的来获取。

表2不同湍流类别增加的百分比统计数据

4本发明与自适应转矩控制的风能捕获效率的对比分析

本发明对大量算例进行了20小时仿真，将有效跟踪区间方法的性能与自适应转矩控制进行比较。

在每个仿真算例中，计算了两种比较控制方法的风机平均风能利用系数在表3中列出了一千个算例的平均值。由表3可知，本文提出的有效跟踪区间方法与选取适当γ_ΔM的自适应转矩控制相比，从可利用风能中可多捕获0.5%的能量。

表3自适应转矩控制与有效跟踪区间方法的效率比较

Claims

1.一种基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，其特征在于，以基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法为基础，通过跟踪风能集中分布区，周期性地调整风机有效跟踪区间及起始发电转速，从而实现最大功率点跟踪控制，所述基于收缩跟踪区间的最优转矩控制方法所用公式为：

M \dot{ω} = T_{m} (v, ω) - T_{e} (ω)

T_{m} (v, ω) = \frac{0.5 ρπ R^{5} C_{p} (λ)}{λ^{3}} ω^{2}

T_{e} (ω) = \{\begin{matrix} 0 & ω < ω_{bgn} \\ T_{opt} & ω > ω_{bgn} \end{matrix}

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，为风轮角加速度，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 ρπ R^{5} C_{p}^{\max}}{λ_{out}^{3}}

上式中

步骤1、对系统进行初始化，设置起始转速更新周期ΔT_r和风速采样周期Δt_w,将ω_bgn初始化为切入风速对应的最佳风轮转速ω_opt；

步骤4、判断当前更新周期是否结束：若t_r≥ΔT_r，则跳至步骤5；否则，跳至步骤3

步骤5、根据风速采样序列仓的方法估算起始转速ω_bgn，更新ω_bgn为估算起始转速，之后执行步骤2。

2.根据权利要求1所述的基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤1中起始转速更新周期ΔT_r的取值为20分钟到1小时，风速采样周期Δt_w的取值为0.1秒到1秒。

3.根据权利要求1所述的基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，其特征在于，步骤5中起始转速ω_bgn按以下公式进行估算：

U_{ω}^{m} = {(ω_{l}^{m}, ω_{u}^{m}) | ω_{l}^{m} = λ_{oup} v_{l}^{m} (r_{t}) / R, ω_{u}^{m} = λ_{oup} v_{u}^{m} (r_{t}) / R}

ω_{bgn} = ω_{l}^{m}

为风机转速的有效跟踪区间，

和

分别为风机转速跟踪区间内的转速最小值和最大值，

为风速有效跟踪区间，

和

4.根据权利要求3所述的基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，其特征在于，风速有效跟踪区间

的确定方法和步骤如下：

步骤A、初始化，具体为：

步骤A-1、将风速范围划分为N_B个区间

U_{v}^{j} = (v_{l}^{j}, v_{u}^{j}) (j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}),

被称为“仓”，且每个仓间隔相同，均为0.1m/s；

步骤A-2、根据风速的值将风速数据分配到各个仓中；

r^{j} = \frac{E_{a} (U_{v}^{j})}{{\overset{&OverBar;}{E}}_{a}} \approx \frac{\underset{v_{l}^{j} \leq v_{i} < v_{u}^{j}}{Σ} P_{a} (v_{i})}{Σ_{i = 1}^{N} P_{a} (v_{i})} i = 1, \cdot \cdot \cdot, N, j = 1, \cdot \cdot \cdot, N_{B}

其中E_a(U_v)是在时间段t内风速区间U_v中包含的可捕获风能，

步骤A-4、设置初始风速区间U_v为整个风速变化范围，即

U_{v} = \cup_{j = 1}^{N_{B}} U_{v}^{j};

步骤D、判定接近条件是否满足：若r<_rt，定义最大风能载体的风速区间为U_v，跳到步骤E，否则，跳到步骤B；

步骤E、利用风机转速有效跟踪区间公式确定与对应的

以

的下线估算ω_bgn，即

5.根据权利要求3所述的基于风机有效跟踪区间的改进最大功率跟踪控制方法，其特征在于，在湍流中传统OT控制风机的总效率r_t的取值为0.9。