CN104343627A - 一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置 - Google Patents

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文鹏
高鹤
李成栋
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    • F03D—WIND MOTORS
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Abstract

本发明公开一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置。该方法包括：不测转速控制模式、复合滤波器、基于自调整函数的智能控制以及输出功率优化算法。该装置包括：风轮、永磁直驱发电机、整流桥、Boost功率变换器、控制器、负载。本发明在风速波动下，能够快速捕获最大风能，兼具较快的动态响应速度与较好的稳态搜索精度。同时，本发明优化了机组输出功率，在提高风能利用的同时，保证机组安全、稳定运行。

Description

一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置
技术领域
本发明涉及一种风力发电最大风能捕获方法，尤其是涉及一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置。
背景技术
现阶段，风力发电最大风能捕获控制策略主要有最优叶尖速比法、功率信号反馈法以及爬山搜索算法。最优叶尖速比法实时检测风速、发电机转速，依据已知的最优叶尖速比值调节发电机转速，使风机捕获最大风能。功率信号反馈法根检测当前转速，据已知的最优功率转速曲线，调节风力发电机使之运行在最优状态。爬山搜素算法不检测风速、转速，不需要知道最优叶尖速比值、最优功率转速曲线，通过比较前后两次捕获功率，调节下一时刻转速变化方向，使系统捕获更多功率。
由上述分析可知，最优叶尖速比法与功率信号反馈法控制最为直接，动态响应速度快，但风速计不仅价格昂贵，而且较难全面反映风轮附近的风速信息。此外，随着机组使用寿命增加，相关参数发生变化，最优叶尖速比值、最优功率转速曲线会发生偏移，影响搜索效果。爬山算法成本低，不需要预先获取系统参数，适合在小型离网风力发电系统中应用。但爬山算法在风速平稳时效果较好，在风速波动下，仍存在搜索速度与搜索精度相矛盾的问题。
发明内容
为解决爬山算法响应速度与稳态精度相矛盾的问题，本发明提出一种基于智能控制的最大风能捕获控制方法。该方法融合了爬山算法与最优功率转速法的优点，不测风速转速，不需要知道系统参数，在风速波动下可以较快捕获最大风能，兼顾了较快的动态响应速度与稳态搜索精度。此外，从机组安全角度以及提高风能利用角度出发，本发明优化了系统输出功率，确保机组安全运行。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置，其特征在于：它包括不测转速控制模式、复合滤波器、基于自调整函数的智能控制以及输出功率优化算法。
所述的不测转速控制模式是通过测量整流桥直流侧电压来间接反映永磁直驱发电机转速。
所述的复合滤波器包括限幅消抖过程和加权滑动平均过程。
所述的基于自调整函数的智能控制包括两个阶段：在线学习阶段和离线运行阶段。在线学习阶段是利用爬山算法获取机组最优功率一电压曲线。离线运行阶段是利用已获取的最优曲线，基于智能控制，使机组优化运行。
所述的自调整函数，其特征在于：在偏差较大时，对误差给予较大权重，尽快消除误差；在偏差较小时，对误差变化予以较大权重，以尽快达到稳定状态。
所述的输出功率优化算法，其特征在于：可根据负载需求以及机组自身安全，自动在最大功率追踪区、恒定功率区、切除区切换。
本发明的有益效果
本发明融合了爬山算法与最优功率转速法的优点，不测风速转速，不需要知道系统参数，在风速波动下可以较快捕获最大风能，兼顾了较快的动态响应速度与稳态搜索精度。此外，本发明优化了系统输出功率，在满足负载需求前提下，确保机组安全运行。
附图说明
图1为本发明实施例的最大风能捕获控制示意图
图2为本发明实施例的在线学习阶段流程图
图3为本发明实施例的调整函数示意图
图4为本发明实施例的复合滤波器限幅消抖流程图
图5为本发明实施例的复合滤波器加权滑动平均过程示意图
图6为本发明实施例的输出功率优化示意图
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
本发明在分析离网风力发电系统数学模型基础上，建立了一种不测转速的控制结构。
己知永磁直驱发电机感应电动势E与转速ω的关系为：
E＝KeΦω
永磁直驱发电机等效模型为：
E＝Vg+Ig(Rs+jωeLs)
进一步的，永磁直驱发电机三相交流电经二极管整流桥后，整流桥直流侧电压Vdc与发电机相电压Vg有以下关系：
V dc = 3 π ∫ - π 6 π 6 6 V g cos θdθ = 3 6 π V g
进一步的，忽略发电机定子内阻以及定子电感，则由上述可推得：
Vdc∞ω
即，通过测量整流桥直流侧电压可间接反映发电机转速，省却了转速测量装置。
如图1所示，最大风能捕获控制算法包括两个阶段：在线学习阶段和离线运行阶段。
如图2所示，在线学习阶段是利用爬山算法获取最优功率-电压曲线。
离线运行阶段利用已获取的最优曲线，基于智能控制，运行在最优状态。
基于自调整函数的智能控制包含以下两个阶段：
(1)首先，控制器对当前捕获功率与给定参考功率进行模糊量化处理。
E ( K ) = P opt * - P
EC＝E(K)-E(K-1)
(2)其次，依据自调整函数计算调整量U(K)：
U(K)＝U(K-1)+ΔU
调整量增量计算过程为：
ΔU＝F(|E|)E                  |E|＞EM
ΔU＝F(|E|)E+(1-F(|E|))EC      EM＞|E|＞EU
式中F(E)为自调整函数。如图3所示，F(E)具有如下性质：在偏差较大时，对误差给予较大权重，尽快消除误差；在偏差较小时，对误差变化予以较大权重，以尽快达到稳定状态。
本发明实施例还设计了一种复合滤波器，该滤波器融合了限幅消抖以及滑动平均的优点，具有抑制脉冲干扰、平滑度高、实时性强等优良性能，可以较好的消除恶劣环境的干扰影响。
复合滤波器包括两个阶段：限幅消抖过程、加权滑动平均过程。
如图4所示为滤波器限幅消抖过程。
如图5所示为滤波器加权滑动平均过程。
滤波器输出结果为：result＝(w1V1+w2V2+w3V3+w4V4+w5V5)/5
本发明实施例还设计了一种输出功率优化算法，借助已获取的最优功率转速曲线，可以精确调节机组输出功率，在满足负载需求的前提下，确保机组高效、安全运行。
如图6所示，优化算法依据机组当前运行状态，在下述三个区间自动切换。
(1)MPPT区：在此区间，风机依据负载所需，运行在最大风能捕获状态。
(2)恒功率区：负载需求大于风机额定输出功率，为确保机组安全，风机输出恒定功率。
(3)切除区：出现强风天气，风机输出功率超过额定上限值，切除风机，保护机组安全。

Claims (8)

1.一种离网风力发电最大风能捕获控制方法和装置，其特征在于：它包括不测转速控制模式、复合滤波器、基于自调整函数的智能控制以及输出功率优化算法。
2.如权利要求1所述的不测转速控制模式是通过测量整流桥直流侧电压来间接反映永磁直驱发电机转速。
3.如权利要求1所述的复合滤波器包括限幅消抖过程和加权滑动平均过程。
4.如权利要求1所述的基于自调整函数的智能控制包括两个阶段：在线学习阶段和离线运行阶段。
5.如权利要求4所述的在线学习阶段是利用爬山算法获取机组最优功率一电压曲线。
6.如权利要求4所述的离线运行阶段是利用已获取的最优曲线，基于智能控制，使机组优化运行。
7.如权利要求6所述的自调整函数，其特征在于：在偏差较大时，对误差给予较大权重，尽快消除误差；在偏差较小时，对误差变化予以较大权重，以尽快达到稳定状态。
8.如权利要求1所述的输出功率优化算法，其特征在于：可根据负载需求以及机组自身安全，自动在最大功率追踪区、恒定功率区、切除保护区切换。
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