CN104481803A - 一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，风速传感器将所测环境风速信号送至控制器，控制器依据所检测的风速信号，根据系统所存储的风速-最大功率特性曲线确定当前风速情况下风力机运行转速给定信号，该转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号；该控制信号结合电机当前的电压、电流、磁极位置角状况调整该发电机的电磁力矩大小，从而使该交流发电机转速向期望的转速接近，达到所指定的指令转速。本发明采用风速传感器检测环境风速，使风力发电系统的风力机转速尽快接近当前风速情况下的最大功率点附近，并最终到达最大功率运行点，实现风力发电系统追踪最大风能。

Description

一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法。

背景技术

目前，在风力发电系统中，风力机所获得的风能与风轮的叶尖速和风速的比值(简称叶尖速比)有关，如果浆距角不变，风力机所获得的风能与风速之间存在关系如图1所示。也就是说，对应于每一个风速，风力机只在一个运行转速下可以获得最大风能，因此，为了让风力发电系统获得更多的风能，必须对风力机的运行转速实施控制。如果浆距角发生变化，风力机所获得的风能与风速之间的关系将发生偏移，但其总体形状与图1相同。从图1可以看出，为了实施风力机追踪最大风能的控制，控制系统需要获得当前环境的风速情况，然后，根据风速与风力机输出功率之间的关系，合适控制风力机的运行转速，使风力机追踪最大风能，风力机带动发电机便可以输出最大功率。

现有的风力发电系统最大输出功率跟踪控制方法有以下三种：

第一种方法，直接转速控制法：直接转速控制法是使风力发电系统在环境风速变化的情况下保持最优的叶尖速比，风力发电系统获得最大功率系数，从而实现最大风能的追踪控制。该方法实施的理论基础是该风力发电系统的最佳叶尖速比曲线已经获得，并且在风力机整个的受风面上风速均匀一致，风力机随着运行时间的推移其各项参数不会发生变化。显然，这些要求对于一个在自然环境下实际运行的系统而言是很难满足要求的，因此，该方法已经基本不被采纳，没有得到推广应用。

第二种方法，最佳功率-转速曲线跟踪控制法：该方法基于风力发电机可以进行有功、无功解耦控制，通过发电机输出的有功功率来控制发电机电磁阻力矩大小，从而间接控制风力机的转速，实现最大风能追踪控制。该方法的理论基础是要求获得风力发电机输出电功率的准确计算。实际上，由于发电机运行过程中诸多损耗无法准确计算，并且这些损耗在电机运行过程中是变化的，致使该方法不能获得风力机输出最大功率的准确控制，也只是处在接近最大功率输出的次优状态，基本可以获得最大风能追踪控制的结果，具有实用价值，并已经获得应用。

第三种方法，爬山搜索控制法：该方法不考虑环境风速与风力机输出功率之间的函数关系，风力发电机控制系统总是控制发电机的转速，使其向输出电功率增大的方向变化，由此实施追踪最大风能的控制。该方法基于的思想是认为风力机的转速变化量与发电机有功功率之间线性相关，但实际上两者之间是非线性关系，并且控制系统的控制参数及系统的采样控制周期均会影响控制系统的收敛性，甚至影响到控制系统响应的速度，因此，该控制方法会影响系统最大风能追踪控制的效果。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，实现风力发电系统追踪最大风能。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法：风速传感器将所测环境风速信号V送至控制器，控制器依据所检测的风速信号V，根据系统所存储的风速-最大功率特性曲线确定当前风速情况下风力机运行转速给定信号，该转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号；该控制信号结合电机当前的电压、电流、磁极位置角状况调整该发电机的电磁力矩大小，从而使该交流发电机转速向期望的转速接近；经过一段时间的调整，发电机运行转速达到所指定的指令转速。

在所述的转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号时，当发电机的实际运行转速与指令数值之间的差值超过控制系统所设置的误差范围，控制系统将屏蔽因为前后两个采样点功率变化所需要的对发电机转速调节的指令要求，转速给定值不变。

在所述的转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号时，当发电机转速与指令速度之间的偏差值小于所设置的误差范围，控制系统将开始实施最大功率点的追踪控制；追踪最大功率点控制开始后，采样电路采集变换器输出电压、电流信号，计算变换器输出功率大小，并将其与前一个采样时刻的功率数值进行比较，按照(2)式决定风力发电机运行转速的变化(增加或者减小)方向及步距，最终达到当前风速情况下的最大输出功率；所述的(2)式具体为：

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_b}\&times;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}>0\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=0& \mathrm{\&Delta;P}=0\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=-K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_b}\&times;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，K为控制系统初定转速调整系数，ΔP为前后两个控制时刻之间的功率变化量，ΔP_b为功率变化基准，Δω_i为前一时刻电机转速变化量实际值，Δω_i+1为下一时刻的电机转速变化量给定值，Δω为转速变化量；

公式(2)中，若速度调整前的系数采用系统初定的转速调整系数K；若K值与的乘积作为控制系统的转速调整系数；若控制系统的转速调整系数为0，转速给定值不变。

控制系统初定的转速调整系数K与被控对象：风力机和发电机的机电时间常数(或风力机和发电机的转动惯量)有关，风力发电机的额定功率较小时(小于20千瓦)，K值可以取1，步距可以设置得大些。风力发电机的额定功率越大(不小于20千瓦)，其机电时间常数(或者其转动惯量)越大，K值取值要小些(小于1)，步距也设置得小些，因为大型风力发电机在转速变化情况下其功率变化数值较大，对系统运行稳定性不利。

所述的系统在追踪最大功率点的过程中，环境风速发生突变，使得控制器根据风速-最大功率特性曲线所确定的风力机转速给定信号与发电机实际运行转速差值超过设定的误差范围，控制系统将重新回归到发电机转速快速跟踪阶段。

所述风速-最大功率特性运行点特性曲线，其特性函数表示为：P＝f(ω)。

本发明的风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，先根据环境风速与风力机输出最大功率点之间的关系，借助于风速传感器得到环境风速信号，获得风力发电机运行的转速指令信号。根据转速指令信号，控制系统借助于控制发电机电磁转矩来控制风力机转速，使风力机的转速尽快运行在最大风能系数所设定的转速上，风力机可以获得最大风能。在当前运行点上，控制系统让发电机的运行转速产生一个步距的变化，则发电机的输出电功率将发生变化，该电功率的变化量及变化方向将决定发电机运行转速下一步的变化方向及变化步距值。若电功率的变化量为正(增加)，且增加的量比较显著，则发电机运行转速将继续向原先设定的方向变化一个步距值；若增加的量不显著，则发电机运行转速将向原先设定的方向变化小于一个步距值；若增加的量很小(接近于零)，则发电机运行转速保持不变。若电功率的变化量为负(减小)，且减小的量比较显著，则发电机运行转速将向原先设定的相反方向变化一个步距值；若减小的量不显著，则发电机运行转速将向原先设定的相反方向变化小于一个步距值；若减小的量很小(接近于零)，则发电机运行转速保持不变。由于系统设置了风速传感器来检测环境风速，大步距(风速变化比较大时)情况下的风力机转速跟随控制由传感器所测信号决定，控制系统根据环境风速信号使风力发电机运行在最佳功率-速度曲线所确定的转速上，此时风力机所获得风能的风能系数理论上将接近其最大值。当风速短期稳定的情况下，风力机运行转速的控制由控制系统实施调整。控制系统根据发电机输出电功率变化量的大小动态调整风力发电机转速变化的步距数值，使风力机尽快运行在最大功率点位置，实现风力发电系统追踪最大风能的控制。

有益效应：与现有技术相比，本发明采用风速传感器检测环境风速，使风力发电系统的风力机转速尽快接近当前风速情况下的最大功率点附近，再在控制系统的调整下，发电机转速向输出功率增加的方向调整，并最终到达最大功率运行点，实现风力发电系统追踪最大风能。

附图说明

图1是风力发电机获得风能与风速之间的关系图；

图2是风力发电机假象最大功率曲线情况下获得风能与风速之间的关系图；

图3是直驱风力发电系统使用半控整流+Boost+PWM逆变结构时电路控制方案图；

图4是直驱风力发电系统使用双PWM逆变结构时电路控制方案图；

图5是风力发电系统最大功率追踪控制方案图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

1)最大功率追踪控制的基本原理

针对具体的风力发电系统，不论该风力发电系统是直驱的还是非直驱的系统，系统一旦形成之后，风力机在具体环境风速情况下的最大输出功率点必然是确定的，风力发电系统在不同风速情况下将具有和图1相似的风速-功率特性。因此，对实际风力发电系统，可以根据经验统计方式归类地为所研究的风力发电系统预先提供一组风速-功率特性曲线，与此相对应地，针对具体的风力发电系统，将提供一条“风速-最大功率点特性曲线”作为系统控制时的起始控制特性曲线。考虑到实际风力机特性测试的复杂性、耗时性及测试成本，具体实现时，可以选择相近功率风力机的“风速─最大风能利用系数所对应的风力机转速─最大功率点”特性作为当前风力机的“风速-最大功率点特性曲线”。

需要注意的是，此时给特定系统所提供的“风速-最大功率点特性曲线”肯定不会是本风力发电系统真实的“风速-最大功率点特性曲线”，仅作为该风力发电系统对应特定风速情况下相对接近最大功率特性运行点的特性曲线，或者可称为本风力发电系统“假想的风速-最大功率特性运行点特性曲线”，其特性函数可以表示为：

P＝f(ω)         (1)

针对该风力发电系统给定“风速-最大功率点特性曲线”后，系统运行在特定的风速情况下，风力发电系统便运行在给定的“风速-最大功率特性曲线”上，特性曲线将给定一具体的最大功率运行点，及其与该最大功率运行点所对应的风力机运行转速。控制系统将控制风力发电机的输出功率，调整风力发电机的运行转速，以使风力机运行在“风速-最大功率点特性曲线”所确定的风力机输出最大功率所对应的运行转速上。

因为，该“风速-最大功率特性曲线”并不是本风力发电系统真实的“风速-最大功率特性曲线”，所以，系统的风力机在所给定的转速运行时，风力机并不能真实地获得最大风能，必然会偏在最大功率运行点的一侧，自然风力发电机也不能输出当前风速情况下的最大功率。如图2中l₁、l₂的b、c点对应的ω₂、ω₁所示，偏离最大功率运行点ω₀。

由于系统已经按照“假想的风速-最大功率特性曲线”控制风力发电系统的运行转速，系统当前的运行状态已经比较接近最终的最大功率运行点。为了使风力发电系统快速追踪最大风能，最大限度地发挥风力发电系统的效能，当风力发电系统到达控制系统根据“假想的风速-最大功率特性曲线”所设定的运行转速时，人为设定转速变化量Δω，使风力发电系统的运行转速增加(或者减少)Δω，观测风力发电机转速变化前后发电机输出功率大小ΔP，然后控制系统根据ΔP的大小、极性，控制下一步风力发电机转速的变化方向及大小。

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_b}\&times;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}>0\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=0& \mathrm{\&Delta;P}=0\\ \mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_{i+1}=-K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{\mathrm{\&Delta;}{P}_b}\&times;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，K、ΔP、ΔP_b、Δω_i、Δω_i+1分别为控制系统初定转速调整系数、前后两个控制时刻之间的功率变化量、功率变化基准、前一时刻电机转速变化量实际值、下一时刻的电机转速变化量给定值。

公式中转速控制系数这样确定，若转速调整前的系数采用系统初定的转速调整系数K；若K值与的乘积作为控制系统的转速调整系数；若控制系统的转速调整系数为0，转速给定值不变。

控制系统初定的转速调整系数K与被控对象：风力机和发电机的机电时间常数或者说他们的转动惯量有关，风力发电机的额定功率较小时，K值可以取1，步距可以设置得大些，风力发电机的额定功率越大，其机电时间常数或者其转动惯量越大，K值取值要小些，步距也不要设置得太大，因为大型风力发电机在转速变化情况下其功率变化数值较大。

2)最大功率追踪控制的实现

1、直驱风力发电系统最大功率追踪控制方法实现

根据以上阐述，针对直驱风力发电系统主电路分别为半控整流+Boost+PWM逆变结构及双PWM结构，控制系统可以按照图3、图4构成，该两幅图仅绘出了发电机侧的变流器。

图3中，直驱风力发电系统主电路为半控整流+Boost+PWM逆变结构的发电机侧，风速传感器所检测的风速信号为V，该信号送给控制器后，控制器根据系统所存储的“风速-最大功率特性曲线”(前面所述的“假想的风速-最大功率特性曲线”)确定在当前风速情况下风力机运行转速给定信号，该信号与发电机实际转速信号比较经过调节器调节，控制升压斩波电路开关管T₁的占空比，从而控制发电机输出功率大小，间接控制发电机的运行转速。

若当前风力机运行转速尚未到达该风速情况下“风速-最大功率特性曲线”所指定的运行转速(发电机的运行转速与指令数值之间的差值超过控制系统所设置的误差范围)，控制系统将屏蔽因为前后两个采样点功率变化所需要的对电机转速调节的要求。当发电机转速与指令速度之间的偏差值落在所设置的误差范围内，控制系统将进行最大功率点的追踪控制。

追踪最大功率点控制开始后，采样电路采集变换器输出电压、电流信号，计算变换器输出功率大小，并将其与前一个采样时刻的功率数值比较，按照(2)式决定风力发电机运行转速的变化方向及步距，最终达到当前风速情况下的最大输出功率。

图4中，直驱风力发电系统主电路为双PWM结构的发电机侧，风速传感器所检测的风速信号V，送给控制器后，控制器根据所存储的“风速-最大功率特性曲线”确定在当前风速情况下风力机必须运行的转速给定信号，该信号与发电机实际转速信号比较，经过调节器调节，形成风力发电机转矩电流分量，若发电机按照功率因数为1来控制，发电机的励磁分量要求为0，结合直驱风力发电系统永磁同步发电机的转子位置角θ，计算得到发电机电压空间矢量控制信号，再经过隔离驱动，控制整流电路输出至直流侧的电功率，实现发电机运行转速的控制。

同样，若当前风力机运行转速尚未到达该风速情况下所指定的运行转速(发电机运行转速与指令数值之间的差值超过控制系统所设置的误差范围)，控制系统将屏蔽因为前后两个采样点功率变化所需要的对电机转速调节的要求，仅采用系统设定的转速给定信号作为发电机转速控制的输入信号。当发电机转速与指令速度之间的偏差值落在所设置的误差范围内，控制系统将进行最大功率点的追踪控制。

开始实施最大功率点追踪控制时，采样电路采集变换器输出电压、电流信号，计算变换器输出功率大小，并将其与前一个采样时刻的功率数值比较，按照(2)式决定风力发电机运行转速的变化方向及步距，最终达到当前风速情况下的最大输出功率。

2、基于异步发电机的风力发电系统最大功率追踪控制方法实现

异步电机有两种，一种是鼠笼式，一种是绕线式，这两种异步电机均有在风力发电系统中使用的应用实例，其控制策略有直接转矩控制和矢量控制。

若鼠笼式异步电机使用在风力发电系统中，因为转子短路无法控制，必须为风力发电机配备全功率变换器。若绕线式异步电机使用在风力发电系统中，系统一般称为基于双馈异步发电机的风力发电系统，或简称为双馈风力发电系统。双馈异步发电机的定子绕组直接与公共电源相连，转子采用功率变换器实施控制。

笼型异步风力发电系统一般采用基于转子磁场定向(直接或者间接)的磁场定向控制方式，或者采用直接转矩控制方式。双馈异步发电机一般采用定子电压定向控制方式。不论异步风力发电系统采用什么定向控制方式，也不论其实施控制的功率变换器处在风力发电机的定子侧或者转子侧，其最大功率追踪控制均可以采用类似于图4的直驱风力发电系统控制模式，实施风力发电系统最大功率点追踪控制。

为便于说明该控制方案及其实现，将本发明的主要思想及系统构成综合于图5中。

图5中，风力机通过齿轮箱与交流发电机相连，若是直驱风力发电系统，则所接交流发电机为多极永磁同步发电机，齿轮箱被省去。风速传感器所测环境风速信号送至控制器，控制器依据所检测的风速信号V，根据系统所存储的“风速-最大功率特性曲线”确定当前风速情况下风力机运行转速给定信号，该转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号。该控制信号结合电机当前的电压、电流、磁极位置角状况调整该发电机的电磁力矩大小，从而使该交流发电机转速向期望的转速接近。经过一段时间的调整，发电机运行转速达到所指定的指令转速。

若当前风力机运行转速尚未到达该风速情况下“风速-最大功率特性曲线”所指定的运行转速，即发电机的实际运行转速与指令数值之间的差值超过控制系统所设置的误差范围，控制系统将屏蔽因为前后两个采样点功率变化所需要的对发电机转速调节的要求，转速给定值不变。当发电机转速与指令速度之间的偏差值小于所设置的误差范围，控制系统将开始实施最大功率点的追踪控制。

追踪最大功率点控制开始后，采样电路采集变换器输出电压、电流信号，计算变换器输出功率大小，并将其与前一个采样时刻的功率数值进行比较，按照(2)式决定风力发电机运行转速的变化(增加或者减小)方向及步距，最终达到当前风速情况下的最大输出功率。

若系统在追踪最大功率点的过程中，环境风速发生突变，使得控制器根据“风速-最大功率特性曲线”所确定的风力机转速给定信号与发电机实际运行转速差值超过设定的误差范围，控制系统将重新回归到发电机转速快速跟踪阶段。

Claims (5)

1.一种风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，其特征在于：风速传感器将所测环境风速信号V送至控制器，控制器依据该风速信号V，根据系统所存储的风速-最大功率特性曲线确定当前风速情况下风力机运行转速给定信号，该转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号；该控制信号结合电机当前的电压、电流、磁极位置角状况调整风力发电机的电磁力矩大小，从而使该交流发电机转速向期望的转速接近；经过一段时间的调整，发电机运行转速达到所指定的指令转速。

2.根据权利要求1所述的风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，其特征在于：在所述的转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号时，当发电机的实际运行转速与指令数值之间的差值超过控制系统所设置的误差范围，控制系统将屏蔽因为前后两个采样点功率变化所需要的对发电机转速调节的要求，转速给定值不变。

3.根据权利要求1所述的风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，其特征在于：在所述的转速给定信号与发电机实际转速信号比较并经过调节器调节，输出一控制信号时，当发电机转速与指令速度之间的偏差值小于所设置的误差范围，控制系统将开始实施最大功率点的追踪控制；追踪最大功率点控制开始后，采样电路采集变换器输出电压、电流信号，计算变换器输出功率大小，并将其与前一个采样时刻的功率数值进行比较，按照(2)式决定风力发电机运行转速的变化(增加或者减小)方向及步距，最终达到当前风速情况下的最大输出功率；所述的(2)式具体为：

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{i+1}=K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{{\mathrm{\&Delta;P}}_b}\&times;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}>0\\ {\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{i+1}=0& \mathrm{\&Delta;P}=0\\ {\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_{i+1}=-K\&times;\frac{\mathrm{\&Delta;P}}{{\mathrm{\&Delta;P}}_b}\&times;{\mathrm{\&Delta;\&omega;}}_i& \mathrm{\&Delta;P}<0\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，K为控制系统初定转速调整系数，ΔP为前后两个控制时刻之间的功率变化量，ΔP_b为功率变化基准，Δω_i为前一时刻电机转速变化量实际值，Δω_i+1为下一时刻的电机转速变化量给定值，Δω为转速变化量；

公式(2)中，若速度调整前面的系数采用系统初定的转速调整系数K；若K值与的乘积作为控制系统的转速调整系数；若控制系统的转速调整系数为0，转速给定值不变。

4.根据权利要求1或3所述的风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，其特征在于：所述的系统在追踪最大功率点的过程中，环境风速发生突变，使得控制器根据风速-最大功率特性曲线所确定的风力机转速给定信号与发电机实际运行转速差值超过设定的误差范围，控制系统将重新回归到发电机转速快速跟踪阶段。

5.根据权利要求1所述的风力发电系统追踪最大输出功率控制方法，其特征在于：所述风速-最大功率特性运行点特性曲线，其特性函数表示为：P＝f(ω)。