CN105986960B - 一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法 - Google Patents

一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，主要包括理论功率计算模块、反馈功率计算模块和PID控制器三个部分，包括以下步骤：使用测量桨叶角β、测量风轮转速ω、上一次迭代计算出的风速ν，输入至理论功率计算模块中，计算出当前迭代步骤下对应的理论功率PM；将测量风轮转速ω、测量发电机输出功率Pe输入至反馈功率计算模块中，计算出当前工况下对应的反馈功率PM *；使用计算的理论功率PM减去反馈功率PM *得到功率偏差ΔP，将ΔP输入PID控制器后，得到当前迭代计算步骤下的计算风速ν；如此反复迭代，直至计算收敛。本发明通过实时迭代计算出当前风速，可用于测风装置的准确性判断，以及直接最优叶尖速比控制。

Description

一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法
技术领域
本发明涉及一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法。
背景技术
随着风电行业的快速发展，单位发电成本逐渐下降，目前很多整机厂商为了降低制造成本，去掉了冗余测风装置，每台机组保留一个测风仪。随着时间的推移，测风仪往往会因为异物进入、机械磨损或者电路干扰存在零飘，导致测量不准，而单个测风装置不能判断出这种外界因素引起的测量不准，导致功率曲线等统计数据统计不准，引起不必要的商业纠纷。另外，目前国内厂商主要使用查表法，进行最优转矩的控制，从而间接的实现最优叶尖速比的控制。然而这种方法容易受到空气密度、传动链转换效率的影响，导致机组不能保证时刻运行在最优叶尖速比上，目前国内外学术研究尝试直接进行最优叶尖速比控制，但是由于叶尖速比需要风速数据，而测风装置在风轮后面，测量不准，易受尾流影响，很难应用于实际工程控制。
发明内容
为了解决单测风装置的故障判定问题以及最优叶尖速比的追踪问题，本发明提出了一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，可以根据风机的电功率、动能、桨叶角和转速信号实时迭代计算出当前风速，计算的风速可以用来进行风速仪故障判断以及最优叶尖速比控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，主要包括理论功率计算模块、反馈功率计算模块和PID控制器三个部分，包括如下步骤：
步骤S1：将计算风速初始化为50；
步骤S2：使用测量装置测量出当前风轮转速ω、桨叶角β、发电机输出功率Pe；
步骤S3：将计算风速ν、测量桨叶角β、测量风轮转速ω，输入至理论功率计算模块中，计算出当前迭代步骤下对应的理论功率PM；
步骤S4：将测量风轮转速ω、测量发电机输出功率Pe输入至反馈功率计算模块中，计算出当前工况下对应的反馈功率PM *；
步骤S5：使用计算的理论功率PM减去反馈功率PM *可得到功率偏差ΔP，将ΔP输入PID控制器后，即可得到当前迭代计算步骤下的计算风速ν；
步骤S6：将步骤S5中计算的风速ν代入步骤S3中，重复步骤S2、S3、S4、S5；
步骤S7：重复步骤S6，直至迭代计算收敛。
上述的一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，其中，步骤S3所述的理论功率PM的计算包括如下步骤；
步骤S31：使用测量风轮转速ω，计算风速ν，风轮半径R，利用公式计算出当前风轮叶尖速比λ；
步骤S32：使用测量桨叶角β、步骤S31中计算出的叶尖速比λ，以及机组表，使用线性插值法计算出当前叶尖速比、桨叶角下对应的风能利用系数Cp；
步骤S33：使用步骤S32计算出的风能利用系数Cp，当前计算风速ν，风轮半径R，机组运行当地空气密度ρ，利用公式计算出理论功率PM。
上述的一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，其中，步骤S4所述的反馈功率PM *的计算包括如下步骤：
步骤S41：使用机组转动惯量J，测量风轮转速ω，利用公式计算出机组当前动能 ；
步骤S42：使用步骤S41中计算的动能 ，利用微分环节，计算出当前动能对应的功率 ；
步骤S43：将步骤S42中计算的功率加上测量装置测量的发电机输出功率，得到反馈功率PM *。
本发明的有益效果是，提出了一种基于能量守恒的风速估算方法，可以根据机组测量的电功率以及叶轮动能，实时迭代计算出当前风速，可用于测风装置的准确性判断，以及直接最优叶尖速比控制。
附图说明
附图为本发明的风速估算原理框图。
图中：1、理论功率计算模块；1-1、叶尖速比计算模块；1-2、Cp计算模块；1-3、功率计算模块；2、反馈功率计算模块；2-1、动能计算模块；2-2、微分环节；3、PID控制器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，主要包括理论功率计算模块1、反馈功率计算模块2和PID控制器3三个部分，使用实时测量的风轮转速ω，以及迭代计算过程中上一时刻计算出的风速ν，利用叶尖速比计算模块1-1，计算出当前状态下的叶尖速比λ；使用λ和实时测量的桨叶角β，利用Cp计算模块1-2计算出当前风能利用系数Cp；将计算的风能利用系数Cp以及上一时刻迭代计算出的风速输入至功率计算模块1-3中，得到当前的理论功率PM。与此同时，使用实时测量的风轮转速ω，通过动能计算模块2-1实时计算出风轮动能EK，将动能EK经过微分环节2-2后，可得到动能对应的功率PK，将计算出的功率PK与实时测量的发电机输出功率Pe相加，可计算得到反馈功率PM *。将计算的理论功率PM与反馈功率PM相减，可得到功率差ΔP，将功率差输入至PID控制器3计算后，可得当前迭代时刻下的风速计算结果。将当前时刻下的风速迭代结果反馈至叶尖速比计算模块1-1以及功率计算模块1-3中，重复上述过程，可计算出下一时刻的迭代风速，如此反复，直至迭代结果收敛，即可得到当前工况下对应的计算风速。
虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述做出的替代、修改与变化将是显而易见的。因此，在这样的替代，修改和变化落入本发明的权利要求的精神和范围内时，应该被包括在本发明中。

Claims (2)

1.一种用于风力发电机控制系统的风速估算方法，用于风速仪故障判断以及最优叶尖速比控制，其特征在于：主要包括理论功率计算模块、反馈功率计算模块和PID控制器三个部分，包括如下步骤：
步骤S1：将计算风速ν初始化为50；
步骤S2：使用测量装置测量出当前风轮转速ω、桨叶角β、发电机输出功率Pe；
步骤S3：将计算风速ν、测量桨叶角β、测量风轮转速ω，输入至理论功率计算模块中，计算出当前迭代步骤下对应的理论功率PM；
步骤S4：将测量风轮转速ω、测量发电机输出功率Pe输入至反馈功率计算模块中，计算出当前工况下对应的反馈功率PM*；
步骤S5：使用计算的理论功率PM减去反馈功率PM*可得到功率偏差ΔP，将ΔP输入PID控制器后，即可得到当前迭代计算步骤下的计算风速ν；
步骤S6：将步骤S5中计算的风速ν代入步骤S3中，重复步骤S2、S3、S4、S5；
步骤S7：重复步骤S6，直至迭代计算收敛；
其中，所述的步骤S3中的理论功率PM的计算包括如下步骤：
步骤S31：使用测量风轮转速ω，计算风速ν，风轮半径R，利用公式计算出当前风轮叶尖速比λ；
步骤S32：使用测量桨叶角β、步骤S31中计算出的叶尖速比λ，以及机组Cp(λ,β)表，使用线性插值法计算出当前叶尖速比、桨叶角下对应的风能利用系数Cp；
步骤S33：使用步骤S32计算出的风能利用系数Cp，当前计算风速ν，风轮半径R，机组运行当地空气密度ρ，利用公式PM＝1/2CpρπR2ν3计算出理论功率PM。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机控制系统的风速估算方法，其特征在于：所述的步骤S4中的反馈功率PM*的计算包括如下步骤：
步骤S41：使用机组转惯量J，测量风轮转速ω，利用公式EK＝1/2Jω2计算出机组当前动能EK；
步骤S42：使用步骤S41中计算的动能EK，利用微分环节，计算出当前动能对应的功率
步骤S43：将步骤S42中计算的功率Pk加上测量装置测量的发电机输出功率Pe，得到反馈功率PM*。
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