CN106545468A - 一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统 - Google Patents

一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统，所述方法在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，风力发电机组主控制器采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角，使风力发电机组在当前条件下实际风能利用系数保持最优。本发明综合考虑了各种因素的影响，设计结果具有很高的精确性，且不增加人力成本；在没有新的硬件设备要求的基础上，可在较短时间实现机组自动控制，快速调整桨叶至最优状态，提高机组发电性能。

Description

一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体地，涉及一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统。
背景技术
随着全球能源危机爆发以及生态环境日益严重，可再生能源的开发与发展已得到了世界各国的广泛关注。风力发电技术已逐步发展为应用最为广泛的可再生能源发电形式之一。风力发电技术的发展主要体现在大型并网风电机组大型化和控制策略提高方面，通过采用新型高效的风能转换装置和最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MTTP)控制策略可以明显提高风力发电系统的能源转换效率。
变速恒频风力发电系统在更多捕获风能、减少设备维护以及保障更好的电能质量方面具有明显优势。通过采用变桨距风力机可以实现发电系统在更宽的高风速范围内保持额定功率输出，在中低风速下通过控制电机转速实现机组对风能的最大功率捕获。当前并网风力发电机组采用最多的是最大功率点跟踪技术或基于此技术的改进技术，在中低风速下保持桨距角处于最优位置，通过调整风力机转速以获取最大风能。
已有的方法在工程应用中存在诸多缺点：第一，机组理论最优工作点状态参数一般不能直接应用到工程实践中；第二，由于桨叶在安装过程中存在偏差，致使机组偏离原设定工作状态；第三，随着风机的运行，机组实际工作点将偏离最优点；第四，当空气质量不佳导致桨叶有污染物附着时，风力机的性能参数将发生改变，机组实际工作点将偏离设定点。为尽可能维持风力发电机组保持在最优工作状态，同时减少人工调试的可能，自寻优控制器的设计对于当前并网风力发电系统的发展具有重要意义。
经检索，闫耀民，范瑜，汪至中：永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报，2002，17(6):82-86；该文献主要研究了永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制，根据风轮机气动力特性推导出风能利用系数Cp与桨距和叶尖速比的关系，进而利用该关系确定自寻优控制策略；同样采用单纯形加速法寻优，结合永磁同步风力发电机的特点确定了永磁风力发电机在不同风速下的最优速度给定即最优直流电压给定和不同风速下的最优桨距给定。该技术：1、控制方法分析：该文献只是针对永磁同步电机风力发电系统研究了其自寻优控制，同样采用了单纯性加速法寻优方法，但其设定程序退出条件为风能利用系数变化值小，其可能导致寻到其他极大值点，并且该文献根据理论推导得到桨距角理论最大值，仅仅在此基础上寻找叶尖速比的最优点；2、工程应用分析：该文献对于永磁同步电机风力发电系统，对风机的风能利用系数进行了理论推导和数值逼近，没有做出桨距角寻优的相关控制只是在理论最佳桨距角基础上寻找叶尖速比最优点，同时该文献将其方法应用到仿真验证中，其结果可行性没有得到验证。
检索中还发现，夏安俊、徐浩、胡书举、许洪华：大型风电机组的功率曲线自寻优控制策略[J].高电压技术，2012，38(8)：2023-2029；该文献针对大型风电机组在额定风速以下最大功率曲线很难保证精度的问题提出了基于微分跟踪器的功率曲线自寻优控制策略。采用微分跟踪器提取出机组转速和机械功率的微分值,并由此判断实际功率曲线与最大功率点之间的位置关系,然后采用三维模糊控制器对功率曲线的系数进行实时调整。该技术：1、控制方法分析：该文献采用基于微分跟踪器的功率曲线自寻优控制策略，通过最速微分跟踪器提取的转速一阶微分值估计风力机捕获的瞬时功率值，同时采用最速微分跟踪器对瞬时功率值进行跟踪，提取功率瞬时值；其方法相对较为复杂，因此控制可靠性受到影响；2、工程应用分析：该文献提出的自寻优控制策略在实际工程中反应较慢，需要较长时间发挥作用，因此影响了其提高系统效率的目的。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法及系统，能在较短时间内调整机组运行状态，提高机组运行风能利用系数，从而实现机组发电量的增加，提升机组经济效益。
根据本发明的第一方面，提供一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其中：在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，风力发电机组主控制器采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角，使风力发电机组在当前条件下实际风能利用系数保持最优。
优选地，本发明进行的自寻优控制可以在风能利用系数Cp、桨距角β和叶尖速比λ未知的情况下实现，三者关系无需确定。所述风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系，具体可以在实验中测定。
优选地，所述单纯形加速方法，是指：
以某一步长Δβ改变桨距角后，计算一段时间T内的风能利用系数Cp平均值；
若该风能利用系数Cp平均值大于原设计最大值则更新为新的最大值，将当前桨距角更新为当前最优桨距角，并以该步长继续改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；
若该风能利用系数Cp平均值小于原设计最大值则桨距角调整步长Δβ收缩，并进入下一更新周期的风能利用系数Cp平均值计算；若通过收缩步长后的平均值仍小于原设计最大值则反向调整步长Δβ改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；将桨距角调整步长Δβ达到设定足够小作为控制器结束信号，退出方法完成寻优。
进一步的，所述方法包括如下具体步骤：
S1：在风力发电机组主控制器中设置自寻优控制器，在寻优控制器中采用单纯形加速方法，预设4个标志位flag,flag1,flag2,flag3用以实现方法状态的切换，标志位flag控制计算Cp平均值的开始结束，标志位flag1，flag2，flag3实现状态切换；
S2：方法初始化后，给予输出桨距角一定步长调整，计算时间T内的Cp平均值与控制器原设计最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag1，若出现新最大值则更新控制器最大值继续向前寻找，否则进入S3；
S3：缩短步长调整桨距角，计算时间T内的Cp平均值与控制器最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag2，若出现新最大值则更新控制器最大值继续向前寻找，否则进入S4；
S4：反向调整步长输出桨距角，计算时间T内的Cp平均值与当前控制器最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag3，若出现新最大值则更新当前控制器最大值继续向前寻找，否则返回S3；
循环进行S2～S4调整桨距角，直到步长降低到设定条件，跳出循环寻优完成，得到最有桨距角。
根据本发明的第二方面，提供一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优系统，包括：寻优控制器，所述寻优控制器设置在风力发电机组主控制器中，该控制器在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角；
所述寻优控制器包括寻优模块，该模块实现单纯形加速方法，即：
以某一步长Δβ改变桨距角后，计算一段时间T内的风能利用系数Cp平均值；
若该风能利用系数Cp平均值大于原设计最大值则更新为新的最大值，将当前桨距角更新为当前最优桨距角，并以该步长继续改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；
若该风能利用系数Cp平均值小于原设计最大值则桨距角调整步长Δβ收缩，并进入下一更新周期的风能利用系数Cp平均值计算；若通过收缩步长后的平均值仍小于原设计最大值则反向调整步长Δβ改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；将桨距角调整步长Δβ达到设定足够小作为控制器结束信号，退出方法完成寻优。
优选地，所述系统进一步包括：监测模块，该模块用于实现对外部因素的监测，在外部风速湍流超过设定湍流相对强度时(设定值可依照环境以及设备灵敏度设定)时舍弃寻优结果，保证桨距角不会在风速不稳定的情况下发生过多摆动，同时保证寻优结果的可靠性。
优选地，所述系统进一步包括：Cp计算模块，该模块用于计算风力发电机在T时间段的Cp平均值，Cp计算模块由寻优控制器标志位flag控制，上升沿开始计算下降沿清零。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)综合考虑了各种因素的影响，设计结果具有很高的精确性(桨距角误差±0.2°内)，且不增加人力成本。
2)在没有新的硬件设备要求的基础上，可在较短时间(20周期内)实现机组自动控制，快速调整桨叶至最优状态，提高机组发电性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例的Cp(λ,β)与桨距角β、叶尖速比λ的关系图；
图2为本发明一实施例的自寻优方法流程图；
图3为本发明一实施例的自寻优控制器框图；
图4中(a)、(b)分别为本发明一实施例的桨距角自寻优控制仿真结果图；
图5为本发明一实施例的某风场全天实测风速仿真结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其中：在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，风力发电机组主控制器采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角，使风力发电机组在当前条件下实际风能利用系数保持最优。
相应的，对应于上述方法，一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优系统，包括：寻优控制器，所述寻优控制器设置在风力发电机组主控制器中，该控制器在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角；
以下对本发明技术方案具体的实施细节进行描述。
风力发电机组根据系统实际运行状态或人工指令，通过反复调整桨距角，使风力发电机组在当前条件下实际风能利用系数保持最优的过程。在风力发电机组主控制器中设置自寻优控制器，将其设置为仅在风力发电机组安装调试和运行状态不佳的情况下工作，可实现风力发电机组运行性能的提升。
风力发电机捕获空气中的风能为
其中：P为风力发电机捕获风能功率，ρ为空气密度，A为风力发电机截面面积，Cp(λ,β)为风能利用系数是叶尖速比λ和叶片桨距角β的函数，v为风速。
风能利用系数Cp(λ,β)是叶尖速比λ和叶片桨距角β的函数，三者关系如图1所示(以市场某1.5MW风机数据为例)，由图可知存在特定桨距角以及相应叶尖速比可使得Cp(λ,β)达到最大值，但对不同型号风力发电机三者关系略有不同，具体风力发电机组数据可由相关厂商在出厂前测试得到。
当前市场上绝大多数变速恒频风力发电机组采用最大功率点跟踪控制策略，即在中低风速范围内，将叶片桨距角设定在最佳位置，通过控制转速保持叶尖速比保持在最优值从而实现风力发电机风能利用系数最大，提高机组整体发电效率。而对于投运的实际机组，桨叶在安装过程中通常存在误差，机组在长时间运行之后桨叶的位置也会产生位置偏差，同时考虑在雾霾环境中运行的机组随着污染物的附着也会不同程度改变桨叶的气动特性，这些因素都会影响机组偏离最优工作点。这些误差通常在较小范围内(±1°左右)且误差是未知的，因此通过控制器消除这些误差十分必要。
如图2所示，在没有风力发电机组的先验知识和准确参数的基础上，本发明所述的桨距角自寻优的原理是：以某一步长Δβ改变桨距角后，计算一段设定时间T内的Cp平均值(时间T可根据实际情况和环境因素设定)，如果该平均值大于原设计最大值则更新为新的最大值，将当前桨距角更新为当前最优桨距角，并以该步长继续改变桨距角，进入下一寻优程序的Cp平均值计算；若该平均值小于设定最大值则桨距角调整步长Δβ收缩，并进入下一更新周期的Cp平均值计算；若通过收缩步长后的平均值仍小于设定最大值则反向调整步长Δβ改变桨距角，进入下一寻优程序的Cp平均值计算。将桨距角调整步长Δβ达到设定足够小作为控制器结束信号，退出方法完成寻优。
本发明在实际工程应用中，可通过三部分实现，如图2-3所示：
S1：在寻优控制器中实现上述寻优方法，如图3所示，此部分可以在寻优控制器设置采用寻优模块来实现，预设4个标志位(flag,flag1,flag2,flag3)用以实现方法状态的切换，标志位flag控制计算Cp平均值的开始结束，标志位flag1，flag2，flag3实现状态切换；
S2：方法初始化后，给予输出桨距角一定步长Δβ调整(调整值可根据具体情况而定)，计算一定时间(例20s)Cp的平均值CpB与设定最大值CpA(其中CpA默认为控制器Cp最大值，以后出现的最大值都更新到CpA中)作比较，根据比较结果设定标志位flag1，若出现新最大值则更新设定最大值CpA继续向前寻找，否则进入S3；
S3：缩短步长Δβ调整桨距角，计算一定时间Cp的平均值CpC与设定最大值CpA作比较，根据比较结果设定标志位flag2，若出现新最大值则更新设定最大值CpA继续向前寻找，否则进入S4；
S4：反向调整步长Δβ输出桨距角，计算一定时间Cp的平均值CpD与设定最大值CpA作比较，根据比较结果设定标志位flag3，若出现新最大值则更新设定最大值CpA继续向前寻找，否则进入缩短步长寻找状态S2；
S2～S4依次循环调整桨距角，直到步长降低到设定条件，跳出循环寻优完成。
进一步的，本发明中采用上述的寻优模块实现桨距角寻优，同时还设计监测模块实现对外部因素，主要是风速的监测，在外部风速湍流超过设定湍流相对强度时(设定值可依照环境以及设备灵敏度设定)时舍弃寻优结果，保证桨距角不会在风速不稳定的情况下发生过多摆动，同时保证寻优结果的可靠性。所述监测模块可以设置在寻优控制器中，也可以设置在其他位置。
对于风机在T时间段的Cp值由Cp计算模块获取，由寻优控制器标志位flag控制，上升沿开始计算下降沿清零，其控制方法可分为多种，仿真中设置为积分平均值，也可设置为积分值等等，不同方法的精确度略有差别。所述Cp计算模块可以设置在寻优控制器中，也可以设置在其他位置。作为一个优选，如图3中，所述Cp计算模块与所述寻优模块、所述监测模块一并设置在寻优控制器中，这三部份构成一个完整的寻优控制器。
利用MATLAB/Simulink软件根据某1.5MW风力发电机组数据建模仿真，利用Stateflow工具可以实现上述方法，仿真结果如下图4所示，仿真结果证明此方法能在较短时间内将桨距角调整到最优状态，提高机组效率。
实施例1
基于上述技术方案，提供一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法的具体仿真实施例，仿真条件如下：
根据市场上某1.5MW风电机组参数，三桨叶上风向，双馈发电机组，桨叶直径87.5m，桨叶安装角设定为-2°(案例2设定桨距角误差为1°)，最优叶尖速比λ＝10，寻优控制器设置参数为：采样时间T＝10s，最小步长Δβ＝0.01，仿真采用平均风速6m/s的湍流风。搭建简单风力机组模型，平台是MATLAB/Simulink。
仿真结果如图4中(a)、(b)所示，仿真开始时桨叶偏离最优桨距位置(理论上为0°)，机组运行功率因数较低，启动桨距角自寻优方法后，桨距角自适应调整，桨距角调整步长逐步收缩，经过约200秒后稳定于0°最优桨距角，风能利用系数获得提升。由该图可知，本发明所述的桨距角自寻优控制是合理的。
实施例2
基于上述技术方案，提供一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法的具体仿真实施例，仿真条件如下：
选取上述某1.5MW双馈风电机组，以某风场全天实测风速进行仿真。以桨叶安装误差为-1°为例，存在桨叶安装误差时全天的发电量为1414.3千瓦时，采用所述方法校正桨叶安装误差后全天发电量提升66.7千瓦时，实现近5％的发电量提升，证明本发明在工程实践有较大应用价值，仿真结果如图5所示。
综上，本发明针对变速恒频风力发电机组的功率因数桨距角自寻优设计，在功率因数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，采用单纯形加速方法，根据指令调整当前风机桨距以确定最佳工作点。这种设计方法：能在较短时间内将风电机组工作点调整至最佳工作点，从而提升风电系统的工作效率；可对机组多次控制调节以适应不同环境和季节，并在完成工作后切除；该方法可在原主控制器中实现，条件触发开始和结束，不产生新的硬件要求。
仿真验证表明，本发明所提出的最佳风能利用系数桨距角自寻优，能在较短时间内调整机组运行状态，提高机组运行风能利用系数从而实现机组发电量的增加，提升机组经济效益。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其特征在于：在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，风力发电机组主控制器采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角；
所述单纯形加速方法，是指：
以某一步长Δβ改变桨距角后，计算一段时间T内的风能利用系数Cp平均值；
若该风能利用系数Cp平均值大于原设计最大值则更新为新的最大值，将当前桨距角更新为当前最优桨距角，并以该步长继续改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；
若该风能利用系数Cp平均值小于原设计最大值则桨距角调整步长Δβ收缩，并进入下一更新周期的风能利用系数Cp平均值计算；若通过收缩步长后的平均值仍小于原设计最大值则反向调整步长Δβ改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；将桨距角调整步长Δβ达到设定足够小作为控制器结束信号，退出方法完成寻优。
2.根据权利要求1所述的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：在风力发电机组主控制器中设置自寻优控制器，在寻优控制器中采用单纯形加速方法，预设4个标志位flag,flag1,flag2,flag3用以实现方法状态的切换，标志位flag控制计算Cp平均值的开始结束，标志位flag1，flag2，flag3实现状态切换；
S2：方法初始化后，给予输出桨距角一定步长调整，计算时间T内的Cp平均值与控制器原设计最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag1，若出现新最大值则更新控制器最大值继续向前寻找，否则进入S3；
S3：缩短步长调整桨距角，计算时间T内的Cp平均值与控制器最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag2，若出现新最大值则更新控制器最大值继续向前寻找，否则进入S4；
S4：反向调整步长输出桨距角，计算时间T内的Cp平均值与当前控制器最大值作比较，根据比较结果设定标志位flag3，若出现新最大值则更新当前控制器最大值继续向前寻找，否则返回S3；
循环进行S2～S4调整桨距角，直到步长降低到设定条件，跳出循环寻优完成，得到最有桨距角。
3.根据权利要求1-2任一项所述的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其特征在于，所述方法设计监测模块实现对外部因素的监测，在外部风速湍流超过设定湍流相对强度时舍弃寻优结果，保证桨距角不会在风速不稳定的情况下发生过多摆动，同时保证寻优结果的可靠性。
4.根据权利要求1-2任一项所述的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优方法，其特征在于，对于风力发电机在T时间段的Cp平均值由Cp计算模块获取，由寻优控制器标志位flag控制，上升沿开始计算下降沿清零。
5.一种用于实现权利要求1-4任一项所述方法的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优系统，其特征在于，包括：寻优控制器，所述寻优控制器设置在风力发电机组主控制器中，该控制器在风能利用系数Cp与桨距角β和叶尖速比λ的关系确定后，采用单纯形加速方法，通过反复调整桨距角得到最优桨距角；
所述寻优控制器包括寻优模块，该模块实现单纯形加速方法，即：
以某一步长Δβ改变桨距角后，计算一段时间T内的风能利用系数Cp平均值；
若该风能利用系数Cp平均值大于原设计最大值则更新为新的最大值，将当前桨距角更新为当前最优桨距角，并以该步长继续改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；
若该风能利用系数Cp平均值小于原设计最大值则桨距角调整步长Δβ收缩，并进入下一更新周期的风能利用系数Cp平均值计算；若通过收缩步长后的平均值仍小于原设计最大值则反向调整步长Δβ改变桨距角，进入下一寻优程序的风能利用系数Cp平均值计算；将桨距角调整步长Δβ达到设定足够小作为控制器结束信号，退出方法完成寻优。
6.根据权利要求5所述的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优系统，其特征在于，所述系统进一步包括：监测模块，该模块用于实现对外部因素的监测，在外部风速湍流超过设定湍流相对强度时舍弃寻优结果，保证桨距角不会在风速不稳定的情况下发生过多摆动，同时保证寻优结果的可靠性。
7.根据权利要求5或6所述的兆瓦级风力发电机组的桨距角自寻优系统，其特征在于，所述系统进一步包括：Cp计算模块，该模块用于计算风力发电机在T时间段的Cp平均值，Cp计算模块由寻优控制器标志位flag控制，上升沿开始计算下降沿清零。
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