CN109139363B - 一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，该方法应用减小电磁转矩增益控制方法来实现最大功率点跟踪控制，根据风力机参数中的转动惯量来设置电磁转矩增益系数，其所用公式为：Kd＝1‑α×J，且根据电磁转矩增益系数Kd和转动惯量J的上限值、下限值来确定电磁转矩增益系数Kd的调整系数α。本发明的改进方法根据风力机的转动惯量动态设定电磁转矩增益系数，能够改善多机型风力机的风能捕获效率，具有良好的适应性；同时将电磁转矩增益系数限定在最佳电磁转矩增益系数附近，从而使风力机获得更高的风能捕获效率；且该控制方法仅依赖风力机转动惯量这一风力机参数，无需复杂的迭代计算，简便易行。

Description

一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，具体地说是一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法。
背景技术
为了提高低于额定风速区间的风能捕获效率，变速恒频风力发电机组一般采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略。为了改善风力机的动态性能，美国国家可再生能源实验室的Johnson K.E.等人提出了减小电磁转矩增益(Decreased Torque Gain，DTG)控制，该控制方法通过设置发电机电磁转矩增益系数，以减小发电机电磁转矩来提高风力机在跟踪渐强阵风时的加速性能。
电磁转矩增益系数的设置将决定风力机的风能捕获效率，然而该系数与风力机转动惯量关系密切。研究表明，对于某一固定的风力机转动惯量，存在最佳电磁转矩增益系数使其风能捕获效率最大，而且不同的转动惯量具有不同的最佳电磁转矩增益系数，换言之，电磁转矩增益系数应随风力机转动惯量的变化而变化，因而采用固定的电磁转矩增益系数是不合理的。此外，某一地区或某一风电场内，实际采用的风力机型号较多，因此采用固定的电磁转矩增益系数并不能使所有风力机均达到最优的控制效果。
综上所述，根据不同机型动态设置电磁转矩增益系数，对于提升多机型风力机风能捕获效率十分必要。目前对于该方面的研究尚未见报道。
发明内容
本发明针对固定电磁转矩增益系数的控制方法难以适应多机型风力机最大功率点跟踪控制需求的问题，提供一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法；具体而言，当某一地区采用不同型号的风力机时，该方法均能很好的适应各种机型以提升风力机的风能捕获效率。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：应用减小电磁转矩增益控制方法来实现最大功率点跟踪控制，该方法所用的公式为：
Figure GDA0002262333700000012
Figure GDA0002262333700000021
式(1)和式(2)为风力机数学模型，式(3)和式(4)为最大功率点跟踪控制策略；式中：J为转动惯量，Tm(v,ω)为风力机的机械转矩，Te(ω)为发电机电磁转矩，v为风速，ω为风力机转速，
Figure GDA0002262333700000023
为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，Cp(λ)为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数，Topt(ω)为风力机最优转矩，λopt为最佳叶尖速比，
Figure GDA0002262333700000024
为最大风能利用系数；
根据风力机参数中的转动惯量来设置电磁转矩增益系数，其所用公式为：
Kd＝1-α×J (5)
式(5)为最大功率点跟踪控制策略，式(5)中α为Kd的调整系数，该调整系数α的取值范围由转动惯量J的上限值、下限值和电磁转矩增益系数Kd的上限值、下限值确定，按式(3)、式(4)和式(5)调整发电机电磁转矩，即可实现最大功率点跟踪。
应用该方法实现最大功率点跟踪的具体步骤如下：
S1、输入风力机参数：风力机半径、转动惯量、最大风能利用系数、最佳叶尖速比，输入风电场环境参数：风电场空气密度；设定电磁转矩增益系数Kd的调整系数α；
S2、测量风力机转速ω，并根据式(3)、式(4)和式(5)确定的最大功率点跟踪控制策略计算发电机电磁转矩参考值
Figure GDA0002262333700000025
S3、测量发电机实际功率Pe，并根据公式Te＝Pe×ω计算发电机实际电磁转矩；
S4、将发电机电磁转矩参考值
Figure GDA0002262333700000026
和发电机实际电磁转矩Te作差后输入控制器，控制器的输出值送入发电机和变流器及其控制系统，由其完成对发电机电磁转矩的控制。
步骤S1中对调整系数α的设置方法为：
S11、确定应用该方法的风力机的转动惯量的取值范围[Jmin，Jmax]，其中Jmin为多机型风力机的最小转动惯量，Jmax为最大转动惯量；
S12、设定电磁转矩增益系数Kd的取值范围，即Kdmin≤Kd≤Kdmax；
S13、根据Kd＝1-α×J，结合J的取值范围[Jmin，Jmax]，可得α的取值范围为
步骤S12中的电磁转矩增益系数Kd的下限值范围为[0.75，0.85]、上限值范围为[0.9，1.0]。
步骤S4中的控制器为PI控制器。
本发明相比现有技术有如下优点：
1)本发明是基于减小电磁转矩增益控制的改进方法，能够通过设置电磁转矩增益系数很好的提升风力机的跟踪性能；由于转动惯量是制约风力机跟踪性能的关键因素，该改进控制方法根据风力机的转动惯量动态设定电磁转矩增益系数，能够改善多机型风力机的风能捕获效率，具有良好的适应性。
2)本发明的控制方法通过设置电磁转矩增益系数的取值范围，将电磁转矩增益系数限定在最佳电磁转矩增益系数附近，从而使风力机获得更高的风能捕获效率。
3)本发明的控制方法仅依赖风力机转动惯量这一风力机参数，无需复杂的迭代计算，简便易行。
附图说明
附图1为一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法原理图；
附图2为J＝5.602×105kgm2时改进算法与DTG控制的风能利用系数的对比；
附图3为J＝1.1204×106kgm2时改进算法与DTG控制的风能利用系数的对比；
附图4为J＝2.2408×106kgm2时改进算法与DTG控制的风能利用系数的对比。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
本发明的实施例首先根据风力机参数确定电磁转矩增益系数Kd的调整系数α。然后通过仿真算例验证本发明的优越性。
一、实施例的仿真模型
(1)简化风力机模型的参数
在matlab/simulink中建立风力机仿真模型。三种风力机的转动惯量如表1所示。
表1三种风力机的转动惯量
Figure GDA0002262333700000032
仿真采用的其他主要参数如表2所示。
表2仿真采用的主要参数
Figure GDA0002262333700000041
(2)风速模型
本文利用matlab建立中长期风速模型，其中表征长期风速特征的平均风速根据Van der Hoven谱随机产生，短期湍流风速则采用卡尔曼滤波随机产生具有von Karman功率谱的短期风速时间序列。本文设置风速湍流等级为IEC-614000-1标准规定的A级，并随机产生50组风速时间序列，供仿真分析使用。
二、本发明方法的实现
(1)具体的实现方法
一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，该控制方法应用减小电磁转矩增益控制方法来实现最大功率点跟踪控制，该方法所用的公式为：
Figure GDA0002262333700000043
Figure GDA0002262333700000044
式(1)和式(2)为风力机数学模型，式(3)和式(4)为最大功率点跟踪控制策略；式中：J为转动惯量，Tm(v,ω)为风力机的机械转矩，Te(ω)为发电机电磁转矩，v为风速，ω为风力机转速，
Figure GDA0002262333700000046
为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，Cp(λ)为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数，Topt(ω)为风力机最优转矩，λopt为最佳叶尖速比，
Figure GDA0002262333700000047
为最大风能利用系数；
根据风力机参数中的转动惯量来设置电磁转矩增益系数，其所用公式为：
Kd＝1-α×J (5)
式(5)为最大功率点跟踪控制策略，式(5)中α为Kd的调整系数，该调整系数α的取值范围由转动惯量J的上限值、下限值和电磁转矩增益系数Kd的上限值、下限值确定，按式(3)、式(4)和式(5)调整发电机电磁转矩，即可实现最大功率点跟踪。
结合附图1，应用该方法实现最大功率点跟踪的具体步骤如下：
S1、输入风力机参数：风力机半径、转动惯量、最大风能利用系数、最佳叶尖速比，输入风电场环境参数：风电场空气密度；设定电磁转矩增益系数Kd的调整系数α；
S2、测量风力机转速ω，并根据式(3)、式(4)和式(5)确定的最大功率点跟踪控制策略计算发电机电磁转矩参考值
S3、测量发电机实际功率Pe，并根据公式Te＝Pe×ω计算发电机实际电磁转矩；
S4、将发电机电磁转矩参考值
Figure GDA0002262333700000054
和发电机实际电磁转矩Te作差后输入PI控制器，PI控制器的输出值送入发电机和变流器及其控制系统，由其完成对发电机电磁转矩的控制。
上述步骤S1中对调整系数α的设置方法为：
S11、确定应用该方法的风力机的转动惯量的取值范围[Jmin，Jmax]，其中Jmin为多机型风力机的最小转动惯量，Jmax为最大转动惯量；本实施例中Jmin＝5.602×105kgm2，Jmax＝2.2408×106kgm2；
S12、设定电磁转矩增益系数Kd的取值范围，即Kdmin≤Kd≤Kdmax；本实施例中Kdmin＝0.8，Kdmax＝1.0；
S13、根据Kd＝1-α×J，结合J的取值范围[Jmin，Jmax]，可得α的取值范围为
Figure GDA0002262333700000051
对于本实施例，α的取值范围为0≤α≤8.9254×10-8，据此取α＝5.355×10-8。
三、实施例的结果分析
采用50组模拟风速序列对本发明提出方法的优越性进行分析。具体地，将本发明提出的一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法与DTG控制进行比较，以验证本发明提供的控制方法的优越性。
针对50组时长为10h的随机风速序列，分别应用DTG控制和本发明提出的方法，可获得每次迭代对应的平均风能利用率ηfavg，其表达式如式(9)所示；那么，整个风速序列的ηfavg的平均值记为
Figure GDA0002262333700000052
如式(10)所示。
Figure GDA0002262333700000061
式(9)中，Pcap为实际功率，Pwy为最优功率，ψ为偏航误差角，本文设为0度，nc为一个迭代周期内的采样次数。
Figure GDA0002262333700000062
式(10)中，nd为风速序列持续时长内的迭代总次数。进一步地，将50组仿真算例获得的
Figure GDA0002262333700000063
的平均值记为
Figure GDA0002262333700000064
结合附图2、附图3和附图4，三种风力机应用DTG控制和本发明的方法的风能利用系数Cp的对比情况如附图2、附图3和附图4所示。附图2、附图3和附图4选取了某一条10h风速序列中600-700s的仿真结果。由附图2、附图3和附图4可知，本发明提出的方法具有比DTG控制更高的风能利用系数。
每种方法采用的电磁转矩增益系数Kd以及50组仿真算例对应的风能捕获效率
Figure GDA0002262333700000065
如表3所示。由表3可知，DTG控制采用固定的电磁转矩增益系数(固定为0.8)，而本发明根据风力机转动惯量动态调整电磁转矩增益系数，从而使得本发明提出的方法在风能捕获效率方面优于DTG控制。
表3DTG控制和本发明的控制方法设定的电磁转矩增益系数Kd和获得的风能捕获效率
Figure GDA0002262333700000066
本发明的控制方法是基于减小电磁转矩增益控制的改进方法，能够通过设置电磁转矩增益系数很好的提升风力机的跟踪性能；由于转动惯量是制约风力机跟踪性能的关键因素，该改进控制方法根据风力机的转动惯量动态设定电磁转矩增益系数，能够改善多机型风力机的风能捕获效率，具有良好的适应性；通过设置电磁转矩增益系数的取值范围，将电磁转矩增益系数限定在最佳电磁转矩增益系数附近，从而使风力机获得更高的风能捕获效率；该控制方法仅依赖风力机转动惯量这一风力机参数，无需复杂的迭代计算，简便易行。
上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：应用减小电磁转矩增益控制方法来实现最大功率点跟踪控制，该方法所用的公式为：
Figure FDA0002262333690000011
Figure FDA0002262333690000012
Figure FDA0002262333690000013
Figure FDA0002262333690000014
式(1)和式(2)为风力机数学模型，式(3)和式(4)为最大功率点跟踪控制策略；式中：J为转动惯量，Tm(v,ω)为风力机的机械转矩，Te(ω)为发电机电磁转矩，v为风速，ω为风力机转速，
Figure FDA0002262333690000015
为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，Cp(λ)为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数，Topt(ω)为风力机最优转矩，λopt为最佳叶尖速比，
Figure FDA0002262333690000016
为最大风能利用系数；
根据风力机参数中的转动惯量来设置电磁转矩增益系数，其所用公式为：
Kd＝1-α×J (5)
式(5)为最大功率点跟踪控制策略，式(5)中α为Kd的调整系数，该调整系数α的取值范围由转动惯量J的上限值、下限值和电磁转矩增益系数Kd的上限值、下限值确定，按式(3)、式(4)和式(5)调整发电机电磁转矩，即可实现最大功率点跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：应用该方法实现最大功率点跟踪的具体步骤如下：
S1、输入风力机参数：风力机半径、转动惯量、最大风能利用系数、最佳叶尖速比，输入风电场环境参数：风电场空气密度；设定电磁转矩增益系数Kd的调整系数α；
S2、测量风力机转速ω，并根据式(3)、式(4)和式(5)确定的最大功率点跟踪控制策略计算发电机电磁转矩参考值
Figure FDA0002262333690000017
S3、测量发电机实际功率Pe，并根据公式Te＝Pe×ω计算发电机实际电磁转矩；
S4、将发电机电磁转矩参考值
Figure FDA0002262333690000018
和发电机实际电磁转矩Te作差后输入控制器，控制器的输出值送入发电机和变流器及其控制系统，由其完成对发电机电磁转矩的控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤S1中对调整系数α的设置方法为：
S11、确定应用该方法的风力机的转动惯量的取值范围[Jmin，Jmax]，其中Jmin为多机型风力机的最小转动惯量，Jmax为最大转动惯量；
S12、设定电磁转矩增益系数Kd的取值范围，即Kdmin≤Kd≤Kdmax；
S13、根据Kd＝1-α×J，结合J的取值范围[Jmin，Jmax]，可得α的取值范围为
Figure FDA0002262333690000021
4.根据权利要求3所述的一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤S12中的电磁转矩增益系数Kd的下限值范围为[0.75，0.85]、上限值范围为[0.9，1.0]。
5.根据权利要求2所述的一种提升多机型风力机性能的最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：步骤S4中的控制器为PI控制器。
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