CN109268205A - 一种基于智能风力机的风电场优化控制方法 - Google Patents
一种基于智能风力机的风电场优化控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于风力发电技术领域,尤其涉及一种基于智能风力机的风电场优化控制方法,包括:确定风电场内风速、风向以及风电机组布局情况并计算风电场风速分布;基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化;分析计算得到不同尾缘襟翼翼型的升力系数和阻力系数随攻角变化的数据表;计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩;使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化,以减少叶片挥舞方向弯矩产生的周期性波动。本发明减少了风电机组之间的尾流影响,提高了风电场的整体功率,引入了智能风力机,通过尾缘襟翼装置降低了叶片的疲劳载荷,实现了提高功率和降低载荷的多目标控制。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域,尤其涉及一种基于智能风力机的风电场优化控制方法。
背景技术
近年来由于风能可再生、资源丰富、无污染的特性,世界各地风力发电的使用一直在迅速地增长。为了与不同类型的能源竞争,风能应该具有成本效益和经济效益。另一方面,化石能源资源正在减少,环境恶化促进了可再生能源的发展。因此,使风电场更有效率,增加风力发电的能源产量变得更加重要。
风力机从风能中提取能量产生电能,风力机下游的风能能量会降低。因此,风力机下游的风速会降低并为湍流,这种下游风是风力机的尾流。随着风进一步向下游流动,尾流将开始蔓延并逐渐回到自由流条件。如果尾流与下游风力机的扫掠区域相交,则下游风力机会受到尾流的两个主要影响,首先是风速减小,这反过来又减少了风电场产生的风能;然后是风的湍流增加,可能会增加风力机的疲劳载荷。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于智能风力机的风电场优化控制方法,包括:确定风电场内风速、风向以及风电机组布局情况并计算风电场风速分布;基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化;分析计算得到不同尾缘襟翼翼型的升力系数和阻力系数随攻角变化的数据表;计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩;使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化,以减少叶片挥舞方向弯矩产生的周期性波动。
所述计算风电场风速分布为:
式中,vj为输入到风电机组j的风速,m/s;v0为风电机组入流风速,m/s;vw,jk为上游风电机组k的尾流风速,m/s;K为风电场风电机组总台数;中间变量B(j,k)=Ashad,jk/Arot,j,Arot,j为风电机组j桨叶旋转平面面积,m2/s,Ashad,jk为风电机组k在风电机组j处的投影遮挡面积,m2/s。
所述基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化包括:设定目标函数为风电场整体输出功率,选择轴向诱导因子作为粒子群优化算法的优化参数。
所述风电场整体输出功率为:
式中,P为风电场整体输出功率,W;N为风电机组台数;pi为第i台风电机组输出功率,W;vi为第i台风电机组的来流风速,m/s;ai为第i台风电机组轴向诱导因子;ρ为空气密度,kg/m3;Ai为风电机组i桨叶旋转平面面积,m2/s。
所述基于诱导因子的粒子群算法的粒子速度更新公式为:
式中,Vi(t)为第i个粒子在第t次迭代过程中的粒子速度;C1和C2为基于诱导因子的粒子群算法的学习因子;gi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的最优位置;G(t-1)为基于诱导因子的粒子群算法在第t-1次迭代过程中的全局最优位置;Xi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的位置;Vmax表示粒子移动的最大速度;R1和R2表示区间[0,1]内的随机数;δv为速度的修正因子。
所述计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩包括:
M′flap=M′Ncosθp-M′Tsinθp (5)
式中,M′flap为优化后的叶片挥舞方向弯矩,kN·m;θp为桨距角,rad;M′N和M′T分别为基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片法向力矩和切向力矩,kN·m:
其中,r为叶素局部半径,m;c为弦长,m;Cn为法向力系数,Ct为切向力系数;vrel是相对风速,m/s;中间变量v0为入流风速,m/s,a′为优化后的轴向诱导因子,a′T为优化后的切向诱导因子,ω为叶轮转速,rad/s。
所述使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化包括:
初始化PID控制器参数Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k));
计算当前PID控制器的参数值:
Kp(γ(k))=kp/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (8)
Ki(γ(k))=ki/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (9)
Kd(γ(k))=kd/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (10)
式中,kp,ki,kd分别为PID控制器比例项、积分项和微分项在系统稳态时的值,Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k))为PID控制器在系统动态时的自适应值,Δγ(k-1)为上一时刻襟翼角的变化量,rad;ξγ为襟翼角的修正因子;F为常数,取值为7;
计算当前时刻襟翼角的变化量:
Δγ=Kp(γ(k))·M′flap(k-1)+Ki(γ(k))·M′flap(k-1)+Kd(γ(k))·M′flap(k-1)(11)
式中,Δγ为当前襟翼角的变化量,rad;Kp(γ(k))、Ki(γ(k))和Kd(γ(k))分别为PID控制器自适应参数;M′flap(k-1)为上一时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m;M′flap(k)为当前时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m。
本发明的有益效果是,相对于传统的风电场优化控制方法,本发明不仅通过优化算法减少了风电机组之间的尾流影响,提高了风电场的整体功率,而且在优化过程中引入了智能风力机,通过尾缘襟翼装置降低了叶片的疲劳载荷,实现了提高功率和降低载荷的多目标控制。通过上述控制方法的改进,提高了风电场的发电效率,降低了风电机组的运营成本。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场优化控制方法的控制结构图。
图2是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场功率优化控制流程图。
图3是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场功率优化控制效果图。
图4是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场优化控制方法的降载控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图,对实施例作详细说明。
图1是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场优化控制方法的控制结构图。如图1所示,一种基于智能风力机的风电场优化控制方法,其特征在于,所述风力机为带有尾缘襟翼的智能风力机;所述风电场优化控制方法利用基于诱导因子的粒子群优化(IF-PSO)算法对风电场功率进行优化,并采用尾缘襟翼装置降低叶片疲劳载荷。
图2是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场功率优化控制流程图。
本发明提供了一种基于智能风力机的风电场优化控制方法,包括:确定风电场内风速、风向以及风电机组布局情况并计算风电场风速分布;基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化;分析计算得到不同尾缘襟翼翼型的升力系数和阻力系数随攻角变化的数据表;计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩;使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化,以减少叶片挥舞方向弯矩产生的周期性波动。
所述计算风电场风速分布为:
式中,vj为输入到风电机组j的风速,m/s;v0为风电机组入流风速,m/s;vw,jk为上游风电机组k的尾流风速,m/s;K为风电场风电机组总台数;中间变量B(j,k)=Ashad,jk/Arot,j,Arot,j为风电机组j桨叶旋转平面面积,m2/s,Ashad,jk为风电机组k在风电机组j处的投影遮挡面积,m2/s。
所述基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化包括:设定目标函数为风电场整体输出功率,选择轴向诱导因子作为粒子群优化算法的优化参数。
所述风电场整体输出功率为:
式中,P为风电场整体输出功率,W;N为风电机组台数;pi为第i台风电机组输出功率,W;vi为第i台风电机组的来流风速,m/s;ai为第i台风电机组轴向诱导因子;ρ为空气密度,kg/m3;Ai为风电机组i桨叶旋转平面面积,m2/s。
所述基于诱导因子的粒子群算法的粒子速度更新公式为:
式中,Vi(t)为第i个粒子在第t次迭代过程中的粒子速度;C1和C2为基于诱导因子的粒子群算法的学习因子;gi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的最优位置;G(t-1)为基于诱导因子的粒子群算法在第t-1次迭代过程中的全局最优位置;Xi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的位置;Vmax表示粒子移动的最大速度;R1和R2表示区间[0,1]内的随机数;δv为速度的修正因子。
粒子群的每个粒子表示所有风电机组轴向诱导因子的一种组合,粒子群共有60个粒子。在初始化的过程中,C1和C2的取值为2;Vmax的取值为轴向诱导因子的1/3;δv的取值为0.5;Vi(t)的初始Vi(0)为0;gi(t-1),G(t-1),Xi(t-1)的初始值gi(0),G(0),Xi(0)均为0.33。由此可得第i台风电机组优化后轴向诱导因子a′i。
所述计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩包括:
M′flap=M′Ncosθp-M′Tsinθp (5)
式中,M′flap为优化后的叶片挥舞方向弯矩,kN·m;θp为桨距角,rad;M′N和M′T分别为基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片法向力矩和切向力矩,kN·m:
其中,r为叶素局部半径,m;c为弦长,m;Cn为法向力系数,Ct为切向力系数;vrel是相对风速,m/s;中间变量v0为入流风速,m/s,a′为优化后的轴向诱导因子,a′T为优化后的切向诱导因子,ω为叶轮转速,rad/s。
所述使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化包括:
初始化PID控制器参数Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k));
计算当前PID控制器的参数值:
Kp(γ(k))=kp/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (8)
Ki(γ(k))=ki/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (9)
Kd(γ(k))=kd/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (10)
式中,kp,ki,kd分别为PID控制器比例项、积分项和微分项在系统稳态时的值,Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k))为PID控制器在系统动态时的自适应值,Δγ(k-1)为上一时刻襟翼角的变化量,rad;ξγ为襟翼角的修正因子;F为常数,取值为7;
计算当前时刻襟翼角的变化量:
Δγ=Kp(γ(k))·M′flap(k-1)+Ki(γ(k))·M′flap(k-1)+Kd(γ(k))·M′flap(k-1)(11)
式中,Δγ为当前襟翼角的变化量,rad;Kp(γ(k))、Ki(γ(k))和Kd(γ(k))分别为PID控制器自适应参数;M′flap(k-1)为上一时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m;M′flap(k)为当前时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m。
图3是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场功率优化控制效果图。为了从本质上说明算法的正确性,本发明在国内某风电场进行了实验研究,如图3所示,利用IF-PSO算法对风电场功率进行优化后,风电场整体输出功率明显大于优化前的输出功率。
图4是本发明提供的一种基于智能风力机的风电场优化控制方法的降载控制效果图。如图4所示,在尾缘襟翼控制下,叶根挥舞弯矩的振荡明显减弱。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于智能风力机的风电场优化控制方法,其特征在于,包括:确定风电场内风速、风向以及风电机组布局情况并计算风电场风速分布;基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化;分析计算得到不同尾缘襟翼翼型的升力系数和阻力系数随攻角变化的数据表;计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩;使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化,以减少叶片挥舞方向弯矩产生的周期性波动。
2.根据权利要求1所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述计算风电场风速分布为:
式中,vj为输入到风电机组j的风速,m/s;v0为风电机组入流风速,m/s;vw,jk为上游风电机组k的尾流风速,m/s;K为风电场风电机组总台数;中间变量B(j,k)=Ashad,jk/Arot,j,Arot,j为风电机组j桨叶旋转平面面积,m2/s,Ashad,jk为风电机组k在风电机组j处的投影遮挡面积,m2/s。
3.根据权利要求1所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述基于诱导因子的粒子群优化算法对风电场功率进行优化包括:设定目标函数为风电场整体输出功率,选择轴向诱导因子作为粒子群优化算法的优化参数。
4.根据权利要求3所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述风电场整体输出功率为:
式中,P为风电场整体输出功率,W;N为风电机组台数;pi为第i台风电机组输出功率,W;vi为第i台风电机组的来流风速,m/s;ai为第i台风电机组轴向诱导因子;ρ为空气密度,kg/m3;Ai为风电机组i桨叶旋转平面面积,m2/s。
5.根据权利要求1或3所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述基于诱导因子的粒子群算法的粒子速度更新公式为:
式中,Vi(t)为第i个粒子在第t次迭代过程中的粒子速度;C1和C2为基于诱导因子的粒子群算法的学习因子;gi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的最优位置;G(t-1)为基于诱导因子的粒子群算法在第t-1次迭代过程中的全局最优位置;Xi(t-1)为第i个粒子在第t-1次迭代过程中的位置;Vmax表示粒子移动的最大速度;R1和R2表示区间[0,1]内的随机数;δv为速度的修正因子。
6.根据权利要求1所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述计算基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片挥舞方向弯矩包括:
M′flap=M′Ncosθp-M′Tsinθp (5)
式中,M′flap为优化后的叶片挥舞方向弯矩,kN·m;θp为桨距角,rad;M′N和M′T分别为基于诱导因子的粒子群优化算法优化后的叶片法向力矩和切向力矩,kN·m:
其中,r为叶素局部半径,m;c为弦长,m;Cn为法向力系数,Ct为切向力系数;vrel是相对风速,m/s;中间变量v0为入流风速,m/s,a′为优化后的轴向诱导因子,a′T为优化后的切向诱导因子,ω为叶轮转速,rad/s。
7.根据权利要求1所述风电场优化控制方法,其特征在于,所述使用自适应PID控制方法控制襟翼角的周期性变化包括:
初始化PID控制器参数Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k));
计算当前PID控制器的参数值:
Kp(γ(k))=kp/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (8)
Ki(γ(k))=ki/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (9)
Kd(γ(k))=kd/(F+Δγ(k-1)·ξγ) (10)
式中,kp,ki,kd分别为PID控制器比例项、积分项和微分项在系统稳态时的值,Kp(γ(k)),Ki(γ(k)),Kd(γ(k))为PID控制器在系统动态时的自适应值,Δγ(k-1)为上一时刻襟翼角的变化量,rad;ξγ为襟翼角的修正因子;F为常数,取值为7;
计算当前时刻襟翼角的变化量:
Δγ=Kp(γ(k))·M′flap(k-1)+Ki(γ(k))·M′flap(k-1)+Kd(γ(k))·M′flap(k-1)(11)
式中,Δγ为当前襟翼角的变化量,rad;Kp(γ(k))、Ki(γ(k))和Kd(γ(k))分别为PID控制器自适应参数;M′flap(k-1)为上一时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m;M′flap(k)为当前时刻叶片挥舞方向弯矩,kN·m。
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