CN109356799A - 一种无风速传感器风电机组功率追踪方法 - Google Patents

Abstract

一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，该方法以最佳叶尖速比法为基础，通过给定风能利用系数C_p，结合功率与风速计算公式，预估出在给定风能利用系数和当前转速情况下的风速和叶尖速比，将当前得到的叶尖速比与最佳叶尖速比的误差作为输入，通过离散模糊控制器给出发电机输出电压的变化量，进而控制发电机转速达到给定风能利用系数情况下的最优转速ω_opt，实现最大功率的追踪。该方法实现了无风速传感器情况下的风能追踪，在一定程度上节约了成本，避免了风速测量不准确以及风速测量滞后对输出功率的影响。

Description

一种无风速传感器风电机组功率追踪方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，主要涉及一种风力发电机组风能追踪的方法。

背景技术

风力发电过程为：风力发电机组通过叶片吸收风能，将风能转换为机械能并通过主轴、齿轮箱(部分机组没有)传递给发电机，发电机将机械能转换为电能，通过变流器、箱式变电站将电能输送到电网。

最佳叶尖速比法作为风能追踪的主要方法之一，是在风速测量的基础上，在根据最佳叶尖速比得到对应的最佳转速，并通过控制器改变发电机转速实现最大风能追踪。由于风速的测量在实际中存在较多问题，风速计安装位置、塔架、湍流、温度等因素会对风速的测量结果产生影响，而且风速的测量还有一定的滞后性，这些都将影响风能追踪控制的性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的就是为了解决风能追踪过程中的风速测量问题。

技术方案：

一种无风速传感器风电机组风能追踪方法，其特征在于：该方法以最佳叶尖速比法为基础，通过给定风能利用系数C_p，结合功率与风速计算公式，预估出在给定风能利用系数和当前转速情况下的风速和叶尖速比，将当前得到的叶尖速比与最佳叶尖速比的误差作为输入，通过离散模糊控制器给出发电机输出电压的变化量，进而控制发电机转速达到给定风能利用系数情况下的最优转速ω_opt，实现最大功率的追踪。

该方法包括如下步骤：

(1)由给定风能利用系数C_p计算出最佳叶尖速比λ_opt，并将其作为叶尖速比的参考值；

(2)根据给定风能利用系数C_p，通过风电机组输出功率P与风速V的公式，计算当前功率输出下，对应给定风能利用系数C_p的风速的估计值V_est；

(3)由风速估计值V_est和发电机在当前输出功率下的实际转速ω_r计算预估叶尖速比λ_est；

(4)以计算得到的叶尖速比的估计值λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为离散模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu作为控制器的输出，控制发电机输出电压；

(5)通过发电机输出电压的变化量Δu调整发电机转速，控制发电机转速ω_r向最大功率输出下的额定转速ω_opt靠近，进而实现风电机组最大功率的追踪。

所述步骤(1)的具体步骤如下：

计算给定风能利用系数C_p下的最佳叶尖速比，计算公式如下：

式中，λ为叶尖速比，β为桨距角，单位为弧度(rad)，在额定风速以下阶段，一般认为桨距角β＝0。

在额定风速以下阶段，此时风力发电机组需要尽可能的追踪最大功率点，使风机沿着最大功率曲线运行，此时的桨距角β＝0，由此可根据公式(1)解出最佳叶尖速比λ_opt。

所述步骤(2)的具体步骤如下：

计算风速的估计值，计算公式如下：

S＝πR² (3)

式(2)中，P_m为机械功率，ρ为空气密度，V为当前风速，S为风轮扫略面积，计算公式见式(3)。式(3)中，R为风轮半径，C_p为风能利用系数。

给定风能利用系数C_p的情况下，根据风电机组的当前输出功率P_m解算出风速的预估值

所属步骤(3)的具体步骤如下：

计算叶尖速比估计值，公式如下：

λ＝ω_rR/V (4)

其中，R为风机的风轮半径，为固定值，V是估计风速，ω_r为风轮的转速。

将预估的叶尖速比与给定的最佳叶尖速的误差作为控制器的输入，通过模糊控制器输出控制量——发电机输出电压的变化量Au，通过电压的变化来调整风电机组的转速ω_r，再结合公式(4)计算出预估转速，通过这种反复的校正计算，实现功率的最大追踪；

通常，最佳叶尖速比是通过仿真计算得到，然后通过离散模糊控制器控制风电机组转速，使得预估的叶尖速比接近给定的最佳叶尖速比；即可实现无风速传感器下的最大风能追踪。

风电机组发电机输出的电磁转矩T_e与电压U、发电机转速ω_g的关系如下式(3)所示：

式(5)中，p为发电机的极对数，m为发电机的相数，U为发电机输出电压，单位为伏特(V)，C为发电机的修正系数，ω_g为发电机的转速，单位为rad/s，ω₁为发电机的同步转速，单位为rad/s，r₁、x₁为定子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)，r₂、x₂为转子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)；

以预估的叶尖速比λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu为控制器的输出，通过改变发电机的电压U来调节发电机的电磁转矩T_e，进而调节发电机转速ω_g。

发电机转速ω_g与风轮转速的关系如式(6)所示：

ω_g＝nω_r (6)

式(6)中，ω_g为发电机转速，n为齿轮箱增速比，对于特定风电机组，n为固定值，ω_r为风轮转速。

优点效果：

一种改进的最佳叶尖速比风能追踪方法。该方法以最佳叶尖速比法为基础，通过给定风能利用系数C_p，结合功率与风速计算公式，预估出在给定风能利用系数和当前转速情况下的风速和叶尖速比，将当前得到的叶尖速比与最佳叶尖速比的误差作为输入，通过离散模糊控制器给出发电机输出电压的变化量，进而控制发电机转速达到给定风能利用系数情况下的最优转速ω_opt，实现最大功率的追踪。该方法实现了无风速传感器情况下的风能追踪，在一定程度上节约了成本，避免了风速测量不准确以及风速测量滞后对输出功率的影响。

附图说明

图1为计算步骤图；

图2为本发明的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图与实例对本发明作进一步的说明

本发明的原理如下：一种无风速传感器的风电机组风能追踪包括以下步骤：

由风能利用系数计算出最佳叶尖速比λ_opt，并将其作为叶尖速比的参考值。

给定风能利用系数C_p，通过风电机组输出功率P_m(这里我们使用风电机组发电机输出的电功率P_e代替机组的机械功率P_m，即有P_m＝P_e)与风速V的公式，计算当前功率输出下，对应给定风能利用系数C_p的风速的估计值V_est。

由风速估计值V_est和发电机在当前输出功率下的实际转速ω_r计算预估叶尖速比λ_est。

以计算得到的叶尖速比的估计值λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为离散模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu作为控制器的输出，来控制发电机的输出电压。

通过发电机输出电压的变化量Δu调整发电机转速，控制发电机实际转速ω_r向最大功率输出下的额定转速靠近，进而实现风电机组最大功率的追踪。计算步骤流程如图1所示。

风力发电机组正常运行时吸收风能产生机械功率与风速的关系如下式(1)所示：

式中：P_m为机械功率；ρ为空气密度，气压为一个标准大气压，温度为15摄氏度时，空气的平均密度，通常取ρ＝1.225Kg/m³；S为风轮扫略面积，计算公式S＝πR²，其中，R为风轮半径；C_p为风能利用系数；V为风速。

式(1)中，空气密度ρ为固定值，不受机组控制影响，对于特定风电机组，风轮半径R是固定值，因此，风轮扫掠面积S也是固定的，由此，可解算出预估风速V_est，在给定风能利用系数C_p的情况下，叶尖速比λ也是定值。根据机组实际的转速ω_r和预估的风速V_est按照公式λ＝ω_rR/V(其中R为风轮半径)可以计算出预估的叶尖速比λ_est。将预估的叶尖速比与给定的最佳叶尖速λ_opt的误差作为控制器的输入，通过模糊控制器输出控制量——发电机输出电压的变化量Δu，通过电压的变化来调整风电机组的转速ω_r，再结合叶尖速比计算公式λ＝ω_rR/V，计算出对应的预估转速，通过这种反复的校正对比计算，实现功率的最大追踪。

通常，最佳叶尖速比是通过仿真计算得到，然后通过离散模糊控制器控制风电机组转速，使得预估的叶尖速比λ_est接近给定的最佳叶尖速比λ_opt，以实现无风速传感器下的最大风能追踪。

机组运行过程中，式(1)中ρ，S为固定值，不受机组控制的影响。输出功率P_m使用发电机输出的电功率代替，即

P_m＝P_e (2)

因此，在风能利用系数C_p已知的情况下，结合(1)、(2)式，可解出风速

在给定风能利用系数C_p的情况下，风电机组叶尖速比λ可以通过求解下式(3)得到：

式(3)中，λ为叶尖速比，β为桨距角，在额定风速以下阶段，一般认为，桨距角β＝0。

通常情况下，控制发电机组的叶尖速比使其无限接近最佳叶尖速比即可实现最佳风能捕捉。

风电机组叶尖速比和转速、风速的关系如下式(4)所示。

λ＝ω_rR/V (4)

其中，λ为叶尖速比，ω_r为风轮转速，V风速，R为风轮半径。

机组运行过程中的实际转速ω_r是可以测量得到的，风轮半径R是固定不变的。由预估的风速可以计算出在当前预估风速V_est下的预估叶尖速比λ_est。

风电机组发电机输出的电磁转矩与电压U、发电机转速ω_g的关系如下式(5)所示：

其中，p为发电机的极对数，m为发电机的相数，U为发电机电压，单位为伏特(V)，C为发电机的修正系数，ω_g为发电机的转速，单位为rad/s，ω₁为发电机的同步转速，单位为rad/s，r₁、x₁为定子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)，r₂、x₂为转子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)。

以预估的叶尖速比λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu为控制器的输出，通过改变发电机的电压U来调节发电机的电磁转矩T_e，进而调节发电机转速ω_g。

发电机转速ω_g与风轮转速的关系如式(6)所示：

ω_g＝nω_r (6)

其中，ω_g为发电机转速，n为齿轮箱增速比，对于特定风电机组，n为固定值，ω_r为风轮转速。

利用预估叶尖速比与最佳叶尖速比的误差，控制器不断通过上述过程调节风电机组的输出，从而使得叶尖速比无限接近最佳叶尖速比，进而实现对风能的最大追踪。

Claims (8)

1.一种无风速传感器风电机组风能追踪方法，其特征在于：该方法以最佳叶尖速比法为基础，通过给定风能利用系数C_p，结合功率与风速计算公式，预估出在给定风能利用系数和当前转速情况下的风速和叶尖速比，将当前得到的叶尖速比与最佳叶尖速比的误差作为输入，通过离散模糊控制器给出发电机输出电压的变化量，进而控制发电机转速达到给定风能利用系数情况下的最优转速ω_opt，实现最大功率的追踪。

2.根据权利要求1所述的一种无风速传感器风电机组风能追踪方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)由给定风能利用系数C_p计算出最佳叶尖速比λ_opt，并将其作为叶尖速比的参考值；

(2)根据给定风能利用系数C_p，通过风电机组输出功率P与风速V的公式，计算当前功率输出下，对应给定风能利用系数C_p的风速的估计值V_est；

(3)由风速估计值V_est和发电机在当前输出功率下的实际转速ω_r计算预估叶尖速比λ_est；

(4)以计算得到的叶尖速比的估计值λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为离散模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu作为控制器的输出，控制发电机输出电压；

(5)通过发电机输出电压的变化量Δu调整发电机转速，控制发电机转速ω_r向最大功率输出下的额定转速ω_opt靠近，进而实现风电机组最大功率的追踪。

3.根据权利要求2所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体步骤如下：

计算给定风能利用系数C_p下的最佳叶尖速比，计算公式如下：

式中，λ为叶尖速比，β为桨距角，单位为弧度(rad)，在额定风速以下阶段，一般认为桨距角β＝0。

在额定风速以下阶段，此时风力发电机组需要尽可能的追踪最大功率点，使风机沿着最大功率曲线运行，此时的桨距角β＝0，由此可根据公式(1)解出最佳叶尖速比λ_opt。

4.根据权利要求2所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体步骤如下：

计算风速的估计值，计算公式如下：

S＝πR² (3)

式(2)中，P_m为机械功率，ρ为空气密度，V为当前风速，S为风轮扫略面积，计算公式见式(3)。式(3)中，R为风轮半径，C_p为风能利用系数。

给定风能利用系数C_p的情况下，根据风电机组的当前输出功率P_m解算出风速的预估值

5.根据权利要求2所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：所属步骤(3)的具体步骤如下：

计算叶尖速比估计值，公式如下：

λ＝ω_rR/V (4)

其中，R为风机的风轮半径，为固定值，V是估计风速，ω_r为风轮的转速。

6.根据权利要求5所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：将预估的叶尖速比与给定的最佳叶尖速的误差作为控制器的输入，通过模糊控制器输出控制量——发电机输出电压的变化量Δu，通过电压的变化来调整风电机组的转速ω_r，再结合公式(4)计算出预估转速，通过这种反复的校正计算，实现功率的最大追踪；

通常，最佳叶尖速比是通过仿真计算得到，然后通过离散模糊控制器控制风电机组转速，使得预估的叶尖速比接近给定的最佳叶尖速比；即可实现无风速传感器下的最大风能追踪。

7.根据权利要求5所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：风电机组发电机输出的电磁转矩T_e与电压U、发电机转速ω_g的关系如下式(3)所示：

式(5)中，p为发电机的极对数，m为发电机的相数，U为发电机输出电压，单位为伏特(V)，C为发电机的修正系数，ω_g为发电机的转速，单位为rad/s，ω₁为发电机的同步转速，单位为rad/s，r₁、x₁为定子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)，r₂、x₂为转子绕组的电阻和漏抗，单位为欧姆(Ω)；

以预估的叶尖速比λ_est和最佳叶尖速比λ_opt的误差作为模糊控制器的输入，以发电机输出电压的变化量Δu为控制器的输出，通过改变发电机的电压U来调节发电机的电磁转矩T_e，进而调节发电机转速ω_g。

8.根据权利要求7所述的一种无风速传感器风电机组功率追踪方法，其特征在于：发电机转速ω_g与风轮转速的关系如式(6)所示：

ω_g＝nω_r (6)

式(6)中，ω_g为发电机转速，n为齿轮箱增速比，对于特定风电机组，n为固定值，ω_r为风轮转速。