CN109488525B - 基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，针对大转动惯量风机的慢动态特性使得风机在转速过低时无法及时加速而导致的风能损失问题，该方法在传统叶尖速比法的基础上，引入一个低通滤波器，对理论最优转速进行滤波，然后对风机的运行转速下限进行限制，同时将参考转速整体上移，从而得到新的转速跟踪目标。通过设置转速下限，使得当风速突增时，风机能够更快地追踪上当前风速。本发明虽然放弃了低风速下的转速跟踪，但是可以有效提高风机在高风速区域的动态性能，使得风机能够捕获更多的风能。

Description

基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法

技术领域

本发明属于风机控制领域，具体涉及一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法。

背景技术

变速恒频风力发电机组一般采用最大功率点跟踪，通过控制风机的运行转速，使得风电机组始终处于最大功率点，从而实现效率最大化，其实现方法主要为叶尖速比、最优转矩法、爬山法。

叶尖速比法实现起来较为简单，其通过估计算法计算得到风速信息，在此基础上计算最优转速，即当风机以此转速运行时，可实现最大的风能捕获。叶尖速比法的控制器通过判断实际转速与最优转速，调节风机的电磁转矩，实现对最优转速的跟踪。

然而，最优转速根据风速计算而来，具备较强波动性的特点，对于大转动惯量风机而言，因其固有的慢动态特性，使得风机转速很难跟踪上最优转速。另一方面，对于低风速风机，用以驱动风机加速的气动转矩较小，故发电机电磁转矩的下限对风机最大功率点跟踪控制的实现会产生更大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，通过对最优转速进行滤波，限制转速跟踪目标的下限，同时将转速跟踪目标整体上移，从而实现对转速跟踪目标的优化。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的相关参数，包括风速、风轮转速、风轮半径；

步骤2、根据所得风速，计算理论最优转速；

步骤3、选取滤波参数，对理论最优转速进行滤波，得到滤波后转速；

步骤4、计算用于最大功率点跟踪控制的起始转速；

步骤5、当滤波后转速ω_f大于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_f；否则，转步骤6；

步骤6、当滤波后转速ω_f小于或等于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_bgn；

步骤7、计算参考转速的上移量，将参考转速整体上移，得到转速跟踪目标。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出了一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，解决了风机在转速过低时无法及时加速而导致的风能损失问题；(2)本发明在保证风机跟踪效果的同时，有效提高了风能捕获效率。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明所提基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法流程图。

图2本发明有效性的仿真结果，其中图2(a)是传统叶尖速比法与优化方法的转速跟踪目标仿真结果图，图2(b)是最优转速、传统方法与优化方法的实际风轮转速仿真结果图。

具体实施方式

对于低风速大转动惯量风机，传统的以最优转速为跟踪目标的叶尖速比难以跟踪最大功率点。本发明中从两方面对叶尖速比法的转速跟踪目标进行优化：一方面，平滑理论最优转速，使风机更易跟踪；另一方面，借鉴收缩跟踪区间的思想，通过限制转速跟踪目标的下限，同时整体上移转速跟踪目标，以提高高风速区域的风能捕获。

如图1所示，一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的相关参数，包括风速v、风轮转速ω_r、风轮半径R；

步骤2、根据所得风速，计算理论最优转速ω_opt；

步骤3、选取滤波参数α_f，对理论最优转速进行滤波，得到滤波后转速ω_f；

步骤4、计算用于最大功率点跟踪控制的起始转速ω_bgn；

步骤5、当滤波后转速ω_f大于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_f；否则，转步骤6；

步骤6、当滤波后转速ω_f小于或等于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_bgn；

步骤7、计算参考转速的上移量ω_u，将参考转速整体上移，得到转速跟踪目标ω_ref。

进一步的，步骤2中的理论最优转速ω_opt具体计算方式如下：

其中：λ_opt是最优叶尖速比，对固定的风机来说是定值；v为风机轮毂高度处的实时风速；R为风轮半径。

进一步的，步骤3中对最优转速进行滤波的具体形式：

理论最优转速是根据风速计算而来，所以具有风速不确定性且波动大的特点，实际上，风轮很难跟踪上这种剧烈波动的跟踪目标，因此采用一阶低通滤波器对理论最优转速进行平滑滤波，得到滤波后转速ω_f：

ω_f(k)＝(1-α_f)ω_opt(k)+α_fω_f(k-1) (2)

其中：α_f为滤波参数，取值在0.98以上，本发明中取为0.99；k为离散时间周期，ω_opt(k)表示本周期的理论最优转速值，ω_f(k-1)为上一周期滤波后转速值。

进一步的，步骤4中计算用于最大功率点跟踪控制的起始转速ω_bgn的具体形式：

其中：v_bgn为开始进行最大功率点跟踪的起始风速，可由下式获得：

其中：

为一段时间内的平均风速，σ为该短时间内风速的标准差。

进一步的，步骤5中获取参考转速的具体形式：

当滤波后转速ω_f大于起始转速ω_bgn，即ω_f＞ω_bgn时，参考转速ω_lim取为：

ω_lim＝ω_f (5)

进一步的，步骤6中获取参考转速的具体形式：

当滤波后转速ω_f小于或等于起始转速ω_bgn，即ω_f≤ω_bgn时，参考转速ω_lim取为：

ω_lim＝ω_bgn (6)

进一步的，步骤7中转速跟踪目标的具体形式：

理论上，参考转速最优上移量同时与风速变化、风力机动态、C_P-λ曲线形态等多方面因素相关，难以直接计算最优上移量。在本发明，取一段时间最优转速标准差的30％作为参考转速的上移量ω_u：

其中：λ_opt是最优叶尖速比；R为风轮半径；σ为一段时间内最优转速的标准差；本发明取10分钟内最优转速标准差的30％作为参考转速的上移量以及最优转速的标准差。

转速跟踪目标取为步骤5、6中的参考转速加上上移量：

ω_ref＝ω_lim+ω_u (8)

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例

利用美国国家能源部可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory，NREL)提供的开源的专业风力机仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)来模拟控制效果。风力机模型采用NREL开发的600kW CART3试验机型，具体参数如表1所示。

表1 NREL 600kW CART3风力机主要参数

本发明中将基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法与传统叶尖速比法进行对比，传统叶尖速比法所用转速跟踪目标即为理论最优转速，本发明所提优化转速跟踪目标可由图1所示流程获取。

选用平均风速600m/s、A级湍流强度、积风尺度为150m的湍流风速，分别用两种方法进行仿真，仿真结果如图2所示：图2(a)为传统叶尖速比法与本发明所提优化方法的转速跟踪目标对比图，可以看出经过滤波之后，转速跟踪目标变得更为平滑，且转速跟踪目标被限制在1.5rad/s以上；图2(b)为两种方法的实时风轮转速对比，因转速跟踪目标不同，所以优化方法的实时转速更为平滑，波动较小；得益于提高转速跟踪目标的下限，在低转速风速突增的情况下，优化的转速跟踪目标使得风机更快地追踪上当前风速，大大提高了风机在渐强阵风下的动态性能。

该仿真算例下，传统叶尖速比法的风能捕获效率为42.85％，本发明中所提优化方法的风能捕获效率为43.63％。可见，本发明所提的一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法有效提高了高风速区域的风能捕获性能。

Claims (7)

1.一种基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取风机的相关参数，包括风速、风轮转速、风轮半径；

步骤2、根据所得风速，计算理论最优转速；

步骤3、选取滤波参数，对理论最优转速进行滤波，得到滤波后转速；

步骤4、计算用于最大功率点跟踪控制的起始转速；

步骤5、当滤波后转速ω_f大于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_f；否则，转步骤6；

步骤6、当滤波后转速ω_f小于或等于起始转速ω_bgn时，参考转速取为ω_bgn；

步骤7、计算参考转速的上移量，将参考转速整体上移，得到转速跟踪目标。

2.根据权利要求1所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤2中的理论最优转速ω_opt计算方法如下：

其中，λ_opt为最优叶尖速比，v为风机轮毂高度处的实时风速，R为风轮半径。

3.根据权利要求1所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤3中对最优转速进行滤波的具体方法为：

采用一阶低通滤波器对理论最优转速进行平滑滤波，得到滤波后转速ω_f：

ω_f(k)＝(1-α_f)ω_opt(k)+α_fω_f(k-1) (2)

其中，α_f为滤波参数，k为离散时间周期，ω_opt(k)表示本周期的理论最优转速值，ω_f(k-1)为上一周期滤波后转速值。

4.根据权利要求3所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，α_f取值在0.98以上。

5.根据权利要求1所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤4中计算用于最大功率点跟踪控制的起始转速ω_bgn的具体方法为：

其中，v_bgn为开始进行最大功率点跟踪的起始风速，由下式获得：

其中，

为一段时间内的平均风速，σ为该段时间内风速的标准差。

6.根据权利要求1所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤7中转速跟踪目标的计算方法为：

取一段时间内最优转速标准差的30％作为参考转速的上移量ω_u：

其中，λ_opt是最优叶尖速比，R为风轮半径，σ为一段时间内最优转速的标准差；

转速跟踪目标取为步骤5、6中的参考转速加上上移量，即：

ω_ref＝ω_lim+ω_u (8)

其中，ω_lim为参考转速。

7.根据权利要求6所述的基于提高转速下限的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤7中取10分钟最优转速标准差的30％作为参考转速的上移量ω_u。

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