CN109707565B - 一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，该方法根据最优转矩法与滑模控制方法的各自特点，在预知风速已知的前提下，设计了一种切换控制方法，在风速上升的过程中利用滑模控制等先进控制方法的快速性，在风速下降的过程中采用最优转矩法，利用其缓慢变化的特点，这种切换控制方法的优点在于，充分利用不同控制手段的特性，其次，在风速下降区间内充分利用了风力机由于惯性而具有的动能来提高在最大风能捕获阶段控制的目标功率；本发明的实施例将该切换控制方法与经典的最优转矩法，滑模控制进行对比仿真，验证了该切换控制方法的有效性。

Description

一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法
技术领域
本发明属于风力机控制领域，具体地说是一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法。
背景技术
在低于额定风速以下的最大风能捕获控制阶段，控制的主要目标是尽可能多的从风能中提取能量，大多数文章采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)控制策略，该控制策略是采取不同的控制手段使风力机的转子转速趋近于最优转子转速。经典的控制手段有最优转矩法，除此之外，先进控制手段也广泛研究并运用到风力机的最大风能捕获控制阶段，如滑模控制，预测控制等。
不同的控制手段有其自身特点，但如果仅仅是基于最大功率点跟踪策略所采用的控制策略，由于大型风力机自身的转动惯量较大，是无法每时每刻都使风力机处于最优转子转速运行状态，这就必然导致功率损耗，所提取的能量不是最好的。其次，基于最大功率点跟踪策略提出的控制方法，其参考最优功率仅仅与风速相关，即与风速的三次方成正比。这就导致一个严重的问题，一味地跟踪该参考最优功率值忽略了由于惯性而具有的动能。而大型风力机由于其转动惯量较大，由于惯性而具有的动能是不可忽略的一部分，如何利用这动能在大多数文章中未提及，这导致从风能中提取的能量必然有部分损失。
基于上述分析，目前需要急切得到解决的一个关键性问题是：如何利用风力机由于惯性而具有的动能来提高最大风能捕获控制阶段的目标——尽可能多的从风能中提取能量。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出了一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，该方法在风速下降区间内，采用最优转矩法，依靠系统本身的特性进行自身调节，利用风力机由于惯性而具有的动能，提高此区间内从风能中捕获的能量。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，包括以下步骤：
S1：预知风速信息；
S2：离线确定切换区间、切换点；
S3：在风速上升阶段，利用先进控制方法进行快速风力机控制，以进行最大功率点跟踪，在风速下降阶段，采用最优转矩法，使风力机保持缓慢变化的特点，利用了风力机由于惯性而具有的动能，提高风能捕获能力。
优选地，所述风速上升阶段的控制方法选择相对于传统的风力机控制方法具有快速性的先进控制方法，跟踪参考值的调节时间更短，风能捕获效果更好。
优选地，该控制方法基于预知风速已知的前提，所述风力机为单质量块模型，其传动链方程如下：
Figure GDA0002969532550000021
其中
Figure GDA0002969532550000022
Figure GDA0002969532550000023
其中，wr为风轮转速，Tr为风轮转矩，Tg为发电机转矩，即为控制输入量，Jr，Jg分别为转子侧转动惯量和发电机侧转动惯量，Cr，Cg分别为转子侧阻尼系数和发电机侧转动惯量，ng为齿轮箱变速比，Cp为风能利用系数，叶尖速比λ表达式为：
Figure GDA0002969532550000024
Figure GDA0002969532550000025
优选地，所述风速下降阶段的控制方法选择最优转矩法，依靠系统本身的特性进行转速调节，所述最优转矩法的控制输入设定为：
Figure GDA0002969532550000026
Figure GDA0002969532550000027
其中，wr为风轮转速，Tg为发电机转矩，即为控制输入量，Cp为风能利用系数，叶尖速比λ表达式为：
Figure GDA0002969532550000028
优选地，初始条件皆设定为风速上升阶段，即控制输入为先进控制方法的控制输入，所述切换区间的确定准则是：只判断较大区间的风速下降情况为风速下降阶段，除此以外归于风速上升阶段的情况。
优选地，对于风速下降阶段采取的最优转矩法，其考虑了由于惯性而具有的动能，因此相对于一般的最大功率点跟踪，风速下降阶段对应的参考最优功率将得到提升，其不仅仅与风速有关，还与已存在的由于惯性而具有的动能相关，具体的表达形式如下：
Figure GDA0002969532550000031
其中，Popt是一般最大功率点跟踪的参考最优功率值，Pkinetic是已存在的由于惯性而具有的动能。
优选地，本发明所声称的先进控制方法包括滑模控制，预测控制等最大功率点跟踪方法。
本发明比现有技术比，有如下优点：1)本发明设计了一种切换控制方法，控制方法简单易行；2)本发明充分结合了先进控制方法的快速性与传统最优转矩依靠系统本身的调节；3)在风速下降区间内，采用的最优转矩法，在该区间内充分利用了风力机由于惯性而具有的动能，提高了风能捕获能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法的流程图；
图2是湍流风速下几种控制手段捕获功率对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1，本发明的一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，具体如下：
在风速上升阶段，利用滑模控制等先进控制方法的快速性，在风速下降阶段，采用最优转矩法，利用其保持缓慢变化的特点，将由于惯性而具有的动能转化成最大功率点跟踪中的目标，该方法基于预知风速已知的前提。
所述“先进控制方法”为本领域技术人员理解的定义，即不同于常规PID控制，并具有更好的控制效果的控制策略的统称，习惯上，将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为高等控制策略或先进控制策略。
风力机为单质量块模型，其传动链方程如下：
Figure GDA0002969532550000041
其中
Figure GDA0002969532550000042
Figure GDA0002969532550000043
上式中R为风轮半径，ρ为空气密度，wr为风轮转速，Tr为风轮转矩，Tg为发电机转矩，即为控制输入量。Jr，Jg分别为转子侧转动惯量和发电机侧转动惯量，Cr，Cg分别为转子侧阻尼系数和发电机侧转动惯量。ng为齿轮箱变速比。Cp称为风能利用系数，它是桨距角与叶尖速比的函数，但是在本文研究的最大功率点跟踪控制中，桨距角设定为定值，即只与叶尖速比相关。叶尖速比λ表达式为：
Figure GDA0002969532550000044
控制器输入选择如下：
Figure GDA0002969532550000045
上升阶段的控制方法的选择，在于利用先进控制手段的快速性。当风速上升时，先进控制手段相对于传统的风力机控制方法具有快速性，跟踪参考值的调节时间更短，发电机输出功率更高。
风速下降阶段的控制方法选择传统最优转矩法，依靠系统本身的特性进行转速调节，最优转矩法的控制输入设定为：
Tg＝Koptwr 2
其中，
Figure GDA0002969532550000051
根据预知的风速信息，离线确定切换区间，切换点。首先，初始条件皆设定为风速上升阶段，即控制输入为先进控制。切换区间的确定的重要准则是，只判断典型的较大区间的风速下降情况，除该情况外归于风速上升的情况。
对于风速下降区间采取的最优转矩法，因其对于湍流风速，变化较慢，其次，在风速下降的阶段，一味地采用先进控制手段来进行最大功率点跟踪，对于已存在的由于惯性而具有的动能的忽略，会降低风能转化率。因此，相对于一般的最大功率点跟踪，风速下降区间对应的参考最优功率将得到提升，其不仅仅与风速有关，还与已存在的由于惯性而具有的动能相关。具体的表达形式如下：
Figure GDA0002969532550000052
其中，Popt是一般最大功率点跟踪的参考最优功率值，Pkinetic是已存在的由于惯性而具有的动能。
该方法相对于单一的先进控制手段，除了拥有先进控制方法快速性，在风速下降阶段，充分利用风力机惯性，使得该区间内的有效最优功率得到提升，利用由于风力机惯性具有的动能，使风能提取能力大大提升。而相对于单一的最优转矩法控制，在风速上升阶段，所具备的先进控制方法的特点，使得在该阶段内追踪最大功率点的效果最大，避免了最优转矩法仅仅依靠风力机自身特性调节缓慢的过程。
使用风力机专业仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Strustures andTurbulence)，风力机对象为NREL(美国国家可再生能源实验室)提供的5MW水平轴风力发电机。在Matlab-Simulink中对水平轴风力机的动力学模型进行了仿真，并与Simulink接口的快速仿真器进行了验证。具体参数如表1所示：
表1风力机具体参数表
Figure GDA0002969532550000053
Figure GDA0002969532550000061
为了保证仿真的可信度，与实际情况相匹配，我们采用的风速序列使用了NREL开发的TurbSim软件生成，基于Kaimal功率谱生成了120s的湍流风速序列。该湍流风速的平均风速为8m/s，湍流强度为15％。
上升阶段的控制方法的选择，在于利用先进手段的快速性。风速下降阶段的控制方法选择传统最优转矩法，依靠系统本身的特性进行转速调节。在此，切换控制所采取的先进控制器选择滑模控制方法，在该风速条件下，切换区间，即风速下降区间，离线设置为时间t＝50s-63s,91s-106s。
结合图2，我们可以看出，最优转矩法仅仅依靠自身特性进行调节，所捕获的能量是最小的。滑模控制这一先进控制手段在捕获风能上较之最优转矩法得到了很大的提高，所提出的切换方法，从图2中可以看出，在50s之前，采用相同的滑模控制器，其结果基本一致，在风速下降区间，即t＝50s-63s,91s-106s内，采用最优转矩法，利用大型风力机的惯性，其风能捕获能力大大提高了。
因此，本专利提出的改进方法能够进一步提高风力机最大风能捕获阶段的性能，并且充分考虑不同控制方法的特性，利用大型风力机较大的惯性，提高风力机风能捕获能力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预知风速信息；
S2：离线确定切换区间、切换点；
S3：在风速上升阶段，利用先进控制方法进行快速风力机控制，以进行最大功率点跟踪，在风速下降阶段，采用最优转矩法，使风力机保持缓慢变化的特点，利用了风力机由于惯性而具有的动能，提高风能捕获能力，其中，
所述风速下降阶段的控制方法选择最优转矩法，依靠系统本身的特性进行转速调节，所述最优转矩法的控制输入设定为：
Figure FDA0002969532540000011
Figure FDA0002969532540000012
其中λopt为最佳叶尖速比，
Figure FDA0002969532540000013
为最大风能利用系数，wr为风轮转速，Tg为发电机转矩，即为控制输入量，Cp为风能利用系数，叶尖速比λ表达式为：
Figure FDA0002969532540000014
所述风速上升阶段的控制方法选择相对于传统的风力机控制方法具有快速性的先进控制方法，跟踪参考值的调节时间更短，风能捕获效果更好，而对于风速下降阶段采取的最优转矩法，其考虑了由于惯性而具有的动能，因此相对于一般的最大功率点跟踪，风速下降阶段对应的参考最优功率将得到提升，其不仅仅与风速有关，还与已存在的由于惯性而具有的动能相关，具体的表达形式如下：
Figure FDA0002969532540000015
其中，Popt是一般最大功率点跟踪的参考最优功率值，Pkinetic是已存在的由于惯性而具有的动能。
2.根据权利要求1所述的一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，其特征在于，该控制方法基于风速已知的前提，所述风力机为单质量块模型，其传动链方程如下：
Figure FDA0002969532540000021
其中
Figure FDA0002969532540000022
Figure FDA0002969532540000023
其中，R为风轮半径，v为风速，ρ为空气密度，wr为风轮转速，Tr为风轮转矩，Tg为发电机转矩，即为控制输入量，Jr，Jg分别为转子侧转动惯量和发电机侧转动惯量，Cr，Cg分别为转子侧阻尼系数和发电机侧转动惯量，ng为齿轮箱变速比，Cp为风能利用系数，叶尖速比λ表达式为：
Figure FDA0002969532540000024
3.根据权利要求1所述的一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，其特征在于，初始条件皆设定为风速上升阶段，即控制输入为先进控制方法的控制输入，所述切换区间的确定准则是：只判断较大区间的风速下降情况为风速下降阶段，除此以外归于风速上升阶段的情况。
4.根据权利要求1到3任一项所述的一种利用大型风力机惯性的最大风能捕获控制方法，其特征在于，所述先进控制方法为滑模控制。
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