CN109882355B - 一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，包括：获取中低风速下的动态匹配参数，并将其存储至风力发电系统的控制器中；实时测量风速，得到实时风速；判断实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；并根据判断结果重新实时测量风速，或者从控制器中获取与实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并获取其动态匹配参数；根据动态匹配参数，实现风力机涡轮的蓄能增速状态；当风力机涡轮的转速增加到最大功率输出下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态；当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时，动态匹配结束。本发明中的上述方法能够提高中低风速下的风力发电效率。

Description

一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法及系统。
背景技术
充分开发中低风速下风能资源的风力发电是当前风力发电领域的一个研究热点，因为中低风速的风能资源分布地域更加广泛，分布时段更多，中低风速下风力发电的工作时段更长，而目前的风电技术在中低风速下工作时整个系统的效率较低，成为开发中低风速风能资源开发利用的一个重大限制。
针对中低风速工况下，当前的风电系统普遍采用MPPT最大跟踪功率点(MaximumPower Point Tracking,MPPT)技术以实现最大风能捕获。没有考虑风电系统发电机的能量转换效率在转子处于不同转速时的变化，导致在中低风速下系统整体的电能源转换效率较低。
因此，如何提高中低风速下的风力发电效率成为本领域需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法及系统，提高中低风速下的风力发电效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，所述方法包括：
获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
实时测量风速，得到实时风速；
判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；
若判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，延时固定时间间隔，重新实时测量风速；
若判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角，延时固定时间间隔，重新实时测量风速；
若判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；
从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
根据所述标称风速下的动态匹配参数，实现风力机涡轮的蓄能增速状态；
当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态；
当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时，当前动态匹配过程结束，重复所述实时测量风速进行下一次动态匹配。
可选的，所述预定的动态匹配风速区段参数具体包括风速在3m/s-8m/s下的区段。
可选的，所述改变风力机涡轮桨距角具体是当实时风速相对于预先设定风速值增加时，将所述桨距角增加至第二设定阈值，当实时风速相对于预先设定风速值减小时，将所述桨距角降低至第三设定阈值。
可选的，所述预先设定风速值为14m/s。
可选的，所述中低风速具体包括：3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s以及8m/s下的风速。
可选的，所述释能发电曲线具体表示如下：
P＝(an*ωn+an-1*ωn-1+…a1*ω+a0)+h，其中，an为常数，n≥1，ω为风力机涡轮转速，h为发电机输出功率的幅度值，P为发电机输出功率的大小。
本发明另外提供一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配系统，所述系统包括：
中低风速下的动态匹配参数获取模块，用于获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
风速测量模块，用于实时测量风速，得到实时风速；
判断模块，与所述风速测量模块连接，用于判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；所述风速测量模块还用于当所述判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，重新实时测量风速；
调整模块，与所述判断模块及所述风速测量模块连接，用于当所述判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角；以及当判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；所述风速测量模块还用于在所述调整模块改变风力机涡轮桨距角后重新实时测量风速；
标称风速下的动态匹配参数获取模块，与所述调整模块连接，用于在所述调整模块取风力机涡轮转速的变化量为零后，从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
蓄能增速状态确定模块，用于根据所述标称风速下的动态匹配参数，确定风力机涡轮的蓄能增速状态；
释能发电状态转化模块，与所述风速测量模块连接，用于当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态直至动态匹配结束；所述风速测量模块还用于在动态匹配结束后重新实时测量风速，当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时动态匹配结束。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述方法利用风力机涡轮的转动能蓄积和释放，将低转速下的风能提升到高转速下释放，从而大大提升了风力电的效率。从风力发电系统的匹配角度来说，是变“峰谷配合”(Peak-Valley match)改进为“峰峰配合”(Peak-Peak match)，从而实现了整体发电效率的提升。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法流程图；
图2为本发明实施例风力机涡轮蓄能增速曲线与释能发电曲线示意图；
图3为本发明实施例风速在4-8m/s情况下通过仿真获得在新MPPT下改进效果图；
图4为本发明实施例各风速下的改进数值针对渐变风情况下仿真获取改进效果图；
图5为本发明实施例提升中低风速下风力发电效率的动态匹配系统结构示意图。
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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法及系统，提高中低风速下的风力发电效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法流程图，图2为本发明实施例风力机涡轮蓄能增速曲线与释能发电曲线示意图，如图1-图2所示，本发明提供一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，所述方法包括：
步骤101：获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
其中，如图2所示，图2中ω0即最大输出功率下的风力机涡轮转速，图中Δω即为风力机涡轮转速的变化量，ω0+Δω即为当前转速，h为发电机输出功率的幅度值。
所述释能发电曲线具体表示如下：
P＝(an*ωn+an-1*ωn-1+…a1*ω+a0)+h，其中，an为常数，n≥1，ω为风力机涡轮转速，h为发电机输出功率的幅度值，P为发电机输出功率的大小。
图2中，直线AD由风力机涡轮特性的最大功率点确定，即直线AD与风力机涡轮特性曲线的交点为风力机涡轮特性的最大功率点，该线对应的风力机涡轮转速记做ω0，是基准线。
线段BC与线段DA的距离记做Δω，是一个变量，根据仿真实验选定其数值的大小。
曲线CD的高度h和曲线参数(例如，曲线可选择为用参数表示的二次曲线)，由研究确定，h的大小决定了释放能量的大小，曲线的形状决定了释放能量的变化方式。经研究，曲线从C点向D点下降，效果更好，表示在高转速C点附近处输出更大的功率，在低转速D点附近处输出较小的功率，既提高了效率，又避免了过冲现象(即工作点冲过D点到左侧，这没有益处)。
所述预定的动态匹配风速区段参数具体包括风速在3m/s-8m/s下的区段。当风速超过3m/s-8m/s取值范围时，则无法达到本发明中的最佳匹配效率。
所述中低风速具体包括：4m/s、5m/s、6m/s以及7m/s下的风速。
步骤102：实时测量风速，得到实时风速；
步骤103：判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；
步骤104：若判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，重新实时测量风速；
步骤105：若判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角，重新实时测量风速；
具体的，所述改变风力机涡轮桨距角具体是当实时风速相对于预先设定风速值增加时，将所述桨距角增加至第二设定阈值，当实时风速相对于预先设定风速值减小时，将所述桨距角降低至第三设定阈值。
其中，所述预先设定风速值为14m/s。
步骤106：若判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；
步骤107：从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
步骤108：根据所述标称风速下的动态匹配参数，实现风力机涡轮的蓄能增速状态；即图2中的直线AB段；
步骤109：当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态；即，图2中的CD段；
AB段与CD段两个区段形成首尾相连的循环，不断运行，从而实现了风力发电机在转速较高，同时效率较高的区段工作，实现了发电输出的提升，进而达到了提高整体发电效率的目的。
步骤110：当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时，动态匹配结束，重复所述实时测量风速进行下一次动态匹配。
图3为本发明实施例风速在4-8m/s情况下通过仿真获得在新MPPT下改进效果图，如图3所示，针对4～8m/s各个风速情况下，通过仿真获得在新MPPT下改进效果(Improvement effect under various wind speeds)，可见，新MPPT适合于8m/s以下的风速情况，可以获得程度不等的改进效果；风速越低，改进幅度越高。在4m/s风速下可以获得40％的改进效果。
图4为本发明实施例各风速下的改进数值针对渐变风情况下仿真获取改进效果图，见图4，仿真工况和参数选取的说明：第1组仿真，风速从4m/s在200秒时间内平稳升高到5m/s，新MPPT参数选取5m/s时的参数，改进幅度见图中相应位置的图示；第2组仿真，风速从4.5m/s在200秒时间内平稳升高到5.5m/s，新MPPT参数选取5m/s时的参数，改进幅度见图中相应位置的图示；以此类推。可见，在渐变风情况下的改进效果(Improve under Gradualwind)与各单个风速下的改进效果类似，从4m/s到7.5m/s之间的各组仿真结果都有改进，在4m/s风速附近改进效果最明显，在7.5m/s各个风速附近改进幅度较低，中间呈现渐变趋势。
如图5所示，图5为本发明实施例提升中低风速下风力发电效率的动态匹配系统结构示意图，其特征在于，所述系统包括：
中低风速下的动态匹配参数获取模块201，用于获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
风速测量模块202，用于实时测量风速，得到实时风速；
判断模块203，与所述风速测量模块连接，用于判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；所述风速测量模块还用于当所述判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，重新实时测量风速；
调整模块204，与所述判断模块及所述风速测量模块连接，用于当所述判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角；以及当判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；所述风速测量模块还用于在所述调整模块改变风力机涡轮桨距角后重新实时测量风速；
标称风速下的动态匹配参数获取模块205，与所述调整模块连接，用于在所述调整模块取风力机涡轮转速的变化量为零后，从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
蓄能增速状态确定模块206，用于根据所述标称风速下的动态匹配参数，确定风力机涡轮的蓄能增速状态；
释能发电状态转化模块207，与所述风速测量模块连接，用于当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态直至动态匹配结束；所述风速测量模块还用于在动态匹配结束后重新实时测量风速，当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时动态匹配结束。
另外，本发明中的上述方法不仅适用于双馈电机风力发电系统，还适用于PMSG风力发电系统。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于，所述方法包括：
获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
实时测量风速，得到实时风速；
判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；
若判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，延时固定时间间隔，重新实时测量风速；
若判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角，延时固定时间间隔，重新实时测量风速；
若判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；
从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
根据所述标称风速下的动态匹配参数，实现风力机涡轮的蓄能增速状态；
当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态；
当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时，当前动态匹配过程结束，重复所述实时测量风速进行下一次动态匹配。
2.根据权利要求1所述的提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于，所述预定的动态匹配风速区段参数具体包括风速在3m/s-8m/s下的区段。
3.根据权利要求1所述的提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于，所述改变风力机涡轮桨距角具体是当实时风速相对于预先设定风速值增加时，将所述桨距角增加至第二设定阈值，当实时风速相对于预先设定风速值减小时，将所述桨距角降低至第三设定阈值。
4.根据权利要求3所述的提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于，所述预先设定风速值为14m/s。
5.根据权利要求1所述的提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于，所述中低风速具体包括：3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s以及8m/s的风速。
6.根据权利要求1所述的提升中低风速下风力发电效率的动态匹配方法，其特征在于所述释能发电曲线具体表示如下：
P＝(an*ωn+an-1*ωn-1+…a1*ω+a0)+h，其中，an为常数，n≥1，ω为风力机涡轮转速，h为发电机输出功率的幅度值，P为发电机输出功率的大小。
7.一种提升中低风速下风力发电效率的动态匹配系统，其特征在于，所述系统包括：
中低风速下的动态匹配参数获取模块，用于获取中低风速下的动态匹配参数，并将所述中低风速下的动态匹配参数存储至风力发电系统的控制器中；所述中低风速下的动态匹配参数包括最大功率输出下的风力机涡轮转速、风力机涡轮转速的变化量、发电机输出功率的幅度值、释能发电曲线的曲线参数、预定的动态匹配风速区段参数；
风速测量模块，用于实时测量风速，得到实时风速；
判断模块，与所述风速测量模块连接，用于判断所述实时风速与预定的动态匹配风速的大小，得到判断结果；所述风速测量模块还用于当所述判断结果表示所述实时风速低于所述预定的动态匹配风速时，重新实时测量风速；
调整模块，与所述判断模块及所述风速测量模块连接，用于当所述判断结果表示所述实时风速高于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，按等功率输出工作，改变风力机涡轮桨距角；以及当判断结果表示所述实时风速高于所述预定的动态匹配风速，但仍处于最大跟踪功率点MPPT工作区段时，取风力机涡轮转速的变化量为零；所述风速测量模块还用于在所述调整模块改变风力机涡轮桨距角后重新实时测量风速；
标称风速下的动态匹配参数获取模块，与所述调整模块连接，用于在所述调整模块取风力机涡轮转速的变化量为零后，从所述控制器中获取与所述实时风速相差第一设定阈值的标称风速，并从所述控制器中读取所述标称风速下的动态匹配参数；
蓄能增速状态确定模块，用于根据所述标称风速下的动态匹配参数，确定风力机涡轮的蓄能增速状态；
释能发电状态转化模块，与所述风速测量模块连接，用于当风力机涡轮的转速增加到风力机涡轮上输出最大机械功率下的风力机涡轮转速与风力机涡轮转速的变化量之和后，转化到释能发电状态直至动态匹配结束；所述风速测量模块还用于在动态匹配结束后重新实时测量风速，当风力机涡轮的转速降低到最大功率输出下的风力机涡轮转速时动态匹配结束。
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