CN110206686A - 一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，包括建立变速风力发电机组模型，将系统误差经过误差缩放函数转换成新的误差，得到性能指标可调节的自适应最大功率跟踪控制策略，设计电磁转矩控制器为通过设计的电磁转矩控制器对风力发电机组进行控制。本发明通过所设计的控制器不仅解决了风力发电机组系统存在参数不确定和扰动情况下的稳定控制问题，而且保证了MPPT运行的动态性能指标，实现了按需设计机组MPPT速度的目的，提高了变速风力发电系统的运行效率和整体性能。

Description

一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是涉及一种变速风力发电机组的最大功率跟踪控制技术。

背景技术

目前，随着世界经济的蓬勃发展，各国对能源的需求日益增加。然而，随着传统化石能源的日益枯竭，寻求可再生能源作为替代能源成为了各国首要任务。在众多的可再生能源中，风能因资源丰富，技术成熟等优点，得到了世界各地研究学者的重视和青睐。近年来，随着分布式发电及智能微电网的快速发展，风能作为其主要微电源之一，具备了更为广阔的发展空间和潜力。

在风力发电系统的控制系统中，最大功率点跟踪(Maximum PowerPointTracking,MPPT)控制起着重要的作用，它的运用可以增加风力发电机组的年发电量，从而提升风力发电系统对风能的转换和利用效率，进而达到减小风力发电系统成本的目的。然而，因风力发电系统具有高度非线性时变特性，系统中往往存在参数不确定以及干扰等问题，且风电机组的运行环境往往具有差异(如风速分布特性等)，研究出一套具有抗扰能力强、可在系统参数不确定条件下实现跟踪速度可控的优良MPPT控制策略是提升机组运行性能的关键，具有极为重要的研究意义。

风力发电系统是一个能量转换系统，它通过风轮从风中捕获风能并将其转换为机械能，风轮转动通过传动链向下传播，带动发电机旋转从而产生电能。因风速时刻变化，导致风力发电系统表现为一个变频系统，也即发电机输出电能的频率随着风速的不同而时刻变化。为了满足用户用电或电网的电能质量要求，一般需要在发电机输出侧与用户负载或电网接入电力电子变换装置。

为了对机组实施MPPT控制，仅能通过控制机组的转速实现。通过对现有文献调研和分析可知，目前MPPT控制策略大致可分为三类：1、最佳叶尖速比法；2、扰动观察法(爬山法)；3、功率反馈法。

虽然功率反馈法在工业中得到了广泛的应用，但通过文献调研可以发现：

①目前大部分功率反馈MPPT控制方法中的调节采用了线性控制器，如PID控制器。因风力发电系统通常表现出高度非线性时变特性，系统中参数往往存在不确定性，且运行时存在较大的扰动，仅采用线性控制器难以应对系统的这些特点。因此，在设计控制器时，往往需要留有较大稳定裕量，导致系统MPPT控制性能难以得到优化。

②为了在系统存在参数不确定和扰动下对系统实施优良的控制，已有学者将非线性控制策略引入风力发电的控制中，如Whei-Min Lin、V.Galdi等学者将模糊控制、自适应控制以及神经网络算法等施加到MPPT控制策略中，解决了模型和参数不确定时的机组控制问题。然而，通过分析可知，目前大部分的非线性控制器的控制目的仅为保证系统在不同运行状态下的稳定性，不涉及保证MPPT运行指标的研究，使得机组MPPT运行的动态性能难以保证，无法实现按照实际机组的动态性能需求设计MPPT控制策略。

因此，目前急需研究出一套适用于变速风力发电系统的非线性MPPT控制策略，不仅可保证系统在具有参数不确定和扰动下的稳定性，而且可保证MPPT运行的动态特性，实现按需设计机组MPPT速度的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，以解决系统存在参数不确定和扰动情况下的风力发电机组运行稳定性问题和最大功率跟踪控制问题。

本发明用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变速风力发电机组模型，模型如下：

式中，v是风速；λ为叶尖速比；ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径，C_p为风力机的功率系数，ω为机组转速，T_r为气动转矩，T_g为电磁转矩，J为机组转动惯量和，B为机组摩擦系数；

步骤2：考虑变速风力发电机组实际存在的各种扰动及噪声，在最大功率跟踪点处，将气动转矩写成如下形式：

T_r＝κ(C_pmax,λ_opt)ω²+d(t)

其中C_pmax为风力机的最大功率系数，λ_opt为最佳叶尖速比，根据实际情况，定义所述的变速风力发电机组满足以下条件：

①上式中的扰动是有界的，且存在表达式：|d(t)|≤D，D是一个未知常数；

②上式中的变化参数κ也是有界的，且满足： 是一个未知常数；

步骤3：令误差e＝ω-ω*，ω为机组实际转速，ω*为基准转速，P_max为机组的最大功率，引入的误差缩放函数β(t)，其表达式如下：

其中设计参数b_f，η满足：η>0，0<b_f<1；

步骤4：将系统误差经过误差缩放函数转换成新的误差，设计电磁转矩控制器为：

其中，T_g为机组电机的电磁转矩，k_g是设计参数，且k_g>0，e表示误差，α是虚拟参数，Φ是计算核心参数；表示如下：

式中，是α的估计值，其自适控制应律为：

其中γ和δ是由设计者根据系统设计的正常数；

步骤5：通过步骤4)设计的电磁转矩控制器对风力发电机组进行控制。

本发明的有益效果：

本发明用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，通过所设计的控制器不仅解决了风力发电机组系统存在参数不确定和扰动情况下的稳定控制问题，而且保证了MPPT运行的动态性能指标，实现了按需设计机组MPPT速度的目的，提高了变速风力发电系统的运行效率和整体性能。

附图说明

图1为典型的永磁直驱式风力发电机组结构示意图；

图2为传动链的单质量模块模型；

图3为鲁棒自适应控制实现框图；

图4为应用于变速风电系统的MPPT鲁棒自适应控制策略实现框图；

图5为保证性能指标下的阶跃风仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1：建立变速风力发电机组模型，本实施例中的变速风力发电机组为直驱式风力发电机组，建模步骤如下：

①空气动力学模型：根据空气动力学理论，将风力机从风中捕获的功率P_r表示为以下两式：

其中，式中v为风速；λ为叶尖速比；ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径，C_p为风力机的功率系数。而机组捕获的启动转矩则可表示为：

式中T_r为气动转矩，C_T为机组的转矩系数。C_p与风力机的转矩系数C_T之间的关系可表示为：

②传动链模型：传动链是连接发电机和风轮的轴系。对于本实施例中的直驱式风力发电机组，因链接刚度系数很大，可以忽略传动链的柔性，将风力发电系统等效为一单质量块，如图2所示。由此，得出系统的传动链方程表示为：

③电气子系统模型：因风力发电系统存在较大的转动惯量J，对机械子系统而言，电气子系统的时间常数远小于机械子系统，由此可近似的认为电机的电磁转矩可以很好地跟踪控制系统给出的转矩指令T_g*，即：

T_g＝k·T_g* (6)

其中k为比例系数。

如图1所示的典型永磁直驱式风力发电机组结构，机组中的AC/DC整流器采用了二极管整流连接Boost变换器的结构，再通过逆变器转换为交流电给负载供电。

本实施例中直驱式风力发电机组的具体参数如下表所示。

风力发电机的参数表

步骤2：考虑变速风力发电机组实际存在的各种扰动及噪声，在最大功率跟踪点处，将气动转矩写成如下形式：

T_r＝κ(C_pmax,λ_opt)ω²+d(t)

其中C_pmax为风力机的最大功率系数，λ_opt为最佳叶尖速比，根据实际情况，定义所述的变速风力发电机组满足以下条件：

①上式中的扰动是有界的，且存在表达式：|d(t)|≤D，D是一个未知常数；

②上式中的变化参数κ也是有界的，且满足： 是一个未知常数；

步骤3：令误差e＝ω-ω*，ω为机组实际转速，ω*为基准转速，P_max为机组的最大功率，引入的误差缩放函数β(t)，其表达式如下：

其中设计参数b_f，η满足：η>0，0<b_f<1；

步骤4：将系统误差经过误差缩放函数转换成新的误差，设计鲁棒自适应最大功率点跟踪的电磁转矩控制器为：

其中，T_g为机组电机的电磁转矩，k_g是设计参数，且k_g>0，e表示误差，α是虚拟参数，Φ是计算核心参数；表示如下：

式中，是α的估计值，其鲁棒自适应自适控制应律为：

其中γ和δ是由设计者根据系统设计的正常数；

步骤5：通过步骤4)设计的电磁转矩控制器对风力发电机组进行控制。

如图3所示，本实施例风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，其鲁棒自适应跟踪控制的基准为功率反环输出的最佳转速基准，控制器的输出为发电机的电磁转矩信号。

在低风速区，控制目标是实现最大功率跟踪，此时转速的基准是通过理想功率计算得来，计算如下：

将图3所示的鲁棒自适应控制结构作用于图1所示的变速风电系统，得到本实施例所提出的应用于变速风电系统的MPPT鲁棒自适应控制策略，如图4所示。从风电系统中采得电压及电流信号，从而可得到系统功率P_g，再经过式(12)所给出的函数转换为基准转速ω*。从风电系统采集到的实际转速ω与基准转速之差即为误差e，通过式(9)所设计的电磁转矩控制器作用于风电系统控制系统转速，该控制器能够保证转速跟踪理想转速，从而捕获到最大功率。

为了验证所设计的控制器的可行性和正确性，本实施例在Matlab/Simulink中搭建了一个10kw的风力发电仿真模型，在阶跃风状态下进行了仿真验证。下表列出了控制器仿真的参数选择。

仿真参数列表

为了验证控制器的可行性，将风力发电系统在阶跃风的条件下(4m/s→6m/s→8m/s→6m/s→4m/s)进行测试，相应的仿真结果在图5中展示。图5(a)分别给出了参数η从0.05～0.5～5变化时，风力发电机对应的功率系数，输出功率以及转速曲线。结合图5(b)的暂态过程放大图分析可知，风速突然增大时，其功率系数恢复到最佳值所用的时间最短，表示其误差收敛速度越快，即最大功率跟踪点的跟踪速度越快。仿真结果与理论分析结果吻合，从而验证了控制器的正确性和可行性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立变速风力发电机组模型，模型如下：

式中，v是风速；λ为叶尖速比；ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径，C_p为风力机的功率系数，ω为机组实际转速，T_r为气动转矩，T_g为电磁转矩，J为机组转动惯量和，B为机组摩擦系数；

步骤2：考虑变速风力发电机组实际存在的各种扰动及噪声，在最大功率跟踪点处，将气动转矩转矩写成如下形式：

T_r＝κ(C_pmax,λ_opt)ω²+d(t)

其中C_pmax为风力机的最大功率系数，λ_opt为最佳叶尖速比，根据实际情况，定义所述的变速风力发电机组满足以下条件：

①上式中的扰动是有界的，且存在表达式：|d(t)|≤D，D是一个未知常数；

②上式中的变化参数κ也是有界的，且满足： 是一个未知常数；

步骤3：令误差e＝ω-ω*，ω为机组实际转速，ω*为基准转速，P_max为机组的最大功率，引入的误差缩放函数β(t)，其表达式如下：

其中设计参数b_f，η满足：η>0，0<b_f<1；

步骤4：将系统误差经过误差缩放函数转换成新的误差，设计电磁转矩控制器为：

其中，T_g为机组电机的电磁转矩，k_g是设计参数，且k_g>0，e表示误差，α是虚拟参数，Φ是计算核心参数；表示如下：

式中，是α的估计值，其自适控制应律为：

其中γ和δ是由设计者根据系统设计的正常数；

步骤5：通过步骤4)设计的电磁转矩控制器对风力发电机组进行控制。