CN111336062B - 一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法 - Google Patents

一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，技术方案是，将测量风速引入转速控制过程结合测量风速的平均值快速定位至最优转速区间，通过转速主动控制使风机快速过渡到最大功率点附近，缩短了转速寻优迭代时长，同时控制器会将寻找到的最优运行点的记录下来作为下次转速判断的依据，进一步提高了实际最佳叶尖速比的精度；由于风机在运行过程中的最优转速受风速变化影响，但转速相对于风速变化具有明显的滞后性，因此，通过测量风速的低频风量，将风速的变化速率作为前馈补偿分量引入最优转速控制，能够做到超前控制，有效缩短风机对于风速变化的响应时长，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力。

Description

一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制领域，特别是一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，用于实现风电机组低风速段的最大风能捕获。
背景技术
目前，主流的风力发电机为变速变桨型发电机组，其控制目标主要为低风速段最大风能捕获和高风速段恒功率运行。对于风电机组最大风能捕获控制，主要依靠使风力发电机运行在最佳叶尖速比状态，以获取最大风能利用率。也就是说，在任一风速下，仅存在一个最优转速值，使机组输出功率达到最大。
对于风电机组的转速控制，主要包括爬山法和功率反馈法。爬山法通过监测发电机的功率和转速，实时计算dP/dω，迭代获得功率峰值点，其优点在于控制过程不依赖机组及环境参数，但由于计算过程缓慢，在变风速环境下控制性能不佳。
功率反馈法是以风电机组的最佳功率曲线为参考，将实际功率与最优值比较，反馈调节风机转速来跟踪最大功率的方法。其缺点在于对于最优转速的跟踪性能较差，同时控制参数kopt仅对特定机型和环境条件有效，适应性较差。因此，提出一种响应速度快、动态性能好的最大风能捕获方法十分有必要。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，从而实现在风速波动情况下快速追踪的最大功率的控制目标。
本发明解决的技术方案是：
一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，该方法将测量风速引入转速控制过程结合测量风速的平均值快速定位至最优转速区间，通过转速主动控制使风机快速过渡到最大功率点附近，缩短了转速寻优迭代时长，同时控制器会将寻找到的最优运行点的记录下来作为下次转速判断的依据，进一步提高了实际最佳叶尖速比的精度；由于风机在运行过程中的最优转速受风速变化影响，但转速相对于风速变化具有明显的滞后性，因此，通过测量风速的低频风量，将风速的变化速率作为前馈补偿分量引入最优转速控制，能够做到超前控制，有效缩短风机对于风速变化的响应时长，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力，具体包括以下步骤：
A、通过风机控制器监测最近n个采样周期，并获取采样时间内的功率、转速和风速，同时将风速信号进行滤波后得到风速低频风量，根据转速和风速低频风量计算当前叶尖速比λ：
Figure BDA0002400750820000021
式中：R为叶片长度，ω为当前转速，Vave为最近n个采样周期内的风速低频风量平均值；
通过风机最近一次运行在最大功率点时对应的转速和风速低频风量平均值计算最优叶尖速比λopt：
Figure BDA0002400750820000022
式中：R为叶片长度，ωopt为风机上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为风机上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值，具体为最大功率点所在时刻倒推n个采样周期内的风速低频分量平均值；
将当前叶尖速比λ与最优叶尖速λopt进行比较，若误差值小于叶尖速比给定误差ελ，则认为风机当前时刻k的转速ω(k)置于最优转速区间，否则，根据下式调节风机的当前时刻的转速ω(k)，使其快速定位至最优运行点转速区间内：
Figure BDA0002400750820000023
式中：ω(k)为当前时刻k风机的转速，Vave(k)为当前时刻k的风速低频风量平均值，ωopt为上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值；
B、计算最近2n个采样周期内，后n个周期与前n个周期内输出功率平均值的差额ΔP(k)，并根据ΔP(k)的符号确定搜索步长的方向：
Figure BDA0002400750820000024
式中，Pi(k)为k时刻前第i个周期内的功率值，Pi(k-1)为k-1时刻前第i个周期的功率值，Δω(k)为第k时刻相对于前一时刻的转速增量，Δω为转速变化步长；
同时为了提高计算速度，采用自适应变步长的方法调节搜索步长，转速变化步长Δω大小与当前功率梯度大小相关：
Figure BDA0002400750820000031
式中，ΔP(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的功率增量；Δω(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的转速增量，Kω为转速增量比例系数；
C、为了补偿风速变化造成的最优转速值波动，将低频风速变化速率作为补偿值调节转速变化，进而得到迭代后转速受控值，得到k+1时刻的转速，即：
Figure BDA0002400750820000032
式中：ω(k+1)为k+1时刻风机的转速，ω(k)为当前时刻k风机的转速，Δω(k)为k时刻转速变化增量K，
Figure BDA0002400750820000033
为低频风速变化速率；Kv为风速变化速率比例系数；
从风机控制器采集k+1时刻和k时刻的功率值，计算迭代后的功率增量：
ΔP(k+1)＝P(k+1)-P(k) (8)
式中：P(k)为k时刻的功率值，P(k+1)为k+1时刻的功率值，ΔP(k+1)为k+1时刻的功率增量；若功率增量ΔP(k+1)小于给功率增量给定误差值εP，则将k+1时刻的转速ω(k+1)和平均风速Vave(k+1)记录为最优叶尖速比的估计值并存入控制系统，再次转入迭代，否则将直接返回迭代：
Figure BDA0002400750820000034
式中：ωopt为更新后风机最大功率点对应的转速值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；Vopt为更新后风机最大功率点对应的风速低频分量平均值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；
通过上述寻优过程，从而快速实现变风速情况下的最大风能捕捉；
优选的，所述采样周期的数量n≥100；所述叶尖速比给定误差ελ的取值为0.2-0.5；所述转速变化增量比例系数Kω的取值为0.25～4；所述风速变化速率比例系数Kv的取值为0.1～0.8；所述功率增量给定误差值εP＝P(k-1)×2％。
本发明通过监测最近若干个采样周期，将风机在一定周期内的功率均值和当前转速值作为控制参考量，将转速增量作为被控量，同时将风速信号进行滤波后，将其低频分量变化率引入转速前馈控制过程，其创新点在于将测量风速引入转速控制过程，结合测量风速的平均值能够快速定位至最优转速区间，通过转速主动控制使风机快速过渡到最大功率点附近，缩短了转速寻优迭代时长，同时控制器会将寻找到的最优运行点的记录下来作为下次转速判断的依据，进一步提高了实际最佳叶尖速比的精度。此外，风机在运行过程中的最优转速受风速变化影响，但转速相对于风速变化具有明显的滞后性，通过测量风速的低频风量，将风速的变化速率作为前馈补偿分量引入最优转速控制，能够做到超前控制，有效缩短风机对于风速变化的响应时长，不仅具有更好的最大风能捕获能力，同时也改善了传统方法对于风速的动态追踪性能，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力，从而实现在风速波动情况下快速追踪的最大功率的控制目标，快速实现变风速情况下的最大风能捕捉。
附图说明
图1为本发明的控制算法流程图。
图2为模拟风机模型仿真最大风能跟踪过程中，传统爬山法和本发明方法在发电功率对比图。
图3为模拟风机模型仿真最大风能跟踪过程中，传统爬山法和本发明方法在转速对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，包括以下步骤：
A、通过风机控制器监测最近n个采样周期，并获取采样时间内的功率、转速和风速，同时将风速信号进行滤波后得到风速低频风量，根据转速和风速低频风量计算当前叶尖速比λ：
Figure BDA0002400750820000041
式中：R为叶片长度，ω为当前转速，Vave为最近n个采样周期内的风速低频分量平均值；
通过风机最近一次运行在最大功率点时对应的转速和风速低频分量平均值计算最优叶尖速比λopt：
Figure BDA0002400750820000042
式中：R为叶片长度，ωopt为风机上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为风机上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值，具体为最大功率点所在时刻倒推n个采样周期内的风速低频分量平均值；
将当前叶尖速比λ与最优叶尖速λopt进行比较，若误差值小于叶尖速比给定误差ελ，则认为风机当前时刻k的转速ω(k)置于最优转速区间，否则，根据下式调节风机的当前时刻的转速ω(k)，使其快速定位至最优运行点转速区间内：
Figure BDA0002400750820000051
式中：ω(k)为当前时刻k风机的转速，Vave(k)为当前时刻k的风速低频分量平均值(当前时刻往前倒推n个采样周期内的风速低频风量平均值)，ωopt为上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值；
B、计算最近2n个采样周期内，后n个周期与前n个周期内输出功率平均值的差额ΔP(k)，并根据ΔP(k)的符号确定搜索步长的方向：
Figure BDA0002400750820000052
式中，Pi(k)为k时刻前第i个周期内的功率值，Pi(k-1)为k-1时刻前第i个周期的功率值，Δω(k)为第k时刻相对于前一时刻的转速增量，Δω为转速变化步长；
同时为了提高计算速度，采用自适应变步长的方法调节搜索步长，转速变化步长Δω大小与当前功率梯度大小相关：
Figure BDA0002400750820000053
式中，ΔP(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的功率增量；Δω(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的转速增量，Kω为转速增量比例系数；
C、为了补偿风速变化造成的最优转速值波动，将低频风速变化速率作为补偿值调节转速变化，进而得到迭代后转速受控值，得到k+1时刻的转速，即：
Figure BDA0002400750820000061
式中：ω(k+1)为k+1时刻风机的转速，ω(k)为当前时刻k风机的转速，Δω(k)为k时刻转速变化增量K，v
Figure BDA0002400750820000062
为低频风速变化速率；Kv为风速变化速率比例系数；
从风机控制器采集k+1时刻和k时刻的功率值，计算迭代后的功率增量：
ΔP(k+1)＝P(k+1)-P(k) (8)
式中：P(k)为k时刻的功率值，P(k+1)为k+1时刻的功率值，ΔP(k+1)为k+1时刻的功率增量；若功率增量ΔP(k+1)小于给功率增量给定误差值εP，则将k+1时刻的转速ω(k+1)和平均风速Vave(k+1)记录为最优叶尖速比的估计值并存入控制系统，再次转入迭代，否则将直接返回迭代：
Figure BDA0002400750820000063
式中：ωopt为更新后风机最大功率点对应的转速值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；Vopt为更新后风机最大功率点对应的风速低频分量平均值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；
通过上述寻优过程，从而快速实现变风速情况下的最大风能捕捉；
所述采样周期的数量n取120；
所述叶尖速比给定误差ελ的取值为0.4；
所述转速变化增量比例系数Kω的取值为0.3；
所述风速变化速率比例系数Kv的取值为0.5；
所述功率增量给定误差值εP＝P(k-1)×2％。
将本方法应用于某2MW风力发电机组进行仿真计算，对比分析采用传统爬山法和本发明方法时风机在低风速段的风能捕获能力，所采用的风力发电机组的基本参数如下表：
项目 参数
额定功率 2000KW
轮毂高度 61.5m
叶片数量 3
叶片长度 38.75m
切入风速 3m/s
额定风速 12m/s
切出风速 25m/s
发电机类型 双馈异步电机
仿真时所采用的风速模型为3-11m/s的渐变递增风速，用以模拟风机模型的最大风能跟踪过程，迭代周期为0.05秒，仿真总时长为60秒。图2为分别采用本发明方法和传统爬山法时风机的发电功率对比，在低风速区域本方法的发电量明显高于传统爬山法。图3为两种方法在最大风能追踪过程的转速对比情况，可见本发明方法对转速的动态控制性能要好于传统爬山法，爬山法存在明显的滞后性。因此，本方法提出的最大风能捕获方法对于风力发电机组不仅具有更好的最大风能捕获能力，同时也改善了传统方法对于风速的动态追踪性能，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力，从而实现在风速波动情况下快速追踪的最大功率的控制目标，快速实现变风速情况下的最大风能捕捉。

Claims (6)

1.一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，该方法将测量风速引入转速控制过程结合测量风速的平均值快速定位至最优转速区间，通过转速主动控制使风机快速过渡到最大功率点附近，缩短了转速寻优迭代时长，同时控制器会将寻找到的最优运行点的记录下来作为下次转速判断的依据，进一步提高了实际最佳叶尖速比的精度；由于风机在运行过程中的最优转速受风速变化影响，但转速相对于风速变化具有明显的滞后性，因此，通过测量风速的低频风量，将风速的变化速率作为前馈补偿分量引入最优转速控制，能够做到超前控制，有效缩短风机对于风速变化的响应时长，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力，具体包括以下步骤：
A、通过风机控制器监测最近n个采样周期，并获取采样时间内的功率、转速和风速，同时将风速信号进行滤波后得到风速低频风量，根据转速和风速低频风量计算当前叶尖速比λ：
Figure FDA0003149785710000011
式中：R为叶片长度，ω为当前转速，Vave为最近n个采样周期内的风速低频风量平均值；
通过风机最近一次运行在最大功率点时对应的转速和风速低频风量平均值计算最优叶尖速比λopt：
Figure FDA0003149785710000012
式中：R为叶片长度，ωopt为风机上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为风机上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值，具体为最大功率点所在时刻倒推n个采样周期内的风速低频分量平均值；
将当前叶尖速比λ与最优叶尖速λopt进行比较，若误差值小于叶尖速比给定误差ελ，则认为风机当前时刻k的转速ω(k)置于最优转速区间，否则，根据下式调节风机的当前时刻的转速ω(k)，使其快速定位至最优运行点转速区间内：
Figure FDA0003149785710000013
式中：ω(k)为当前时刻k风机的转速，Vave(k)为当前时刻k的风速低频风量平均值，ωopt为上次运行在最大功率点时对应的转速，Vopt为上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值；
B、计算最近2n个采样周期内，后n个周期与前n个周期内输出功率平均值的差额ΔP(k)，并根据ΔP(k)的符号确定搜索步长的方向：
Figure FDA0003149785710000021
式中，Pi(k)为k时刻前第i个周期内的功率值，Pi(k-1)为k-1时刻前第i个周期的功率值，Δω(k)为第k时刻相对于前一时刻的转速增量，Δω为转速变化步长；
同时为了提高计算速度，采用自适应变步长的方法调节搜索步长，转速变化步长Δω大小与当前功率梯度大小相关：
Figure FDA0003149785710000022
式中，ΔP(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的功率增量；Δω(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的转速增量，Kω为转速增量比例系数；
C、为了补偿风速变化造成的最优转速值波动，将低频风速变化速率作为补偿值调节转速变化，进而得到迭代后转速受控值，得到k+1时刻的转速，即：
Figure FDA0003149785710000023
式中：ω(k+1)为k+1时刻风机的转速，ω(k)为当前时刻k风机的转速，Δω(k)为k时刻转速变化增量，
Figure FDA0003149785710000024
为低频风速变化速率；Kv为风速变化速率比例系数；
从风机控制器采集k+1时刻和k时刻的功率值，计算迭代后的功率增量：
ΔP(k+1)＝P(k+1)-P(k) (8)
式中：P(k)为k时刻的功率值，P(k+1)为k+1时刻的功率值，ΔP(k+1)为k+1时刻的功率增量；若功率增量ΔP(k+1)小于给功率增量给定误差值εP，则将k+1时刻的转速ω(k+1)和平均风速Vave(k+1)记录为最优叶尖速比的估计值并存入控制系统，再次转入迭代，否则将直接返回迭代：
Figure FDA0003149785710000031
式中：ωopt为更新后风机最大功率点对应的转速值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；Vopt为更新后风机最大功率点对应的风速低频分量平均值，作为下次迭代过程的参考；量代入式(3)；
通过上述步骤的寻优过程，从而快速实现变风速情况下的最大风能捕捉。
2.根据权利要求1所述的基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，所述采样周期的数量n≥100。
3.根据权利要求1所述的基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，所述叶尖速比给定误差ελ的取值为0.2-0.5。
4.根据权利要求1所述的基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，所述转速变化增量比例系数Kω的取值为0.25～4。
5.根据权利要求1所述的基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，所述风速变化速率比例系数Kv的取值为0.1～0.8。
6.根据权利要求1所述的基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，所述功率增量给定误差值εP＝P(k-1)×2％，其中，P(k-1)为k-1时刻的功率值。
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