CN112211781B - 综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，针对低风速下大转动惯量风机难以及时响应湍流风速的快速变化而导致其跟不上最优转速的问题，该方法将风机传统最优转矩曲线法的两种改进方法——收缩跟踪区间法与减小转矩增益法联合优化，进一步优化最优转矩法。减小跟踪路程的收缩跟踪区间控制与提高风轮转速加速性能的减小转矩增益控制，此两种方法因为改进机理的不同而互不影响，甚至共同起到促进作用；本发明中二者的联合使风机获得更高的风能捕获效率，进一步优化风机的动态性能。

Description

综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法

技术领域

本发明属于风机控制领域，具体涉及一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法。

背景技术

目前，变速恒频风力发电机组已经广泛应用到实际风机中。风能的捕获不仅与风机的机械特性有关，还与其所采用的控制方法有关。由风机的气动特性可知，风轮的气动功率与风速之间存在正相关性，恒风速情况下，风机气动功率与风轮转速之间存在一种单峰特性，即固定风速对应单一的最优转速，运行在该工况下的风机能够最大化的捕获风能。为此，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制被提出，通过调节风机转速跟踪上当前的风速变化，使其运行于最大功率点。在诸多MPPT控制策略中，最优转矩法(Optimal Torque,OT)因其原理简单、易于实现的特点而广泛应用。

最优转矩法通过采集发电机侧实时转速，据此给定电磁转矩的参考值，使风机保持在最优转速运行。此方法无需直接测量风速，也不需要知道风力机的准确参数，避免了测量过程中存在的困难和误差，因而实用价值较高。但传统的最优转矩法在控制上仍存在不足之处。实际风机的转动惯量很大，由此导致的风轮慢动态特性，将使得风轮转速难以跟踪上快速变化的风速，因而风机转速难以反映风速的实时变化特性。此外，最优转矩法一般是基于稳态系统设计，最优转矩的定义忽略了风轮在不同稳态工作点间跟踪的动态过程。而风速又具有很强的随机性，频繁波动中的风速在短时间内难以预测，因此最优转矩法控制下的风机大部分时间都处于一个动态的过程，并不是运行在最佳功率点。

目前，基于最优转矩法的改进主要针对两个角度，动态性能的提高和跟踪区间的缩短。一方面，提高动态性能的减小转矩增益(Decrease Torque Gain,DTG)控制，通过减小增益系数增大了风机加速时的不平衡转矩，增强了风机的加速性能。另一方面，缩短跟踪路程的收缩跟踪区间(Effective Tracking Range,ETR)控制，通过整定风机的起始转速，进一步提高风机的跟踪性能。但是，两种控制方法在改进效果上各自存在极限，因此在风机最大风能捕获效率的提升问题上仍存在可以改进的空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，考虑到单一的控制方法在改进效果上存在极限，本发明基于不同机理的控制方法可以相结合的思路，提出了减小转矩增益和收缩跟踪区间的联合优化方法，同时对最优转矩法的跟踪区间和加速性能做出改进，从而使风机能够在变化的湍流风况下获得更优的动态性能。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，包括以下步骤：

步骤1、给定初始起始转速ω_bgn和增益系数K_d；

步骤2、根据转速信号ω选择控制方式，当ω≥ω_bgn时，选择综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，即ETR-DTG控制；当ω＜ω_bgn时，保持起始转速不变；

步骤3、判断运行是否结束，若没有结束，跳至步骤2。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)由于收缩跟踪区间法与减小转矩增益法两者改进的机理不同，方法之间互不影响，本发明提出了一种基于两者联合优化的改进最优转矩法，共同作用进而改善了转速跟踪目标与风机慢动态特性不匹配的问题；2)本发明公开了综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法的步骤，使风机获得了比单一方法更高的风能捕获效率，进一步优化了风机的动态性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法的实现原理图。

图2为本发明的综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法的方法流程图。

图3(a)～图3(c)为本发明有效性的仿真结果图，其中图3(a)为本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下风机转速的对比图；图3(b)为本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下风机电磁功率的对比图；图3(c)为本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下平均风能捕获效率的对比图。

具体实施方式

本发明提出一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，包括以下步骤：

步骤1、给定初始起始转速ω_bgn和增益系数K_d；

步骤2、根据转速信号ω选择控制方式，当ω≥ω_bgn时，选择综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，即ETR-DTG控制，否则，保持起始转速不变；

步骤3、判断运行是否结束，若没有结束，跳至步骤2。

进一步的，步骤1中的起始转速ω_bgn初始化为维持风机稳定运行的最低转速，增益系数K_d初始化为一个区间(0,1)的系数。

进一步的，步骤2中的ETR-DTG控制的具体形式如下：

由于收缩跟踪区间法与减小转矩增益法对最大功率点跟踪的改进机理不同，两种方法无相互影响，因此可以将两种方法共同应用于风力发电机中，共同实现更高效率的风能捕获。基于以上说明，分别对两种方法的改进思路简要阐述。根据收缩跟踪区间法，起始转速ω_bgn的整定算法如下：

1)设定风速采样周期T_w和起始转速更新周期T_r；清空与T_r对应的风速采样值序列；

2)进入新采样周期T_w，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

3)判定当前T_r是否结束；若结束，则跳至步骤4；否则，跳至步骤2)；

4)求取风速采样值序列的平均值

并将ω_bgn调整为：

式中α为补偿系数；以更新后的ω_bgn进入下一个更新周期T_r，清空风速采样值序列，并跳至步骤2)。

根据减小转矩增益法，转矩曲线的设定上，在原先的增益系数K_opt之前再乘上一个小于1的系数，将新的增益系数记作K_d，则新的控制功率、转矩可表示为：

P_e＝K_dK_optω³ (2)

T_e＝K_dK_optω² (3)

进一步的，风速采样频率为1～4Hz。

进一步的，步骤2中当前转速低于起始转速时保持起始转速不变，设置电磁转矩为0，保证风机的稳定运行。

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1NREL 600kW CART3风力机主要参数

首先，给定初始起始转速ω_bgn和增益系数K_d。起始转速ω_bgn初始化为维持风机稳定运行的最低转速，增益系数K_d初始化为一个区间(0,1)的系数。

其次，判断当前转速是否高于起始转速，若是，则采用本发明提出的综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，即ETR-DTG控制；否则保持起始转速不变，设置电磁转矩为0，保证风机的稳定运行。

ETR-DTG控制的实现原理图如图1所示。

由于收缩跟踪区间法与减小转矩增益法改进的机理不同，互不影响，因此ETR-DTG控制中仍通过周期更新起始转速的方式实现收缩跟踪区间。其中，起始转速ω_bgn的整定算法如下：

1)设定风速采样周期T_w和起始转速更新周期T_r，采样频率为1～4Hz；清空与T_r对应的风速采样值序列。

2)进入新采样周期T_w，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列。

3)判定当前T_r是否结束。若结束，则跳至步骤4；否则，跳至步骤2)。

4)求取风速采样值序列的平均值

并将ω_bgn调整为：

式中α为补偿系数。以更新后的ω_bgn进入下一个更新周期T_r，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。

ETR-DTG控制与收缩跟踪区间法不同的是：在转矩曲线的设定上，收缩跟踪区间法采用的方法是传统最优转矩法，而ETR-DTG控制采用的是最优转矩法的改进方法减小转矩增益法。

ETR-DTG控制中减小转矩增益法的实现通过在原先的增益系数Ko_pt之前再乘上一个小于1的系数，将新的增益系数记作K_d，即步骤1需要初始化的增益系数，则新的控制功率、转矩可表示为：

P_e＝K_dK_optω³ (2)

T_e＝K_dK_optω² (3)

最后，判断运行是否结束，若没有结束，继续判断当前转速是否高于起始转速并进入循环，直到运行结束。ETR-DTG控制的具体流程如图2所示。

将本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法进行对比，为说明该方法中二者的联合使风机获得更高的风能捕获效率，进一步优化了风机的动态性能。

构建了一条包含多种不同湍流风况、持续时长为6小时(含18个20min的风速时段)的风速序列，设置收缩跟踪区间法的搜索周期为20min。根据上述步骤，利用FAST软件进行实验仿真，仿真结果如图3所示。图3(a)是本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下风机转速的对比，图3(b)是本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下风机电磁功率的对比，可以看出，当风速较低时，风机采用收缩跟踪区间控制，由于起始转速的约束，风机放弃跟踪当前风速而维持在相对恒定的转速，以便于风速回升时能够尽可能快地追踪上最优转速，此时对应的电磁功率也为零；而当风速较高时，风机切换为减小转矩增益控制，实际转速能够更好的贴合理论最优转速变化，在风速骤增区段(300s左右)跟踪效果最为明显；图3(c)本发明所提方法与传统最优转矩法、收缩跟踪区间法以及减小转矩增益法四种方法下平均风能捕获效率的对比，从图中可以看出，ETR-DTG控制下风机的平均风能捕获效率变化在0.38-0.42的范围内，其中第八个周期内由于风速较低，风机转速低于设定的起始转速，此时风机放弃跟踪最优转速，从而导致了风能捕获效率有所减低，但降低的程度不大。

结合上述实验，计算比较所提出的ETR-DTG方法和其他改进方法的平均风能捕获效率，如表2所示。

表2几种方法平均风能捕获效率比较

由表中数据可以看出，ETR-DTG联合优化方法在提升平均风能捕获效率上占据明显的优势，相比于传统最优转矩法提高了2.63％。该方法结合了ETR方法和DTG方法的优势，同时对起始转速和增益系数做出改进，在缩短跟踪路程的同时提高了跟踪性能，大大提升了风机的动态性能。

Claims (2)

1.一种综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、给定初始起始转速ω_bgn和增益系数K_d；

起始转速ω_bgn初始化为维持风机稳定运行的最低转速，增益系数K_d初始化为一个区间(0,1)的系数；

步骤2、根据转速信号ω选择控制方式，当ω≥ω_bgn时，选择综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，即ETR-DTG控制；当ω＜ω_bgn时，保持起始转速不变，设置电磁转矩为0；

ETR-DTG控制的具体形式如下：

根据收缩跟踪区间法，起始转速ω_bgn的整定算法如下：

1)设定风速采样周期T_w和起始转速更新周期T_r；清空与T_r对应的风速采样值序列；

2)进入新采样周期T_w，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

3)判定当前T_r是否结束；若结束，则跳至步骤4)；否则，跳至步骤2)；

4)求取风速采样值序列的平均值

并将ω_bgn调整为：

式中α为补偿系数，R为风轮半径，λ_opt为最佳叶尖速比；以更新后的ω_bgn进入下一个更新周期T_r，清空风速采样值序列，并跳至步骤2)；

根据减小转矩增益法，转矩曲线的设定上，在原先的增益系数K_opt之前再乘上一个小于1的系数，将新的增益系数记作K_d，则新的控制功率、转矩表示为：

P_e＝K_dK_optω³ (2)

T_e＝K_dK_optω² (3)

步骤3、判断运行是否结束，若没有结束，跳至步骤2。

2.根据权利要求1所述的综合收缩跟踪区间和减小转矩增益的风机转矩曲线法，其特征在于，风速采样频率为1～4Hz。

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