CN114673628A - 一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于风电控制技术领域，公开了一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统，对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测：若功率值到达最大功率值，则停止监测；若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；并进行多次修正，在当前次转矩修正尝试后所测量到的机组输出功率与上次尝试所测量得到的输出功率之间的误差大于门槛值ε，则再进行一次转矩修正尝试。完成串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率值，提高了了机组运行的效率。

Description

一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统

技术领域

本发明属于风电控制技术领域，具体涉及一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统。

背景技术

对于直驱风机或半直驱串列式双风轮风电机组而言，在风电机组的入流风速高于切入风速，且电机转速低于额定转速的这一工作区间内，通常被称为最大风能跟踪区，此时风轮桨距角被控制恒定为0度，调节风电机组出力的方式只有通过调节前、后风轮的变流器，改变电机所产生的电磁转矩，从而控制前、后风轮发电机的转速。在这个工作区间内，在每一个入流风速下，都存在一组特定的前、后风轮的电磁转矩组合，对应一组特定的前、后风轮的转速组合，使得前、后风轮的输出功率之和达到最大，即所谓的该入流风速下的最大功率。

在单风轮风电机组的最大功率跟踪方法中，常用的主要由两种，一是通过风电机组设计阶段即完成的转速-转矩对应表，通过直接的一一对应，直接确定该风速下所应达到的电磁转矩参考值；二是通过不断向前向后改变电磁转矩，同时监测输出功率的变化，找到功率输出的峰值，即所谓的“爬山法”寻求最大功率值。而针对单风轮风电机组的所有最大功率跟踪方法，都无法直接应用到串列式双风轮风电机组当中。

对于串列式双风轮风电机组，由于现在国内尚无投产的实际机组，已有的技术方案主要沿用转速-转矩对应表，即通过前、后风轮当前的转速，通过查表查得前、后风轮对应的电磁转矩参考值，输入变流器控制系统中，以完成串列式双风轮风电机组最大功率值的跟踪。而针对串列式双风轮风电机组的转速-转矩对应表的最大功率跟踪方法，由于转速-转矩对应表是由气动理论模型推导或实际运行数据推测而来，导致其准确性较低，由此表指导实际的串列式双风轮风电机组运行，其误差较大，无法达到真正意义上的最大功率值，从而降低了机组运行的效率。

对于串列式双风轮风电机组而言，在有遮挡的丘陵或谷地区域，以及近海和潮间带区域，风速可能存在短时间内较大的波动。在这种场景下，要求控制系统对于风机的最大功率点跟踪具有实时响应的特性，速度要求高，反而由于风速剧烈的变化，对稳态跟踪精确度和误差的要求反而比较低，但现有技术中缺乏针对性的监测和跟踪方法，因此急需提供一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法及系统，以解决现有技术中的问题：

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪方法，包括：

对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测：

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

进一步地，所述计算双风轮的新的转矩T1和T2的方法为：T1＝T10+△T，T2＝T20，其中：△T为转矩梯度步长。

进一步地，所述再次修改T1和T2的值的计算方法为：T1＝T10，T2＝T20+△T，其中：△T为转矩梯度步长。

进一步地，所述△T为转矩梯度步长选取方法为：△T＝0～1×(T10+T20)。

进一步地，所述门槛值ε为P和P0的差距值的误差允许范围，门槛值ε的大小为：ε＝0～1×P0。

进一步地，所述输出总功率P最大值与P0的差距值为所述输出总功率P最大值与P0相减后得到的绝对值。

进一步地，所述双风轮串联连接于风电机组上。

一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪系统，包括：

监测模块，用于对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测；

判断模块，用于对双风轮风电机组的功率值进行判断；

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

相较于现有技术，本发明的优点在于：

通过本发明串列式双风轮风电机组的最大功率值得跟踪方法，对串列式双风轮的风电机组的最大功率值进行监测，对于不同的入流风速，通过本发明的方法生成前、后风轮机组变流器控制系统的电磁转矩参考值，来控制前、后风轮风电机组的输出功率，使其和达到最大值，从而完成当前入流风速下的最大功率值得跟踪，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率值，提高了了机组运行的效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法的流程示意图；

图2为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法最大功率值跟踪方法效果示意图；

图3为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法最大功率值跟踪方法系统输入输出连接示意图；

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

串列式双风轮风电机组：在传统风力发电机的基础上，在风电机组的背面对侧增加一个旋转风轮，用于吸收风力通过前风轮后，剩余的风能。

风能利用系数：风力机从自然风能中吸取能量的大小程度，表示了风力发电机将风能转化成电能的转换效率，用Cp表示。具体计算方式为风轮主轴上的轴功率与风轮扫过面积上获得的自然风功率之比。在实际工程中，由于主轴上的轴功率测量不准确，通常采用电机输出的总的电功率来代替。

前风轮：串列式双风轮风电机组中首先正面迎向入流风的风轮。

后风轮：串列式双风轮风电机组中除前风轮外的风轮。

进一步地，双风轮串联连接于风电机组上。

进一步地，双风轮的转矩值通过测量风电机组机侧变流器的转矩参考值来获得。

具体地，当风速变化的时候，处于稳态运行的串列式双风轮风电机组的前、后风轮的转速会随之改变，从而最大功率发生对应的改变，因此当风速变化时，进行对最大功率值的跟踪，跟踪方法为：如果当前风电机组输出功率未达到最大功率，若是最大功率值，则不进行最大功率值的跟踪，若不是最大值则进行进一步的判断，判断方法为：本次转矩修正尝试后所测量到的机组输出功率与上次尝试所测量得到的输出功率之间的误差大于门槛值ε，则再进行一次转矩修正尝试。此处的转矩修正尝试是指，以上一次尝试所得到的前、后风轮转矩值T1、T2为基准，比较前、后风轮转矩分别为T1+△T，T2和T1，T2+△T，这两种情况下测量得到的机组输出功率P的大小。如果前一种情况P大，本次尝试所得到的的前、后风轮转矩组合就为T1+△T，T2；如果后一种情况P大，本次尝试所得到的的前、后风轮转矩组合就为T1，T2+△T。

实施例1：

本发明的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪方法，包括对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测：

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算得出风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

其中：运行处于稳态状态的双风轮为处于上一个稳态状态的双风轮，在风电机组进行运行时，由于风速的不同，风电机组的双风轮会出现多个稳态状态，最大功率值得检测位于风电机组处于上一个稳态和下一个稳态之间，或上一个稳态结束，下一个稳态开始得阶段。

更为具体地，如图1所示，双风轮风电机组处于上一个运行稳态时，如风速无变化，则不进行前、后风轮转速和转矩的改变，如因风速变化导致风轮转速发生波动，则进行因风速变化导致双风轮风电机组发生转矩变化时双风轮风电机组中前、后风轮输出总功率P0的计算操作，计算操作的具体方式为：首先记录此时前、后风轮输出总功率P0，前、后风轮当前转矩，当前的转矩通过测量机侧变流器转矩参考值来代替的方式进行，T10和T20,，进入双风轮风电机组的比较操作；具体地，比较操作的具体方式为：修改T1和T2的值，方式为使得T1＝T10+△T，T2＝T20。将T1和T2作为前、后风轮的变流器转矩参考值输入；测量此时的前、后风轮输出总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)；再次修改T1和T2的值，方式为使得T1＝T10，T2＝T20+△T。将T1和T2作为前、后风轮的变流器转矩参考值输入。测量此时的前、后风轮输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，根据所得到的数组(T1,T2,Px)和数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取其中较大值为对应的T1，T2，令P＝max(Px,Py)，如果此时P与P0之间的差距的绝对值小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态；反之，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

进一步地，风电机组双风轮中电机变流器转矩环新的转矩参考值的计算方法为：根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

具体地，门槛值ε是指P和P0的差距值的误差允许范围，门槛值ε的大小为：ε＝0～10×P0，优选ε＝0.01×P0。

具体地，△T为转矩梯度步长选取方法为：△T＝0～1×(T10+T20)，优选△T＝0.02～0.05×(T10+T20)。

具体地，输出总功率P最大值与P0的差距值为所述输出总功率P最大值与P0相减后得到的绝对值。

进一步地，如图2所示为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法最大功率值跟踪方法效果示意图。从爬坡的初始点，经过一次步骤3-6的循环，爬坡到下一个点。继续若干次爬坡操作，图中进行了4次操作，作为示例说明，达到梯度爬坡最终点，即为串列式双风轮机组新的最大功率值对应的前、后风轮电机变流器转矩参考值。

更为具体地，双风轮的新的转矩T1和T2的计算方法为：根据双风轮梯度爬坡初始点的初始位置，建立T1和T2的二维直角坐标系，在T1和T2的直角坐标系内选取爬坡初始点，以△T为转矩梯度步长进行水平或数值方向的爬坡和计算，最终达到爬坡最终点，即为串列式双风轮机组新的最大功率值对应的前、后风轮电机变流器转矩参考值。

具体地，如图3所示，为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法最大功率值跟踪方法系统输入输出连接示意图。串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法系统包含3个输入，1个输出。输入1为当前前、后风轮的转速；输入2为当前前、后风轮的总输出功率；输入3位当前前、后风轮电机变流器的转矩参考值。输出为经过图1流程计算得到的前、后风轮电机变流器转矩环新的转矩参考值。

通过本发明串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪方法，用于机组运行在最大风能跟踪区时，对于不同的入流风速，通过本发明的方法生成前、后风轮机组变流器控制系统的电磁转矩参考值，来控制前、后风轮风电机组的输出功率，使其和达到最大值，从而完成当前入流风速下的最大功率值的跟踪，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率值，提高了了机组运行的效率。

实施例2：

一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪系统，包括：

监测模块，用于对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测；

判断模块，用于对双风轮风电机组的功率值进行判断；

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算得出风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪方法，其特征在于，包括：

对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测：

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

2.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述计算双风轮的新的转矩T1和T2的方法为：T1＝T10+△T，T2＝T20，其中：△T为转矩梯度步长。

3.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述再次修改T1和T2的值的计算方法为：T1＝T10，T2＝T20+△T，其中：△T为转矩梯度步长。

4.根据权利要求2所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述△T为转矩梯度步长选取方法为：△T＝0～1×(T10+T20)。

5.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述门槛值ε为P和P0的差距值的误差允许范围，门槛值ε的大小为：ε＝0～1×P0。

6.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述输出总功率P最大值与P0的差距值为所述输出总功率P最大值与P0相减后得到的绝对值。

7.根据权利要求1所述的一种串列式双风轮风电机组的最大功率值跟踪方法，其特征在于，所述双风轮串联连接于风电机组上。

8.一种串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪系统，其特征在于，包括：

监测模块，用于对串列式双风轮的风电机组输出的功率进行检监测；

判断模块，用于对双风轮风电机组的功率值进行判断；

若功率值到达最大功率值，则停止监测；

若功率值未到达最大功率值，则记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中的转矩值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算双风轮的新的转矩T1和T2，以及因风速变化使得双风轮的转速和转矩发生变化时风电机组中前后风轮输出的总功率Px，并储存数组(T1,T2,Px)，再次修改T1和T2的值，计算再次修改T1和T2的值后双风轮风电机组中前后风轮的输出总功率Py，并储存数组(T1,T2,Py)，比较Px与Py，取比较结果较大值所对应的T1和T2作为风电机组的新转矩，并令P＝max(Px,Py)，比较P与P0之间的差距值，若小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮风电机组的最大功率值的跟踪；若大于门槛值ε，则令P0＝P，T10＝T1，T20＝T2，重复计算双风轮的新的转矩T1和T2至比较Px与Py的操作，直至比较P与P0之间的差距值小于等于门槛值ε时，运算结束。

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