CN116378900A - 基于虚拟气动功率补偿的风机mppt控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，对现有的基于最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)方法进行改进，包括以下内容：在传统OTR方法的基础上，在电磁功率控制回路中加入经滤波处理的气动功率与最优功率之差的补偿回路，基于此，通过进一步动态切换补偿系数δ的值来虚拟补偿当前风速状态条件下风力发电系统的气动功率，进而通过增大风机的不平衡转矩以增大风轮加速度，最终达到增加风轮的跟踪性能的目的。相比于传统OTR方法，本发明所涉及的方法能够在相同的风能捕获效率下降低载荷消耗。

Description

基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法

技术领域

本发明涉及风电机组MPPT控制领域下的改进最优跟踪转子控制方法，具体涉及一种对风轮气动功率进行虚拟补偿的方法。

背景技术

MPPT(Maximum Power Point Tracking，MPPT)是风力发电系统控制策略中一种重要的控制模式，在额定风速以下，采用MPPT控制策略实现风能的最大捕获。常见的低风速风力机在较多的时间里处于额定风速以下运行，所以提升MPPT效率具有重要意义。常见的MPPT控制方法包括最优转矩法(Optimal Torque,OT)、叶尖速比法(Tip Speed Ratio,TSR)和爬山法(Hill-Climbing Search,HCS)。其中应用最广的最优转矩法是通过调节电磁转矩，进而调节风力发电机组的不平衡转矩使得风轮加减速，间接实现转速控制。

传统的最优转矩法在捕获风能时存在一些不足之处，当风力发电机组运行在湍流风速下时，由于OT法的跟踪目标是电磁转矩的稳态工作点即最优电磁转矩，会导致风能捕获效果的不佳。而最优跟踪转子控制方法(Optimally Tracking Rotor，OTR)，是从动态视角将OT法的电磁转矩设定值附加一个额外的转矩指令，使得风速不断变化时，可以进一步增大风电机组的不平衡转矩，从而提升风电机组跟踪的动态性能。类似的方法还有惯性补偿控制、减小转矩增益控制、恒带宽控制等。

由于低频风速区间蕴含的能量远远高于高频风速区间，即低频风速蕴含能量更值得跟踪。然而传统的OTR方法致力于捕获全频段风速中蕴含的能量，对高、低频风速区间进行相同程度的跟踪，即在高频风速区间对风速全力跟踪，在低频风速区间也进行全力跟踪，忽视了追着高低频风速区间付出的载荷代价。这样就会导致风机因追求微末高频风能而导致载荷线性增加现象。因此，对OTR方法如何改进，才能加大对低频风速区间跟踪的比重，减小因捕获高频风能导致的载荷剧烈增加现象，获得更大跟踪收益，解决这一问题成为本发明研究的重点。

发明内容

本发明的目的是：为了克服传统OTR方法中存在的缺点，考虑到MPPT是风力发电系统控制策略中一种重要的控制模式，本发明针对传统OTR方法对全频段风速进行相同程度的跟踪而导致的载荷剧烈增加问题，提出一种对风轮气动功率进行虚拟补偿的改进OTR控制方法，在风轮气动功率处加入滤波器进一步减小系统的载荷，设计一种判断当前风速信息的方法，基于当前风机跟踪状态动态调整补偿系数，加大对渐强低频风速区间风速的跟踪能力进而加强风能的捕获。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，此方法是基于传统的最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)方法的改进方法，传统OTR方法采用如下控制策略：

P_g＝K_optω_r ³-G(P_a-K_optω_r ³)

式中，P_a为气动功率计算值，其表达式为

为最优电磁功率，ω_r为风轮转速，其中/>

ρ为空气密度，R为风轮半径，当风力发电机系统处于MPPT控制阶段时，桨距角β＝0°，风能利用系数C_p仅与λ有关，叶尖速比λ＝ω_rR/v，v为风速，当C_p达到最大风能利用系数/>

时，λ存在最优叶尖速比λ_opt，P_g为电磁功率设定值，G为控制参数；

基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制采用如下控制策略：

P_g＝K_optω_r ³-G(δP_{a_lpf}-K_optω_r ³)

式中，P_{a_lpf}为经过滤波后的气动功率计算值，δ为气动功率补偿系数，且δ需依据风机跟踪状态确定。

进一步地，基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，其特征在于：第一，为消除风力发电系统的输出因高频风速不断变化带来的载荷问题，对传统OTR方法的气动功率计算值信号进行滤波处理得到P_{a_lpf}；第二，设计了一种虚拟气动功率补偿系数δ，它的作用在于，在MPPT控制阶段，设置不同的补偿系数δ的值来虚拟补偿当前风速状态条件下风力发电系统的气动功率计算值，调整电磁功率指令值的大小，增大风机的不平衡转矩从而增大风轮加速度，最终目的是增加风轮的跟踪性能。

进一步地，气动功率补偿系数δ是根据风机当前跟踪状态设置，包括以下步骤：

步骤1：设计补偿系数δ，其数学表达式如下：

式中，

为风轮加速度，δ₁为风速处于减速阶段的气动功率补偿系数，δ₂为风速处于加速阶段的气动功率补偿系数；

步骤2：为判断风轮加速度

的加减速状态，需要通过采集当前风速信息，计算出当前理论最优转速ω_ropt，表达式如下：

ω_ropt＝λ_optv/R

进一步依据实际转速ω_r和转速最优跟踪目标ω_ropt的大小判别加减速跟踪状态，其判别原则为如下表达式：

ω_r>ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为减速阶段；当ω_r<ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为加速阶段。

进一步地，对气动功率P_a信号引入一阶低通滤波器，以降低因捕获湍流中高频风速而导致高频载荷剧烈增加现象，引入滤波器后的表达式如下：

式中，

为滤波器表达式，τ为滤波参数，s代表拉普拉斯变换中的频域。

进一步地，以上所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，需设计补偿系数δ的取值，减速时δ₁<1，加速时δ₂>1，δ₁∈[0.6,1]，δ₂∈(1,1.5]。

进一步地，根据上述要求的δ的取值，如果δ取值较为激进，会导致电磁功率指令值出现超额的情况，所以需要采用如下约束：

式中，设定电磁功率的阈值为110％P_gN，其中P_gN为额定功率限制。当输出电磁功率指令值超过设定阈值时，P_g取值为设定阈值；当输出电磁功率指令值在0和设定阈值之间时，P_g取值为它本身；当出电磁功率指令值小于0时，P_g取值为0。

进一步地，以上所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，t₁取值在0.5s～1.5s。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

a)采用滤波环节降低因捕获高频风速而带来的载荷剧烈增长现象，使风能MPPT过程更加注重低频风能捕获；

b)根据当前跟踪状态对所述补偿系数δ进行动态调整，该动态调整方式以跟踪状态判断为基础，在加速时设置δ₂以减小电磁功率的设定值，增大不平衡转矩从而增大风轮加速度，增强风轮对渐强风速的跟踪性能；在减速时设置δ₁以增加不平衡转矩，从而减小风轮加速度，增强风轮对渐弱风速的跟踪性能。

附图说明

图1为基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略的控制框图；

图2为本发明实施例中OT方法、传统OTR方法与基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法的转速跟踪轨迹图。

具体实施方式

本实施例中所述风电机组传统OTR方法和基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法采用如下所示的参数：

表1风电机组的结构与控制参数

其中，C_p(λ,β)的曲线采用如下数学表达式：

λ_i＝[1/(λ+0.08β)-0.035/(1+β³)]^-1

上式中，当风力发电机系统处于MPPT控制阶段时，桨距角β＝0°，风能利用系数C_p仅与λ有关，叶尖速比λ＝ω_gR/v，当C_p达到最大风能利用系数C_pmax时，λ存在最优叶尖速比λ_opt。

在本实施例中，基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，此方法是基于传统的最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)方法的改进方法，传统OTR方法采用如下控制策略：

P_g＝K_optω_r ³-G(P_a-K_optω_r ³)

式中，P_a为气动功率计算值，其表达式为

为最优电磁功率，ω_r为风轮转速，其中/>

ρ为空气密度，R为风轮半径，当风力发电机系统处于MPPT控制阶段时，桨距角β＝0°，风能利用系数C_p仅与λ有关，叶尖速比λ＝ω_rR/v，v为风速，当C_p达到最大风能利用系数/>

时，λ存在最优叶尖速比λ_opt，P_g为电磁功率设定值，G为控制参数；

基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制采用如下控制策略：

P_g＝K_optω_r ³-G(δP_{a_lpf}-K_optω_r ³)

式中，P_{a_lpf}为经过滤波后的气动功率计算值，δ为气动功率补偿系数，且δ需依据风机跟踪状态确定。

在本实施例中，基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，其特征在于：第一，为消除风力发电系统的输出因高频风速不断变化带来的载荷问题，对传统OTR方法的气动功率计算值信号进行滤波处理得到P_{a_lpf}；第二，设计了一种虚拟气动功率补偿系数δ，它的作用在于，在MPPT控制阶段，设置不同的补偿系数δ的值来虚拟补偿当前风速状态条件下风力发电系统的气动功率计算值，调整电磁功率指令值的大小，增大风机的不平衡转矩从而增大风轮加速度，最终目的是增加风轮的跟踪性能。

在本实施例中，气动功率补偿系数δ是根据风机当前跟踪状态设置，包括以下步骤：

步骤1：设计补偿系数δ，其数学表达式如下：

式中，

为风轮加速度，δ₁为风速处于减速阶段的气动功率补偿系数，δ₂为风速处于加速阶段的气动功率补偿系数；

步骤2：为判断风轮加速度

的加减速状态，需要通过采集当前风速信息，计算出当前理论最优转速ω_ropt，表达式如下：

ω_ropt＝λ_optv/R

进一步依据实际转速ω_r和转速最优跟踪目标ω_ropt的大小判别加减速跟踪状态，其判别原则为如下表达式：

当ω_r>ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为减速阶段；当ω_r<ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为加速阶段。

在本实施例中，对气动功率P_a信号引入一阶低通滤波器，以降低因捕获湍流中高频风速而导致高频载荷剧烈增加现象，引入滤波器后的表达式如下：

式中，

为滤波器表达式，τ为滤波参数，设置τ＝1.5，s代表拉普拉斯变换中的频域。

在本实施例中，以上所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，需设计补偿系数δ的取值，减速时δ₁＝0.8，加速时δ₂＝1.2。

在本实施例中，根据上述要求的δ的取值，如果δ取值较为激进，会导致电磁功率指令值出现超额的情况，所以需要采用如下约束：

式中，设定电磁功率的阈值为110％P_gN，其中P_gN为额定功率限制。当输出电磁功率指令值超过设定阈值时，P_g取值为设定阈值；当输出电磁功率指令值在0和设定阈值之间时，P_g取值为它本身；当出电磁功率指令值小于0时，P_g取值为0。

在本实施例中，以上所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制策略，t₁取值为1s。

作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步详细说明。

利用turbsim生成风速文件，随机生成了一条持续时间为10min、风速采样周期为0.05s的湍流风速序列，分别对OT法，传统OTR方法以及基于虚拟气动功率补偿的改进OTR法进行MPPT控制，设置恒定补偿系数使得传统OTR和基于虚拟气动功率补偿的改进OTR法的风能捕获效率P_favg达到相同时，计算两种方法所对应的载荷

以及载荷增长率/>

此时得到本方法的恒定补偿系数G＝0.5，传统OTR方法的恒定补偿系数G＝0.7。

进一步的，三种方法下的风轮转速跟踪轨迹以及对应的补偿系数如图2所示，并给出风能捕获效率P_favg、效率提升率

载荷/>

以及载荷增长率/>

如表2所示。

表2三种MPPT方法下的数据结果对比

由上表可以看出，传统OTR方法和本发明所提方法的风能捕获效率相等，提升了2.42％，此时，本发明所提方法的载荷增长率仅为30.19％，对比传统OTR方法其平均减载率为21.52％，以更小的载荷代价获得了与之相等的平均风能捕获效率。从图2可以看出，本文所提方法加大对渐强低频风速区间风速的跟踪能力进而加强了风能的捕获。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，其特征在于，对气动功率计算值信号进行滤波处理以降低因捕获高频风速而带来的载荷剧烈增长；根据风轮加速度状态设置虚拟气动功率补偿系数，来虚拟补偿当前风速状态条件下风力发电系统的气动功率计算值，调整电磁功率指令值的大小，增加风轮的跟踪性能。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，其特征在于，具体控制策略如下：

P_g＝K_optω_r ³-G(δP_{a_lpf}-K_optω_r ³)

式中，P_{a_lpf}为经过滤波后的气动功率计算值，δ为气动功率补偿系数，且δ依据风机跟踪状态确定；

为滤波器表达式，τ为滤波参数；P_a为气动功率计算值，其表达式为

为最优电磁功率，ω_r为风轮转速，其中/>

ρ为空气密度，R为风轮半径，当风力发电机系统处于MPPT控制阶段时，桨距角β＝0°，风能利用系数C_p仅与λ有关，叶尖速比λ＝ω_rR/v，v为风速，当C_p达到最大风能利用系数/>

时，λ存在最优叶尖速比λ_opt，P_g为电磁功率设定值，G为控制参数。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，其气动功率补偿系数δ是根据风机当前跟踪状态设置，包括以下步骤：

步骤1，设计补偿系数δ，其数学表达式如下：

式中，

为风轮加速度，δ₁为风速处于减速阶段的气动功率补偿系数，δ₂为风速处于加速阶段的气动功率补偿系数；

步骤2，为判断风轮加速度

的加减速状态，需要通过采集当前风速信息，计算出当前理论最优转速ω_ropt，表达式如下：

ω_ropt＝λ_optv/R

依据实际转速ω_r和转速最优跟踪目标ω_ropt的大小判别加减速跟踪状态，其判别原则如下表达式：

ω_r＞ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为减速阶段；当ω_r＜ω_ropt且持续时间T大于t₁，判断此时为加速阶段。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，步骤1中所述补偿系数δ的取值，减速时δ₁＜1，加速时δ₂＞1。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，δ取值设置如下约束条件：

式中，设定电磁功率的阈值为110％P_gN，其中P_gN为额定功率限制；当输出电磁功率指令值超过设定阈值时，P_g取值为设定阈值；当输出电磁功率指令值在0和设定阈值之间时，P_g取值为它本身；当出电磁功率指令值小于0时，P_g取值为0。

6.根据权利要求3所述的基于虚拟气动功率补偿的风机MPPT控制方法，步骤2中t₁取值范围为0.5s～1.5s。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任一项所述方法。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法。

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