CN1960159A - 风力发电最大功率点跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

风力发电最大功率点跟踪控制方法，其特征是设置互为独立的转速和功率双闭环控制方法，控制过程为三个阶段：初始状态根据原始最大功率曲线对风机进行功率信号反馈控制；风速变化较小时采用爬山法功率寻优控制，通过转速扰动获得当前风速下的最大输出功率和对应的发电机转速，根据原始最大功率曲线和新加入的数据点，获得修正后的最大功率曲线；风速变化较大时根据修正后的最新功率曲线，对系统采用功率信号反馈控制。本发明方法不依赖于风场和风机特性，可以适应风速的快速变化，能有效抑制最大功率点附近的系统扰动。

Description

风力发电最大功率点跟踪控制方法

技术领域：

本发明涉及风力发电最大功率点跟踪控制方法。更具体地说是应用在变速恒频风力发电系统中的最大功率点跟踪控制方法。

背景技术：

变速恒频风力发电系统中常规的最大功率跟踪(MPPT)控制采用的三种方法是分别是叶尖速比控制方法、功率信号反馈控制和爬山法寻优控制。

叶尖速比控制法是通过对风轮的机械结构进行调整，使风轮捕获最大功率，主要依赖于风机的叶尖速比与风速曲线，通过控制风轮的变浆机构来控制桨叶的迎风角，从而使风轮在此状态下的叶尖速比达到最大值。该控制方法对风轮的性能参数敏感，且需要对风速进行准确测量，因此应用范围有限。

功率信号反馈控制与爬山法寻优控制都属于电气控制方法，通过风力发电系统并网变流器对电机的控制，从而达到输出最大功率的目的。功率信号反馈控制是依据风机最大功率曲线，在不同转速下控制风机输出功率，使其跟随最大功率曲线。该方法能够较好地适应风速的变化，但对风机参数敏感，且最大功率曲线存在误差，从而影响最大功率跟踪的精度，并且由于不同机型参数不同，因而其适应性较差。爬山法寻优控制是采用转速扰动控制方法，根据转速变化前后的功率比较，从而确定转速扰动的大小和方向。但此方法不能适用于风机的快速变化，由于风速变化时，导致风轮转速的变化，因此一部分风能储存于叶轮中，所以对发电机输出功率的测量并不能完全反映出风能的变化量，因此导致功率控制的不准确，且由于转速扰动引起最大功率点附近系统的振荡。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种不依赖于风场和风机的任何特性，可以适应风速的快速变化，能有效抑制最大功率点附近的系统扰动的风力发电最大功率点跟踪控制方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明风力发电最大功率点跟踪控制方法，其特征是设置互为独立的转速和功率双闭环控制方法，控制过程分为三个阶段：

a、初始状态下，根据风机的原始功率特性，得到原始最大功率曲线，初次运行时根据所述原始最大功率曲线对风机进行功率信号反馈控制；

b、风速变化较小时，采用爬山法功率寻优控制方法，通过转速扰动获得当前风速下的最大输出功率和对应的发电机转速，根据原始最大功率曲线和新加入的数据点，对最大功率曲线进行修正，在运行过程中每获得一个新的数据点对曲线进行实时修正，从而获得修正后的最大功率曲线；

c、风速变化较大时，根据修正后的最新功率曲线，对系统采用功率信号反馈控制。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明是以功率信号反馈控制与爬山控制法相结合，在风速变化较快时，采用功率信号反馈控制，根据最大功率曲线，对风机进行功率控制；而在风速变化较慢时，采用爬山法控制，并进行在线学习，对风机的最大功率曲线进行更新。根据风况的不同选择不同的控制方法使系统捕获最大风能，并使系统输出功率最大。本发明方法不依赖于风场和风机的任何特性，加快了系统对风速变化的跟随性能，同时能保证跟踪结果的准确性。

附图说明：

图1为本发明方法原理图。

图2为本发明最大功率曲线拟和。

图3为本发明爬山法功率寻优控制原理图。

图4为本发明控制方法流程图(流程图的方框不能有底纹，整体线条必须清晰，图中的流程表达必须与文稿中对应部位的文字表达完全一致)。

以下通过实施例，并结合附图对本发明作进一步描述。

具体实施方式：

本实施例设置互为独立的转速和功率双闭环控制方法，控制过程分为三个阶段：

a、初始状态下，根据风机的原始功率特性，得到原始最大功率曲线，初次运行时根据所述原始最大功率曲线对风机进行功率信号反馈控制；

b、风速变化较小时，采用爬山法功率寻优控制方法，通过转速扰动获得当前风速下的最大输出功率和对应的发电机转速，根据原始最大功率曲线和新加入的数据点，对最大功率曲线进行修正，在运行过程中每获得一个新的数据点对曲线进行实时修正，从而获得修正后的最大功率曲线；

c、风速变化较大时，根据修正后的最新功率曲线，对系统采用功率信号反馈控制。

关于功率信号反馈控制方法的设置：

如图1所示，在功率环中，即控制开关处于1的位置。当风速增加时，风轮捕获功率增加，但风机的瞬时转速未发生变化，则风机的机械转矩增加，由于发电机的功率环的控制作用，其输出电磁功率不变，且转速未发生变化，因此发电机的电磁阻转矩不变，因此导致系统转速的升高，然后通过查询最大功率曲线，由功率环控制发电机的输出功率，使之达到最大。

在根据最大功率曲线控制的过程中，其输出功率控制的准确性主要依赖于最大功率曲线的准确程度。由于风机运行会因为各种损耗而引起曲线误差，若直接根据风机厂商提供的设计或者试验数据进行控制，并不能保证风机在运行过程中的准确性。因此本实施例设计曲线拟合的方法来在线实时修正最大功率曲线，使之保持最优状态。

根据曲线拟合和经验公式中参数的最小二乘估计，实时对曲线进行拟合。

当系统运行于最大功率点时，根据风力发电系统风能捕获公式：

$P_{m\max }=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ\π}{r}_m^2{C}_{p\max }{\left(\frac{r_m}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\right)}^3\·{\mathrm{\ω}}^3$

式中：P_mmax为风机输出最大功率，ρ为空气密度，近似认为不变，r_m为风力机风轮半径，C_pmax为最大风能利用系数，λ_opt为最优叶尖速比，ω发电机转速；

设： $\frac{1}{2}$ $r_m^2$ $C_{p\max }{\left(\frac{R}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{oPt}}}\right)}^3$ 值恒定，因此系统输出功率与转速的三次方法成正比。此时：令

z＝ω³，则式(1)可转化为：

                    P＝k·z    (2)

给出P～ω曲线上的n对观测值(z_i，P_i)，(i＝1，2，Λ，n)，进而确定参数k的数值；

由最小二乘法进行曲线拟和：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(P_i-k\·z_i)}^2---\left(3\right)$

为使Q达到最大，则应满足_Q/_k＝0，推得：

$k=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\·z}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}^2}---\left(4\right)$

因而获得风机输出功率与发电机转速关系表达式： $P=k\·{\mathrm{\ω}}^3=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\·z}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}^2}\·{\mathrm{\ω}}^3$

因此在系统运行过程中，可以通过在风速平稳时对最大功率点的搜寻，进而对原始最大功率曲线a进行更新，从而保证在风机采用功率信号反馈控制时的准确性，修正后最大功率曲线拟b如图2所示。

爬山法控制方法

参见图3，在风速v₁下，系统稳定运行于A点，发电机转速为ω₁，系统输出最大功率P_A。风速变为v₂，由于叶轮惯性，转速不能立即变化，仍为ω₁，此时系统运行于B点，输出功率为P_B。

$T_L-T_e=J\·\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

由运动方程式(5)可知，由于风机机械转矩增加，通过速度环调节必然导致发电机电磁转矩增加，发电机输出功率增加，MPPT控制器给出转速增量，控制系统进行加速运行。风机沿B-C-D进行功率寻优，发电机则沿A-D加速运行。转速达到ω₂时，输出功率达最大值P_D。同理分析风速下降情况。

在控制时考虑到，当进行转速扰动时通过转速环调节其输出瞬时功率是减少的，因此在对功率进行采样比较时，可根据式(6)先判断转速环是否达到稳定。

                   |ω-ω_ref|≤σ          (6)

转速扰动可以采用定步长转速扰动或者变步长转速扰动的方法。由于定步长扰动使系统在最大功率点附近发生振荡，且追踪速度较慢，因此为了有效的抑制系统振动和保证追踪的快速性，本文采用变步长的转速扰动控制方法。其步长大小可以根据不同风速变化时，发电机输出功率变化和转速变化的比值来确定，如式(7)所示。

$k_i=\frac{\left|\mathrm{\Δ\ω}\right|}{\left|\mathrm{\ΔP}\right|}---\left(7\right)$

转速指令方向可由表1进行判断。

            表1转速指令方向判断

判断条件：	ΔP(k)＞0	ΔP(k)＜0
			Δω(k-1)＝0	Δω(k)＞0	Δω(k)＜0
Δω(k-1)＞0	Δω(k)＞0	Δω(k)＜0
			Δω(k-1)＜0	Δω(k)＜0	Δω(k)＞0

其中：Δω(k-1)，Δω(k)＜0为转速减指令，Δω(k-1)，Δω(k)＞0为转速增指令。

由于转速指令的变化为离散的，因此输出功率只能接近最大值。因此当功率变化小于某一给定区间时，由式(8)给出，可认为达到最大功率，此时保持转速增量为0。

                |ΔP|＝|P(k)-P(k-1)|≤P_σ       (8)

控制方法的选取

对于控制过程中的不同控制方法的切换，可以根据风速变化的引起风机机械转矩的变化，从而发电机转子电流转矩分量的变化。因此通过判断发电机转子电流转矩分量的变化率，可以对风速是否稳定进行判断。

设转子电流中转矩分量的变化率为：

$\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_q}{\mathrm{\Δt}}---\left(9\right)$

根据式(9)，给一定值σ，当Λ≥σ，认为风速变化，因此采用功率信号反馈控制方法，跟踪最大功率曲线，对系统进行控制。当Λ≤σ时，认为风速平稳，采用爬山法寻优控制，对其进行转速扰动，寻找此风速下的最大输出功率值点，并对最大功率曲线进行修正。此方法不关心其风速值，只要风速稳定即可。

本实施例中的具体控制流程如图4所示

对转矩电流采样n次，取平均判断风速稳定情况，若风速稳定，则采用转速环进行控制，通过对功率的采样，进行最大功率点跟踪，然后对最大功率曲线进行拟合，若判断风速不稳定，则采用功率环进行控制，对当前转速进行采样，通过最大功率曲线查表得到最优功率输出，从而与功率反馈信号进行比较，然后进行控制。

Claims (4)

1、一种风力发电最大功率点跟踪控制方法，其特征是设置互为独立的转速和功率双闭环控制方法，控制过程分为三个阶段：

a、初始状态下，根据风机的原始功率特性，得到原始最大功率曲线，初次运行时根据所述原始最大功率曲线对风机进行功率信号反馈控制；

b、风速变化较小时，采用爬山法功率寻优控制方法，通过转速扰动获得当前风速下的最大输出功率和对应的发电机转速，根据原始最大功率曲线和新加入的数据点，对最大功率曲线进行修正，在运行过程中每获得一个新的数据点对曲线进行实时修正，从而获得修正后的最大功率曲线；

c、风速变化较大时，根据修正后的最新功率曲线，对系统采用功率信号反馈控制。

2、根据权利要求1所述的控制方法，其特征是所述转速扰动采用变步长控制法，其转速指令的大小根据不同风速变化时，发电机输出功率变化和转速变化的比值ki来确定

$k_i<\frac{\left|\mathrm{\&Delta;\&omega;}\right|}{\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|}$

式中：k_i为比值，Δω为转速增量，ΔP为功率增量；

转速指令的方向的判断由下表给出   判断条件： ΔP(k)＞0 ΔP(k)＞0 Δω(k-1)＝0 Δω(k)＞0 Δω(k)＜0 Δω(k-1)＞0 Δω(k)＞0 Δω(k)＜0 Δω(k-1)＜0 Δω(k)＜0 Δω(k)＞0

表中：Δω(k-1)，Δω(k)＜0为转速减指令，Δω(k-1),Δω(k)＞0为转速增指令。

3、根据权利要求1所述的控制方法，其特征是所述对曲线进行实时修正是采用最小二乘法估计的曲线拟合方法，当系统运行于最大功率点时，根据风力发电系统风能捕获公式：

$P_{m\max }=\frac{1}{2}{\mathrm{\&rho;\&pi;r}}_m^2{C}_{p\max }{\left(\frac{r_m}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{out}}}\right)}^3\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^3$

式中：P_mmax为风机输出最大功率，ρ为空气密度，近似认为不变，r_m为风力机风轮半径，C_pmax为最大风能利用系数，λ_opt为最优叶尖速比，ω发电机转速；通过最小二乘法获得风机输出功率与发电机转速关系表达式：

$P=k\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^3=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_i\&CenterDot;z}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}^2}\&CenterDot;{\mathrm{\&omega;}}^3.$

4、根据权利要求1所述的控制方法，其特征是通过判断发电机转子电流转矩分量的变化率的大小来判断风速的变化大小。

Images