專利名稱：一種風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及風力發(fā)電領域，尤其是一種風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法。
背景技術：
風力機的最大功率跟蹤是指在額定風速以下，通過調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn)速，使其隨著風速的變化而變化，從而使風力機保持在最佳葉尖速比狀態(tài)，將風能利用系數(shù)保持在最大值，獲得最大功率輸出的方法。最大風能跟蹤(MPPT)是風力發(fā)電的核心問題，但風能的跟蹤的特性是由風力機決定的。因此無論是那種風力機，其風能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風能跟蹤控制主要有最優(yōu)葉尖速比法、功率信號反饋法、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法、爬山法。最佳葉尖速比通過測量的風速計算出對應的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩使風機維持在最優(yōu)轉(zhuǎn)速運行。該方法主要問題在于不能夠精確的測量出實際風速大小。最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法為通過給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、功率曲線，通過測量的轉(zhuǎn)速進行給定功率和轉(zhuǎn)矩的方法，該方法的主要問題在于最優(yōu)轉(zhuǎn) 速與轉(zhuǎn)矩、功率曲線難以得到。另一個問題是隨著風機的運行時間變長，葉片變形等原因會導致風機特性變化，從而使得原本給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、功率曲線不再是最優(yōu)曲線。爬山法是對風機的轉(zhuǎn)速控制的指令值以一定的轉(zhuǎn)速擾動值Λ ω,然后觀察風車的功率變化。如果功率增加，則風車轉(zhuǎn)速的擾動方向不變，如果功率減小，則將風車轉(zhuǎn)速的擾動反向。申請?zhí)枮?01110173155.1的中國專利申請對該爬山法方法進行了改進，該專利算法不僅繼承了變步長爬山法快速搜索至MPP附近的優(yōu)點，還具有最大功率點(MPP)檢測和停止機制。在風機跟蹤至MPP附近時，該機制不僅可以有效降低轉(zhuǎn)速振蕩對風機系統(tǒng)機械部件的磨損，更克服了算法停止機制生效后風速再次變化時對搜索方向判斷的干擾，從而進一步提高了風能捕獲效率。該方法問題在于它適用于慣性很小的小型風力發(fā)電系統(tǒng)，對于慣性較大的大型風力機系統(tǒng)，由于風力機具有較大的轉(zhuǎn)動慣量，系統(tǒng)的時間常數(shù)較長，使得該方法對大型的風力機組無法進行有效的控制。申請?zhí)枮?00610097565.1的中國專利申請采用了初始狀態(tài)根據(jù)原始最大功率曲線對風機進行功率信號反饋控制，風速變化較小時采用爬山法尋優(yōu)控制，通過轉(zhuǎn)速擾動獲得當前風速下的最大輸出功率和對應的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)原始的最大功率曲線和新加入的數(shù)據(jù)點，獲取修正后的最大功率曲線。風速變化較大時采用修正后的最新功率曲線，對系統(tǒng)采用功率信號反饋控制。該方法對于風場的風速狀況要求較高，尤其是機組容量越大，風輪慣性越大，使用爬山法控制風機達到平衡所需的延時時間越長，通常爬山法控制系統(tǒng)達到穩(wěn)定所需時間是查表法達到穩(wěn)定所需時間的5倍左右。對于一些風速湍流度較高的A類風場，使用該方法進行功率曲線修正的難度比較大。故，需要一種新的技術方案以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法可采用如下技術方案:一種風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法，包括如下步驟:(I)、通過反饋轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算出確切的發(fā)電機功率值，通過功率和最佳葉尖速比對應的功率因素計算出風速；(2)、轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)；(3)、采用統(tǒng)計平均爬山法，對最小變槳角度對應的最佳葉尖速比值進行校正，通過統(tǒng)計平均爬山法校正最小葉片角度βο對應最佳葉尖速比方法為:在風機運行過程中，對規(guī)定好采樣范圍內(nèi)的計算風速和相應葉尖速比所對應的值進行統(tǒng)計，采樣統(tǒng)計達到預計的規(guī)模后進行平均計算；第一次統(tǒng)計完成后對行擾動，重復統(tǒng)計過程
并計算后與前面的統(tǒng)計值進行比較，選取更優(yōu)的值。統(tǒng)計出最優(yōu)運行一段時
間后重新進行該統(tǒng)計校驗過程，重新獲取λ_ _β。最優(yōu)值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明解決的問題有:1、如何得到精確的風速來調(diào)節(jié)風機，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下； 2、如何增加風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下的風速范圍；
3、在最佳葉尖速比值不確定或者隨著葉片長時間運行變形后如何確定風機0°角對應的最佳葉尖速比值。


圖1是本發(fā)明中功率因素和葉尖速比關系隨槳距角變化的曲線簇的圖。圖2是本發(fā)明中風機理想狀態(tài)運行曲線圖。圖3是本發(fā)明最佳葉尖速比追蹤控制策略流程圖。圖4是本發(fā)明中最小角度下最佳葉尖速比統(tǒng)計平均爬山法校正流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領域技術人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。(I)通過反饋轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算出確切的發(fā)電機功率值，通過功率和最佳葉尖速比對應的功率因素計算出風速。(2)轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)。(3)采用統(tǒng)計平均爬山法，對最小變槳角度對應的最佳葉尖速比值進行校正。在本發(fā)明中，披露了一種通過計算獲取當前風速的方法，使用該風速可以更準確的對風機進行最佳葉尖速比追蹤控制。從空氣動力學中我們可知風輪吸收的功率Pe與風速V的關系如下:Ps = Cp⑴其中A為風輪掃掠面面積，P為空氣密度，Cp為功率因素。其中Pe可以通過電力測量模塊來獲取，為了保證計算的精確，本發(fā)明提出使用變頻器的當前反饋轉(zhuǎn)矩Te和當前發(fā)電機轉(zhuǎn)速來進行計算。Pe=Te* ωr⑵從公式(1)、(2)來求取風速值還需要知道當前狀態(tài)下的Cp的大小，而實際上Cp的大小是未知的，所以假定風機當前運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，則可以確定Cp為當前變槳角度β下的功率因素最大值Cp max 0。聯(lián)立公式(I)、(2)后可以得到計算風速為Ucount = ^/2 * Ts.* Wr/(Cp_max _β* P* 4〕 (3)在本發(fā)明中，揭露了如何增加風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下的風速范圍。從圖1中可以看出，隨著變槳角度的增加,最大功率因素對應的最優(yōu)葉尖速比也逐漸的增加。葉尖速比計算公式為:其中ω為風機葉片角速度，R為風機葉片轉(zhuǎn)動半徑，V為風速。對于不同風機，并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速范圍基本恒定，通常的控制方法在最大功率追蹤階段均不變槳。由于轉(zhuǎn)速范圍的限制，最大功率追蹤風速范圍也就確定了。本發(fā)明中提出在小風下，風機運行恒最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速階`段時，根據(jù)計算風速進行變槳控制，從而改變功率因素與最佳葉尖速比關系曲線。從公式(4)可知，隨著最佳葉尖速比值的增加，最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速不變的情況下，實現(xiàn)最佳葉尖速比追蹤的風速更小，從而達到增加風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下的風速范圍的目的。在本發(fā)明中，披露了最佳葉尖速比追蹤控制策略分為兩個部分。按照圖2中的風機理想運行曲線劃分進行說明，其中AB階段為恒轉(zhuǎn)速階段，BC階段為恒定槳距角下的最佳葉尖速比追蹤階段。在AB階段，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來維持轉(zhuǎn)速恒定，通過調(diào)節(jié)槳距角來保證風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，而BC階段，槳距角恒定在最小葉片角度β ο位置，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩指令來改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速保證風機運行于最佳葉尖速比狀態(tài)。在本發(fā)明中，披露了一種通過統(tǒng)計平均爬山法校正最小葉片角度Ptl對應最佳葉尖速比值？的方法，在風機運行過程中，對規(guī)定好采樣范圍內(nèi)的計算風速和相應葉尖速比所對應的值進行統(tǒng)計，采樣統(tǒng)計達到預計的規(guī)模后進行平均計算。第一次統(tǒng)計完成后對行擾動，重復統(tǒng)計過程并計算后與前面的統(tǒng)計值進行比較，選取更優(yōu)的
值。統(tǒng)計出最優(yōu) 行一段時間后重新進行該統(tǒng)計校驗過程，重新獲取 ^料_0<3最優(yōu)值。下面再結(jié)合附圖給出實施例。
風力機將機械能(Pm)轉(zhuǎn)換為電能(Pm)的系數(shù)Cp = #，而Cp同樣是葉尖速比入
與槳距角β的函數(shù)。即同樣可以講功率因素表示為Cp = f (λ、β)，三者之間的關系可以通過圖1中的曲線看出，對于每一個確定的槳距角β均有一個Cp的最大點Cp max e與之對應存在一個最佳葉尖速比0。因此，在某一風速下通過調(diào)節(jié)變槳角度或者調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速可以實現(xiàn)最佳葉尖速比追蹤的目的。本發(fā)明按照圖2所示的將最大功率追蹤控制分為兩個部分，一個部分通過調(diào)節(jié)槳距角來實現(xiàn)風機運行在最佳葉尖速比條件下，另一個部分通過調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)速使其運行在最佳葉尖速比條件下。下面結(jié)合圖3描述本發(fā)明的通過控制風機運行在最佳葉尖速比條件下來完成最大功率追蹤的過程。I)、對最佳葉尖速比的最大功率追蹤控制進行初始化，初始化內(nèi)容包括反饋轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、功率因素，輸出的轉(zhuǎn)矩、槳距角指令值。2)、根據(jù)表格選取當前角度下最優(yōu)葉尖速比λ _所對應的Cp max值代入公式(3)計算出當前的計算風速Vraunt。3)、使用Vraunt和實際轉(zhuǎn)速 W1 通過公式(4)計算當前時刻的葉尖速比λ-4)、比較當前時刻的葉尖速比λ ^與對應的槳距角為0°最佳葉尖速比λ ^。若入λ。進入調(diào)節(jié)的第8)步。若λ r< λ 0進入調(diào)節(jié)的第5)步。5)、以1° /s的速度將槳距角向0°調(diào)節(jié)。根據(jù)公式(1)，通過入_和\_計算出最優(yōu)目標轉(zhuǎn)速ωΜ 。6)若實際轉(zhuǎn)速^大于ω ref,通過PI調(diào)節(jié)增加轉(zhuǎn)矩指令值TMf。若^小于ω ref,通過PI調(diào)節(jié)減小轉(zhuǎn)矩指令值TMf。7)轉(zhuǎn)速變化后重復步驟2)、3)、4)。直至風機計算風速與轉(zhuǎn)速之間的比例達到比例關系為的平衡狀態(tài)。8)通過PI調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩指令值TMf維持轉(zhuǎn)速恒定在最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速。9)查表求葉尖速比λ r是最佳葉尖速比所對應的槳距角值，使用該查表槳距角值作為目標槳距角值β%進行變槳調(diào)節(jié)。10)槳距角變化后重復步驟2)、3)、4)。直至風機達到計算風速、轉(zhuǎn)速、槳距角三者達到平衡狀態(tài)。對于大功率的機組，由于轉(zhuǎn)動慣量過大，使用爬山法實時的對最佳葉尖速比進行追蹤不容易能達到平衡狀態(tài)從而得到一個確定的最優(yōu)值，同時不停的進行動態(tài)擾動導致轉(zhuǎn)速振蕩會加深機械部件的磨損，影響風機的運行壽命。本發(fā)明提出了一種統(tǒng)計爬山法，即通過統(tǒng)計一定范圍內(nèi)的值求取平均值，對最佳葉尖速比值進行擾動后再進行統(tǒng)計比較，從而得到合適的用于風機控制的最佳葉尖速比值。下面結(jié)合圖4對該方法進行描述:I)、對校正恒定角度下最佳葉尖速比值的控制進行初始化，初始化包括最佳葉尖速比初始值，采樣的規(guī)模，采樣的計算風速范圍=vmid±0.1，采樣點的葉尖速比范圍，葉尖速比擾動等。2)、對所有計算風速位于計算風速范圍內(nèi)，同時相應的葉尖速比位于采樣葉尖速比范圍內(nèi)的值進行記錄，記錄的內(nèi)容包括:計算風速、當前的功率。3)、統(tǒng)計規(guī)模達到了所設定的統(tǒng)計規(guī)模后存儲該風速平均值和功率平均值，計算出相應的風能吸收效率,=4)、給最佳葉尖速比一個步長的擾動，重復步驟2)、3)。比較兩次統(tǒng)計的風能吸收效率K1.K2。5)、若1 >K2則向相反的方向進行擾動，并重復步驟2)、3)、4)。若K1 < K2則向相同的方向進行擾動，并重復步驟2)、3)、4)。6 )、當正向擾動和反向擾動均較當前的風能吸收效率小，則選定當前的葉尖速比作為最優(yōu)葉尖速比進行控制。7)、確定好一次最優(yōu)葉尖速比運行一年后再重復步驟2)、3)、4)、5)、6)，調(diào)整新的最佳葉尖速比值。本發(fā)明按照優(yōu)選實施例進行了說明，應當理解，但上述實施例不以任何形式限定本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)?！?br> 權(quán)利要求
1.一種風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)、通過反饋轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算出確切的發(fā)電機功率值，通過功率和最佳葉尖速比對應的功率因素計算出風速； (2)、轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)； (3)、采用統(tǒng)計平均爬山法，對最小變槳角度對應的最佳葉尖速比值進行校正，通過統(tǒng)計平均爬山法校正最小葉片角度β ο對應最佳葉尖速比值的方法為:在風機運行過程中，對規(guī)定好采樣范圍內(nèi)的計算風速和相應葉尖速比所對應的值進行統(tǒng)計，采樣統(tǒng)計達到預計的規(guī)模后進行平均計算；第一次統(tǒng)計完成后對行擾動，重復統(tǒng)計過程并計算后與前面的統(tǒng)計值進行比較，選取更優(yōu)的1!3__卩<3值。統(tǒng)計出最優(yōu)1__&運行一段時間后重新進行該統(tǒng)計校驗過程，重新獲取1_^卩(3最優(yōu)值。
2.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法，其特征在于:所述步驟(I)中風速的計算方法為為: 功率匕與風速V的關系為:e Pe = iCpjOil 3;其中A為風輪掃掠面面積，P為空氣密度，Cp為功率因素；使用變頻器的當前反饋轉(zhuǎn)矩Te和當前發(fā)電機轉(zhuǎn)速來進行計算IVPe= Tg*o^;設(；為當前變槳角度β下的功率因素最大值Cpmax e ;得到計算風速為:
3.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法，其特征在于:步驟(2)中轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)的方法為:葉尖速比λ計算公式為:Il = 其中ω為風機葉片角速度，R為風機葉片轉(zhuǎn)動半徑，V為風 V速；隨著最佳葉尖速比值的增加，最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速不變的情況下，實現(xiàn)最佳葉尖速比追蹤的風速更小，從而達到增加風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)下的風速范圍的目的。
4.如權(quán)利要求1所述的風力發(fā)電機組最佳葉尖速比跟蹤控制方法，其特征在于:步驟(2)中轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)的方法為:風機位于恒轉(zhuǎn)速階段時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩來維持轉(zhuǎn)速恒定，通過調(diào)節(jié)槳距角來保證風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)；風機位于恒定槳距角階段時，槳距角恒定在最小葉片角度Ptl位置，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩指令來改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速保證風機運行于最佳葉尖速比狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及風機在低風速如何能夠調(diào)節(jié)使風機運行在最佳葉尖速比條件下，同時對最佳葉尖速比值進行定期的自動校正的方法，屬源網(wǎng)協(xié)調(diào)技術領域。本發(fā)明包括以下步驟通過反饋轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算出確切的發(fā)電機功率值，通過功率和最佳葉尖速比對應的功率因素計算出風速。轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角，使風機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)。采用統(tǒng)計平均爬山法，對最小變槳角度對應的最佳葉尖速比值進行校正。采用本發(fā)明的方法，解決了既有方法存在的問題。
文檔編號F03D7/00GK103244350SQ20131015804
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月2日
發(fā)明者鄔昌明, 邵宜祥, 王長寶, 王文卓, 胡麗萍, 曾雨竹, 蔡國洋 申請人:國電南瑞科技股份有限公司