技术领域本发明涉及物理领域，尤其涉及风力测量和计算，特别是一种风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法。
背景技术：
风力发电机可以采用H型达里厄垂直轴结构形式，其风轮部分结构如图1和图2所示。其采用H型固定翼直叶片2，其叶片2个数为2～4；其各个叶片2与旋转方向的攻角为固定值α。水平横向3连接杆把H型直叶片上的气动力转变为作用在风轮中心发电机转子上的转矩。把叶片3在叶片几何中心旋转扫掠面上的径向投影面积占整个扫掠面的比定义为实度SD，一般风力发电机组的实度SD≤0.3。风轮叶片中心线4的扫掠圆(圆柱)的半径为R，叶片高度为H，扫掠面的垂直投影面积为：A＝2R·H把风力发电机组叶片旋转线速度和风速的比定义为尖速比TSR；风力发电机组运行风速范围为从切入风速到额定风速，再到切出风速，例如典型数据有：切入风速为3m/s，额定风速为12m/s，切出风速为20m/s。风力发电机组在切出风速之下的任一恒定风速V下，风轮转速和输出机械转矩之间的关系曲线具有如下特点：1.在某一尖速比TSRTmax下，即风轮转速为NTmax＝9.55·V/R·TSRTmax时，风轮输出机械转矩达到最大Tmax，该工作点称为最大转矩点；2.在尖速比位于0～TSRTmax之间，即风轮转速位于0～NTmax，风轮输出机械转矩存在一个最低点(TSRTmin，Tmin)，一般该点Tmin＜Tmax/4；TSRTmin对应的风轮转速为NTmin＝9.55V/R·TSRTmin；3.风轮空载时转速达到最高，为N0，N0大于NPmax；4.在某一尖速比TSRPmax时，即风轮转速为NPmax＝9.55V/R·TSRPmax，风轮输出功率达到最大Pmax；NPmax＞NTmax，该工作点称为最大功率点，此时的尖速比可以称为最优尖速比；5.在NTmin和NTmax之间，风轮输出转矩单调增加；6.在NTmax和N0之间，风轮输出转矩单调减小；上述转速N和机械功率T的关系曲线示意图见图3，称为转速转矩特性曲线。当恒定风速取不同值，可以得到一组转矩和转速特性曲线。例如图4所示，表示的是不同风速分别为V1、V2、V3、V4(V1＜V2＜V3＜V4)时的一组转速转矩特性曲线。各恒定风速下的转速转矩特性曲线上的最大功率点连起来，就可以得到最优转速转矩跟踪曲线。在额定风速之下，如果风力发电机组的发电机电磁制动转矩能实时迅速跟踪测得的实时转速在该最优转速转矩跟踪曲线上的转矩函数值，则该风力发电机组可以在尽可能多地输出机械功率，进而尽可能多地发出电功率。假设V3为额定风速，则额定功率之下的最优转速转矩跟踪曲线如图4粗实线部分所示。在额定风速之上，如果继续跟踪最优转速转矩跟踪曲线，则会导致需要发电机给出的电磁制动转矩大于其设计最大值，导致风力发电机组不受控。因此，在额定风速之上不再跟踪最优转速转矩跟踪曲线，而是通过保持或者降低风力发电机组的转速，使得风力发电机组不工作在最优尖速比附近，叶片在大部分时间处于失速运行状态，风力发电机组从风获取的能量减小，可以利用恒定风速下转速转矩特性在低转速下转矩下降的特点，使得在风速较大时风力发电机组的转矩能够保持在较低值，并且该较低值低于发电机的设计最大转矩值，从而保证风力发电机组能够在额定风速之上，切出风速之下安全运行。为了能够在额定风速之下风力发电机组运行于最大功率输出的状态，需要得到最优转速转矩跟踪曲线；而根据上述分析为了得到最优转速转矩跟踪曲线，就需要知道每个恒定风速下的转速转矩特性曲线。实际上，一台垂直轴风力发电机组设计和制造完成之后，其每个恒定风速下的转速转矩特性和最优转速转矩跟踪曲线是实际存在的固有特性，只是不能仅仅通过设计和计算准确得出，需要通过实际测量才能获得和对设计值加以验证。而在实践中，在自然环境中没有恒定的风速和风向，也就不能直接测量恒定风速下的转速转矩特性。在风洞环境，可以人工制造恒定风速，但是受到风洞大小和填塞效应的影响，大一些的垂直轴风力发电机组也不能通过风洞试验得到准确结果。风力发电机组的同一个型号的安装地点通常不固定于一个地方，其环境也随时节变化，因此在特定场地特定环境得到的转速转矩特性曲线和最优转速转矩跟踪曲线受不同气候和地形的影响会发生变化，因此跟踪一条固定的最优转速转矩跟踪曲线可能会导致该型号风力发电机组在不同于试验地和不同气候环境条件下不能最大地发出电能。因此需要找到一种方法，能够使得风力发电机组能够在自然实际风场中运行时自适应地跟踪其最优转速转矩跟踪曲线以及得到该最优转速转矩跟踪曲线。
技术实现要素：
本发明是要提供一种风力发电机组的最大功率跟踪控制方法，使得风力发电机组能够在自然实际风场中运行时自适应地跟踪并获得最优转速转矩跟踪曲线。本发明的技术方案是采用如下步骤方法：步骤(1)风力发电机组需要优化输出功率的风速段一般为从切入风速V1到额定风速V2。从切入风速V1额定风速V2的总的风速区间划分成0.5m/s宽度的风速小区间，该些风速小区间从低到高顺序标号。这样，从切入风速V1到额定风速V2总的风速区间可以划分为IMAX个0.5m/s宽度的风速小区间，IMAX＝int(2·V2+0.5)-int(2·V1+0.5)+1，int()为取整函数；当风力发电机组运行一个周期T1后，设其T1周期内的平均风速为VSX，则该运行周期对应的风速小区间标号IX通过下式得到：IX＝int(2·VSX+0.5)-int(2·V1+0.5)+1为了存储对应到每个风速小区间的数据，开设如下宽度为IMAX的数组；KX()——存储对应到每个风速小区间的变形系数，初始值为1.0；VSX()——存储对应到每个风速小区间的平均风速值，初始值为0；PJSXZ()——存储对应到每个风速小区间的折算后的净输出功率值，初始值为0；NSXZ()——存储对应到每个风速小区间的平均转速值的折算值，初始值为0；NN()——存储对应到每个风速小区间的优化次数，初始值为0；FB()——存储对应到每个风速小区间的优化扰动方向标志，初始值为1；设定初始变形系数KXP＝1.0，并转至下一步骤。步骤(2)根据KXP的值得到参考转速转矩跟踪曲线的变形曲线为：T＝CK(KXP·N)2(1)其中系数CK＝6.716×10-3·A·(R/TSR)3·CP(2)R为风轮叶片的扫掠面半径；A为风轮叶片扫掠面在来风方向垂直面上的投影面积；TSR为参考尖速比，取值范围为：2.0～3.0CP为参考功率系数，取值范围为：0.1～0.25尖速比是指风力发电机风力发电机叶片外侧线速度和风速的比；功率系数是指风力发电机组的净输出电功率与自由气流通过风轮扫掠面的风能的比值。净输出电功率，简称输出功率，对离网型风力发电系统而言，是指充电控制器输出端的电能；对并网型风力发电系统而言，是指变流器输出端并入电网的电能；公式(1)的推导过程为：在某一风速V下，当尖速比为TSR时风力发电机组风轮的转速设为N，则N＝V·TSR/R·9.55(3)V＝NR/(9.55TSR)(4)在某一风速V下，当功率系数为CP时风力发电机组的输出功率为：P＝0.5×1.225A·V3·CP(5)其对应的转矩为：T＝P/N·9.55(6)根据把公式(4)代入公式(5)，然后再把公式(5)代入(6)，可得：T＝6.716×10-3A·(R/TSR)3·CP·N3/N＝CK·N2，(7)其中CK＝6.716×10-3·A·(R/TSR)3·CP(2)公式(2.7)的所表示的是一个函数，通过对自变量N乘以一个系数KXP得到参考转速转矩跟踪曲线的变形曲线，该变形曲线表示为T＝CK·(KXP·N)2(1)KXP是一个变量，称为变形系数，其取值范围为0.5～2.0；以上为公式(1)的推导过程。风力发电机组运行时，实时测量风力发电机组的风轮转速N，然后通过公式(1)得到转矩指令值T，接着控制风力发电机组实际输出转矩TL跟踪该转矩指令值T运行。转至下一步骤；步骤(3)风力发电机组按步骤(2)方法控制运行T1周期，按周期T2周期性测量和获取该T2周期的实时风速值，实时转速值和实时输出功率值，T1＝m·T2，m是不小于50的正整数，T1>>T2；风力发电机运行T1周期，得到m个T2周期的实时风速值，实时转速值和实时输出功率值的平均值VSX、NSX和PSX，并同时获取该T1周期内第一个T2周期的实时转速值NS和该T1周期内最后一个T2周期的实时转速值NE；然后，通过下式计算得到该T1周期内的动能释放功率PDSX：PDSX＝0.5J((NS/9.55)2-(NE/9.55)2)其中J为风轮转动部分的转动惯量；该T1周期内由风轮转动部分动能变化释放的输出功率值，定义为动能释放功率PDSX。定义在T1内风轮从风吸收的平均净输出功率PJSX；再通过下式计算得到该T1周期内的风轮从风吸收的平均净输出功率PJSX：PJSX＝PSX-PDSX通过下式计算得到该T1周期平均风速VSX所属0.5m/s风速宽度区间的风速中值VS：VS＝int(2·VSX+0.5)/2int()为取整函数；再通过下式把PJSX折算到风速中值VS对应的平均净输出功率PJSXZP：PJSXZP＝PJSX(VS/VSX)3通过下式把NSX折算到风速中值VS对应的平均净输出功率NSXZP：NSXZP＝NSX(VS/VSX)用来存储代表不同的风速区间的数组标号IX，可以通过下式得到：IX＝int(2·VSX+0.5)-int(2·V1+0.5)+1转至下一步骤；步骤(4)步骤(5)步骤(6)步骤(7)如果风力发电机总的连续运行时间超过某设定值，即经过长时间持续不断优化，KX(IX)和NSXZ(IX)中存储有最优化的每个风速小区间的变形系数和运行平均转速，按照下式计算得到TX(IX)：TX(IX)＝CK(KX(IX)·NSXZ(IX))2，IX＝1,2,…，IMAX从而可以得到一组数据点(NSXZ(IX),TX(IX))该数据点连接起来的折线即为最优转速转矩跟踪曲线；转到步骤(2)循环运行。本发明的有益效果是：本发明的方法能够使得风力发电机组能够在自然实际风场中运行时自适应地跟踪和获得其最优转速转矩跟踪曲线。附图说明图1为垂直轴风力发电机组风轮部分的俯视图；图2为垂直轴风力发电机组风轮部分的侧视图；图3为任一恒定风速下的转速转矩特性曲线图；图4为不同风速下的转速转矩特性曲线和最优转速转矩跟踪曲线图；图5为用变形曲线拟合最优转速转矩跟踪曲线的示意图；图6为参考转速转矩跟踪曲线图；图7为一组用于拟合最优转速转矩跟踪曲线的参考转速转矩曲线的变形曲线。具体实施方式本发明的风力发电机组自适应最大功率跟踪控制方法具体实施介绍如下：设定待测风力发电机组的参考尖速比和参考功率系数，再根据参考尖速比和参考功率系数确定参考转速转矩跟踪曲线及其变形曲线。待测风力发电机组的参考尖速比TSR和功率系数CP，可以通过如下三种方法确定：(1)通过数值计算，计算得到额定风速下输出功率最大时的风速V、转速N和输出功率P，从而得到TSR＝N/9.55*R/V和CP＝P/(0.5×1.225A·V3)；(2)采用相近系列风力发电机组额定点的最优尖速比和最优功率系数。(3)直接设定TSR＝3.0，CP＝0.1。额定风速V2是指风力发电机组最大功率输出的特定风速；切入风速V1是指风力发电机组开始发电时，轮毂高度处的最低平均风速；功率系数CP是指风力发电机组的净输出电功率与自由气流通过风轮扫掠面的风能的比值。净输出电功率，简称输出功率，对离网型风力发电系统而言，是指充电控制器输出端的电能；对并网型风力发电系统而言，是指变流器输出端并入电网的电能。把风力发电机组需要优化输出的功率的风速段设为{V|V1＜V＜V2