带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法

本发明涉及风力发电机组控制，尤其是涉及一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法。

背景技术：

1、水平轴升力型风电机组具有唯一的最佳叶尖速比，当机组叶尖线速度和风速维持最佳叶尖速比这一固定比值时，风能捕获效率最高。

2、风电机组最大功率跟踪技术包括最佳叶尖速比控制、最优转矩控制(含转速-转矩查表控制)和功率信号反馈控制、爬山搜索法。其中爬山搜索法需要不断施加扰动，更适用于小容量风电机组。最优转矩控制和功率信号反馈控制在风能捕获效率、机组并网有功波动、机组轴系机械载荷方面达到较好的平衡，综合性能较优，被兆瓦级风电机组广泛采用，但是这两项最大功率跟踪控制技术均需要用到最优转矩系数，最优转矩系数理论上是由风力机特性决定的一个常数，但实际上最优转矩系数会随着环境空气密度改变或风力机老化导致的气动特性劣化而发生变化，在风电机组功率跟踪的稳态特性上会导致风力机静态工作点偏移，在风电机组功率跟踪的动态特性上也会产生不利影响。因此最优转矩控制和功率信号反馈控制无法很好的适应机组性能退化和环境空气密度变化，在发生这些情况时会损失风能捕获效率。

3、最佳叶尖速比控制以水平轴升力型风力机最大功率跟踪控制的基本原理为基础，它从原理上具备对机组性能退化和环境空气密度变化的适应性。常规最佳叶尖速比控制检测风电机组风轮平面附近的实时风速v，按照最佳叶尖速比计算风力机的最优转速，并直接以此作为风力机转速的参考值，通过与转速实测值构造转速闭环并输出发电机转矩参考值，但是无论转速闭环pi调节器的参数如何调节，都会在大型风电机组上产生巨大的转矩波动、轴系载荷和功率波动。虽然风能捕获效率略高于最优转矩控制和功率信号反馈控制，但是常规最佳叶尖速比控制应用于兆瓦级机组时机组并网有功波动幅度巨大、机组轴系机械载荷巨大，因此无法实际应用。

4、现有方案大多是常规的最佳叶尖速比控制，其直接根据风速求取转速参考值，并采用转速闭环得到发电机转矩指令。常规最佳叶尖速比控制应用于小功率风电机组时控制效果尚可接受，但常规最佳叶尖速比控制应用于兆瓦级机组时，机组并网有功波动幅度巨大、机组轴系机械载荷巨大，因此无法实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，针对大功率风电机组提供一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，以提高风能捕获效率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供了一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，包括如下步骤：

4、基于风电机组的实时风速以及最佳叶尖速比，获取发电机理论最优转速参考值，将所述发电机理论最优转速参考值输入低通滤波器中，经滤波并限幅后获取发电机实际转速参考值，实现参考转速动态修正；

5、基于所述发电机实际转速参考值以及发电机的实际转速，构造转速闭环控制并计算发电机转矩参考值，基于所述发电机转矩参考值施加发电机转矩控制，通过转速控制和转矩控制实现叶尖速比控制。

6、作为优选的技术方案，所述的实时风速的获取包括如下步骤：

7、获取来自测风装置的风速信息，通过延迟算法获取所述实时风速。

8、作为优选的技术方案，所述的延迟算法采用下式实现：

9、

10、其中，v为实时风速，vpre为测风装置测得的风速，tpre是测风装置测量风速所在平面传递至风轮平面所需的时间，s表示复频率。

11、作为优选的技术方案，所述的限幅具体为：

12、以发电机额定转速作为限幅上限值，以发电机并网转速作为下限值进行限幅。

13、作为优选的技术方案，所述的发电机理论最优转速参考值的获取包括如下步骤：

14、基于风电机组的实时风速以及最佳叶尖速比，获取理想的风力机最优转速参考值；

15、基于所述风力机最优转速参考值和传动系统齿轮箱的变速比，获取发电机理论最优转速参考值。

16、作为优选的技术方案，基于风电机组变流器实现发电机转矩控制。

17、作为优选的技术方案，所述的低通滤波器的表达式为：

18、

19、

20、

21、其中，jeq为风电机组标幺化的等效转动惯量，ωg-pu是风电机组中发电机转速的标幺值，kopt是由风力机参数决定的系数，kopt是由风电机组参数决定的常系数，ρ为空气密度，r为风力机桨叶半径，cpmax为风力机的最大风能利用系数，λopt为最佳叶尖速比。

22、作为优选的技术方案，所述的等效转动惯量采用下式获取：

23、

24、

25、

26、其中，jeq为风电机组标幺化的等效转动惯量，ωtb为风力机的额定转速，ωgb＝ngbωtb为发电机的转速基准值，ngb为传动系统中齿轮箱的变速比，pb为风电机组额定功率，jt为风力机的转动惯量有名值，jg为发电机转动惯量的有名值。

27、作为优选的技术方案，风电机组中发电机的转速标幺值采用下式获取：

28、

29、其中，ωg-pu为风电机组中发电机的转速标幺值，ωg为发电机的实际转速，ωgb＝ngbωtb为发电机的转速基准值。

30、作为优选的技术方案，所述的低通滤波器为时间常数可变的一阶低通滤波器，滤波器的输出的计算过程包括：

31、计算低通滤波器的输入和反馈得到的低通滤波器输出之差，将差值与可变的滤波时间常数之比输入积分器中，得到滤波器的输出。

32、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

33、(1)针对大功率风电机组，减小有功波动幅度和机组轴系机械载荷：不同于常规的最佳叶尖速比控制在应用于大容量风电机组时存在并网有功波动大、机组轴系机械扭振载荷大的问题，本方法首先基于风电机组的实时风速以及最佳叶尖速比，获取发电机理论最优转速参考值，然后将发电机理论最优转速参考值输入低通滤波器中，经滤波并限幅后获取发电机实际转速参考值最终基于发电机实际转速参考值实现对发电机转速的闭环控制，本方法通过设置低通滤波器获取实际转速参考值，降低风力机静态工作点偏移的影响，通过在转速参考值后增加低通滤波并按照公式设计低通滤波器参数，改进后的最佳叶尖速比控制、最优转矩控制和功率信号反馈控制具有相当的功率波动特性和轴系扭振特性，从而在风能捕获效率、机组并网有功波动、机组轴系机械扭振载荷这三大控制目标之间找到平衡。

34、(2)降低机组性能劣化和空气密度变化对工作点的影响：本方法在内核上属于最佳叶尖速比控制的一种改进控制策略，其继承了水平轴风力机在最佳叶尖速比下风能利用系数最高的基本特性，能够在稳态下获得最佳的叶尖速比和最优的工作转速，从而从自然风速中捕获最多的气动功率，能够发挥最佳叶尖速比控制自动适应机组性能退化和环境变化，例如机组传动系统机械损耗增加、环境空气密度变化，而不至于在这些情况发生时损失发电量。

技术特征：

1.一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的实时风速的获取包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的延迟算法采用下式实现：

4.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的限幅具体为：

5.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的发电机理论最优转速参考值的获取包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，基于风电机组变流器实现发电机转矩控制。

7.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的低通滤波器的表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的等效转动惯量采用下式获取：

9.根据权利要求7所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，风电机组中发电机的转速标幺值采用下式获取：

10.根据权利要求1所述的一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，其特征在于，所述的低通滤波器为时间常数可变的一阶低通滤波器，滤波器的输出的计算过程包括：

技术总结
本发明涉及一种带有参考转速修正的风电机组叶尖速比控制及仿真方法，包括如下步骤：基于风电机组的实时风速以及最佳叶尖速比，获取发电机理论最优转速参考值；将所述发电机理论最优转速参考值输入低通滤波器中，经滤波并限幅后获取发电机实际转速参考值，基于所述发电机实际转速参考值以及发电机的实际转速，构造转速闭环控制并计算发电机转矩参考值，基于所述发电机转矩参考值施加发电机转矩控制。与现有技术相比，本发明既能在风能捕获效率、机组并网有功波动、机组轴系扭振载荷这三大控制目标之间找到很好的平衡，又能适应机组性能退化和环境空气密度变化而不至于在这些情况发生时损失发电量。

技术研发人员：贾锋,王茜,符杨,魏书荣
受保护的技术使用者：上海电力大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16