一种风力发电机组的最大风能捕获方法
【专利摘要】本发明公开了一种风力发电机组的最大风能捕获方法，通过利用间接转速控制器的参数调整项-Δkω2m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差对间接转速控制方法的输出结果进行修正，提高了精度，使得控制效果得到改善。同时，通过前n个周期和后n个周期产能的变化，改变间接转速控制器的参数，更好地反映当前转速需要调整的幅度。综上所述，由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正，本方法改善了由于kopt随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
【专利说明】
一种风力发电机组的最大风能捕获方法
技术领域
[0001] 本发明涉及风力发电机组控制技术领域，特别是涉及一种风力发电机组的最大风 能捕获方法。
【背景技术】
[0002] 风能是一种绿色无污染、可再生的新能源，因此，风能的捕获对于解决环境污染的 能源危机具有重要的意义。近些年来，风电转换技术在世界范围内获得了快速的发展，目 前，采用变速恒频的电力电子技术，在原有定桨距定速风力发电机组的基础上逐步改进得 到了变桨距变速风力发电机。变桨距变速风力发电机组的运行发电状态大致可以分为两个 阶段，低风速段的最大风能捕获阶段和高风速段的恒功率运行阶段。但是，由于风能发电的 电力发电机组本身是非线性时变的大惯性系统，同时，带来强扰动的风速，因此，在低风速 段对于最大风能捕获具有一定的困难。
[0003] 由于在具体实施中，测得的风速是单点风速，而在计算中通常采用平均分布在风 机桨叶上的风速的空间平均值，因此，现有的，在工业上设计低风速段控制算法时，一般不 使用风速作为控制器的输入，而是使用间接转速，工业上设计的间接转速控制方法最后得 到的控制器的输出表达式为：
[0005] 其中，1；为发电机转矩，ω ^为风轮角速度，p为空气密度，R为风轮半径；c p_为 最佳功率系数，λ _为最佳叶尖速比。
[0006] 由上式可知，间接转速控制不使用风速的测量值，且控制方法简单，对于控制器的 运算能力要求不高，但是具有如下缺点：
[0007] 不同的风力发电机组具有不同的1^_值，而且很难准确地获取，尤其是随着风机的 运行和环境的变化，1^_值也会发生变化，因此，该间接转速控制方法的精度不高，使得控制 效果较差。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法，用于改善由于Iccipt 随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法，包 括：
[0010] 选取2η个控制周期；
[0011] 根据所述2η个控制周期内的前η个控制周期产生能量的总和
与后η个控制 周期产生能量的总和
计算最优转速估计值
[0012] 利用所述前η个控制周期的产生能量的总和
与所述后η个控制周期的产生 能量的总和
，确定间接转速控制方法的参数调整项-Λ Ak的符号；
[0013] 获取当前风机叶轮的转速
[0014] 计算所述风机叶轮的转速Oni与所述最优转速估计值的偏差；
[0015] 根据间接转速控制方法和所述间接转速控制器的参数调整项-Akco2niW及所述 风机叶轮的转速与所述最优转速估计值?(/??)的偏差获取发电机转矩T g;
[0016] 其中，η为自然数，m= 2η。
[0017] 优选的，所述计算最优转速估计值具体包括：
[0018] 计算所述前η个控制周期产生能量的总和
和所述后η个控制周期产生能量 的总和
[0019] 判断所述后η个控制周期产生能量的总和
是否大于所述前η个控制周期产 生能量的总和
[0020] 在所述后η个控制周期产生能量的总和
大于所述前η个控制周期产生能量 的总和
：的情况下，则将所述最优转速估计值^加 Δ ω，否则减Λ ω ;
[0021] 其中，Λ ω用来调整所述最优转速估计位?(?/)。
[0022] 优选的，所述计算所述最优转速估计值0(/?)具体为：
[0025] 优选的，所述确定间接转速控制方法的参数调整项- Akco2ni* Ak的符号具体包 括：
[0026] 计算所述前η个控制周期产生能量的
与后η个控制周期产生能量的总
[0027] 若所述前η个控制周期产生能量的总和
与后η个控制周期产生能量的总和
的偏差大于零，则确定Ak的符号为正，否则确定Ak的符号为负。
[0028] 优选的，所述发电机转矩Tg具体为：
[0030] 其中，1；为发电机转矩，P为空气密度，R为风机叶轮半径；c Ρ_为最佳功率系数， λ _为最佳叶尖速比，k为比例控制系数。
[0031] 优选的，所述发电机转矩Tg的参数具体为：
[0032] kopt= 0· 10236, k = -350，Δ k = 50, m = 6。
[0033] 优选的，还包括：
[0034] 设置采样周期和控制周期的时间均为0. 04S。
[0035] 本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法，通过利用间接转速控制器的 参数调整项-Akco 2nW及所述风机叶轮的转速ω n与所述最优转速估计值治(你)的偏差对 间接转速控制方法的输出结果进行修正，提高了精度，使得控制效果得到改善。同时，通过 前η个周期和后η个周期产能的变化，改变间接转速控制器的参数，更好地反映当前转速需 要调整的幅度。综上所述，由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正，本方法改善了由 于让_随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
【附图说明】
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的 介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037] 图1为本发明提供的一种风力发电机组的最大风能捕获方法的流程图；
[0038] 图2为本发明提供的一种计算最优转速估计值的方法的流程图；
[0039] 图3为本发明提供的一种确定间接转速控制方法的参数调整项-△ k ω气中Λ k的 符号的方法的流程图；
[0040] 图4为风力发电机组的运行工作区示意图；
[0041] 图5为风力发电机组的实际动力学模型示意图；
[0042] 图6为本发明提供的一种最大风能捕获结果对比图；
[0043] 图7为本发明提供另的一种最大风能捕获结果对比图；
[0044] 图8为本发明提供另的一种最大风能捕获结果对比图。
【具体实施方式】
[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本 发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护范围。
[0046] 本发明的核心是提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法。
[0047] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和【具体实施方式】 对本发明作进一步的详细说明。
[0048] 图1为本发明提供的一种风力发电机组的最大风能捕获方法的流程图。风力发电 机组的最大风能捕获方法，包括：
[0049] SlO :选取2η个控制周期。
[0050] 选取2η个控制周期，η为自然数，在这2η个控制周期内，发电机转矩1；是保持不 变的。
[0051] Sll :根据所述2η个控制周期内的前η个控制周期产生能量的总和
与后η个 控制周期产生能量的总和
计算最优转速估计值A(W) "
[0052] 在步骤SlO选取了 2η个控制周期之后，根据前η个控制周期产生能量的
与后η个控制周期产生能量的总和作为参数计算得到最优转速估计值，其中， m = 2η〇
[0053] 例如，η = 3时，则在6个控制周期内，前3个控制周期产生能量的总和就为
;前3个控制周期产生能量的总和就
[0054] S12 :利用所述前η个控制周期的产生能量的
与所述后η个控制周期的 产生能量的
，确定间接转速控制方法的参数调整项- Akco2ni* Ak的符号。
[0055] 间接转速控制方法的参数调整项-Λ k ω ^中Λ k的符号需要根据前η个控制周期 的产生能量的
与后η个控制周期的产生能量的
的大小来确定。
[0056] S13 :获取当前风机叶轮的转速ωη。
[0057] S14 :计算所述风机叶轮的转速GJni与所述最优转速估计值A(m)的偏差。
[0058] 根据步骤Sll中计算出的最优转速估计值A(m)和步骤S13中获取的风机叶轮的 转速，计算二者的偏差。
[0059] S15 :根据间接转速控制方法和所述间接转速控制器的参数调整项- Akco2ni以及 所述风机叶轮的转速与所述最优转速估计值A(m)的偏差获取发电机转矩Tg。
[0060] 根据现有的间接转速控制方法，在此基础上，利用间接转速控制器的参数调整 项-Akco 2ni以及所述风机叶轮的转速ω "与所述最优转速估计值心(m)的偏差计算发电机 转矩Tg，最终控制器通过计算得到的发电机转矩Tg控制风轮的转速。
[0061] 本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方法，通过利用间接转速控制器的参 数调整项-Akco2ni以及所述风机叶轮的转速ω "与所述最优转速估计值?(/?)的偏差对间 接转速控制方法的输出结果进行修正，提高了精度，使得控制效果得到改善。同时，通过前 η个周期和后η个周期产能的变化，改变间接转速控制器的参数，更好地反映当前转速需要 调整的幅度。综上所述，由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正，本方法改善了由于 着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
[0062] 图2为本发明提供的一种计算最优转速估计值的方法的流程图。计算最优转速估 计值具体包括：
[0063] S20 :计算所述前η个控制周期产生能量的总和 和所述后η个控制周期产生 能量的总和
[0064] 在选取的2η个控制周期内，分别对前η个周期的产生能量的总和和后η个控制周 期的产生能量的总和进行计算。
[0065] S21 :判断所述后η个控制周期产生能量的总和
是否大于所述前η个控制周 期产生能量的
[0066] 通过步骤S20中计算得到
_即判断后 η个控制周期产生能量的总和是否大于前η个控制周期产生能量的总和。
[0067] S22 :在所述后η个控制周期产生能量的总和
大于所述前η个控制周期产 生能量的
的情况下，则将所述最优转速估计值Λ ω，否则减Λ ω ;其中， Δ ω用来调整所述最优转速估计值0(m)。
[0068；
的情况下，则将最优转速估计值S(W)加 Δ ω ;
不大
的情况下，则将最优转速估计△ ω。其中，△ ω用来调整所述最优转速 估计值顧? ?
[0069] 作为一种优选的实施方式，所述计算所述最优转速估计值A(m)具体为：
[0072] 作为一种优选的实施方式，所述计算所述最优转速估计值々(》)具体为：
[0075] 为了让本领域技术人员更加理解本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方 法，本优选方式给出具体的计算公式。
[0078] 图3为本发明提供的一种确定间接转速控制方法的参数调整项-Λ k ω ^中Λ k的 符号的方法的流程图。确定间接转速控制方法的参数调整项-Akco2ni* Ak的符号具体包 括：
[0079] S30 :计算所述前η个控制周期产生能量的总和
与后η个控制周期产生能量 的总和
的偏差。
[0080] S31 :若所述前η个控制周期产生能量的总和
与后η个控制周期产生能量的
的偏差大于零，则确定Ak的符号为正，否则确定Ak的符号为负。
[0081] 通过步骤S30中对
的偏差的计算，确定Ak的正负号，具体的，当
的偏差大于零，则确定Ak的符号为正的偏差不大于零，贝1J 确定Ak的符号为负。
[0082] 作为一种优选的实施方式，所述发电机转矩Tg具体为：
[0084] 其中，1；为发电机转矩，P为空气密度，R为风机叶轮半径；c Ρ_为最佳功率系数， λ _为最佳叶尖速比，k为比例控制系数。
[0085] 为了让本领域技术人员更加理解本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方 法，本优选方式给出控制器输出的具体公式：
[0087] 其中，1；为发电机转矩，P为空气密度，R为风机叶轮半径；c P_为最佳功率系数， λ _为最佳叶尖速比，k为比例控制系数。
[0088] 作为一种优选的实施方式，所述发电机转矩Tg的参数具体为：
[0089] kopt= 0· 10236, k = -350, Δ k = 50, m = 6。
[0090] 在具体实施中，可以设定k。#= 0· 10236，k = -350, Ak = 50，m = 6,需要说明的 是，并不代表一定是上述取值，可以根据实际情况设定。
[0091] 为了说明本方法的优势，下面给出具体的仿真过程和过程说明。需要说明的是，以 下均是举例说明，并不代表只有这一种实施方式。
[0092] 使用商用的风力发电机仿真软件GH Bladed，对低风速段控制器做仿真验证。
[0093] 图4为风力发电机组的运行工作区示意图。风力发电机组的运行工作区可以分为 两段，低风速段I是最大风能捕获工作区，主要是保持桨距角不变，通过控制发电机转矩， 来维持最优叶尖速比达到提高风能利用率的目标。高风速段II采用恒功率控制，即维持发 电功率平稳，高质量发电，减小对电网的冲击。本发明主要针对低风速段I进行控制器设 置。在图1中，以V 1作为切入风速，以V 2作为额定风速，以V 3作为切出风速。
[0094] 图5为风力发电机组的实际动力学模型示意图。具体建模方法如下：
[0097] 其中，Ta为叶轮转矩（单位N ·πι) ;T ls为低速转矩（单位N ·πι) ; ω g为发电机角速 度（单位rad/s) ;Ths为高速转矩（单位N · m) ;T 为电磁转矩（单位N · m) ; J，J g分别 为叶轮和发电机的转动惯量（单位Kg · m2) ;1和kg分别为叶轮和发电机的外部阻尼（单 位 N · m/ (rad · s)) 〇
[0100] 在具体实施中，Ta~T g,且λ = λ _，Cp ( λ ) = Cpmax,根据空气动力学，
，最后得到：
[0102] 根据间接转速控制方法的输出结果并通过利用间接转速控制器的参数调整 项-Akco2ni以及所述风机叶轮的转速ω "与所述最优转速估计值A(m)的偏差进行修正，得 到本发明提供的控制器输出的具体公式：
[0104] 在仿真过程中，选取 Jr= 4456761Kg .m 2, kr= 45. 52N .m/ (rad .s)，k g= 0· 4N ·ηι/ (rad · s) 〇
[0105] 图6为本发明提供的一种最大风能捕获结果对比图。其中，该图为风机自身1^_未 发生改变时，本发明提供的方法得到的结果Ll与间接转速控制方法得到的结果L2的对比 图。统计结果显示，本发明的算法在400s内产能高出了 0.43%。
[0106] 图7为本发明提供的另一种最大风能捕获结果对比图。其中，该图为风机自身Iccipt 增大50%后，本发明提供的方法得到的结果L3与间接转速控制方法得到的结果L4的对比 图。统计结果显示，本发明的算法在400s内产能高出了 0.62%。
[0107] 图8为本发明提供的另一种最大风能捕获结果对比图。其中，该图风机自身Iccipt 减小50%后，本发明提供的方法得到的结果L5与间接转速控制方法得到的结果L6的对比 图。统计结果显示，本发明的算法在400s内产能高出了 5.8%。
[0108] 综上所述，当随着Iccipt变化时，本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法 在产能效果上都有所提高，因此，在具体实施中，当风机所处环境的变化和自身结构的改变 所引起的Ic cipt改变时，本发明提供的方法可以显著改善功率下降的情况。对于风机实际运 行中获取最大功率，提高经济效益具有较大的意义和应用价值。
[0109] 作为一种优选的实施方式，风力发电机组的最大风能捕获方法，还包括：
[0110] 设置采样周期和控制周期的时间均为〇. 04S。
[0111] 在具体实施中，仿真过程可以根据不同的情况设置采样周期和控制周期的时间， 作为一种优选的实施方式，可以设置采样周期和控制周期的时间均为〇. 04S。
[0112] 以上对本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法进行了详细介绍。本文 中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮 助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不 脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入 本发明权利要求的保护范围内。
【主权项】
1. 一种风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，包括： 选取化个控制周期； 巧 根据所述化个控制周期内的前n个控制周期产生能量的总和I； G与后n个控制周期 A'=] 产生能量的总和计算最优转速估计值; 利用所述前n个控制周期的产生能量的总和S巧与所述后n个控制周期的产生能量 k 二I 的总和Ii巧，确定间接转速控制方法的参数调整项-A k?2m中Ak的符号； k=un 获取当前风机叶轮的转速 计算所述风机叶轮的转速《。与所述最优转速估计值的偏差； 根据间接转速控制方法和所述间接转速控制器的参数调整项-Ak?2mW及所述风机 叶轮的转速《。与所述最优转速估计值fWw)的偏差获取发电机转矩Tg; 其中，n为自然数，m =化。2. 根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，所述计算 最优转速估计值具体包括： 计算所述前n个控制周期产生能量的总和i；巧和所述后n个控制周期产生能量的总 k~l 和 lie; k.二 n 牛I 判断所述后n个控制周期产生能量的总和i；巧是否大于所述前n个控制周期产生能 Ii=巧牛I n 量的总和Z6; 在所述后n个控制周期产生能量的总和￡巧大于所述前n个控制周期产生能量的总 .円' 和^巧的情况下，则将所述最优转速估计值^^^^)加 A ?，否则减A ? ; 其中，A ?用来调整所述最优转速估计值&(W)。3. 根据权利要求2所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，所述计算 所述最优转速估计值^^(/?)具体为：其中，4. 根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，所述确定 间接转速控制方法的参数调整项-A k ?2。中A k的符号具体包括： 计算所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和 克二-I X6的偏差； &=肿I 若所述前n个控制周期产生能量的总和巧与后n个控制周期产生能量的总和I；巧 .克=1 k=n+\. 的偏差大于零，则确定Ak的符号为正，否则确定Ak的符号为负。5. 根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，所述发电 机转矩Tg具体为：其中，P为空气密度，R为风机叶轮半径；Cpm。、为最佳功率系数，入。Pt为最佳叶尖速比， k为比例控制系数。6. 根据权利要求5所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，所述发电 机转矩Tg的参数具体为： kept二 0. 10236, k 二-350，A k 二 50, m 二 6。7. 根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法，其特征在于，还包括： 设置采样周期和控制周期的时间均为0. 04S。
【文档编号】F03D9/00GK105986962SQ201510066409
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月9日
【发明人】叶杭冶, 王青, 韩超, 杨秦敏, 孙勇
【申请人】浙江运达风电股份有限公司