专利名称：一种变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法，属于风力发电机组 控制领域。
背景技术：
风能是一种清洁的可再生能源，随着全球温室效应的加剧、化石能源的日益枯竭 及风力发电技术的日益成熟，全球各国都加快了开发利用风能的步伐。风力发电技术已经 从恒速恒频发展到变速恒频，后者相对于前者的优点之一是通过对风电机组的转速控制， 可以实现风力发电系统的最大风能跟踪，提高风能利用率。Kazmi Syed Muhammad Raza 等 在((Proceeding of the 2008International Conference Electrical Machines))(第 18 届国际电机会议论文集)(2008 年，第 1-6 页) 上发表的"A Novel Algorithm forFast and Efficient Maximum Power Point Tracking of Wind EnergyConversion Systems”(一种新型快速有效的风力发电系统最大功率跟 踪方法)研究了一种改进型的爬山法方法，其运用爬山法实现最大风能跟踪并记录一个 功率-转速立方比，该功率-转速立方比是决定爬山法步长的大小和方向的一个变量， 并未记录多个功率_转速立方比或对其进行修正，并未把其运用于功率信号反馈控制，未 利用功率信号反馈法的优点。CH. Patsios等在《39th IEEE annual powerelectronics specialists conference))(第39届国际电力电子技术专家会议)(2008年，第1749-1754 页)发表的"A Hybrid Maximum PowerPoint Tracking System for Grid-Connected Variable SpeedWind-Generators”(一种混合的并网型变速风力发电机的最大功率跟踪系 统)文中研究了一种将转矩信号反馈法与扰动观察法相结合的最大风能跟踪控制方法，其 先按原始最佳转矩-转速曲线控制风电机组，当给定转矩与风电机组实际转矩差在一定范 围后再用扰动观察法寻找基于实际运行环境的最大功率点，该方法虽然能够实现基于实际 运行环境的最大风能跟踪，但该方法需已知最佳转矩-转速曲线，未对搜索到的最大功率 点进行在线记录及对原有特性曲线进行修正。张兴等公开的“风力发电最大功率点跟踪控制方法”(中国，
公开日2007年5月9 日，公开号CN1960159A)专利中研究了一种设置互为独立的转速和功率双闭环控制方法， 该方法首先根据风轮机的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，获得最大功率和对应的发电机转速，在原始最大功率曲线基 础上加入新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 曲线实施功率信号反馈控制。但该方法依然需要风轮机的原始最佳功率-转速曲线，并未 完全利用爬山法无需知道风轮机功率特性参数和风速参数等优点。
发明内容
本发明提供一种无需预先知道风电机组的最佳功率-转速曲线，在风电机组的实 际运行过程中通过运用扰动观察法与功率信号反馈法在线得到基于实际运行环境的最佳功率_转速曲线的变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法。本发明为解决其技术问题所采用如下技术方案—种变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法，该方法的具体步骤如下a)从开始实施最大风能跟踪控制到搜索到首个最大功率点的过程中记录风电机 组输出功率P与转速ω立方比为k，扰动使得风电机组输出功率增加且k值增大时，更新k 值；b)当风速发生变化时，从扰动观察法，即Perturb&Observe—P&O切换为功率信号 反馈法，即Power Signal Feedback——PSF, PSF控制风电机组稳定运行后，如果功率-转 速立方比记录表为空或未记录完成，则切换为Ρ&0搜索最大功率点；如果记录完成，则认为 已经在线获得最佳功率-转速曲线，不再切换为Ρ&0 ；C)切换为PSF时，在功率-转速立方比记录表开始记录前，运用a)步骤中记录的 系数k，按照P = k* ω3实施PSF ；在功率-转速立方比记录表开始记录后，按照P = ω3 实施PSF，ke为功率-转速立方比记录表中k。ptl、k。pt2、k。pt3…k。ptn的中位值平均滤波值。本发明的有益效果如下有效的融合了 P&0无需风电机组功率特性参数和PSF控 制简单、可靠、快速性好的优点。在风电机组的实际运行过程中采用P&0和PSF在线得到基 于实际运行环境的最佳功率-转速曲线，最终完全运用PSF实现最大风能跟踪控制，实际有 效的提高风能利用系数。
图1为P。ut-co特性曲线及不同工作点处斜率示意图。图2为最大风能跟踪控制方法的控制过程示意图。图3为控制阶段1控制流程图。图4为控制阶段2控制流程图。图5为基于电励磁双凸极风力发电机的变速恒频风力发电系统框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述扰动观察法的改进1、判定风电机组稳定运行的方法为保证P&0可靠的工作，其须等待系统稳定运行后才可实施新的扰动。式(1)描
述了风轮机输出机械功率与系统输出功率的关系(不计摩擦功率)
1 y dco、Pm=-Poul+Ja-(1)
ηat式中Pm为风轮机输出功率，η为从发电机到输出功率测量处的效率，Pout为系统
输出功率，J为风电机组转动惯量，ω为转 ，为机械储能变化率。当的绝对值
atat
小于某一较小值时，可认为风电机组稳定运行。又可表示为，将其离散化得
dt 2 dt
，J及转速的采样时间间隔彻-他―1)为常量。因此，当[ ω (k) + ω (k_l) ] [ ω (k) _ ω (k_l)]彡 σ (2)
满足时，认为风电机组稳定运行，可测量系统输出功率，从而实施新的扰动，σ为 判定稳定运行而设定的较小值。2、扰动步长的选择图1中仏、Q2、Q3、Q4、Q5点处斜率的绝对值逐渐变小；风速越大，其对应的P。ut_ω 曲线的斜率绝对值变化范围越大。因此，可根据风电机组工作点处斜率的绝对值大小，采用 不同的扰动步长。绝对值较大时(如Qi、Q2)，采用大步长扰动，提高扰动观察法控制的快速 性；绝对值较小时(如Q4、Q5),采用小步长扰动，提高搜索最大功率点的准确性。根据以上 分析，本发明对扰动观察法的步长选择进行改进，设有η个扰动步长，每个扰动步长对应一 个功率变化门限，暂令η = 5对该步长选择进行说明。扰动步长Step1 > Step2 > Step3 > Step4 > Step5 > 0，对应的功率变化门限 APbl
APh, ΔΛ,APhs
> APb2 > APb3 > ΔΡμ>八^>0，且满足‘>‘>_“>‘>0，假设这五个斜率值 分别对应图1中Qi、Q2、Q3、Q4、Q5处斜率的绝对值。某一时刻所用的步长大小为Stepi，输出 功率变化为APi,则风电机组当前工作点处斜率的绝对值约为M，根据下述规则选择步
Stepi
长大小1)当Μ》，时，即当前工作点位于Q1右侧，更加远离最大功率点，把步长设为
Stepi Stepx
Step1；2)当￥介于上述五点的某两点之间时，如认为当前工作点位
StepiStep1 Stepl Stepz
于Q2与Q3点之间，把步长设为st印3 ；3)当,时，即当前工作点处的斜率已经很小，可认为已运行到最大功
Step5 Stepi
率点，则停止扰动，从而抑制最大功率点附近的振荡现象。通过适当的设置步长的个数即n，步长的大小及每个步长所对应的功率门限，可以 提高扰动观察法搜索最大功率点的快速性、准确性，同时抑制最大功率点附近的振荡。功率信号反馈法的改进常规的PSF根据已知的最佳功率_转速曲线，由转速信号得到系统输出参考功率， 对风电机组进行功率控制。这种控制方法简单、可靠、快速性好，受风速变化影响小，适用于 大惯量风电机组。如果把这些优点有效的融合到P&0搜索最大功率点的过程中，将改善其 最大风能跟踪控制效果。因此，本发明对常规的PSF进行改进Pout = ke 3 (3)式中ke为功率_转速立方比。当1^不同时，PSF基于不同的功率-转速曲线，最 佳功率_转速曲线为其中特殊的一条。本发明的最大风能跟踪控制方法说明本发明的最大风能跟踪控制方法中的PSF与常规PSF的不同之处在于无需预先 知道PSF所基于的功率-转速曲线，需在线求出式(3)中的比例系数ke。由式(3)知，1^为 功率-转速立方比，风电机组稳定运行后，可获取风电机组的输出功率和转速信息，进而在 线求得并记录稳定工作点所对应的功率_转速立方比。因此，本发明以功率_转速立方比
5作为联系P&0与PSF的纽带，既可在线求得实施PSF所需的比例系数ke，又可通过PSF改善 P&0的最大风能跟踪控制效果，有效的融合两种方法。最大风能跟踪控制方法分为三个控制阶段1、从开始实施最大风能跟踪控制到运 用P&0和PSF首次搜索到最大功率点，该阶段的风能捕获效率随风电机组工作点逐渐靠近 最大功率点而逐渐增大。2、该阶段快速搜索并记录最大功率点对应的功率功率-转速立方 比，风电机组在各风速下最大功率点附近区域运行，具有较高的风能捕获效率。3、根据控制 阶段2记录的功率_转速立方比求出最佳功率_转速立方比k。pt，即求出了最佳功率_转速 曲线，之后只使用PSF，不再使用P&0。结合图2对各控制阶段的说明如下控制阶段1 风电机组未实施最大风能跟踪控制前稳定运行于图2中A点，首先运用P&0搜索 最大功率点，并记录风电机组稳定运行时的功率-转速立方比为k，如图2中的A、B点，它 们对应的k值分别为k” k2。如果风速发生变化(判断风速变化的方法见下文)，则切换为 PSF,按照P。ut = k ω3实施功率信号反馈控制，如图2中风速由V3变为V5时，按照P。ut = k2 ω3 实施功率信号反馈控制。PSF控制风电机组稳定后，则切换为Ρ&0搜索最大功率点，如图2 中按照P。ut = k2 ω3实施功率信号反馈控制后稳定于C点，切换为Ρ&0。由图2可知，由于k4比k2更接近最大功率点对应的功率_转速立方比，风速变化 时，按照p。ut = k4co3将比按照p。ut = k2 ω 3实施功率信号反馈控制后稳定的工作点更接近 最大功率点。因此，当扰动使风电机组输出功率增加且k值增大时，更新k值，如图2中k 值从&更新到k4的过程。图3为该阶段控制流程图，当搜索到首个最大功率点时，则完成该阶段控制，并转 入控制阶段2。控制阶段2 通过控制阶段1可搜索到首个最大功率点，计算此点的功率-转速立方比，并根据 风速仪提供的当前风速V，把功率-转速立方比存到表1中(以下简称记录表)与风速ν 最相近的风速下，之后求取该风速下功率_转速立方比的中位值平均滤波值(其定义见附 录)，如表1所示。V1为切入风速；vn为可实施最大风能跟踪控制的最大风速。表1功率-转速立方比记录表 中位值平均滤波值定义一组数据χι、χ2···χη，其中位值平均滤波值为X，如果η = 0，则χ = 0，如果η = 1，则叉=X1，如果η = 2，则χ = min (χ1; χ2)，如果η > = 3，χ为该组 数据中除去最大值和最小值后剩余数据的平均值。理论上，最佳功率_转速立方比k。pt与最大功率点对应的功率_转速立方比相等。 但由于P&0搜索最大功率点存在一定的误差，同一风速下不同时刻求出的最大功率点会不 同，对应的功率-转速立方比也就不同；不同的风速下求出的最大功率点对应的功率-转 速立方比也会不同，如图2所示。若控制阶段1搜索到的最大功率点为E点，把其对应的功 率_转速立方比直接作为最佳功率_转速立方比k。pt，得到最佳功率-转速曲线L1,之后进 入控制阶段3，实施功率信号反馈控制，风电机组的风能捕获效率不是很高，如图2所示。因 此，需采取适当的方法提高求取k。pt的准确度。首先，对同一风速下所求出的功率_转速立 方比求中位值平均滤波值，确定一个该风速下比较准确的功率-转速立方比，如表1中风速 V1对应的功率-转速立方比为k。ptl。其次，对所有可实施最大风能跟踪控制的风速均求其 对应的功率_转速立方比，如表1中从风速V1到风速Vn都求功率_转速立方比。若每个风速下都至少有3个功率_转速立方比求出，则可求出较准确的k。ptl、k。pt2、 k。pt3、…、k。ptn，对它们求中位值平均滤波值作为k。pt会有较高的准确度，此时可认为记录表 记录完成。图4描述了该阶段的控制过程，当记录表记录完成后，则完成该阶段的控制，并转 入控制阶段3。控制模态1 风速不变时，则停止扰动，风电机组稳定运行于最大功率点。控 制模态2 风速变化时，则切换为PSF，其所需的式(3)中的比例系数为k。ptl、k。pt2、k。pfk。ptn 的中位值平均滤波值。PSF控制风电机组稳定后，则切换为P&0，搜索新风速下的最大功率
点ο该阶段运用的均是最大功率点对应的功率-转速立方比，所以风电机组在各风速 下的最大功率点附近运行区域运行，如图2中L1与L2之间区域所示，具有较高的风能捕获 效率。随着所记录的功率-转速立方比的增加，k。ptl、k。pt2、k。pt3、…、k。ptn的中位值平均滤 波值越来越接近k。pt，风电机组的运行区域逐渐缩小，逐渐靠近最佳功率-转速曲线。控制阶段3 记录表记录完成后，求k。ptl、k。pt2、k。pyk。ptn的中位值平均滤波值作为k。pt，即求出 了最佳功率-转速曲线P。ut—。pt = k。ptco。pt3，Pout opt为系统输出最大功率，如图3所示。之后 按照最佳功率_转速曲线实施功率信号反馈控制，不再使用P&0。如图5所示，风能由风轮机和电励磁双凸极风力发电机转换为电能，再通过三相 不控整流器变换为直流电，对于并网型风力发电系统，直流电通过并网逆变器把电能馈送 到电网；对于非并网型风力发电系统，直流电可经过变换供直流负载使用或经逆变器变换 为交流电供交流负载使用。扰动观察法的扰动变量为DSEG的励磁电流，观察量为系统输出功率变化。风速变化时，从P&0切换为PSF。PSF控制风电机组稳定运行后，如果记录表为空或未记录完成，则切换为P&0搜索最大功率点；如果记录完成，则认为已经在线获得最佳功 率-转速曲线，不再切换为P&0。对于所述的电励磁双凸极风力发电机系统，在实施P&0的过程中，通过以下任意 一种方法可判断出风速变化1)两次连续的扰动都导致输出功率减小，由原P&0理可知，当上次扰动使得输出 功率减小时，本次应施加相反方向的扰动，根据P。ut- ω曲线的单峰特性，本次功率应是增加 的；2)励磁电流增加，发电机阻转矩增加，转速降低，如果转速上升，则风速发生变化， 同理，励磁电流减小，如果转速下降，则风速发生变化；3)励磁电流恒定，风电机组稳定运行，如果转速变化，可以判断风速变化；4)在一个转速采样时间内，转速变化量超过了由于励磁电流扰动所能导致的转速 变化门限；5)在即定的较长时间内，风电机组未达到稳定运行状态。
权利要求
一种变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法，其特征在于a)从开始实施最大风能跟踪控制到搜索到首个最大功率点的过程中记录风电机组输出功率P与转速ω立方比为k，扰动使得风电机组输出功率增加且k值增大时，更新k值；b)当风速发生变化时，从扰动观察法切换为功率信号反馈法，PSF控制风电机组稳定运行后，如果功率 转速立方比记录表为空或未记录完成，则切换为P&O搜索最大功率点；如果记录完成，则认为已经在线获得最佳功率 转速曲线，不再切换为P&O；c)切换为PSF时，在功率 转速立方比记录表开始记录前，运用a)步骤中记录的系数k，按照P＝k*ω3实施PSF；在功率 转速立方比记录表开始记录后，按照P＝ke*ω3实施PSF，ke为功率 转速立方比记录表中kopt1、kopt2、kopt3…koptn的中位值平均滤波值。
全文摘要
一种变速恒频风力发电的最大风能跟踪控制方法，属于风力发电机组控制领域。该方法无需预先知道风电机组最佳特性曲线，使用改进的扰动观察法和基于不同功率-转速曲线的功率信号反馈法进行在线搜索并记录最大功率点处的功率与转速的立方之比信息。由扰动观察法切换为功率信号反馈法时，根据已记录的信息，可得到实施功率信号反馈法所基于的功率-转速曲线；该信息记录完成后，又可得到最佳功率-转速曲线，便只使用功率信号反馈法。本发明方法可以根据风电机组实际运行环境在线得到风电机组的最佳功率-转速曲线，有效的实现最大风能跟踪，适用于变速恒频风力发电系统。
文档编号G05F1/67GK101895249SQ20101024804
公开日2010年11月24日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者周波, 唐国芬, 左广杰, 郭鸿浩, 魏佳丹 申请人:南京航空航天大学