考虑湍流频率影响的风电机组最大功率点跟踪的性能优化

摘要

为最大限度的捕获风能，变速恒频风机通常在额定风速以下进行最大功率跟踪控制(maximum power point tracking，MPPT)，以提高发电效率进而增加机组的年发电量。随着高风速、低湍流理想风场的开发殆尽，风机朝着大型化、低风速化方向发展以寻求突破。
　　在此背景下，动态特性缓慢的大转动惯量风机已经难以足够快速地响应湍流风速的变化，进而使得湍流频率对风机MPPT乃至风能捕获效率的影响更为凸显。然而，查阅文献所及，当前的风机MPPT控制方法尚未考虑湍流频率特征，导致风能捕获效率不佳。为此，本文旨在探索湍流频率对风机MPPT的影响机理，并在此基础上改进MPPT控制设计及其参数优化，使其能够更为全面地考虑含湍流频率的湍流风速特征，以进一步提升大转动惯量风机在复杂湍流环境中的发电效率。
　　具体地，本文从湍流频率特征的指标刻画、湍流频率影响MPPT的机理分析，以及考虑湍流频率的MPPT控制方法优化改进三个方面展开研究，并获得如下主要成果:
　　1、针对湍流风速包含多频率分量，难以用单值指标描述的问题，基于高（低）湍流频率风速蕴含的平均功率在功率谱高（低）频段具有更大分布比例，提出以归一化功率谱密度函数低频段的积分作为比较湍流频率的指标。湍流风速模型仿真和实测风速数据检验了该指标的有效性。
　　2、针对湍流频率这一在风机控制中尚未被考虑过的风速波动特征，本文对湍流频率影响MPPT的规律及作用机理进行了分析。结果表明，湍流频率的变化不仅自身会给MPPT带来影响，还会改变平均风速、湍流强度影响MPPT的程度，即间接影响。因而，在对MPPT控制策略进行优化设计时需要考虑湍流频率，且必须是同时对三个湍流风速特征加以综合考虑。
　　3、为了能在MPPT控制中考虑湍流频率因素，本文基于收缩跟踪区间的转矩曲线调整方式，采用响应面模型构建最佳起始转速与3个风速特征指标（平均风速、湍流强度、湍流频率）的函数关系，进而提出了能够更加全面响应湍流风况变化的改进最优转矩法。该方法对湍流特征的考虑更为完善，因而能进一步提高风能捕获效率。
　　4、针对自适应方法搜索过程中的转矩增益系数异常问题，基于风况变化影响自适应算法的机理分析，发现了导致该算法持续搜索方向错误而使风能捕获效率恶化的风况渐变良好场景（即平均风速持续递增，湍流强度持续递减或湍流频率持续递减）。进一步地，通过引入风能捕获损失量指标辨识出这类渐变风况场景，本文提出了适用于风况变化的自适应转矩控制方法，以提高风机的发电效率。
　　5、进一步将关注点从提高风能捕获效率扩展至风能捕获和载荷间的权衡。根据对风能捕获量和载荷相互影响的仿真分析，发现风能捕获量和载荷的均衡协调需随湍流风况而改变，并基于恒带宽最优转矩方法，采用响应面模型离线构建风能捕获量-载荷均衡协调的决定参数（即带宽）的最优值与湍流风速特征指标的非线性函数关系，通过带宽设定值随风速特征的在线调整，实现了风能捕获量-载荷的多目标优化。

目录

声明

摘要

英文缩写对照表

符号表

1 绪论

1．1 背景

1．2 湍流风速下的风机最大功率点跟踪

1．2．1 风机MPPT的基本原理

1．2．2 风机MPPT的控制系统模型

1．2．3 风机MPPT控制的具体实现方法

1．2．4 湍流风速下的跟踪损失问题

1．2．5 考虑湍流的MPPT控制性能优化方法

1．3 考虑湍流频率影响的风电机组MPPT控制性能优化研究进展

1．3．1 风机MPPT的发展历程

1．3．2 挑战一：刻画影响最大风能捕获的湍流频率特征的单值指标

1．3．3 挑战二：明确湍流频率对风机MPPT的影响规律及机理

1．3．4 挑战三：提出考虑湍流频率的风机MPPT性能优化方法

1．4 本文的研究工作

1．4．1 本文研究内容

1．4．2 章节安排

2 风机MPPT研究与控制设计的数学模型

2．1 湍流风速模型

2．1．1 湍流强度

2．1．2 湍流积分尺度

2．1．3 功率谱密度

2．1．4 湍流风速的模拟

2．2 风机的气动模型

2．2．2 基于叶素-动量理论的气动模型

2．3 传动链模型

2．4 最优转矩法及其优化策略模型

2．4．1 最优转矩法

2．4．2 减小转矩增益方法

2．4．3 收缩跟踪区间方法

2．4．4 恒带宽MPPT控制

2．5 基于FAST的风机仿真模型

2．6 小结

3 适用于风机MPPT研究的湍流频率刻画方法

3．1 基于周期风速的频率影响MPPT分析

3．1．1 同平均风速、湍流强度不同频率的定周期风速构造

3．1．2 定周期风速的频率对MPPT的影响

3．2 等效湍流频率指标的有效性分析与参数选取

3．2．1 等效湍流频率指标的有效性分析

3．2．2 等效湍流频率指标的可变参数合理选取

3．3 基于归一化功率谱密度的湍流频率刻画方法

3．3．1 功率谱密度描述湍流风速频率特征

3．3．2 基于平均功率频段分布的频率比较思路

3．3．3 湍流风速频率的比较与刻画方法

3．4 归一化功率谱低频段积分值指标的有效性验证

3．4．1 基于KaimaI谱构造湍流风速的验证分析

3．4．2 基于实测湍流风速的验证分析

3．5 湍流频率刻画指标的分析与比较

3．6 小结

4 湍流频率间接影响MPPT的规律与机理分析

4．1 风速频率间接影响MPPT的估算

4．1．1 MPPT效率对平均风速变化的敏感度受风速频率的影响

4．1．2 MPPT效率对湍流强度变化的敏感度受风速频率的影响

4．2 周期风速频率间接影响MPPT的仿真分析

4．2．1 MPPT效率对平均风速变化的敏感度受风速频率的影响

4．2．2 MPPT效率对湍流强度变化的敏感度受风速频率的影响

4．3 湍流频率对风机MPPT间接影响的仿真分析

4．4 小结

5 考虑湍流频率因素的风机最大功率点跟踪控制

5．1 湍流频率对跟踪区间设定的影响分析

5．2 考虑湍流频率因素的改进最优转矩法

5．2．1 最佳起始转速与风速特征指标关系的离线构建

5．2．2 功率曲线的起始转速的在线调整

5．3 仿真验证与分析

5．3．1 仿真模型及参数

5．3．2 CART3的最佳起始转速与风速特征指标的关系

5．3．3 不同MPPT方法的效率比较

5．4 小结

6 适用于变化湍流风况的风机自适应转矩控制

6．2 风况变化对自适应算法的影响分析

6．2．1 有利于最大功率点跟踪的良好风况

6．2．2 风况变化影响自适应算法的机理分析

6．2．3 自适应算法搜索方向持续出错问题

6．3 适用变化风况的自适应转矩控制

6．3．1 湍流风况差异的综合刻画指标

6．3．2 自适应搜索过程中的停止与重启策略

6．3．3 改进自适应转矩控制的步骤

6．4 基于FAST的仿真验证

6．5 小结

7 基于风机动模实验平台的MPPT控制的实验验证

7．1 风机动模实验平台的介绍

7．2 考虑湍流频率因素的风机MPPT控制实验验证

7．3 适用于变化湍流风况的风机自适应转矩控制实验验证

7．4 第五章与第六章提出的两种改进方法的实验对比

7．5 小结

8 适应湍流风况变化的风能捕获量-载荷多目标优化MPPT控制

8．1 湍流风况变化对带宽设定的影响分析

8．1．1 风能捕获量与载荷的指标

8．1．2 随湍流风况变化在线调整带宽的必要性分析

8．2 风能捕获量-载荷多目标优化的最优转矩法

8．2．1 综合风能捕获量与载荷的性能指标

8．2．2 最佳带宽值与风速特征指标关系的离线构建

8．2．3 带宽的在线调整

8．3 仿真验证与分析

8．3．1 仿真模型及参数

8．3．2 CART3的最优带宽与风速特征指标的关系

8．3．3 不同MPPT方法的性能比较

8．4 小结

9 总结与展望

致谢

参考文献

附录