风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法

摘要

一种风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法，首先设定待测风力发电机组参考尖速比和参考功率系数，从而根据参考尖速比和参考功率系数得到参考转速转矩跟踪曲线及其变形曲线；然后把从切入风速到额定风速的区间划分成小的风速区间，在每各小的风速区间，风力发电机组跟踪按变形系数对应的变形曲线运行，每运行一个周期后对该周期内的输出功率等结果数据进行测量和统计平均。从而在持续运行中，以变形系数为优化变量，输出功率为优化目标，通过最优化方法寻找最优的变形系数，使得风力发电机输出功率最大。最后，风力发电机组长时间运行后，把每个风速段变形系数确定的变形曲线分段连接就可以获得整个运行风速范围内的最优转速转矩跟踪曲线。

说明书

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。

发明内容

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>

其中系数

CK＝6.716×10^-3·A·(R/TSR)³·CP>

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：2.0～3.0

CP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>

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，>

其中CK＝6.716×10^-3·A·(R/TSR)³·CP>

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>

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)/2

int()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}，其中V1一般为切入风速，V2一般为额定风速。R为风轮叶片的扫掠面半径。A为风轮叶片扫掠面的垂直投影面积；

风力发电机组对应TSR的转速设为N；

N＝V·TSR/R·9.55

对应的输出功率为：

P＝0.5×1.225A·V³·CP

对应的转矩为：

T＝P/N·9.55

从而得到

T＝6.716×10^-3A·(R/TSR)³·CP·N³/N＝CK·N²；

其中CK＝6.716×10^-3A·(R/TSR)³·CP

T＝CK·N²的变形曲线族T＝CK·(KXP·N)²，KXP称为变形系数，KXP是一个变量，其取值范围为0.5～2.0之间，当它小于1时，表示曲线向N正方向伸展变形；当它大于1时，表示曲线向原点方向收缩变形。

把从切入风速到额定风速的区间，按0.5m/s间隔划分成风速区间，每个风速区间的中值时0.5m/s的整数倍。例如切入风速为3m/s，额定风速为12m/s的风速区间可以分为[2.75，3.25)，[3.25，3.75)，[3.75，4.25)，…，[11.75，12.25)各区间。

当把工作转速的整个区间划分成许多小区间，那么在每个小区间内，肯定存在一个KXP变形曲线与实际最优转速转矩跟踪曲线最接近。当区间足够小时，该KXP变形曲线和实际最优曲线重合。工程上，当转速区间对应于一个0.5m/s宽度的风速区间，风力发电机组跟踪KXP变形曲线与实际最优曲线的其输出功率的能力就基本一样了。

图5表示了一条实际最优转速转矩跟踪曲线在3各相邻转速区间内分别用KX1、KX2、KX3变形后的曲线来拟合的情形，其中的粗实线就是拟合用的曲线段。

实际例子如下：

设一台垂直轴风力发电机组的额定风速为12m/s，设计额定点最优尖速比为2.5，、设为参考尖速比，风轮直径为1.5米，风轮叶片长度为1.0米，功率系数为：0.15，额定功率：

P＝0.5×1.225×1.5×0.15×12×12×12＝238W；

额定转速为：

N＝2.5×12/0.75×9.55＝382r/min

额定转矩为：T＝P/N·9.55＝5.95Nm

切入风速为3m/s。切出风速假设为20m/s。在12m/s和20m/s以上，风力发电机组按照限制功率的方法运行；在20m/s以上，风力发电机组切出制动。在切入风速3m/s以上，额定风速12m/s以下，风力发电机组需跟踪最优转速转矩跟踪曲线运行以输出最大功率。因此有：

CK＝6.716×10^-3×1.5×(0.75/2.5)³×0.15＝4.08×10^-5

可以得到如下初始转速转矩跟踪曲线T＝CK·N²；

切入转速为N1＝2.5×3/0.75×9.55＝95.5r/min

在切入转速和额定转速之间选取多个点，可以得到参考转速转矩跟踪曲线数据，如表1：

其表示的参考功率曲线如图6所示。

通过对参考转速转矩曲线进行N轴方向的缩放，其变形曲线簇为T＝CK·(KXP·N)²。

例如，当KXP为{0.9²，0.9，1，1.1，1.1²}时的各曲线如图7所示。

一开始因为最优转速转矩跟踪曲线未知，所以风力发电机组可以按参考转速转矩跟踪曲线的KXP变形曲线作为风力发电机组的跟踪最优转速转矩跟踪曲线跟踪运行。为了得到风力发电机组的功率特性，按照GB/T 18451.2-2012风力发电机组功率特性试验和GB/T29494-2013小型垂直轴风力发电组提供的方法，每运行10min，就统计该10min内的运行结果数据。该10min时长可以设为周期T1。这些数据有：平均风速、平均转速、平均功率。在这里，也按每10min对测量数据进行平均和统计。另外需增加存储两个数据：区间开始转速区间结束转速，这两个数据用来计算该10min区间内由风轮转动部分动能变化引起的输出功率变化值，称为动能释放功率。

定义平均风速为VSX、平均转速为NSX、平均输出功率为PSX、动能释放功率为PDSX。

动能释放功率PDSX为该10min从开始到结束，由于速度发生变化，风力发电机组转动部分动能的释放的功率；设该10min开始时第一组预处理的转速平均值为NS，结束时最后一组预处理的风速平均值为NE，则动能释放功率为：

PDSX＝0.5J((NS/9.55)²-(NE/9.55)²)

其中J为风轮转动部分的总惯量；

定义PJSX＝PSX-PDSX，PJSX表示该10min内的风轮从风吸收的功率，称为平均净输出功率PJSX；

因为每个10min的平均风速，落入到某个风速区间，但是不一定等于风速区间中值，所以不能在同一个基准下比较两次10min的功率。因此需要把平均净输出功率PJSX折算到风速区间中值。该折算值称为PJSXZ，PJSXZ＝PJSX(VS/VSX)³，其中VS为风速区间中值，VS＝int(2VSX+0.5)/2。同样地，对应的平均转速NSX也需要折算到风速中值，其折算值为NSXZ＝NSX·VS/VSX。int()为取整函数。

用PJSXZ来评估该10min内该风速区间的中值风速时风力发电机组输出功率的能力，并作为优化的目标函数。

该10min内采用的变形系数是优化变量。

该优化问题是通过风力发电机的持续运行，在每个风速区间内寻找最优的优化变量使得风力发电机组按该优化变量确定的变形系数运行后其输出功率最大化。

该优化问题采用如下步骤：

步骤(1)

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

其中系数

CK＝6.716×10^-3·A·(R/TSR)³·CP

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：2.0～3.0

CP为参考功率系数，取值范围为：0.1～0.25

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，然后通过变形曲线函数得到转矩指令值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。

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)/2

int()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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。