[发明专利]变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法。主要应用于现代水平轴升力型变速恒频风力发电机，可以提高风力发电系统在低于额定风速情况下的从湍流风中捕获的能量，增加风力发电机的年发电量。

背景技术

现代风力发电机一般为水平轴升力型，也就是说利用发电机叶片的特殊设计的气动外形，在风速和风轮转速共同作用下在叶片的每一段上产生升力，在升力的作用下，产生旋转力矩，带动发电机发出电能。相对于阻力型风力发电机，现代水平轴升力型风力发电机具有效率高的特点。为了能够在不同的风速下，获得最大的能量捕获，现代大型水平轴升力型风力发电机，一般采用变速恒频方式操作风力发电机。因此，会在不同的风速下采用不同的控制策略。根据参考文献1，在风速低于额定风速下工作时，风力发电机主要是工作在欠功率状态，即叶片的桨距角被调整到最佳桨距角位置，调节风轮转速，达到较高的能量捕获；在风速高于额定风速情况下，保持转速不变，调节桨距角，减少风轮能量捕获，进入恒功率工作状态。

图1是IEC标准中的三类风场的风速分布，我国大部分风场介于二类风场和三类风场之间，具有很强的代表性。以1.5兆瓦变速恒频风力发电

机为例，风轮直径可以达到70-77米，额定风速在12米/秒左右。风力发电机主要年工作小时数，从切入风速(4m/s左右)到额定风速(12m/s左右)为大约6000小时，而额定风速以上的年工作小时数大约为1381小时。这样，提高在风力发电机工作在低于额定风速情况下的发电效率，将对于提高风力发电机年发电量产生巨大的影响。

对于兆瓦级变速恒频风力发电机来说，为了能够优化地捕获风中的能量，主要依靠通过静态仿真得出的优化转矩转速曲线进行开环控制。如图2所示的黑色曲线(摘自参考文献1)。而一般的控制系统框图如图3所示。根据静态曲线控制有以下问题：

1、静态曲线考虑的是正面吹来的风作用。而实际上，由于风向时刻改变，而发电机的偏航控制反应较慢，导致偏航误差，风会在左右方向和上下方向与风轮所成的夹角，使风力发电机处于非最优能量捕获状态，降低了能量捕获。

2、由于静态曲线根据稳态风得出，而实际的风场为三维湍流风场。这样，就造成风轮获得的升力与静态情况有所不同，导致能量捕获下降。

3、静态曲线一般根据叶片数据，有常见的载荷仿真软件，如GH Bladed和Flex5，根据叶片数据直接计算出来，由于实际叶片和叶片数据模型之间存在误差，经过计算得出的曲线本身就存在误差，使用这个曲线控制时，也会降低能量捕获。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，克服上述恒频变速风力发电机在低于额定风速下的静态非最优能量捕获的问题，提供一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法。

本发明的目的是这样实现的：一种变速恒频风力发电机动态最优能量捕获方法，其特征在于所述方法包括风轮气动转矩测量计算方法和动态最优能量捕获调节方法两部分，

所述的风轮气动转矩测量计算方法是：在低速轴两端安装扭转角度测量仪，该测量仪测量低速轴在工作状态下，实时测量出低速轴的扭转角度，扭转角度以弧度为单位，低速轴在锻造的时候通过做实验的方法将低速轴的扭转刚度和扭转阻尼系数测量出来，根据低速轴的这两个参数以及实时测量的低速轴的扭转角度，可以实时测量计算出低速轴的扭转力矩，根据低速轴的扭转力矩和风轮转速的变化计算出瞬时风轮的气动转矩，

所述动态最优能量捕获调节方法是根据测量计算出的瞬时风轮的气动转矩以及功率的变化梯度计算出最优能量捕获转矩，施加到发电机轴上，该发电机轴上转矩再通过齿轮箱施加到低速轴，从而调节风轮转速，使风轮达到最优能量捕获状态，达到动态最优能量捕获的目的，具体计算过程如下，

所述瞬时风轮的气动转矩的计算公式如下：

T_a＝J_rω_r′+T＝J_rω_r′+K_sθ+B_sθ′，