[发明专利]变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法。

背景技术

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而变速变桨风力发电机组是主流的风力发电机型。

变速变桨风力发电机组通过风轮吸收风能，利用传动系统将吸收风能传递到发电机轴端，通过发电机将机械能转化为电能，而传动系统的摩擦阻尼损失是传动效率损失的主要来源。

目前变速变桨风力发电机组的容量逐步扩大，MW级以上变速变桨风力发电机组已经成为发电设备的主流产品，超过3MW的大容量海上风电机组也逐步投入应用，随着单机容量的逐步扩大叶片长度也随之增长，目前主流的MW级风力发电机组叶片长度已经超过35米，特别是针对中国气候条件设计的低速风力发电机组叶片长度往往超过40米，超长的叶片、更大功率等级的发电机和传动系统导致风轮转子转动惯量进一步增大，风轮转速调节能力进一步下降，严重影响低于额定风速以下风轮最大功率追踪动态效果。

大功率变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的一定风速段内做最大功率追踪控制，风力发电机组通过控制电磁力矩利用风轮的自寻优气动特性实现最大功率追踪。

对于传统的最大功率追踪控制，控制策略中根据风轮转速控制电磁力矩按照风轮在当前转速下的最优阻力矩进行控制，利用风轮气动特性即风轮在最大功率吸收点的自身的鲁棒特性实现最大功率追踪控制。

变速变桨风力发电机组传动系统输入环节中，发电机电磁力矩为可控环节，风轮气动力矩由于风的随机性和不确定性为不可控环节。

发明内容

本发明提出一种变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法，该方法通过建立风力发电机组在低于额定风速以下自寻优控制运动模型的基础上，通过将风轮转速加速度反馈回力矩输入端，相对于传统的自寻优控制技术有效的降低了系统等效转动惯量，提高系统动态最大功率追踪能力。

本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组最优阻力矩动态优化方法。

如图1所示，在传统的自寻优控制技术中，风力发电机组在低于额定风速以下一定的风速段内通过控制风力机轮毂和低速轴连接处的阻力矩使其跟踪最优力矩变化曲线如图1中的BC段，实现最大功率追踪。则风力发电机组的运动模型可以表示为：

式中

表示风轮转速；

表示风轮转动惯量；

表示空气密度；

表示风轮扫风半径；

表示风轮叶尖速比；

表示风速；

表示风轮的风能利用系数在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）随叶尖速比变化的函数；

表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比值；

表示风轮在叶片低于额定风速工作时时（桨距角最小）的最大风能利用系数；

表示风轮气动转矩；

表示轮毂与低速轴连接处的阻力矩；

表示风轮最优阻力矩系数。

当风力发电机组风轮及传动系统总转动惯量发生变化为时，可以表示为下式：

式中

表示转动惯量变化增益，。

则此时风力发电机组运动模型可以表示为：

则可以做如下推导：

推导结果说明，在低于额定风速以下进行最大功率追踪控制时，当转动惯量不变时（保持为），如果使风力发电机组的运动轨迹与变化后转动惯量（变化为）的运动轨迹相同，则可以通过动态优化传统的最优阻力矩曲线实现。阻力矩优化控制率可以按照下式计算：

本发明的实际物理意义是，通过优化动态阻力矩曲线，使在低于额定风速最大功率追踪时风轮的动态性能与倍风轮转动惯量的同形状风轮动态性能相同。

由阻力矩优化控制率可知，由于达到稳态时，因此阻力矩优化后从稳态的角度都可以跟踪最优阻力矩曲线的稳态值。变速变桨风力发电机组阻力矩动态优化示意图如图2所示。

 

附图说明

图1变速变桨风力发电机组最优静态力矩控制曲线示意图

图2变速变桨风力发电机组阻力矩动态优化示意图

具体实施方式