[发明专利]一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法

权利要求书

1.一种基于测量风速的风力发电机组最大风能捕获方法，其特征在于，该方法将测量风速引入转速控制过程结合测量风速的平均值快速定位至最优转速区间，通过转速主动控制使风机快速过渡到最大功率点附近，缩短了转速寻优迭代时长，同时控制器会将寻找到的最优运行点的记录下来作为下次转速判断的依据，进一步提高了实际最佳叶尖速比的精度；由于风机在运行过程中的最优转速受风速变化影响，但转速相对于风速变化具有明显的滞后性，因此，通过测量风速的低频风量，将风速的变化速率作为前馈补偿分量引入最优转速控制，能够做到超前控制，有效缩短风机对于风速变化的响应时长，提高最大风能捕获阶段的动态追踪能力，具体包括以下步骤：

A、通过风机控制器监测最近n个采样周期，并获取采样时间内的功率、转速和风速，同时将风速信号进行滤波后得到风速低频风量，根据转速和风速低频风量计算当前叶尖速比λ：

式中：R为叶片长度，ω为当前转速，V_ave为最近n个采样周期内的风速低频风量平均值；

通过风机最近一次运行在最大功率点时对应的转速和风速低频风量平均值计算最优叶尖速比λ_opt：

式中：R为叶片长度，ω_opt为风机上次运行在最大功率点时对应的转速，V_opt为风机上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值，具体为最大功率点所在时刻倒推n个采样周期内的风速低频分量平均值；

将当前叶尖速比λ与最优叶尖速λ_opt进行比较，若误差值小于叶尖速比给定误差ε_λ，则认为风机当前时刻k的转速ω(k)置于最优转速区间，否则，根据下式调节风机的当前时刻的转速ω(k)，使其快速定位至最优运行点转速区间内：

式中：ω(k)为当前时刻k风机的转速，V_ave(k)为当前时刻k的风速低频风量平均值，ω_opt为上次运行在最大功率点时对应的转速，V_opt为上次运行在最大功率点时对应的风速低频风量平均值；

B、计算最近2n个采样周期内，后n个周期与前n个周期内输出功率平均值的差额ΔP(k)，并根据ΔP(k)的符号确定搜索步长的方向：

式中，P_i(k)为k时刻前第i个周期内的功率值，P_i(k-1)为k-1时刻前第i个周期的功率值，Δω(k)为第k时刻相对于前一时刻的转速增量，Δω为转速变化步长；

同时为了提高计算速度，采用自适应变步长的方法调节搜索步长，转速变化步长Δω大小与当前功率梯度大小相关：

式中，ΔP(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的功率增量；Δω(k-1)为k-1时刻相对于前一时刻的转速增量，K_ω为转速增量比例系数；

C、为了补偿风速变化造成的最优转速值波动，将低频风速变化速率作为补偿值调节转速变化，进而得到迭代后转速受控值，得到k+1时刻的转速，即：

式中：ω(k+1)为k+1时刻风机的转速，ω(k)为当前时刻k风机的转速，Δω(k)为k时刻转速变化增量，为低频风速变化速率；K_v为风速变化速率比例系数；

从风机控制器采集k+1时刻和k时刻的功率值，计算迭代后的功率增量：

ΔP(k+1)＝P(k+1)-P(k) (8)

式中：P(k)为k时刻的功率值，P(k+1)为k+1时刻的功率值，ΔP(k+1)为k+1时刻的功率增量；若功率增量ΔP(k+1)小于给功率增量给定误差值ε_P，则将k+1时刻的转速ω(k+1)和平均风速V_ave(k+1)记录为最优叶尖速比的估计值并存入控制系统，再次转入迭代，否则将直接返回迭代：

式中：ω_opt为更新后风机最大功率点对应的转速值，作为下次迭代过程的参考量代入式(3)；V_opt为更新后风机最大功率点对应的风速低频分量平均值，作为下次迭代过程的参考；量代入式(3)；

通过上述步骤的寻优过程，从而快速实现变风速情况下的最大风能捕捉。