[发明专利]一种自适应湍流的风电机组最大功率跟踪控制方法在审

专利信息
申请号: 202110890440.9 申请日: 2021-07-23
公开(公告)号: CN115680997A 公开(公告)日: 2023-02-03
发明(设计)人: 柴海棣;柴沐宸 申请(专利权)人: 柴海棣
主分类号: F03D7/00 分类号: F03D7/00
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 100192 北京市西*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 自适应 湍流 机组 最大 功率 跟踪 控制 方法
【说明书】:

发明对风电机组MPPT阶段发电效率影响因素进行了分析,阐述了各个影响因素对机组发电效率影响的作用机理,分析了长时间尺度下,风电机组MPPT当前跟踪策略的不足,提出综合风频分布、湍流影响、风能权重后,机组MPPT应当跟踪的目标和控制策略,提出实现此目标的数学方法、工程方法及实施步骤,最后简单说明了影响此方法效果的影响因素。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域,具体涉及风电机组运行优化、运行控制领域。

背景技术

风电机组机械部分(风力机)是机组能量捕捉转化的第一环节,当风吹过风力机叶片时因叶片压力面和吸力面两侧风速不同,形成了大小不同的压力,产生升力推动叶片旋转带动传动轴系做功。风电机组从切入开始至切出,大致可分为六个阶段:切入→升速并网→变速运行区(风能利用系数CP恒定最佳, MPPT阶段)→额定转速区→额定功率区→切出。由于风电机组绝大部分时刻都运行于中低风速即变速运行区,因此风力机风能的捕捉能力即风能利用系数 CP设计值与实际值是表征风电机组性能高低的一项重要指标。

CP与风力机叶尖速比λ和桨距角β有关,三者之间的关系有解析式进行表达。风电机组在设计阶段对机组CP(λ,β)曲线进行了仿真,结合叶片设计载荷选定最优叶尖速比及其对应的桨距角,使得变速运行区CP系数恒定最优,将此设定写入机组的控制系统。一般而言,机组在MPPT阶段,其控制策略为维持桨距角β不变(通常为0度),调整机组转速以跟踪风速的变化,维持叶尖速比在一定范围内,使得CP值恒定且最优,从而维持最大风能捕捉能力。

一型机组在设计阶段往往都经过了精确的仿真设计,在成本和效率之间取得了最佳平衡,但投入运行后,MPPT阶段的风能利用系数往往与设计指标之间存在较大差距,原因有多方面,主要有:

一是实际湍流与机组设计时选择的湍流边界差别较大,机组控制边界不能适应实际湍流情况;

二是机组动态特性与湍流特性不匹配,湍流变化快于机组调节能力,机组无法及时跟踪风速变化。风电机组叶轮系统是一个大惯性系统,以主流2MW 级以上容量的三叶片机组为例,光叶片的总重量就有几十吨,研究表明叶轮系统的调节特性与微观大气粒子的湍流特性存在明显差别,随着风速的降低,风电机组的跟踪带宽降低、动态响应性能恶化,叶轮转速不能实时匹配风速的变化,造成MPPT阶段机组往往不能运行在最优CP系数下。

这说明,机组的设计CP(λ,β)曲线只是给出了机组稳态运行点,由于来流风况(风速、方向)频繁地、随机性地变化,叶尖速比很难维持在最佳状态,实际上机组多数时刻运行在两个稳态点之间,即在MPPT阶段而言,机组的CP系数很难处于最佳运行点。

除此以外,在MPPT阶段如果按照平均风速分段,对于不同的风速段,其叶尖速比的运行范围也不同,当桨距角维持0度不变时,CP系数在各风速段持续变化,不能维持在最优点,由于风电机组捕获的风能与风速成3次方关系,因此这种控制策略对于高风速段的能量捕捉影响较大。同时,其对风频分布的影响也欠考虑,对于高频分布的风速段不能针对性响应。综上,受风电机组动态调节特性限制以及传统MPPT跟踪策略未综合考虑全风速段(本发明所谓的全风速段是从并网转速对应的风速至额定转速对应的风速之间,下同)下CP系数综合表现等因素的影响,机组在MPPT阶段发电效能的实际表现与设计参数存在明显差距。

为了解决这一问题,从改善机组动态特性和改进机组控制策略角度着手是值得探索的思路,有研究提出收缩跟踪区间、调整电磁转矩等角度加强机组对风速的跟踪性能,有研究提出在MPPT阶段,要考虑桨距角β的调节作用,实时调节桨距角β,综合考虑CP(λ,β)的变化趋势,以获得最优的风能利用系数。

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