[发明专利]一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法

摘要

本发明属于风力发电机控制领域，涉及一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，该方法首先从风力发电机切入风速到达额定风速之间，选取n个风速值，它们各对应一个转速值，从而构成一个转速点列，每个转速值一个修正因子，包括以下步骤：第一步：判断采样转速值是否在所选转速点列中，若在，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步进风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新修正因子，仍然采用当前修正因子对应的最大功率曲线，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步：风力发电机运行方式初次给定；第三步：修正因子更新；第四步：风力发电机运行方式二次给定；第五步：发电机电磁转矩控制。本发明能够减小风力发电机气动特性参数变化对系统控制带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。

主权项

1.一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，其特征在于，首先从风力发电机切入风速V_{W_cut-in}到达额定风速V_{W_rated}之间(即风力发电机最大风能捕获运行风速区间)，选取若干风速值i＝1，2，3......n，以ΔVm/s风速为间隔，则n个风速点为INT(V_{W_cut-in})+1，INT(V_{W_cut-in})+1+ΔV，INT(V_{W_cut-in})+1+2×ΔV，......INT(V_{W_cut-in})+1+(n-2)×ΔV，INT(V_{W_rated})，其中，INT表示取整函数，n＝[(INT(V_{W_rated})-(INT(V_{W_cut-in})+1))/ΔV]+1，此时，n个风速点根据初始最优叶尖速比λ_{opt_ini}可计算得到对应的n个最优转速值构成所选转速点列，设这些转速值各对应一个修正因子M_i，则该转速所对应的第k次更新后的最大功率值P_{opt_Mi(k)}可表示为P_{opt_Mi(k)}＝M_i(k)K_{opt_ini}(ω_i)³式中，M_i(k)表示第k次修正，k＝0，1，2......；比例系数K_{opt_ini}可表示为Kopt_ini=0.5ρAR3CPmax_ini/λopt_ini3]]>式中，ρ为空气密度；A为风力机扫风面积，A＝πR²；R为风力机半径；C_{Pmax_ini}为初始最大风能利用系数；λ_{opt_ini}为初始最优叶尖速比；(C_{Pmax_ini}、λ_{opt_ini})为初始设定的一组最优值，并初始给定M₁(0)＝M₂(0)＝......M_n(0)＝M_Avg(0)＝1，其中M_Avg为M_i数列的平均值，表达式为MAvg(k)=1nΣi=1nMi(k),]]>该控制方法还包括下列步骤：第一步：判断采样转速值是否在所选转速点列中判断t时刻采样转速值ω_r(t)是否在所选转速点列中，若ω_r(t)在所选转速值点列的范围内，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步的风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新M_Avg，仍然采用M_Avg(k-1)对应的最大功率曲线P_{opt_M_Avg(k-1)}，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步：风力发电机运行方式初次给定设功率偏移量ΔP_W是指某一转速对应最大功率值P_opt(ω_r(t))与此时风力发电机捕获风能功率P_W(t)的差值，其表达式为ΔP_W(t)＝P_W(t)-P_opt(ω_r(t))进入第二步，则说明ω_r(t)等于此时ΔP_W(t)为ΔPW(t)=PW(t)-Popt_Mi(k)(ωri)]]>如果则说明风力发电机已工作在最优工作区域，记为OOR，则进入第三步修正因子更新；否则，如果则说明风力发电机应加速运行，如果则说明风力发电机应减速运行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新M_Avg，仍然采用M_Avg(k-1)对应的最大功率曲线P_{opt_M_Avg(k-1)}，然后对风力发电机进行转矩控制；第三步：修正因子更新修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率P_W(t-1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率P_W(t)，当前的M_i(k)以及上次更新结果M_i(k-1)共同决定M_i的k+1次更新结果M_i(k+1)，其规则如下：a.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其M_i的k+1次更新结果表达式如下：M_i(k)-d×(1-P_W(t-1)/P_W(t))×|M_i(k)-M_i(k-1)|＝M_i(k+1)式中，d为更新系数；本发明中规定1-P_W(t-1)/P_W(t)的输出如下：1-PW(t-1)PW(t)=0PW(t-1)PW(t)<0.9orPW(t-1)PW(t)>1.11-PW(t-1)PW(t)0.9≤PW(t-1)PW(t)≤1.1]]>b.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应减速运行，即说明风力发电机由减速状态进入OOR的，其M_i的k+1次更新结果表达式如下：M_i(k)+d×(1-P_W(t-1)/P_W(t))×|M_i(k)-M_i(k-1)|＝M_i(k+1)c.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机已工作在OOR，即说明风力发电机前后两次都运行在OOR中，此时首先需要给系统做一段延迟，当延迟控制周期结束后，若系统仍然判定风力发电机运行在OOR，此时重复上一次对M_i相同的更新方式即可；否则系统继续按原流程执行；根据上述规则完成更新后，对应M_i(k)将更新为M_i(k+1)，其他转速点(j＝1，2，3......n，但是，j≠i)对应的修正因子M_j(k)，更新后，保持原值不变，M_j(k+1)等于M_j(k)即可；而M_Avg(k)将更新为M_Avg(k+1)；第四步：风力发电机运行方式二次给定若已经执行了第三步，ω_r(t)等于则ΔP_W(t)为ΔPW(t)=PW(t)-Popt_Mi(k+1)(ωri)]]>(1)如果则说明风力发电机应加速运行；其中，若则采用快加速方式运行；若则采用慢加速方式运行；(2)如果则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果则说明风力发电机应减速运行；其中，若则采用快减速方式运行；若则采用慢减速方式运行；若未执行第三步，则ΔP_W(t)为ΔP_W(t)＝P_W(t)-P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))(1)如果0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))＜ΔP_W(t)，则说明风力发电机应加速运行；其中，若0.1P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))＜ΔP_W(t)，则采用快加速方式运行；若0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))＜ΔP_W(t)≤0.1P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))，则采用慢加速方式运行；(2)如果-0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))≤ΔP_W(t)≤0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果ΔP_W(t)＜-0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))，则说明风力发电机应减速运行；其中，若ΔP_W(t)＜-0.1P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))，则采用快减速方式运行；若-0.1P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))≤ΔP_W(t)＜-0.01P_{opt_M_Avg(k-1)}(ω_r(t))，则采用慢减速方式运行；第五步：发电机电磁转矩控制根据第四步风力发电机运行方式二次给定结果，发电机电磁转矩T_e(t)以及风力机机械转矩T_W(t)，给出该控制周期的电磁转矩给定值T_{e_ref}(t)(1)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快加速方式运行，若T_e(t)＜T_W(t)，则T_{e_ref}(t)＝T_e(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给T_{e_ref}赋值；若T_e(t)≥T_W(t)，则T_{e_ref}(t)＝0.95T_W(t)；(2)如果二次给定结果为风力发电机采用慢加速方式运行，则T_{e_ref}(t)＝0.95T_W(t)；(3)如果二次给定结果为风力发电机已工作在OOR，则T_{e_ref}(t)＝T_W(t)；(4)如果二次给定结果为风力发电机采用慢减速方式运行，则T_{e_ref}(t)＝1.05T_W(t)；(5)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快减速方式运行，若T_e(t)＞T_W(t)，则T_{e_ref}(t)＝T_e(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给T_{e_ref}赋值；若T_e(t)≤T_W(t)，则T_{e_ref}(t)＝1.05T_W(t)。