CN104819098A - 一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，其步骤为：1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线；2)对发电机电磁转矩进行建模分析；3)在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析；4)确定最佳输出功率与感应电机同步速度之间关系，并建立查找表；5)为***设计一种自适应控制器。本发明不需要用测量风力发电机的转速以及风力大小和方向，就可以实现风力发电机在低风速时的最大功率跟踪。由于风的大小和方向受各种原因的影响很难保证一直不变，准确测量过程复杂并提高了***成本。因此，本发明有效地解决了常规风力发电***需要测量风力大小和方向所面临的测量难题，在一定程度上减少了***成本。

Description

一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电***最大功率跟踪控制领域，尤其涉及一种不需要速度传感器的最大功率跟踪的控制方法。

背景技术

风在空间和时间上很难保证一直不变，加之其不可预测性、间歇性，风能的充分利用面临着诸多挑战。目前风力发电***中用的较多的是变速定浆***，风机所获得风能与风轮的叶尖速和风速的比值(叶尖速比)相关。在风速较低的时候，控制的目的就是随着风速变化，通过电力电子装置调整风机的转速，使叶尖比处于最佳值，保证风机所捕获的风能最大，发电效率最高。

现有的风力发电***最大功率跟踪控制方法主要有以下几种：

1)直接转速控制法：随着风速的变化，测量风速以及风机转速的大小，通过调整风机的转速使叶尖比保持不变，且为最佳恒定值，以达到最大功率跟踪的目的。该方法若要正常运行，测量风速以及风机转速大小是必不可缺的过程，而风速的大小却难以准确测量，并且速度传感器的使用，增加了***的运行成本。

2)扰动观察法(爬坡法)：对风机的转速进行适当的扰动△ω_w之后观察风机获取机械功率的变化△P_w,直到(△P_w/△ω_w)＝0，此时风机所捕获的风能最大。此种控制策略虽然不需要风机的各个参数以及在不同风速下风机所能获得的最大风能先验知识，但是这种控制仅仅适用于小惯性风机***，对于具有中等或者较大惯性的风机***，风机的转速不能随着风速的变化迅速变化，导致控制效果下降，并且还需要速度传感器，增加了运行成本。

3)功率反馈法(最佳功率—转速曲线法)：此策略首先需要获取最大风能捕获与风机转速之间的关系曲线，控制的目的就是通过测量风机转速的大小确定风机最大风能捕获，作为控制器的基准值。此方法虽然不需要测量风速的大小，但面临着测量风机转速以及风机输出最大功率的问题，只能处在最大功率跟踪的次优状态，基本可以达到最大功率跟踪的目的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种减少控制***成本的无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，该方法包括如下步骤：

1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线:

风轮捕获的气动功率与风机转速之间的关系为

$P_{\mathrm{wopt}}=\frac{{\mathrm{\ρ\πR}}^5{C}_p\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}\right)}{2{\mathrm{\λ}}^3}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wopt}}^3---\left(1\right)$

风机的机械转矩与风机转速之间的关系为

$T_{\mathrm{mecopt}}=\frac{P_{\mathrm{wopt}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wopt}}}---\left(2\right)$

其中，P_wopt为最大捕获功率，ω_wopt为P_wopt所对应的风机最佳转速，ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径，C_p(λ_opt)为最佳叶尖比所对应的风能利用系数，λ＝ω_wR/ν为叶尖速比，ω_w为风机的角速度，ν为风速；

变速定浆风力发电***，随着风速的大小调节风机转速使风机叶尖比处于最佳值，风机能够达到最大风能捕获，所能捕获的最大风能与风机转速的立方成正比；

2)对发电机电磁转矩进行建模分析：

发电机的电磁转矩为

$T_e=\frac{{3\left|I_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)\right|}^2{r}_r/s}{{\mathrm{\ω}}_s}---\left(3\right)$

其中：ω_s为发电机的同步速度，r_r为发电机转子电阻，I_r(ω_s)为发电机的转子电流，s为发电机的转差率，发电机的转速用ω_r表示，则s表示为

$s=\frac{{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{\ω}}_s}---\left(4\right)$

与发电机的电磁转矩相关的变量仅为ω_s、ω_r，故发电机的电磁转矩表示为T_e(ω_s,ω_r)；

3)在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析：

由于发电机与传动机构相连，若忽略静态和粘性磨擦，其高速轴的方程表达为

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{mec}}-T_e---\left(5\right)$

式中，J为风机高速轴的转动惯量；T_mec为风机的机械转矩；T_e为发电机的电磁转矩，

由公式(5)可知，当风力发电***在最大功率跟踪状态稳定运行时，则T_mec，T_e(ω_s,ω_r)满足

$T_{\mathrm{mecopt}}=-T_e({\mathrm{\ω}}_s,{\mathrm{\ω}}_r)=-\frac{3{\left|I_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)\right|}^2{r}_r}{{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r}---\left(6\right)$

通过公式(1)、公式(2)可知，当捕获功率P_wopt已知时，可以确定风机最佳转速ω_wopt以及风机的最佳转矩T_mecopt，且两者一一对应；通过公式(6)以及已知的T_mecopt，ω_ropt可以确定发电机最佳同步速度ω_s，最终可以确定发电机最大功率跟踪时机械转矩大小与发电机同步速度之间的关系即T_meopt(ω_s)；

4)确定最佳输出功率与感应电机同步角速度之间关系，并建立查找表：

风机最佳发电功率与发电机的电磁转矩和转速的关系表示为

P_ωopt(ω_sopt)＝T_meopt(ω_sopt)×ω_ropt(T_meopt)   (7)

当输入电源的角速度为ω_e，对应的发电机的同步角速度为ω_s时，由于机械损耗，铜耗的存在，发电机的输出电功率为P_gopt满足下式

P_gopt＝P_wopt(ω_sopt)-P_mech-less-3r_s|I_s|²-3r_r|I_r|²   (8)

其中：3r_s|I_s|²、3r_r|I_r|²分别为在发电机定子和转子上的铜耗，P_mech-less为机械损耗，将不同的ω_sopt分别代入式(8)可以得到发电机最大输出功率P_gopt，进而可以确定P_gopt与ω_s的关系，并可以将它们之间的关系逐个存入表中，建立查找表。

本发明的有益效果是：本发明不需要用测量风力发电机的转速以及风力大小和方向，就可以实现风力发电机在低风速时的最大功率跟踪。由于风的大小和方向受各种原因的影响很难保证一直不变，准确测量过程复杂并且增加了***的成本。因此，本发明有效地解决了常规风力发电***需要测量风力大小和方向所面临的测量难题，在一定程度上减少了***运行成本。

附图说明

图1为无速度传感器的风力发电最大功率跟踪原理图；

图2为最大捕获功率与风机转速的关系曲线；

图3为感应电机等效模型；

图4为查找表的建立过程示意图；

图5为无速度传感器的风力发电最大功率跟踪电路控制图；

图6为风速为某一给定值时最大功率跟踪分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，其原理如图1所示，该方法包括如下步骤：

1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线:

由空气动力学理论可得风轮捕获的气动功率表示为

$P_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ\πR}}^2{C}_p(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})v^3---\left(1\right)$

式中：ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径；C_p(λ,β)为风力机的风能利用系数；β为桨距角；ν为风速；λ＝ω_wR/ν为叶尖速比，ω_w为风机的角速度。在最大功率跟踪阶段，一般只调节风机的转速，而桨距角保持不变。此阶段控制的目的就是随着风速改变相应地改变风机的角速度，使λ值处于最佳叶尖比值，则风能利用系数C_p(λ,β)保持不变；

风轮捕获的气动功率与风机转速之间的关系为

$P_{\mathrm{wopt}}=\frac{\mathrm{\ρ\π}{R}^5{C}_p\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}\right)}{2{\mathrm{\λ}}^3}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wopt}}^3---\left(2\right)$

风机的机械转矩与风机转速之间的关系为

$T_{\mathrm{mecopt}}=\frac{P_{\mathrm{wopt}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{wopt}}}---\left(3\right)$

其中，ω_wopt为捕获功率P_wopt所对应的风机最佳转速，C_p(λ_opt)为最佳叶尖比所对应的风能利用系数。最大捕获功率与风机转速的关系曲线如图2所示。由公式(2)和公式(3)可知，P_wopt、T_mecopt均是关于ω_wopt的单调递增函数，且均与ω_wopt一一对应。

变速定浆风力发电***，随着风速的大小调节风机转速使风机叶尖比处于最佳值，风机能够达到最大风能捕获，所能捕获的最大风能与风机转速的立方成正比。

2)对发电机电磁转矩进行建模分析：

异步电机在基频以下运行时，如果磁通太弱，则没有充分利用电机铁心；如果磁通过大，导致铁心饱和产生过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电机。故定子端电压通常采用恒压频比控制方式，即保持V_S/ω_e不变,其中V_S定子端电压，ω_e为定子端电源角速度。ω_s为发电机的同步速度，且其满足ω_s＝2ω_e/n_p，n_p代表电磁极对数。故若定子端电压采用恒压频比控制方式，则V_S/ω_s也将保持不变，定子端电压V_S可以表示为V(ω_s)。

感应电机的等效模型如图3所示，其中I_r为等效电路转子电流，I_s为等效电路定子电流可分别表示为

$I_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)=\frac{V\left({\mathrm{\ω}}_s\right)j{\mathrm{\ω}}_s{L}_M}{(r_s+{\mathrm{j\ω}}_s{L}_s)(r_r/s+j{\mathrm{\ω}}_s{L}_r+j{\mathrm{\ω}}_s{L}_M)+(r_r/s+{\mathrm{j\ω}}_s{L}_r)\×{\mathrm{j\ω}}_s{L}_M}---\left(4\right)$

$I_s\left({\mathrm{\ω}}_s\right)=\frac{V\left({\mathrm{\ω}}_s\right)(r_r/s+{\mathrm{j\ω}}_s{L}_r+j{\mathrm{\ω}}_s{L}_M)}{(r_s+{\mathrm{j\ω}}_s{L}_s)(r_r/s+j{\mathrm{\ω}}_s{L}_r+j{\mathrm{\ω}}_s{L}_M)+(r_r/s+{\mathrm{j\ω}}_s{L}_r)\×{\mathrm{j\ω}}_s{L}_M}---\left(5\right)$

发电机的电磁转矩表示为

$T_e=\frac{3{\left|I_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)\right|}^2{r}_r/s}{{\mathrm{\ω}}_s}---\left(6\right)$

其中：ω_s为发电机的同步速度，r_r为发电机转子电阻，I_r(ω_s)为发电机的转子电流，s为发电机的转差率，发电机的转速用ω_r表示，则s表示为

$s=\frac{{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r}{{\mathrm{\ω}}_s}---\left(7\right)$

由上述公式(4)、公式(5)、公式(6)和公式(7)可知，与发电机的电磁转矩相关的变量仅为ω_s、ω_r，发电机的电磁转矩可以表示为T_e(ω_s,ω_r)。

3)在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析：

由于发电机与传动机构相连，若忽略静态和粘性磨擦，其高速轴的方程表达为

$J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{mec}}-T_e---\left(8\right)$

式中，J为风机高速轴的转动惯量；T_mec为风机的机械转矩；T_e为发电机的电磁转矩。

根据动力学理论对发电机***的传动链进行分析可知，在最大功率跟踪时，只有当风机的最佳机械转矩T_mecopt与发电机的电磁转矩T_e大小相等、方向相反时，发电***才能够稳定运行于最大功率跟踪状态。由公式(8)可知，当风力发电***在最大功率跟踪状态稳定运行时，则T_mec，T_e(ω_s,ω_r)满足

$T_{\mathrm{mecopt}}=-T_e({\mathrm{\ω}}_s,{\mathrm{\ω}}_r)=-\frac{3{\left|I_r\left({\mathrm{\ω}}_s\right)\right|}^2{r}_r}{{\mathrm{\ω}}_s-{\mathrm{\ω}}_r}---\left(9\right)$

通过公式(2)、公式(3)可知，当捕获功率P_wopt已知时可以确定风机最佳转速ω_wopt以及风机的最佳转矩T_mecopt，且两者一一对应；通过公式(9)以及已知的T_mecopt，ω_ropt可以确定发电机当前的最佳同步速度ω_s，即可以最终确定发电机最大功率跟踪时机械转矩大小与发电机同步速度之间的关系即T_meopt(ω_s)。

4)确定最佳输出功率与感应电机同步角速度之间关系，并建立查找表：

风机最佳发电功率与发电机的电磁转矩和转速的关系为

P_ωopt(ω_sopt)＝T_meopt(ω_sopt)×ω_ropt(T_meopt)   (10)

当输入电源的角速度为ω_e，对应的发电机的同步角速度为ω_s时，由于机械损耗，铜耗的存在，风机的输出电功率为P_gopt满足下式

P_gopt＝P_wopt(ω_sopt)-P_mech-less-3r_s|I_s|²-3r_r|I_r|²   (11)

其中：3r_s|I_s|²、3r_r|I_r|²分别为在风机定子和转子上的铜耗，P_mech-less为机械损耗，机械损耗P_mech-less与转速以及发电机的参数相关。将不同的ω_sopt分别代入式(11)可以得到发电机最大输出功率P_gopt，进而可以确定P_gopt与ω_s的关系，并可以将它们之间的关系逐个存入表中，最后建立它们之间一一对应的离散数组，建立查找表，整个过程如图4所示。

本发明还为无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法设计了一种自适应控制器，自适应调节同步速度的基本算法为

ω_s(k)＝ω_s(k-1)+△ω_s(k)   (12)

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ω}}_s\left(k\right)=-{\mathrm{\γ}}_{{\mathrm{\Δ\ω}}_s}\mathrm{sgn}\left[{\mathrm{\Δ\ω}}_s(k-1)\right]\mathrm{sgn}\left[\mathrm{\ΔP}\left(k\right)\right]{\left|\mathrm{\ΔP}\left(k\right)\right|}^{1/2}---\left(13\right)$

式中：k为自适应周期的序号；为增益，它可以缩放自适应调节同步速度ω_s步的大小，提高控制的快速性。其中

$P_{\mathrm{gopt}}\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gopt}}[(k-1)n+i]}{n}---\left(15\right)$

$P_m\left(k\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_m[(k-1)n+i]}{n}---\left(16\right)$

式中，n为自适应周期内采样的次数。

无速度传感器的风力发电最大功率跟踪电路控制如图5所示，现在对其工作原理进行一定的分析，当风速为某一给定值时，风能捕获与风机转速、风机转矩与风机转速的关系曲线以及发电机在不同同步速度下的电磁转矩与发电机在传动链左侧的等效转速的关系曲线如图6所示。当风机运行于OP1点，发电机的同步速度为ω_s1。通过调整发电机网侧电源的频率，使ω_s在ω_s1与ω_sopt之间以适当的速度增加，由于T_e<T_w故风机做加速运动，直至达到最佳速度为止。同理，当风机运行于OP2点，发电机的同步速度为ω_s2。通过调整发电机网侧电源的频率，使ω_s在ω_s2与ω_sopt之间以适当的速度减小，由于T_e>T_w故风机做减速运动，直至达到最佳速度为止。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线:

风轮捕获的气动功率与风机转速之间的关系为

$P_{\mathrm{wopt}}=\frac{{\mathrm{\&rho;\&pi;R}}^5{C}_p\left({\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{opt}}\right)}{{2\mathrm{\&lambda;}}^3}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{wopt}}^3---\left(1\right)$

风机的机械转矩与风机转速之间的关系为

$T_{\mathrm{mecopt}}=\frac{P_{\mathrm{wopt}}}{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{wopt}}}---\left(2\right)$

其中，P_wopt为最大捕获功率,ω_wopt为P_wopt所对应的风机最佳转速，ρ为空气密度；R为叶轮旋转平面半径，C_p(λ_opt)为最佳叶尖比所对应的风能利用系数，λ＝ω_wR/ν为叶尖速比，ω_w为风机的角速度，ν为风速；

变速定浆风力发电***，随着风速的大小调节风机转速使风机叶尖比处于最佳值，风机能够达到最大风能捕获，所能捕获的最大风能与风机转速的立方成正比；

2)对发电机电磁转矩进行建模分析：

发电机的电磁转矩表示为

$T_e=\frac{3{\left|I_r\left({\mathrm{\&omega;}}_s\right)\right|}^2{r}_r/s}{{\mathrm{\&omega;}}_s}---\left(3\right)$

其中：ω_s为发电机的同步速度，r_r为发电机转子电阻，I_r(ω_s)为发电机的转子电流，s为发电机的转差率，发电机的转速用ω_r表示，则s表示为

$s=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_s-{\mathrm{\&omega;}}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_s}---\left(4\right)$

与发电机的电磁转矩相关的变量仅为ω_s、ω_r，发电机的电磁转矩表示为T_e(ω_s,ω_r)；

3)在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析：

由于发电机与传动机构相连，若忽略静态和粘性磨擦，其高速轴的方程表达为

$J\frac{{\mathrm{d\&omega;}}_r}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{mec}}-T_e---\left(5\right)$

式中，J为风机高速轴的转动惯量；T_mec为风机的机械转矩；T_e为发电机的电磁转矩；

由公式(5)可知，当风力发电***在最大功率跟踪状态稳定运行时，则T_mec，T_e(ω_s,ω_r)满足

$T_{\mathrm{mecopt}}=-T_e({\mathrm{\&omega;}}_s,{\mathrm{\&omega;}}_r)=-\frac{3{\left|I_r\left({\mathrm{\&omega;}}_s\right)\right|}^2{r}_r}{{\mathrm{\&omega;}}_s-{\mathrm{\&omega;}}_r}---\left(6\right)$

通过公式(1)、公式(2)可知，当捕获功率P_wopt已知时，可以确定风机最佳转速ω_wopt以及风机的最佳转矩T_mecopt，且两者一一对应；通过公式(6)以及已知的T_mecopt，ω_ropt可以确定发电机当前的最佳同步速度ω_s，即可以最终确定发电机最大功率跟踪时机械转矩大小与发电机同步速度之间的关系即T_meopt(ω_s)；

4)确定最佳输出功率与感应电机同步角速度之间关系，并建立查找表：

风机最佳发电功率与发电机的电磁转矩和转速的关系为

P_ωopt(ω_sopt)＝T_meopt(ω_sopt)×ω_ropt(T_meopt)   (7)

当输入电源的角速度为ω_e，对应的发电机的同步角速度为ω_s时，由于机械损耗，铜耗的存在，风机的输出电功率为P_gopt满足下式

P_gopt＝P_wopt(ω_sopt)-P_mech-less-3r_s|I_s|²-3r_r|Ir|²   (8)

其中：3r_s|I_s|²、3r_r|I_r|²分别为在风机定子和转子上的铜耗，P_mech-less为机械损耗，将不同的ω_sopt分别代入式(8)可以得到发电机最大输出功率P_gopt，进而可以确定P_gopt与ω_s的关系，并可以将它们之间的关系逐个存入表中，建立查找表。