CN105986962B - 一种风力发电机组的最大风能捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电机组的最大风能捕获方法,通过利用间接转速控制器的参数调整项‑Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差对间接转速控制方法的输出结果进行修正,提高了精度,使得控制效果得到改善。同时,通过前n个周期和后n个周期产能的变化,改变间接转速控制器的参数,更好地反映当前转速需要调整的幅度。综上所述,由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正,本方法改善了由于kopt随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制技术领域,特别是涉及一种风力发电机组的最大风能捕获方法。
背景技术
风能是一种绿色无污染、可再生的新能源,因此,风能的捕获对于解决环境污染的能源危机具有重要的意义。近些年来,风电转换技术在世界范围内获得了快速的发展,目前,采用变速恒频的电力电子技术,在原有定桨距定速风力发电机组的基础上逐步改进得到了变桨距变速风力发电机。变桨距变速风力发电机组的运行发电状态大致可以分为两个阶段,低风速段的最大风能捕获阶段和高风速段的恒功率运行阶段。但是,由于风能发电的电力发电机组本身是非线性时变的大惯性***,同时,带来强扰动的风速,因此,在低风速段对于最大风能捕获具有一定的困难。
由于在具体实施中,测得的风速是单点风速,而在计算中通常采用平均分布在风机桨叶上的风速的空间平均值,因此,现有的,在工业上设计低风速段控制算法时,一般不使用风速作为控制器的输入,而是使用间接转速,工业上设计的间接转速控制方法最后得到的控制器的输出表达式为:
其中,Tg为发电机转矩,ωr为风轮角速度,ρ为空气密度,R为风轮半径;cPmax为最佳功率系数,λopt为最佳叶尖速比。
由上式可知,间接转速控制不使用风速的测量值,且控制方法简单,对于控制器的运算能力要求不高,但是具有如下缺点:
不同的风力发电机组具有不同的kopt值,而且很难准确地获取,尤其是随着风机的运行和环境的变化,kopt值也会发生变化,因此,该间接转速控制方法的精度不高,使得控制效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法,用于改善由于kopt随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
为解决上述技术问题,本发明提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法,包括:
选取2n个控制周期;
根据所述2n个控制周期内的前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和计算最优转速估计值
利用所述前n个控制周期的产生能量的总和与所述后n个控制周期的产生能量的总和确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号;
获取当前风机叶轮的转速ωm;
计算所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差;
根据间接转速控制方法和所述间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差获取发电机转矩Tg;
其中,n为自然数,m=2n。
优选的,所述计算最优转速估计值具体包括:
计算所述前n个控制周期产生能量的总和和所述后n个控制周期产生能量的总和
判断所述后n个控制周期产生能量的总和是否大于所述前n个控制周期产生能量的总和
在所述后n个控制周期产生能量的总和大于所述前n个控制周期产生能量的总和的情况下,则将所述最优转速估计值加Δω,否则减Δω;
其中,Δω用来调整所述最优转速估计值
优选的,所述计算所述最优转速估计值具体为:
其中,
优选的,所述确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号具体包括:
计算所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差;
若所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差大于零,则确定Δk的符号为正,否则确定Δk的符号为负。
优选的,所述发电机转矩Tg具体为:
其中,Tg为发电机转矩,ρ为空气密度,R为风机叶轮半径;cPmax为最佳功率系数,λopt为最佳叶尖速比,k为比例控制系数。
优选的,所述发电机转矩Tg的参数具体为:
kopt=0.10236,k=-350,Δk=50,m=6。
优选的,还包括:
设置采样周期和控制周期的时间均为0.04S。
本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法,通过利用间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差对间接转速控制方法的输出结果进行修正,提高了精度,使得控制效果得到改善。同时,通过前n个周期和后n个周期产能的变化,改变间接转速控制器的参数,更好地反映当前转速需要调整的幅度。综上所述,由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正,本方法改善了由于kopt随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例,下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种风力发电机组的最大风能捕获方法的流程图;
图2为本发明提供的一种计算最优转速估计值的方法的流程图;
图3为本发明提供的一种确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号的方法的流程图;
图4为风力发电机组的运行工作区示意图;
图5为风力发电机组的实际动力学模型示意图;
图6为本发明提供的一种最大风能捕获结果对比图;
图7为本发明提供另的一种最大风能捕获结果对比图;
图8为本发明提供另的一种最大风能捕获结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下,所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种风力发电机组的最大风能捕获方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明提供的一种风力发电机组的最大风能捕获方法的流程图。风力发电机组的最大风能捕获方法,包括:
S10:选取2n个控制周期。
选取2n个控制周期,n为自然数,在这2n个控制周期内,发电机转矩Tg是保持不变的。
S11:根据所述2n个控制周期内的前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和计算最优转速估计值
在步骤S10选取了2n个控制周期之后,根据前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和作为参数计算得到最优转速估计值其中,m=2n。
例如,n=3时,则在6个控制周期内,前3个控制周期产生能量的总和就为前3个控制周期产生能量的总和就为
S12:利用所述前n个控制周期的产生能量的总和与所述后n个控制周期的产生能量的总和确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号。
间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号需要根据前n个控制周期的产生能量的总和与后n个控制周期的产生能量的总和的大小来确定。
S13:获取当前风机叶轮的转速ωm。
S14:计算所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差。
根据步骤S11中计算出的最优转速估计值和步骤S13中获取的风机叶轮的转速ωm,计算二者的偏差。
S15:根据间接转速控制方法和所述间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差获取发电机转矩Tg。
根据现有的间接转速控制方法,在此基础上,利用间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差计算发电机转矩Tg,最终控制器通过计算得到的发电机转矩Tg控制风轮的转速。
本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方法,通过利用间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差对间接转速控制方法的输出结果进行修正,提高了精度,使得控制效果得到改善。同时,通过前n个周期和后n个周期产能的变化,改变间接转速控制器的参数,更好地反映当前转速需要调整的幅度。综上所述,由于对间接转速控制方法的输出结果进行修正,本方法改善了由于kopt随着风机机械结构和环境发生变化而产生变化时带来的风能捕获效果的影响。
图2为本发明提供的一种计算最优转速估计值的方法的流程图。计算最优转速估计值具体包括:
S20:计算所述前n个控制周期产生能量的总和和所述后n个控制周期产生能量的总和
在选取的2n个控制周期内,分别对前n个周期的产生能量的总和和后n个控制周期的产生能量的总和进行计算。
S21:判断所述后n个控制周期产生能量的总和是否大于所述前n个控制周期产生能量的总和
通过步骤S20中计算得到的和判断是否大于即判断后n个控制周期产生能量的总和是否大于前n个控制周期产生能量的总和。
S22:在所述后n个控制周期产生能量的总和大于所述前n个控制周期产生能量的总和的情况下,则将所述最优转速估计值加Δω,否则减Δω;其中,Δω用来调整所述最优转速估计值
在大于的情况下,则将最优转速估计值加Δω;在不大于的情况下,则将最优转速估计值减Δω。其中,Δω用来调整所述最优转速估计值
作为一种优选的实施方式,所述计算所述最优转速估计值具体为:
其中,
作为一种优选的实施方式,所述计算所述最优转速估计值具体为:
其中,
为了让本领域技术人员更加理解本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方法,本优选方式给出具体的计算公式。
其中,
图3为本发明提供的一种确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号的方法的流程图。确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号具体包括:
S30:计算所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差。
S31:若所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差大于零,则确定Δk的符号为正,否则确定Δk的符号为负。
通过步骤S30中对与的偏差的计算,确定Δk的正负号,具体的,当与的偏差大于零,则确定Δk的符号为正;当与的偏差不大于零,则确定Δk的符号为负。
作为一种优选的实施方式,所述发电机转矩Tg具体为:
其中,Tg为发电机转矩,ρ为空气密度,R为风机叶轮半径;cPmax为最佳功率系数,λopt为最佳叶尖速比,k为比例控制系数。
为了让本领域技术人员更加理解本发明提供的风力发电机组的最大风能捕获方法,本优选方式给出控制器输出的具体公式:
其中,Tg为发电机转矩,ρ为空气密度,R为风机叶轮半径;cPmax为最佳功率系数,λopt为最佳叶尖速比,k为比例控制系数。
作为一种优选的实施方式,所述发电机转矩Tg的参数具体为:
kopt=0.10236,k=-350,Δk=50,m=6。
在具体实施中,可以设定kopt=0.10236,k=-350,Δk=50,m=6,需要说明的是,并不代表一定是上述取值,可以根据实际情况设定。
为了说明本方法的优势,下面给出具体的仿真过程和过程说明。需要说明的是,以下均是举例说明,并不代表只有这一种实施方式。
使用商用的风力发电机仿真软件GH Bladed,对低风速段控制器做仿真验证。
图4为风力发电机组的运行工作区示意图。风力发电机组的运行工作区可以分为两段,低风速段Ⅰ是最大风能捕获工作区,主要是保持桨距角不变,通过控制发电机转矩,来维持最优叶尖速比达到提高风能利用率的目标。高风速段Ⅱ采用恒功率控制,即维持发电功率平稳,高质量发电,减小对电网的冲击。本发明主要针对低风速段Ⅰ进行控制器设置。在图1中,以v1作为切入风速,以v2作为额定风速,以v3作为切出风速。
图5为风力发电机组的实际动力学模型示意图。具体建模方法如下:
其中,Ta为叶轮转矩(单位N·m);Tls为低速转矩(单位N·m);ωg为发电机角速度(单位rad/s);Ths为高速转矩(单位N·m);Tem为电磁转矩(单位N·m);Jr和Jg分别为叶轮和发电机的转动惯量(单位Kg·m2);kr和kg分别为叶轮和发电机的外部阻尼(单位N·m/(rad·s))。
综合上式,
其中,
在具体实施中,Ta≈Tg,且λ=λopt,Cp(λ)=Cpmax,根据空气动力学,最后得到:
根据间接转速控制方法的输出结果并通过利用间接转速控制器的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差进行修正,得到本发明提供的控制器输出的具体公式:
在仿真过程中,选取Jr=4456761Kg·m2,kr=45.52N·m/(rad·s),kg=0.4N·m/(rad·s)。
图6为本发明提供的一种最大风能捕获结果对比图。其中,该图为风机自身kopt未发生改变时,本发明提供的方法得到的结果L1与间接转速控制方法得到的结果L2的对比图。统计结果显示,本发明的算法在400s内产能高出了0.43%。
图7为本发明提供的另一种最大风能捕获结果对比图。其中,该图为风机自身kopt增大50%后,本发明提供的方法得到的结果L3与间接转速控制方法得到的结果L4的对比图。统计结果显示,本发明的算法在400s内产能高出了0.62%。
图8为本发明提供的另一种最大风能捕获结果对比图。其中,该图风机自身kopt减小50%后,本发明提供的方法得到的结果L5与间接转速控制方法得到的结果L6的对比图。统计结果显示,本发明的算法在400s内产能高出了5.8%。
综上所述,当随着kopt变化时,本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法在产能效果上都有所提高,因此,在具体实施中,当风机所处环境的变化和自身结构的改变所引起的kopt改变时,本发明提供的方法可以显著改善功率下降的情况。对于风机实际运行中获取最大功率,提高经济效益具有较大的意义和应用价值。
作为一种优选的实施方式,风力发电机组的最大风能捕获方法,还包括:
设置采样周期和控制周期的时间均为0.04S。
在具体实施中,仿真过程可以根据不同的情况设置采样周期和控制周期的时间,作为一种优选的实施方式,可以设置采样周期和控制周期的时间均为0.04S。
以上对本发明所提供的风力发电机组的最大风能捕获方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,包括:
选取2n个控制周期;
根据所述2n个控制周期内的前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和计算最优转速估计值
利用所述前n个控制周期的产生能量的总和与所述后n个控制周期的产生能量的总和确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号;
获取当前风机叶轮的转速ωm;
计算所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差;
根据间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m以及所述风机叶轮的转速ωm与所述最优转速估计值的偏差获取发电机转矩Tg;
其中,n为自然数,m=2n。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,所述计算最优转速估计值具体包括:
计算所述前n个控制周期产生能量的总和和所述后n个控制周期产生能量的总和
判断所述后n个控制周期产生能量的总和是否大于所述前n个控制周期产生能量的总和
在所述后n个控制周期产生能量的总和大于所述前n个控制周期产生能量的总和的情况下,则将所述最优转速估计值加Δω,否则减Δω;
其中,Δω用来调整所述最优转速估计值
3.根据权利要求2所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,所述计算最优转速估计值具体为:
其中,
4.根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,所述确定间接转速控制方法的参数调整项-Δkω2 m中Δk的符号具体包括:
计算所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差;
若所述前n个控制周期产生能量的总和与后n个控制周期产生能量的总和的偏差大于零,则确定Δk的符号为正,否则确定Δk的符号为负。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,所述发电机转矩Tg具体为:
其中,ρ为空气密度,R为风机叶轮半径;cPmax为最佳功率系数,λopt为最佳叶尖速比,k为比例控制系数。
6.根据权利要求5所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,所述发电机转矩Tg的参数具体为:
kopt=0.10236,k=-350,Δk=50,m=6。
7.根据权利要求1所述的风力发电机组的最大风能捕获方法,其特征在于,还包括:
设置采样周期和控制周期的时间均为0.04S。
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C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB02 | Change of applicant information | ||
CB02 | Change of applicant information |
Address after: 311106 Zhejiang City, Yuhang Province Economic and Technological Development Zone (Qianjiang Economic Development Zone) downwind Road, No. 558, No. Applicant after: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. Address before: 310012, Zhejiang, Hangzhou, No. two Wen Road, West Lake international science and technology building, block A, building 22 Applicant before: Zhejiang Windey Wind Power Co., Ltd. |
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GR01 | Patent grant | ||
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