CN107218175B - 一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，通过一阶数字滤波器对最优转速进行平滑处理，并实时对滤波系数进行搜素，以此对转速跟踪目标进行优化。本发明优化了风力机的转速跟踪目标，解决了大转动惯量的风力机在有限范围的发电机电磁转矩控制作用下难以根据快变的风速信号对转速进行快速精确的调节的问题，进一步提高了风力机的风能捕获效率。

Description

一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化 方法
技术领域
本发明属于风力机控制领域，特别是一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法。
背景技术
变速风机通过改变自身的转速跟踪风速的变化，以实现最大功率点跟踪(maximumpowerpoint tracking,MPPT)。主要的MPPT控制方法分为叶尖速比法、最优转矩法和爬山法。本发明方法是基于目前已经被广泛研究的叶尖速比法。
基于叶尖速比法的MPPT控制方法在控制器设计的过程中考虑了转速跟踪目标的动态特性，从而理论上能够使风力机对变化的最优转速进行快速跟踪。这些考虑转速跟踪目标动态特性的控制方法在一定程度上提高了风力机的转速跟踪能力。
然而，这些方法在应用过程不可避免的会受到风力机本身结构特性的限制，即具有较大转动惯量的风轮在有限的发电机电磁转矩的控制作用下无法对快速变化的目标进行实时精确跟踪。如果强行对由快速波动的风速所决定的最优转速信号进行跟踪，不仅会增大风力机叶片和传动轴上的结构载荷，还会使得发电机无法响应控制器给出的参考转矩信号，进而对转速跟踪效果造成影响，降低风能捕获效率。
基于上述情况，对于具有慢动态特性的风力机以及快速波动的风速，传统的以最优转速为跟踪目标的MPPT控制已无法实现最大化风能捕获的目标，针对此问题一个切实可行的办法是设定一个与风力机慢动态特性相匹配的转速跟踪目标。但是现有技术中尚无相关描述。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，包括以下步骤：
步骤1、对第1、2个迭代周期的转速滤波系数进行初始化，并计算相应周期的风能捕获效率η值；
步骤2、设置迭代周期k＝k+1，并进入下一个迭代周期；
步骤3、在第k周期的开始时，进入自适应搜索转速滤波系数的阶段，利用前2个迭代周期的转速滤波系数和风能捕获效率的数值，计算出前周期的转速滤波系数变化量Δα(k)；
步骤4、设置当前周期的转速滤波系数α(k)＝α(k-1)+Δα(k)；
步骤5、利用当前周期的转速滤波系数对最优转速进行滤波，并利用基于叶尖速比法的风力机控制方法控制风力机进行第k个周期的运行；
步骤6、计算第k个周期的风力机风能捕获效率η(k)；
步骤7、判断第k个周期是否运行结束，若不结束，则进入步骤2继续运行；否则，结束运行。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明针对使用一阶数字滤波器优化参考转速的方法设计出一种基于滤波参数自适应调整的最大化风能捕获策略，在未改变控制器的情况下提高了风力机的效率；2)本发明优化了风力机的转速跟踪目标，解决了大转动惯量的风力机在有限范围的发电机电磁转矩控制作用下难以根据快变的风速信号对转速进行快速精确的调节的问题，进一步提高了风力机的风能捕获效率。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明的最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法流程图。
图2为本发明在一段平均风速为7m/s的6小时风速序列下的滤波系数的变化。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，包括以下步骤：
步骤1、对第1、2个迭代周期的转速滤波系数进行初始化，并确定相应周期的风能捕获效率η(1)，η(2)；具体步骤为：
步骤1-1、第一个迭代周期即k＝1时：设置初始转速滤波系数为α(1)，并在运行周期结束时，确定第一个周期的风能捕获效率η(1)；
第一个周期的风能捕获效率η(1)的计算公式为：
式中，n为一个运行周期内的采样次数，Tem(i)为发电机电磁转矩，ωg(i)为发电机转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，v(i)为风速值，CP.max为最大风能利用系数；
步骤1-2、第二个迭代周期即k＝2时：设置初始变化量为Δα(2)，计算α(2)＝α(1)+Δα(2)，并在运行周期结束时，确定第二个周期的风能捕获效率η(2)，其计算公式也为：
步骤2、设置迭代周期k＝k+1，并进入下一个迭代周期；
步骤3、在第k周期的开始时，进入自适应转速滤波系数搜索，根据之前两个周期的转速滤波系数和风能捕获效率，确定当前周期的转速滤波系数变化量Δα(k)；所用公式为：
式中，m为自适应的系数。
步骤4、设置当前周期的转速滤波系数α(k)＝α(k-1)+Δα(k)；
步骤5、利用当前周期的转速滤波系数对最优转速进行滤波，得到转速跟踪目标ωref(t)，并利用基于叶尖速比法的风力机控制方法控制风力机进行第k个周期的运行；所述转速跟踪目标ωref(t)的计算公式为：
其中，λopt为风力机的最优叶尖速比，为估计风速，R为风轮半径。
步骤6、确定第k个周期的风力机风能捕获效率η(k)；所用公式为：
式中，n为一个运行周期内的采样次数，Tem(i)为发电机电磁转矩，ωg(i)为发电机转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，v(i)为风速值，CP.max为最大风能利用系数。
步骤7、判断第k个周期是否运行结束，若不结束，则进入步骤2继续运行；否则，结束运行。
本发明优化了风力机的转速跟踪目标，解决了大转动惯量的风力机在有限范围的发电机电磁转矩控制作用下难以根据快变的风速信号对转速进行快速精确的调节的问题，进一步提高了风力机的风能捕获效率。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：
实施例
利用美国国家能源部可再生能源实验室(National Renewable EnergyLaboratory，NREL)提供的开源的专业风力机仿真软件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,and Turbulence)来模拟控制效果。风力机模型采用NERL开发的600kW CART3试验机型，具体参数如表1所示。
表1 NREL 600kW CART3风力机主要参数
首先，使用TurbSim(NREL提供的开源的湍流风模拟软件)生成一条时长为6小时的平均风速为7m/s的风速序列(包含36个10分钟间隔)。湍流风速由Kaimal谱模型产生的，湍流分量(C等级)和数值为150m的积分尺度。
然后，仿真的迭代周期设为10分钟，初始的转速滤波系数设为0.3，α的初始扰动设为0.05。m设为0.1。
在该风速序列下不同策略的效率比较：
表2.不同策略效率比较
从上表中可以看出，采用本专利提出的滤波参数自适应调整的方法所获取的风能捕获效率在0h-6h、0h-3h、3h-6h内都比其他的采用固定滤波系数的方法更高，说明本发明提出的方法能提高风力机的风能捕获效率。
由上述实施例，可以验证本发明提出的基于滤波参数自适应调整的最大化风能捕获策略，设定了一个与风力机慢动态特性较为匹配的转速跟踪目标，在未改变控制器的情况下提高了风力机的效率。

Claims (5)

1.一种实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对第1、2个迭代周期的转速滤波系数进行初始化，并确定相应周期的风能捕获效率η(1)，η(2)；
步骤2、设置迭代周期k＝k+1，并进入下一个迭代周期；
步骤3、在第k周期的开始时，进入自适应转速滤波系数搜索，根据之前两个周期的转速滤波系数和风能捕获效率，确定当前周期的转速滤波系数变化量Δα(k)；
步骤4、设置当前周期的转速滤波系数α(k)＝α(k-1)+Δα(k)；
步骤5、利用当前周期的转速滤波系数对最优转速进行滤波，得到转速跟踪目标ωref(t)，并利用基于叶尖速比法的风力机控制方法控制风力机进行第k个周期的运行；
步骤6、确定第k个周期的风力机风能捕获效率η(k)；
步骤7、判断第k个周期是否运行结束，若不结束，则进入步骤2继续运行；否则，结束运行。
2.根据权利要求1所述的实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤1中对第1、2个迭代周期的转速滤波系数进行初始化的具体步骤为：
步骤1-1、第一个迭代周期即k＝1时：设置初始转速滤波系数为α(1)，并在运行周期结束时，确定第一个周期的风能捕获效率η(1)；
第一个周期的风能捕获效率η(1)的计算公式为：
式中，n为一个运行周期内的采样次数，Tem(i)为发电机电磁转矩，ωg(i)为发电机转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，v(i)为风速值，CP.max为最大风能利用系数；
步骤1-2、第二个迭代周期即k＝2时：设置初始变化量为Δα(2)，计算α(2)＝α(1)+Δα(2)，并在运行周期结束时，确定第二个周期的风能捕获效率η(2)，其计算公式也为：
3.根据权利要求1所述的实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤3中确定当前周期的转速滤波系数变化量Δα(k)的公式为：
式中，m为自适应的系数。
4.根据权利要求1所述的实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤5中的转速跟踪目标ωref(t)的计算公式为：
其中，λopt为风力机的最优叶尖速比，为估计风速，R为风轮半径。
5.根据权利要求1所述的实现风力机最大化风能捕获效率的转速跟踪目标优化方法，其特征在于，步骤6中确定第k个周期的风力机风能捕获效率公式为：
式中，n为一个运行周期内的采样次数，Tem(i)为发电机电磁转矩，ωg(i)为发电机转速，ρ为空气密度，R为风轮半径，v(i)为风速值，CP.max为最大风能利用系数。
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