CN116398377A - 一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法 - Google Patents

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wind
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殷云扬
贾姝
周玉成
薄晓婷
闫梦情
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Yancheng Institute of Technology
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本发明公开了一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，属于风力机最大功率点跟踪控制策略技术领域，一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，转矩法包括以下步骤：S1：给定转速偏差设定阈值ε；S2：获取当前时刻k风力机迎风面的风速vk与风轮ωr,k的实际转速，计算风轮的理论最优转速ωopt,k；它可以提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法通过判断风力机的理论最优转速与实际转速的偏差大小使其在恒功率控制与最优转速法MPPT控制间切换，进而获得较传统最优转矩法更良好的加减速响应性能与转速跟踪效果，有效提高风力机的风能捕获效率。

Description

一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法
技术领域
本发明涉及风力机最大功率点跟踪控制策略技术领域，更具体地说，涉及一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法。
背景技术
近年来，随着清洁能源的大规模发展，风力发电技术受到越来越多的关注。与传统定速风力机相比，变速风力机具有更高的发电效率和更低的结构载荷，因此逐渐成为主流。为了使风力机高效地捕获风能，一般采用最大功率点跟踪(Maximum power pointtracking,MPPT)控制，旨在控制风轮转速跟踪由实时风速所决定的最佳转速。风力机MPPT控制有众多实现方法，其中最优转矩法通过设定参考功率指令与风轮转速的三次方关系，使风力机能够自行趋近于最优转速。该方法对风力机的运行载荷影响较小，且控制结构简单易行，因而在工程中已得到广泛应用。
但是，随风轮转速调节的最优转矩法存在着响应缓慢的问题，具体表现为应用该方法控制的风力机趋于最优转速的动态过程需要较长的时间，并且随着风轮转动惯量地不断增大此问题逐渐突出。同时，该方法本身无法通过参数的调整来获得更快的响应速度，因而使风力机的风能捕获效率较低。
为此，相关技术研究分别从减小转矩增益和收缩跟踪区间两方面改进最优转矩法。具体地，减小转矩增益法通过减小转矩增益系数提升风力机的响应性能；收缩跟踪区间法则通过放弃对低风速最优转速的跟踪来换取整体捕获效率的提高。然而，上述方法仍是基于稳态视角修改风力机最大功率跟踪曲线来改进最优转矩法，减小转矩增益法仅对特定风速场景表现出良好的加速性能，收缩跟踪区间法则并未改善风力机的响应速度。因此，有必要基于动态视角改进最优转矩法，使其具备良好地加减速响应性能，在继承最优转矩法优点的同时，进一步提升风力机的风能捕获效率。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，它可以实现根据风力机的理论最优转速与实际转速的绝对值偏差选取不同的控制方式，当偏差较大时保持恒功率指令加速跟踪理论最优转速、当偏差较小时以最优转矩法运行趋于理论最优转速，从而获得良好的转速跟踪效果，有效提高风能捕获效率。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，所述转矩法包括以下步骤：
S1：给定转速偏差设定阈值ε；
S2：获取当前时刻k风力机迎风面的风速vk与风轮ωr,k的实际转速，计算风轮的理论最优转速ωopt,k；
S3：当满足∣ωr,k-ωopt,k∣＜ε，或k＝0，则风力机以最优转矩法设定参考功率指令，或满足∣ωr,k-ωopt,k∣≥ε且k＞0，则风力机保持时刻的参考功率指令不变；
S4：寄存当前时刻k的参考功率指令，并将此参考功率指令下达至变流器实现。
进一步的，所述步骤S1中的转速偏差设定阈值初始化为一个大于0的系数。
进一步的，所述步骤S2中理论最优转速计算公式为：
Figure BDA0004185139140000021
其中，λopt为最优叶尖速比，由风轮气动特性决定，通过测量并拟合风能捕获系数曲线获得；R为风轮半径。
进一步的，所述步骤S3中的风力机在当前时刻k以最优转矩法设定参考功率指令Pref,k，即：
Figure BDA0004185139140000031
其中，Kopt＝0.5ρπR5 CPmax/λopt近似为常数，CPmax为最大风能捕获系数，用拟合风能捕获系数曲线获得；ωr.bgn为起始发电转速。
进一步的，所述步骤S3中的风力机保持时刻k-1的参考功率指令不变，即：
Pref,k＝Pref,k-1
其中，Pref,k-1为k-1时刻寄存的风力机参考功率指令。
进一步的，所述步骤S4中的寄存当前时刻k的参考功率指令的目的是：当时刻k+1时，用来判断作为步骤S3中的风力机的参考功率指令或不作为步骤S3中的风力机的参考功率指令。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明的提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法通过判断风力机的理论最优转速与实际转速的偏差大小使其在恒功率控制与最优转速法MPPT控制间切换，进而获得较传统最优转矩法更良好的加减速响应性能与转速跟踪效果，有效提高风力机的风能捕获效率。
附图说明
附图1为本发明的提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法的流程图；
附图2为本发明的提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法的控制框图；
附图3为仿真得到的理论最优转速、传统最优转矩法的风轮实际转速以及本发明所提改进最优转矩法的风轮实际转速曲线对比图；
附图4为仿真得到的传统最优转矩法以及本发明所提改进最优转矩法的低速轴转矩曲线对比图；
附图5为仿真得到的传统最优转矩法以及本发明所提改进最优转矩法的输出功率曲线对比图。
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，而不是全部的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-2，一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，具体为：给定转速偏差设定阈值ε，转速偏差设定阈值ε初始化为一个大于0的系数，获取当前时刻k的风速vk与风轮的实际转速ωr,k，计算风轮的理论最优转速ωopt,k，理论最优转速计算公式为：
Figure BDA0004185139140000041
其中，λopt为最优叶尖速比，由风轮气动特性决定，通过测量并拟合风能捕获系数曲线获得；R为风轮半径。
判断ωr,k-ωopt,k＜ε，或k＝0是否成立，若成立，则风力机以最优转矩法设定参考功率指令Pref,k，即：
Figure BDA0004185139140000042
其中，Kopt＝0.5ρπR5CPmax/λopt近似为常数，CPmax为最大风能捕获系数，用拟合风能捕获系数曲线获得；ωr.bgn为起始发电转速。
若不成立，则风力机保持k-1时刻的参考功率指令不变，即：
Pref,k-1为k-1时刻寄存的风力机参考功率指令；
寄存当前时刻k的参考功率指令，当时刻k+1时，用来判断作为风力机的参考功率指令或不作为风力机的参考功率指令。
实施例2：
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NREL开发的600kW CART3试验机型，具体参数如下表1所示。
表1NREL 600kW CART3风力机主要参数
参数 值
额定功率 600KW
额定风轮转速 37.1rpm
切入/额定风速 3/13.5m/s
轮毂高度 36.6m
风轮半径 20m
转动惯量 5.492×105kgm2
最佳叶尖速比 5.8
最大风能利用系数 0.46
将本发明所提方法与传统最优转矩法进行对比，说明该方法在湍流风况下良好的转速跟踪效果，并能够有效提高风能捕获效率。
基于Bladed软件生成一段600s、平均风速5m/s、湍流强度为A级的湍流风速，分别在FAST中运用两种控制方法进行仿真，结果如图3、图4、图5所示。图3为理论最优转速、传统最优转矩法的风轮实际转速以及本发明所提改进最优转矩法的风轮实际转速曲线对比，明显能够得出本发明所提改进最优转矩法的转速跟踪效果更好，尤其是在100s左右处的风速大幅上升过程；图4为传统最优转矩法以及本发明所提改进最优转矩法的低速轴转矩曲线对比，明显能够得出本发明所提改进最优转矩法的相较于传统最优转矩法对轴系载荷的影响较小；图5为传统最优转矩法以及本发明所提改进最优转矩法的输出功率曲线，明显能够得出本发明所提改进最优转矩法的风力机输出功率指令更加快速灵活，进而提升风力机的动态响应性能。
在此仿真实验中，传统最优转矩法的风能捕获效率为85.74％，本发明所提方法为87.91％。由此可见，采用本发明所提的提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法在湍流风况具有良好的适应性，并且有效提高了风能捕获效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于，所述转矩法包括以下步骤：
S1：给定转速偏差设定阈值ε；
S2：获取当前时刻k风力机迎风面的风速vk与风轮ωr,k的实际转速，计算风轮的理论最优转速ωopt,k；
S3：当满足∣ωr,k-ωopt,k∣＜ε，或k＝0，则风力机以最优转矩法设定参考功率指令，或满足∣ωr,k-ωopt,k∣≥ε且k＞0，则风力机保持时刻的参考功率指令不变；
S4：寄存当前时刻k的参考功率指令，并将此参考功率指令下达至变流器实现。
2.根据权利要求1所述的一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于：所述步骤S1中的转速偏差设定阈值初始化为一个大于0的系数。
3.根据权利要求1所述的一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于：所述步骤S2中理论最优转速计算公式为：
Figure FDA0004185139110000011
其中，λopt为最优叶尖速比，由风轮气动特性决定，通过测量并拟合风能捕获系数曲线获得；R为风轮半径。
4.根据权利要求1所述的一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于：所述步骤S3中的风力机在当前时刻k以最优转矩法设定参考功率指令Pref,k，即：
Figure FDA0004185139110000012
其中，Kopt＝0.5ρπR5CPmax/λopt近似为常数，CPmax为最大风能捕获系数，用拟合风能捕获系数曲线获得；ωr.bgn为起始发电转速。
5.根据权利要求1所述的一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于：所述步骤S3中的风力机保持时刻k-1的参考功率指令不变，即：
Pref,k＝Pref,k-1
其中，Pref,k-1为k-1时刻寄存的风力机参考功率指令。
6.根据权利要求1所述的一种提升风力机动态响应性能的改进最优转矩法，其特征在于：所述步骤S4中的寄存当前时刻k的参考功率指令的目的是：当时刻k+1时，用来判断作为步骤S3中的风力机的参考功率指令或不作为步骤S3中的风力机的参考功率指令。
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