本发明专利技术提出一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：该方法以传统功率曲线法为基础，在调整电磁转矩时在最优转矩前乘以可调的增益系数以获得更高的风能捕获效率；其中，增益系数的调整方法为：以最佳增益系数与风速特征的统计关系为基础，获取它们的拟合表达式，以该表达式周期性调整增益系数。本发明专利技术的方法能够使增益系数在不同的风速条件下始终保持或接近最佳增益系数，使获得的增益系数能更好地反映风速条件以及风能分布特性，并能及时根据风速条件改善风力机的跟踪性能，以尽可能地获得最大风能捕获效率；且该方法在调整系数时仅需要测量迭代周期内采样风速的湍流强度，所需信息少，非常简单易行。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于风力发电领域，具体地说是一种简单易行且能提高风能捕获效率的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法。
技术介绍
为了提高低于额定风速区间的风能捕获效率，变速恒频风力发电机组一般采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略。功率曲线法(Power SignalFeedback，PSF)是应用最广泛的MPPT控制方法之一。然而，功率曲线法基于系统稳态设计而忽略了风机系统在不同稳态工作点之间跟踪的动态过程，这是导致应用该方法的风机不能高效率捕获风能的原因之一。为了改善上述问题，美国国家可再生能源实验室的Johnson K.E.等人提出了减小转矩增益(Decreased Torque Gain，DTG)控制。该控制方法通过减小电磁转矩提高了风机在跟踪渐强阵风时的加速性能；进一步地，考虑到DTG控制采用恒定的增益系数，难以根据变化的风速条件动态调整增益系数以获得更高的捕获效率，为此Johnson K.E.等人又设计出自适应转矩控制(Adaptive Torque Control，AT Control，简称为AT)，利用自适应算法和历史运行工况的统计数据，迭代搜索并在线修正增益系数，以响应迭代周期时间尺度上的风速条件变化。但是，该方法却会受到风速变化的影响而计算出异常的增益系数，导致风能捕获效率不升反降。综上所述，自适应转矩控制出现搜索异常的问题仍然是影响最大功率点跟踪控制效果的重要原因。因而，对该问题进行改善十分必要。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，该方法根据最佳增益系数与风速条件的统计关系进行曲线拟合，获得该系数与风速条件的数学表达式，以此获得较为准确的最佳增益系数，从而进一步提高风能捕获效率。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：在功率曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控制，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：Jω·=Tm(v,ω)-Te(ω)---(1)]]>Tm(v,ω)=0.5ρπR5Cp(λ)λ3ω2---(2)]]>Te(ω)=0ω≤ωbgnKd(k+1)Topt(ω)ω>ωbgn---(3)]]>Kd(k+1)＝a*Ti(k)+b (4)式(1)-式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te为电磁转矩，v为风速，ω为风力机的角速度，为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，CP为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益系数，k为迭代次数，Kd(k+1)为第k+1次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭代周期内风速的湍流强度，Ti(k)为第k次迭代周期内风速的湍流强度，Topt(ω)为风力机最优转矩，其所用公式为：Topt(ω)=0.5ρπR5Cpmaxλopt3ω2---(5)]]>式(5)中λopt为最佳叶尖速比，为最大风能利用系数；增益系数Kd(k+1)的周期性调整包括以下步骤：S1、初始化：设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期Tk，清空风速采样值序列W，设定初始增益系数Kd(0)；S2、计算获得增益系数Kd的调整系数a和b；S3、令k＝k+1，进入新的控制周期，以周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采样值存储于风速序列W；S4、按式(6)计算风速序列W的湍流强度；Ti(k)＝σ(k)/vavg(k) (6)式(6)中，σ为风速采样值的标准差，vavg为采样值的平均风速；S5、根据计算获得的Ti(k)更新增益系数，即按式(4)计算下一控制周期的Kd(k+1)，然后返回步骤S3。所述步骤S2计算获得增益系数Kd的调整系数a和b的方法为：根据最佳增益系数Kdopt与
平均风速vavg和湍流强度Ti的统计关系，应用最小二乘法拟合获得Kd的调整系数a和b，该过程具体包括以下步骤：S21、根据风场的风速数据分别确定平均风速vavg和湍流强度Ti的取值范围以及取值间隔，根据上述取值范围、取值间隔构造用于统计分析的风速样本集合Wa(vavg,Ti)n，其中n为(vavg,Ti)取值组合的总数；S22、采用遍历算法获得风力机对应于每组(vavg,Ti)取值组合的风速样本的最佳增益系数Kdopt，即可获得Kdopt与vavg、Ti的统计关系；S23、将Kdopt与vavg、Ti的统计关系简化为Kdopt与Ti的统计关系；S24、采用最小二乘法对简化后的Kdopt与Ti的统计关系进行线性拟合获得调整系数a和b。步骤S23将Kdopt与vavg、Ti的统计关系简化为Kdopt与Ti的统计关系的过程为：将具有相同Ti、不同vavg的(vavg,Ti)组合对应的所有Kdopt列出，以Ti为单位分别求取每个Ti下所有vavg对应的Kdopt的平均值将上述过程中每个Ti所对应获得的平均值作为该Ti对应的Kdopt。步骤S1中所述的初始增益系数Kd(0)为0.8～0.9。步骤S1中所述的增益系数Kd的更新周期Tk为5～20分钟，风速的采样周期Tw为0.25秒～1秒。本专利技术相比现有技术有如下优点：1)本专利技术参考最佳增益系数与风速条件的关系对增益系数进行设定，一方面改善了风速变化对增益系数设定的干扰，另一方面使增益系数始终保持或接近最佳增益系数，能够进一步提高风能捕获效率；2)本专利技术根据具体的风速条件设置增益系数，使获得的增益系数能更好地反映风速条件以及风能分布特性；3)本专利技术通过周期性调整增益系数，能及时根据风速条件改善风力机的跟踪性能；4)本专利技术在调整系数时仅需要测量迭代周期内采样风速的湍流强度，所需信息少，非常简单易行。附图说明附图1为基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法的实现图；附图2为最佳转矩增益系数Kdopt与平均风速、湍流强度的统计关系；附图3为附图2的统计关系简化后获得的Kdopt-Ti曲线(带圆圈的粗实线为Kdopt-Ti曲线，其余细实线对应附图2中的所有曲线)；附图4为本专利技术与自适应转矩控制的增益系数的对比(AT代表自适应转矩控制)；附图5为本专利技术的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法与其他方法的风能捕获效率的对比(PSF代表传统功率曲线法，DTG代表减小转矩增益控制，RTR代表基于收缩跟踪区间的MPPT控制，AT代表自适应转矩控制)。具体实施方式为了进一步描述本专利技术的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步描述。参照附图1,首先根据本专利技术的实施方法实现增益系数Kd的整定算法，然后应用该整定算法周期性调整风电机组电磁转矩的增益系数，即可使风力机实现最大功率点跟踪。本专利技术的实施例首先根据最佳增益系数与风速条件的统计本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：在功率曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控制，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：Jω·=Tm(v,ω)-Te(ω)---(1)]]>Tm(v,ω)=0.5ρπR5Cp(λ)λ3ω2---(2)]]>Te(ω)=0ω≤ωbgnKd(k+1)Topt(ω)ω>ωbgn---(3)]]>Kd(k+1)＝a*Ti(k)+b (4)式(1)‑式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te为电磁转矩，v为风速，ω为风力机的角速度，为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，CP为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益系数，k为迭代次数，Kd(k+1)为第k+1次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭代周期内风速的湍流强度，Ti(k)为第k次迭代周期内风速的湍流强度，Topt(ω)为风力机最优转矩，其所用公式为：Topt(ω)=0.5ρπR5Cpmaxλopt3ω2---(5)]]>式(5)中λopt为最佳叶尖速比，为最大风能利用系数；增益系数Kd(k+1)的周期性调整包括以下步骤：S1、初始化：设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期Tk，清空风速采样值序列W，设定初始增益系数Kd(0)；S2、计算获得增益系数Kd的调整系数a和b；S3、令k＝k+1，进入新的控制周期，以周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采样值存储于风速序列W；S4、按式(6)计算风速序列W的湍流强度；Ti(k)＝σ(k)/vavg(k) (6)式(6)中，σ为风速采样值的标准差，vavg为采样值的平均风速；S5、根据计算获得的Ti(k)更新增益系数，即按式(4)计算下一控制周期的Kd(k+1)，然后返回步骤S3。...
【技术特征摘要】
1.一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：在功率曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控制，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：Jω·=Tm(v,ω)-Te(ω)---(1)]]>Tm(v,ω)=0.5ρπR5Cp(λ)λ3ω2---(2)]]>Te(ω)=0ω≤ωbgnKd(k+1)Topt(ω)ω>ωbgn---(3)]]>Kd(k+1)＝a*Ti(k)+b (4)式(1)-式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te为电磁转矩，v为风速，ω为风力机的角速度，为风力机角加速度，ρ为空气密度，R为风力机半径，CP为风能利用系数，λ＝ωR/v是叶尖速比，ωbgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益系数，k为迭代次数，Kd(k+1)为第k+1次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭代周期内风速的湍流强度，Ti(k)为第k次迭代周期内风速的湍流强度，Topt(ω)为风力机最优转矩，其所用公式为：Topt(ω)=0.5ρπR5Cpmaxλopt3ω2---(5)]]>式(5)中λopt为最佳叶尖速比，为最大风能利用系数；增益系数Kd(k+1)的周期性调整包括以下步骤：S1、初始化：设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期Tk，清空风速采样值序列W，设定初始增益系数Kd(0)；S2、计算获得增益系数Kd的调整系数a和b；S3、令k＝k+1，进入新的控制周期，以周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采样值存储于风速序列W；S4、按式(6)计算风速序列W的湍流强度；Ti(k)＝σ(k)/vavg(k...
【专利技术属性】
技术研发人员：张小莲，郝思鹏，翟晶晶，李军，宋莹，刘正凡，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。