一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法技术

本发明专利技术属于风力发电机控制领域，涉及一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，该方法首先从风力发电机切入风速到达额定风速之间，选取ｎ个风速值，它们各对应一个转速值，从而构成一个转速点列，每个转速值一个修正因子，包括以下步骤：第一步：判断采样转速值是否在所选转速点列中，若在，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步进风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新修正因子，仍然采用当前修正因子对应的最大功率曲线，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步：风力发电机运行方式初次给定；第三步：修正因子更新；第四步：风力发电机运行方式二次给定；第五步：发电机电磁转矩控制。本发明专利技术能够减小风力发电机气动特性参数变化对系统控制带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力发电机控制领域，尤其涉及一种风力发电机最大风能捕获控制的方法。
技术介绍
在变速恒频风力发电系统中，风力发电机运行在低于额定风速下时，需要不断通 过调整发电机的电磁转矩Te以改变风力发电机转速ω r，追踪最优转速值COr。pt，使风力发 电机运行在最优工作点(Optimal Operating Point本专利技术中简称OOP)，从而使风力发电 机可以捕获更多风能。近年来，国内外科研人员针对风力发电机最大风能捕获提出了一系 列的控制策略。其中有些控制方法需要获取较多的风力发电机气动特性信息，以及风速信 息，例如，采用滑膜控制可以相对准确地给出风力发电机下一控制周期的运行方式(加速， 减速或者保持运行状态不变等)，但是受测量风速引起的偏差以及由于风力发电机气动特 性随运行时间变化等因素将影响它的控制效果；另外一些控制方法所需的风力发电机信息 较少，例如爬山搜索法虽然不需要测量风速，所需信息很少，仅通过判断风力发电机捕获功 率的变化给出风力发电机下一控制周期的运行方式，但是大型风力发电机的转动惯量非常 大，转速响应很难提高，风速波动变化会导致风力发电机在没有达到最优转速时，便因为风 力发电机功率增减情况的变化而改变风力发电机的运行状态，因此会导致风力发电机实际 转速不断偏离最优转速，尤其在风速突变情况很严重的情况时，控制器给出的控制信号可 能使风力发电机一直背离最优转速运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种风力发电机最大风能捕获 控制方法，该方法结合自适应控制理论，可以在对风力发电机进行最大风能捕获控制的同 时，不断修正因风力发电机气动特性变化引起的最大功率曲线偏离，从而获取较为准确的 风力发电机实际最大功率曲线，再选定以该搜寻获取的实际最大功率曲线为基准上下浮动 范围的区域为风力发电机运行的最优工作区域(Optimal Operating Region本专利技术简称 00R)，本专利技术所提出的控制方法能够减小风力发电机气动特性参数变化对风力发电机控制 带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。本专利技术采用的技术方案如下，其特征在于，首先 从风力发电机切入风速Vw。ut_in到达额定风速Vw rated之间(即风力发电机最大风能捕获运行风速区间)，选取若干风速值C，i = 1,2,3......n，以AVm/S风速为间隔，则η个风速点为 INT(VW—cut_in)+l，INT (Vff cuwn)+1+Δ V, INT (Vw—cut_in)+1+2 X Δ V，......INT (Vw—cut-J+l+(n-2) X Δ V, INT(Vw rated),其中，INT 表示取整函数，η = [ (INT (Vw rated) -(INT (Vw— cut-in) +1)) / Δ V] +1，此时，η个风速点根据初始最优叶尖速比λ。pt ini可计算得到对应的n个 最优转速值<，构成所选转速点列，设这些转速值各对应一个修正因子Mi，则该转速<所对 应的第k次更新后的最大功率值P。pt Mi(k)可表示为P。ptMi(k) =MiGOKoptini(Coi)3式中，Mi (k)表示第k次修正，k = 0，1，2......；比例系数K。pt ini可表示为足。pt—mi= 0.5/^3CPmax—im/A。3pt—mi式中，ρ为空气密度；A为风力机扫风面积，A = π R2 ;R为风力机半径；Cpmax ini为 初始最大风能利用系数；λ。pt ini为初始最优叶尖速比；(Cpmax ini、λ。pt ini)为初始设定的一组最优值，并初始给定M1(O) =M2(O) =......Mn(O) = Mavs(O) = 1，其中Mi数列的平均值，表达式为 该控制方法还包括下列步骤第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中判断t时刻采样转速值ω Jt)是否在所选转速点列中，若ω Jt)在所选转速值 点列<的范围内，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步的 风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新Mavs，仍然采用MAvg(k-Ι)对应的最大功率曲线 P-l^ft-D，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步风力发电机运行方式初次给定设功率偏移量Δ 是指某一转速对应最大功率值P。pt (cojt))与此时风力发电机 捕获风能功率Pw (t)的差值，其表达式为 进入第二步，则说明cor(t)等于，此时APw(t)为APw(t) = Pw(t)-Poptm(k)(a)如果一0.0 ； (拓0.0，则说明风力发电机已工作在最 优工作区域，记为00R，则进入第三步修正因子更新；否贝I」，如果O.OliV—M例)<ΔΛν⑷，则 说明风力发电机应加速运行，如果APw(0<—0.01P。pt—MW(<)，则说明风力发电机应减速运 行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新Mavs，仍然采用 MAvg(k-Ι)对应的最大功率曲线P- mxh)，然后对风力发电机进行转矩控制；第三步修正因子更新修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制 周期风力发电机捕获风能功率？ (1-1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率Pw(t)，当 前的MiGO以及上次更新结果Mi (k-Ι)共同决定MiWk+l次更新结果Mi(k+1)，其规则如下a.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运 行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下MiGO-ClX (I-Pff (t-1)/Pff (t)) X Mi (^-Mi (k-1) | = Mi (k+1)式中，d为更新系数；本专利技术中规定1-Pw(t_l)/Pw(t)的输出如下1-^1)=■■W) L W-1) 09<^^<11.W)‘ “ W)“‘6b.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应减速运 行，即说明风力发电机由减速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下MiQiHdX (I-Pff (t-1)/Pff (t)) X Mi (^-Mi (k-1) | = Mi (k+1)c.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机已工作在 00R,即说明风力发电机前后两次都运行在OOR中，此时首先需要给系统做一段延迟，当延 迟控制周期结束后，若系统仍然判定风力发电机运行在00R，此时重复上一次对Mi相同的更 新方式即可；否则系统继续按原流程执行；根据上述规则完成更新后， )对应Mi (k)将更新为Mi (k+Ι)，其他转速点一(j = 1，2,3......η,但是，j Φ i)对应的修正因子Mj (k)，更新后，保持原值不变，Mj (k+Ι)等于Mj (k)即可；而MAvg (k)将更新为Mavs (k+Ι)；第四步风力发电机运行方式二次给定若已经执行了第三步，cor(t)等于，则APff(t)为 APw (t) = Pw (t) - Popt_Ml(k+1) (ω)(1)如果0.01PQpt—M(/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，其特征在于，首先从风力发电机切入风速Ｖ↓［Ｗ＿ｃｕｔ－ｉｎ］到达额定风速Ｖ↓［Ｗ＿ｒａｔｅｄ］之间（即风力发电机最大风能捕获运行风速区间），选取若干风速值ｉ＝１，２，３．．．．．．ｎ，以ΔＶｍ／ｓ风速为间隔，则ｎ个风速点为ＩＮＴ（Ｖ↓［Ｗ＿ｃｕｔ－ｉｎ］）＋１，ＩＮＴ（Ｖ↓［Ｗ＿ｃｕｔ－ｉｎ］）＋１＋ΔＶ，ＩＮＴ（Ｖ↓［Ｗ＿ｃｕｔ－ｉｎ］）＋１＋２×ΔＶ，．．．．．．ＩＮＴ（Ｖ↓［Ｗ＿ｃｕｔ－ｉｎ］）＋１＋（ｎ－２）×ΔＶ，ｒ］（ｔ）等于ω↓［ｒ］↑［ｉ］，此时ΔＰ↓［Ｗ］（ｔ）为　　ΔＰ↓［Ｗ］（ｔ）＝Ｐ↓［Ｗ］（ｔ）－Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍｉ（ｋ）］（ω↓［ｒ］↑［ｉ］）　　如果－０．０１Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍｉ（ｋ）］（ω↓［ｒ］↑［ｉ］）≤ΔＰ↓［Ｗ］（ｔ）≤０．０１Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍｉ（ｋ）］（ω↓［ｒ］↑［ｉ］），则说明风力发电机已工作在最优工作区域，记为ＯＯＲ，则进入第三步修正因子更新；否则，如果０．０１Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍｉ（ｋ）］（ω↓［ｒ］↑［ｉ］）＜ΔＰ↓［Ｗ］（ｔ），则说明风力发电机应加速运行，如果ΔＰ↓［Ｗ］（ｔ）＜－０．０１Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍｉ（ｋ）］（ω↓［ｒ］↑［ｉ］），则说明风力发电机应减速运行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新Ｍ↓［Ａｖｇ］，仍然采用Ｍ↓［Ａｖｇ］（ｋ－１）对应的最大功率曲线Ｐ↓［ｏｐｔ＿Ｍ＿Ａｖｇ（ｋ－１）］，然后对风力发电机进行转矩控制；　　第三步：修正因子更新　　修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率Ｐ↓［Ｗ］（ｔ－１）和本次控制周期风力发电机捕获风能功率Ｐ↓［Ｗ］（ｔ），当前的Ｍ↓［ｉ］（ｋ）以及上次更新结果Ｍ↓［ｉ］（ｋ－１）共同决定Ｍ↓［ｉ］的ｋ＋１次更新结果Ｍ↓［ｉ］（ｋ＋１），其规则如下：　　ａ．如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入ＯＯＲ的，其Ｍ↓［ｉ］的ｋ＋１次更新结果表达式如下：　　Ｍ↓［ｉ］（ｋ）－ｄ×（１－Ｐ↓［Ｗ］（ｔ－１）／Ｐ↓［Ｗ］（ｔ））×｜Ｍ↓［ｉ］（ｋ）－Ｍ↓［ｉ］（ｋ－１）｜＝Ｍ↓［ｉ］（ｋ＋１）　　式中，ｄ为更新系数；本专利技术中规定１－Ｐ↓［Ｗ］（ｔ－１）／Ｐ↓［Ｗ］（ｔ）的输出如下：　　１－（Ｐ↓［Ｗ］（ｔ－１）／Ｐ↓［Ｗ］（ｔ）＝＊...

【技术特征摘要】
一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，其特征在于，首先从风力发电机切入风速VW_cut in到达额定风速VW_rated之间(即风力发电机最大风能捕获运行风速区间)，选取若干风速值i＝1，2，3......n，以ΔVm/s风速为间隔，则n个风速点为INT(VW_cut in)+1，INT(VW_cut in)+1+ΔV，INT(VW_cut in)+1+2×ΔV，......INT(VW_cut in)+1+(n 2)×ΔV，INT(VW_rated)，其中，INT表示取整函数，n＝[(INT(VW_rated) (INT(VW_cut in)+1))/ΔV]+1，此时，n个风速点根据初始最优叶尖速比λopt_ini可计算得到对应的n个最优转速值构成所选转速点列，设这些转速值各对应一个修正因子Mi，则该转速所对应的第k次更新后的最大功率值Popt_Mi(k)可表示为Popt_Mi(k)＝Mi(k)Kopt_ini(ωi)3式中，Mi(k)表示第k次修正，k＝0，1，2......；比例系数Kopt_ini可表示为 <mrow><msub> <mi>K</mi> <mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.5</mn><mi>&rho;A</mi><msup> <mi>R</mi> <mn>3</mn></msup><msub> <mi>C</mi> <mrow><mi>P</mi><mi>max</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi> </mrow></msub><mo>/</mo><msubsup> <mi>&lambda;</mi> <mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi> </mrow> <mn>3</mn></msubsup> </mrow>式中，ρ为空气密度；A为风力机扫风面积，A＝πR2；R为风力机半径；CPmax_ini为初始最大风能利用系数；λopt_ini为初始最优叶尖速比；(CPmax_ini、λopt_ini)为初始设定的一组最优值，并初始给定M1(0)＝M2(0)＝......Mn(0)＝MAvg(0)＝1，其中MAvg为Mi数列的平均值，表达式为 <mrow><msub> <mi>M</mi> <mi>Avg</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>n</mi></mfrac><munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi></munderover><msub> <mi>M</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>该控制方法还包括下列步骤第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中判断t时刻采样转速值ωr(t)是否在所选转速点列中，若ωr(t)在所选转速值点列的范围内，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步的风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新MAvg，仍然采用MAvg(k 1)对应的最大功率曲线Popt_M_Avg(k 1)，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步风力发电机运行方式初次给定设功率偏移量ΔPW是指某一转速对应最大功率值Popt(ωr(t))与此时风力发电机捕获风能功率PW(t)的差值，其表达式为ΔPW(t)＝PW(t) Popt(ωr(t))进入第二步，则说明ωr(t)等于此时ΔPW(t)为 <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>P</mi> <mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>Mi</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msub><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>&omega;</mi><mi>r</mi><mi>i</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow> </mrow>如果则说明风力发电机已工作在最优工作区域，记为OOR，则进入第三步修正因子更新；否则，如果则说明风力发电机应加速运行，如果则说明风力发电机应减速运行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新MAvg，仍然采用MAvg(k 1)对应的最大功率曲线Popt_M_Avg(k 1)，然后对风力发电机进行转矩控制；第三步修正因子更新修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率PW(t 1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率PW(t)，当前的Mi(k)以及上次更新结果Mi(k 1)共同决定Mi的k+1次更新结果Mi(k+1)，其规则如下a.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其Mi的k+1次更新结果表达式如下Mi(k) d×(1 PW(t 1)/PW(t))×|Mi(k) Mi(k 1)|＝Mi(k+1)式中，d为更新系数；本发明中规定1 PW(t 1)/PW(t)的输出如下 <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><mn>0</mn> </mtd> <mtd><mfrac> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>W</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow>...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏长亮，王志强，陈炜，阎彦，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]