[发明专利]一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电领域，特别是一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

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。其控制目标在于随着风速的变化，通过调节风轮转速使其始终运行于最优转速，即最佳叶尖速比，进而最大效率的捕获转化风能。它的实现方法主要有：功率曲线法（也称为功率信号反馈法或转矩曲线法）、叶尖速比法和爬山法。其中应用最广泛的是功率曲线法

传统的MPPT控制，特别是功率曲线法，多基于系统稳态设计，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。但是，面对不断提升的单机容量导致风轮不断增大的转动惯量及其愈发缓慢的动态响应性能，以及风速频繁处于波动过程中且很难短期预测，传统MPPT控制下的风机系统绝大部分时间处于动态过程中，而非运行在稳态工作点上。因此，风机实际的风速跟踪效果仍有待改善。

为此，美国国家可再生能源实验室的L.J. Fingersh和P. W. Carlin首次提出了利用发电机电磁转矩帮助风机加速或减速的改进思路；在此基础上，Johnson K. E.等人提出了减小转矩增益（Decreased Torque Gain，DTG）控制。该控制方法不仅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，更首次应用了以放弃部分低风速段的转速跟踪效果换取高风速段的高风能捕获效率的控制思想；进一步地，考虑到DTG控制采用恒定的增益系数，Johnson K. E.等人又设计出自适应转矩控制，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最优增益系数，以响应迭代周期时间尺度上的风速条件变化。

上述研究工作都围绕调整电磁转矩的思路改善风机的动态性能和风能捕获效率，突破了传统功率曲线法忽略跟踪动态的局限性。但是，该思路面临的关键难题是转矩调整的最优状态与风速条件密切相关，但却很难找到它们之间直接的量化关系。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，可以收缩风机转速的跟踪区间，缩短最大功率点的跟踪过程，进而改善跟踪效果，提高风能捕获效率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于起始转速调整的改进最大功率点跟踪控制方法，采用功率曲线法，通过控制发电机输出功率运行于风机最佳功率曲线上来实现最大功率点跟踪控制，所述功率曲线法所用公式为：

                            

                                               

上式中， 为转动惯量，为风轮的机械驱动转矩，为电磁制动转矩，为风速，为风轮的角速度，为空气密度，为风轮半径，为风能利用系数，是叶尖速比，为起始发电转速即起始转速，为风机的最优转矩曲线，具体为：

                             

                           

上式中为最大风能利用系数，为最佳叶尖速比，K_m近似为常数；

其中起始发电转速的调整方法包括以下步骤：

步骤1、对起始转速的调整算法进行初始化，即对风速采样周期和起始转速更新周期进行设置，其中采样频率为1～4Hz；清空所对应的风速采样值序列，将初始化为风机最大功率点跟踪控制阶段的最小转速； 

步骤2、进入新的起始转速更新周期，以风速采样周期在该周期中对风速值进行采样即读取风速测量值，并保存至风速采样值序列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期是否完成，若完成，则执行步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、求取风速采样值序列的平均值，并对起始发电转速即起始转速进行调整，之后以更新后的进入新更新周期，清空风速采样值序列，并跳至步骤2。对起始发电转速进行调整具体为：

将调整为，式中，为最佳叶尖速比，为风速采样值序列的平均值，为补偿系数，为风轮半径。

本发明与现有技术相比，其显著优点： 1）本发明的方法进一步提高风能捕获效率；2）本发明的方法不需要复杂的迭代搜索过程，算法非常简单易行；3）本发明的方法需要量测的信息少，计算负担轻；4）本发明的方法以近期的平均风速直接预估最优起始转速，不易受到风速条件变化的影响。