[发明专利]变速变桨风力发电机组基于传动摩擦阻尼补偿的最大功率追踪控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的最大功率追踪控制方法。 

背景技术

风能是目前最具有经济价值的可再生能源，根据中国国家发改委能源研究所发布《中国风电发展路线图2050》，中国风电未来40年的发展目标：到2020年、2030年和2050年，风电装机容量将分别达到2亿、4亿和10亿千瓦，到2050年，风电将满足17%的国内电力需求。 

目前，风力发电机组已经成为风能利用的主要设备，而变速变桨风力发电机组是主流的风力发电机型。 

变速变桨风力发电机组通过风轮吸收风能，利用传动系统将吸收风能传递到发电机轴端，通过发电机将机械能转化为电能，而传动系统的摩擦阻尼损失是传动效率损失的主要来源。 

对于大功率变速变桨风力发电机组，传动系统通常可以按照理想刚性环节考虑进行简化建模，若要实现传动系统相对准确的动态分析及控制，通常可以按照柔性的多质量块环节进行建模。 

大功率变速变桨风力发电机组在低于额定风速以下的一定风速段内做最大功率追踪控制，风力发电机组通过控制电磁力矩利用风轮的自寻优气动特性实现最大功率追踪。 

对于传统的最大功率追踪控制，控制策略中对传动系统考虑的相对比较理想，没有考虑传动系的阻尼影响，因此在实际控制过程中相对于最优控制力矩轨迹有一定的偏差，不能实现最优最大功率追踪控制。 

变速变桨风力发电机组传动系统输入环节中，发电机电磁力矩为可控环节，风轮气动力矩由于风的随机性和不确定性为不可控环节。 

发明内容

本发明提出一种变速变桨风力发电机组在额定风速以下的最大功率追踪控制方法，该方法通过基于对风力发电机组传动系统的摩擦阻尼特性进行补偿，实现低于额定风速以下最优阻力矩控制，实现最大功率追踪。 

本发明的技术方案是变速变桨风力发电机组基于传动阻尼补偿的最大功率追踪控制方法。 

如图1所示，在理想认为风力发电机组传动系统是严格的刚性环节且不考虑阻尼的情况下，风力发电机组在低于额定风速以下一定的风速段内通过控制风力机的电磁力矩符合最优力矩变化曲线如图1中的BC段，实现最大功率追踪。 

而对于实际的变速变桨风力发电机组，如图2所示，由于其传动系统摩擦阻力相对较大，按照传统的控制方法进行控制后，由于电磁力矩和摩擦力的共同作用，实际作用于风轮与旋转方向相反的阻力合力大于最优力矩致使风轮未能实现最大功率追踪。 

针对变速变桨风力发电机组传动系统存在阻尼的情况，由于风轮转动惯量远大于传动系统及电机转动惯量，故可近似忽略传动系统和电机的转动惯量。 

在传动系统简化为刚性环节的情况下，风力发电机组传动系统可以按照以下方法建模： 

  

式中

表示风轮及轮毂总转动惯量；

表示风轮转速；

表示风轮气动力矩；

表示发电机电磁力矩；

表示摩擦力矩。

目前变速变桨风力发电机组按照常规的自寻优控制算法最优控制率可以表述为下式： 

 

式中

表示最优阻力力矩；

表示空气密度；

表示风轮扫风半径；

表示风轮转速；

表示叶尖速比；

表示风轮的风能利用系数在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）随叶尖速比变化的函数；

表示在叶片低于额定风速工作时（桨距角最小）的最佳叶尖速比；

表示风轮在叶片低于额定风速工作时时（桨距角最小）的最大风能利用系数；

表示风轮最优阻力矩系数。

可以求出，在仅考虑传动摩擦的理想情况下，变速变桨风力发电机组的最优电磁力矩可以按照下式计算： 

 

附图说明

图1变速变桨风力发电机组最优力矩控制曲线示意图。 

图2变速变桨风力发电机组传动系统受力示意图。 

具体实施方式

获取变速变桨风力发电机组叶片翼型数据，根据动量-叶素定理、有限元计算方法或者依据相关商业计算软件计算风轮在低于额定风速以下的最优阻力矩参数。 

建立风轮的摩擦力矩模型，最简单的摩擦力矩模型可以简化为线性模型，通过根据传动系统的结构、传动方式及材料查表求取阻尼系数，依据阻尼系数建立摩擦力矩线性模型如下： 

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