[发明专利]一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明属于风力机控制领域，特别是一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

湍流风速系指短时间(通常小于10min)内的风速波动，一般理解为由平均风速分量叠加快速变化的湍流分量组成。在风电研究中，风速湍流分量的特性一般用湍流强度和功率谱密度函数来刻画。前者反映了风速在平均值附近波动的幅值分布；后者则是湍流风速的频率特征描述，其表征了风速在时间轴上的变化规律。频率特征会随时间、地形、风力机安装高度而变化。

当前研究发现湍流频率会对风力机最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)性能造成不容忽视的影响。已有文献基于周期风速推出了风能捕获损失量的表达式，明确指出风速频率的增大会降低风能捕获效率。进一步该文献提出等效频率指标以刻画湍流频率，并分析湍流频率对MPPT性能的影响，得到了与周期风速相同的结果。现有MPPT方法虽已考虑到湍流风速的影响(包括平均风速和湍流强度)，却尚未考虑湍流频率的影响。

基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力机最大功率点跟踪控制方法，能够更加全面考虑湍流风速特性(平均风速、湍流强度和湍流频率)。但是现有技术中尚无相关描述。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设定风速采样周期T_w和起始转速更新周期T_r；初始化为风力机MPPT阶段的最低转速为ω_bgn；

步骤2、进入新采样周期T_w，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列，该序列中采样到的风速测量值按照时间进行排列；

步骤3、判定当前起始转速更新周期T_r是否结束，若结束，则跳至步骤4；否则，跳至步骤2；

步骤4、确定风速采样值序列的平均值、湍流强度和湍流频率，代入响应面模型求得最佳起始转速的预估值，并将风力机MPPT阶段的起始转速ω_bgn调整为该值；响应面模型的构建的具体方法包括以下步骤：

步骤4-1、获取风力机参数和环境参数，所述风力机参数具体包括风轮半径R、最佳叶尖速比λ_opt、最大风能利用系数C_{p max}，所述环境参数为空气密度ρ；

步骤4-2、采用湍流风速模拟方法，生成对应于不同风速特征指标的湍流风速序列，每种风速特征指标组合对应的风速序列数量均大于10，其中风速特征指标包括平均风速湍流强度TI和积分尺度L；

步骤4-3、确定步骤4-2中每条风速序列的湍流频率ω_eff，并在每条风速序列下对风力机进行仿真，遍历所有起始转速，确定所有起始转速下的风能捕获比率P_favg，其中风能捕获比率P_favg的最大值所对应的转速为最佳起始转速

所述求取湍流频率ω_eff所用公式为：

式中，Δt为风速序列两个点之间的时间间隔，Δv为每个风速序列采样点与前一个点的风速的差值，σ为该条风速序列风速的标准差，N为一个统计时段内Δt的个数；

所述求取风能捕获比率P_favg的公式为：

式中，n为一个统计时段内的采样次数，T_e为发电机电磁转矩，ω为发电机转速，v为风速值；

步骤4-4、针对步骤4-2中每种风速特征指标组合，求取步骤4-3中获得的风速序列平均风速的平均值、湍流强度TI的平均值和湍流频率ω_eff的平均值以及对应的的平均值，构成一个样本数据；

步骤4-5、根据样本数据，通过最小二乘法求出最佳起始转速与湍流风速特征指标函数关系的参数，完成响应面模型的构建，具体为：

式中，β₀～β₉为响应面模型参数。

步骤5、以步骤4确定的风力机MPPT阶段的起始转速ω_bgn进入下一个更新周期T_r，清空风速采样值序列，之后执行步骤2。