[发明专利]一种风力发电系统最大功率点跟踪控制方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种风力发电系统，尤其涉及一种风力发电系统最大功率点跟踪控制方法。

背景技术

近年来，变速恒频（VSCF）双馈风力发电系统以其独特的优势，逐渐成为风力发电的主流。它通过调节转子侧交流励磁电压的频率、幅值、相位对定子输出电能进行控制，能在保持输出电压电流频率恒定的同时，通过调节转速改变输出功率。

双馈风力发电系统最大功率点跟踪通常基于实验测定的最佳风速-功率-转速曲线，但在长期运行中系统参数的变化会使实际最大功率点偏离原曲线，影响最大功率跟踪效果。

双馈风力发电系统常见的控制方法有：直接检测当前风速，通过特性曲线获得对应的最佳叶尖速比，控制转速，此方法不但需要高精度的测量仪，而且因为风力机周围气流受叶片扰动较大，风机叶片上各点风速都不相同，难以准确测量；利用风力机的特性曲线的功率-转速关系获得当前转速下的最佳功率值，再利用功率闭环控制。但是通常特性曲线不易获得，而且随着风机的老化、磨损、腐蚀，曲线都会发生变化，影响最大风能跟踪的效果。利用神经网络校正特性曲线，但实际运行中风速变化快，神经网络训练很难获得准确的结果，而且会大大增加系统的复杂性。

发明内容

为了克服运行中系统参数的变化会使实际最大功率点偏离原曲线的难题，本发明提出一种风力发电系统最大功率点跟踪控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是。

在分析风力机特性、双馈风力发电机数学模型及功率关系的基础上，提出了一种以向电网输出电能最大为目标、不依赖最佳风速-功率-转速曲线的最大功率点跟踪策略，实现了定子输出有功、无功解耦控制。

风力发电系统最大功率点跟踪控制方法包括双馈电机风力发电系统、有功无功解耦控制和最大功率点跟踪三个部分。

所述双馈电机风力发电系统通过主动改变电磁转矩来调节风机转速，寻找功率极点并追踪最大风能。

所述有功无功解耦控制采用定子电压定向，根据同步旋转坐标系下的双馈机矢量模型无功功率设计系统转速外环和无功功率外环和转子内环控制器。

所述最大功率点跟踪在实现了转速、无功解耦控制的基础上，再利用输出总功率特性曲线的单峰特性，实现最大功率点跟踪。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种以向电网输出电能最大为目标的最大功率点追踪方法。这种方法不依赖最佳风速-功率-转速曲线，能自动寻找并跟随功率最大点。方法中，设计了转速、无功外环和电流内环，实现了定子输出有功功率、无功功率解耦控制。能够在不同风速下，双馈风力发电系统均能有效实现最大风能追踪，有功无功功率在调节过程中互不影响，控制相对简单，运行可靠，有较高的实用价值。

附图说明

图1 双馈电机风力发电系统。

图2 最大功率点跟踪控制结构。

图3 风速变化时的系统跟踪过程。

具体实施方案

图1中，风力机把风能转换为机械能 ，但由于风经过风力机后速度并不降为零，所以风力机只能吸收部分风能。风力机的转速是由风能产生的动力矩和双馈电机产生的电磁转矩共同决定的。当转速与电磁转矩乘积最大时，发电机吸收的机械功率最大。所以通过主动改变电磁转矩来调节风机转速。

有功无功解耦控制采用定子电压定向，其本质与定子磁链定向一致。根据同步旋转坐标系下的双馈机矢量模型无功功率设计闭环，在定子电压定向情况下，通过控制转子无功电流 可以实现DFIG定子输出无功功率的控制。因此，设计的系统转速外环和无功功率外环，转子内环控制器，可以实现转速与定子无功功率解耦控制。

在实现了转速、无功解耦控制的基础上，再利用输出总功率特性曲线的单峰特性，实现最大功率点跟踪。具体算法如下：系统从进入追踪状态时刻的初始转速开始工作，然后每个循环主动地增大或减小一个指令步长。如果本次输出总功率大于上次功率，则继续保持调节方向；否则就改变调节方向。由于定子的电阻很小，可以忽略，当同步旋转坐标系d 轴与定子电压矢量重合时，计算出直轴和交轴电压后，得到定子磁链方程，同理，可以将转子磁链矢量也写成d、q轴的形式，通过将转子电压矢量方程并写成 轴的形式，可对转子电流内环进行设计。

图3中，在双馈风力发电系统柔性并网后，并不向电网输出功率，所以起始工作点为A。然后切换到最大功率点跟踪策略，转速降低且功率增大，工作点自动调节到B 附近。当风速突然减小时，由于风力机转动惯量较大，转速不会突变，工作点从B 下降到C 而功率突减。此时系统会主动调节转速，自动寻找功率增大的方向，并最终逐渐运行到D 点。反之，当风速增大时，工作点由D 上升到E，转速不变功率突增，然后系统再追踪功率增大的方向，运行到F，稳定在最大功率点附近。