專利名稱：基于誤差補(bǔ)償模型的風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一種控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速跟蹤風(fēng)速變化，保證
最大風(fēng)能捕獲，涉及自動(dòng)控制技術(shù)和新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著風(fēng)力發(fā)電的廣泛應(yīng)用和容量不斷增大，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為大型并網(wǎng)風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型。風(fēng)力是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源，用于風(fēng)能 捕獲的風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速下有一個(gè)最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，此時(shí)對(duì)風(fēng)能的捕獲效率最高，而且風(fēng)施 加給風(fēng)力機(jī)的應(yīng)力最小，所以變速運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要求低風(fēng)速時(shí)能夠根據(jù)風(fēng)速變化，實(shí) 時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能，從 而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。 額定風(fēng)速下的變速控制，主要是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，已獲得 最佳葉尖速比。 一種方法是通過實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速或根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)間接估算風(fēng)速，按照最佳葉 尖速比計(jì)算出風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速期望值，作為轉(zhuǎn)速控制給定值，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值來 控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。另一種方法是通過實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，按照最佳功率曲線計(jì)算風(fēng)力機(jī) 功率，作為發(fā)電機(jī)功率給定值，控制發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和捕獲。前一種方法由于空
氣流動(dòng)的不確定性和復(fù)雜性，使得風(fēng)速難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，從而難以計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)實(shí)際最 大風(fēng)能的最佳轉(zhuǎn)速。而后一種方法由于風(fēng)力機(jī)的慣性，使得基于實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量給定值的控 制方法難以快速跟蹤風(fēng)速變化，使得最大風(fēng)能捕獲的效率降低。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明目的是解決額定風(fēng)速以下風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制問題，針對(duì)風(fēng)速測(cè) 量不準(zhǔn)和基于實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量控制的滯后性，提出一種基于誤差補(bǔ)償模型的風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng) 能捕獲控制方法，以實(shí)測(cè)風(fēng)速計(jì)算轉(zhuǎn)速給定值，并通過建立風(fēng)速與轉(zhuǎn)速偏差的誤差補(bǔ)償模 型彌補(bǔ)風(fēng)速測(cè)量不準(zhǔn)的問題，同時(shí)當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速 作為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的快速性 和準(zhǔn)確性。 技術(shù)方案該方法基于快速準(zhǔn)確捕獲最大風(fēng)能的思想，以實(shí)測(cè)風(fēng)速計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速 給定值，并通過誤差補(bǔ)償模型修正該給定值，同時(shí)在轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)，給定值切換到實(shí)測(cè) 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速值，該方法采用誤差補(bǔ)償策略，修正風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速的給定值，進(jìn)而計(jì)算發(fā)電機(jī) 有功功率指令，控制機(jī)組輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下 1)首先通過風(fēng)速儀測(cè)得風(fēng)電機(jī)組N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速Vi，i = 1，2，…，N，
根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比A。pt計(jì)算各穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)力機(jī)期望最佳轉(zhuǎn)速(W。pA:^^，R為
風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)得風(fēng)力機(jī)在N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)速c^i，計(jì) 算實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望最佳轉(zhuǎn)速之間的偏差ei = "^-("。pt)i，根據(jù)N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)速Vi和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏差ei，采用多項(xiàng)式擬合方法得到轉(zhuǎn)速偏差-風(fēng)速關(guān)系模型 3 e = Z f式1 式中aj為擬合多項(xiàng)式系數(shù)，j為多項(xiàng)式階次，j = 1，2，3 ; 2)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速V，根據(jù)期望最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算公式
=_^和轉(zhuǎn)速偏^-風(fēng)速函數(shù)關(guān)系式i，分別獲得當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)期M最佳轉(zhuǎn)
速"。pt和轉(zhuǎn)速偏差e，并定義兩者之和為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值
"* = "。pt+e 式2 3)根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳功率曲線計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻輸出機(jī)械功率給定值PmJ : 《ec 二^/^Cpm収(^~)3(W*)3 = K一(^)3式3 2 由雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，按照下式計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率指令pf :
戶、:^ — ^-尺。,)_一^式4
l—s l-s 式中，《。W = /^<^1^(「)3為具有最大風(fēng)能利用系數(shù)的比例系數(shù)，p為空氣密
度，A為風(fēng)輪掃風(fēng)平面面積，Cp^為最大風(fēng)能利用系數(shù)，s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，AP為功率損耗， 發(fā)電機(jī)根據(jù)有功功率指令P*實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和捕獲； 4)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速"w，并與轉(zhuǎn)速控制給定值"*比較，當(dāng)| 《10% "*時(shí)，即風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近給定值，此時(shí)以實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速"w替換式4中"*，計(jì)算 發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 有益效果該發(fā)明采用誤差補(bǔ)償模型，修正基于實(shí)測(cè)風(fēng)速計(jì)算的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速給定 值，彌補(bǔ)了風(fēng)速難以測(cè)量和測(cè)量不精確的缺點(diǎn)，保證風(fēng)力機(jī)能夠快速跟蹤風(fēng)速變化，同時(shí)在 接近穩(wěn)態(tài)時(shí)，以實(shí)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速作為轉(zhuǎn)速給定值，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。該方法同時(shí)考 慮了實(shí)時(shí)風(fēng)速變化和實(shí)際轉(zhuǎn)速變化，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的快速性和準(zhǔn)確性。
圖l控制算法流程圖；
圖2控制系統(tǒng)方框圖。
具體實(shí)施例方式
該方法基于快速準(zhǔn)確捕獲最大風(fēng)能的思想，以實(shí)測(cè)風(fēng)速計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速給定值，并 通過誤差補(bǔ)償模型修正該給定值，同時(shí)在轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)，給定值切換為實(shí)測(cè)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn) 速值，進(jìn)而計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制機(jī)組輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，具體實(shí)施步 驟如下 (1)首先通過風(fēng)速儀測(cè)得風(fēng)電機(jī)組N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速Vi(i = 1，2，…，
J/義
N)，根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比A 。pt計(jì)算各穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)力機(jī)期望最佳轉(zhuǎn)速(cy。p》,=~i^ ，
4R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)得風(fēng)力機(jī)在N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)速cowi， 計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望最佳轉(zhuǎn)速之間的偏差ei = "^-("。pt)i，根據(jù)N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)速Vi 和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏差ei，采用多項(xiàng)式擬合方法得到轉(zhuǎn)速偏差-風(fēng)速函數(shù)關(guān)系 e = t J^' ( 1 ) 式中aj(j = 1，2，3)為擬合多項(xiàng)式系數(shù)； 該模型針對(duì)具體風(fēng)力機(jī)，根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)，采用多項(xiàng)式擬合方法離線獲得，不需 要實(shí)時(shí)在線更新。
(2)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速V，根據(jù)期望最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算公式 ，和轉(zhuǎn)速偏差-風(fēng)速函數(shù)關(guān)系式(l)，分別獲得當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)期望最佳 =.
轉(zhuǎn)速o
wt和轉(zhuǎn)速偏差e，并定義兩者之和為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值 "* = "。Pt+e (2)
(3)根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳功率曲線計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻輸出機(jī)械功率給定值
4 "/^Cp醒(T")V )J W (3) 2
由雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，按照下式計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率指令
、3
,=^^_^= )_一^ (4) l-S
式中，^V-l^4Cp腿(^)3為具有最大風(fēng)能利用系數(shù)的比例系數(shù)，p為空氣密
度，A為風(fēng)輪掃風(fēng)平面面積，Cp^為最大風(fēng)能利用系數(shù)，s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，AP為功率損耗， 發(fā)電機(jī)根據(jù)有功功率指令P*實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和捕獲； (4)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速"w，并與轉(zhuǎn)速控制給定值"*比較，當(dāng)I "*_"w|《10% "*時(shí)，即風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近給定值，此時(shí)以實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速"w替換式(4)中"*，計(jì) 算發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
權(quán)利要求
一種基于誤差補(bǔ)償模型的風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲控制方法，其特征在于該方法采用誤差補(bǔ)償策略，修正風(fēng)力機(jī)最佳轉(zhuǎn)速的給定值，進(jìn)而計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制機(jī)組輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1)首先通過風(fēng)速儀測(cè)得風(fēng)電機(jī)組N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速Vi，i＝1，2，…，N，根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比λopt計(jì)算各穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)力機(jī)期望最佳轉(zhuǎn)速R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，同時(shí)通過轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)得風(fēng)力機(jī)在N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)實(shí)際的轉(zhuǎn)速ωwi，計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望最佳轉(zhuǎn)速之間的偏差ei＝ωwi-(ωopt)i，根據(jù)N個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)速Vi和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速偏差ei，采用多項(xiàng)式擬合方法得到轉(zhuǎn)速偏差-風(fēng)速關(guān)系模型 <mrow><mi>e</mi><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mn>3</mn></munderover><msub> <mi>a</mi> <mi>j</mi></msub><msup> <mi>V</mi> <mi>j</mi></msup> </mrow>式1式中aj為擬合多項(xiàng)式系數(shù)，j為多項(xiàng)式階次，j＝1，2，3；2)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過風(fēng)速儀實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速V，根據(jù)期望最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算公式和轉(zhuǎn)速偏差-風(fēng)速函數(shù)關(guān)系式1，分別獲得當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)期望最佳轉(zhuǎn)速ωopt和轉(zhuǎn)速偏差e，并定義兩者之和為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值ω*＝ωopt+e 式23)根據(jù)風(fēng)力機(jī)最佳功率曲線計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻輸出機(jī)械功率給定值Pmec* <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>mec</mi> <mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn></mfrac><mi>ρ</mi><msub> <mi>AC</mi> <mrow><mi>p</mi><mi>max</mi> </mrow></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mi>R</mi> <msub><mi>λ</mi><mi>opt</mi> </msub></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><msup> <mrow><mo>(</mo><msup> <mi>ω</mi> <mo>*</mo></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup><mo>=</mo><msub> <mi>K</mi> <mi>opt</mi></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><msup> <mi>ω</mi> <mo>*</mo></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup> </mrow>式3由雙饋發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系，按照下式計(jì)算出發(fā)電機(jī)有功功率指令P* <mrow><msup> <mi>P</mi> <mo>*</mo></msup><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>P</mi><mi>mec</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>s</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>ΔP</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>K</mi> <mi>opt</mi></msub><msup> <mrow><mo>(</mo><msup> <mi>ω</mi> <mo>*</mo></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn></msup> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>s</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mi>ΔP</mi> </mrow>式4式中，為具有最大風(fēng)能利用系數(shù)的比例系數(shù)，ρ為空氣密度，A為風(fēng)輪掃風(fēng)平面面積，Cp max為最大風(fēng)能利用系數(shù)，s為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，ΔP為功率損耗，發(fā)電機(jī)根據(jù)有功功率指令P*實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤和捕獲；4)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωw，并與轉(zhuǎn)速控制給定值ω*比較，當(dāng)|ω*-ωw|≤10％ω*時(shí)，即風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近給定值，此時(shí)以實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速ωw替換式4中ω*，計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。FSA00000037600700011.tif,FSA00000037600700013.tif,FSA00000037600700016.tif
全文摘要
基于誤差補(bǔ)償模型的風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)能捕獲控制方法首先建立穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)測(cè)量風(fēng)速與轉(zhuǎn)速偏差的誤差補(bǔ)償模型，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速，獲得當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)速下轉(zhuǎn)速偏差，迭加到風(fēng)力機(jī)期望最佳轉(zhuǎn)速，作為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值，進(jìn)而計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率指令，控制機(jī)組輸出功率。同時(shí)，當(dāng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速作為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制給定值，控制發(fā)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。該方法能夠使風(fēng)力機(jī)快速跟蹤風(fēng)速變化，并通過誤差補(bǔ)償彌補(bǔ)因風(fēng)速測(cè)量誤差造成計(jì)算的轉(zhuǎn)速設(shè)定值偏差，同時(shí)在接近穩(wěn)定時(shí)，以實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算功率給定值，保證風(fēng)力機(jī)輸出功率沿最佳功率曲線，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的快速跟蹤。
文檔編號(hào)F03D7/00GK101776043SQ20101011386
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者呂劍虹, 吳科, 趙亮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)