專利名稱：風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法。更具體地說是應(yīng)用在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤控制方法。
背景技術(shù)：
變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中常規(guī)的最大功率跟蹤(MPPT)控制采用的三種方法是分別是葉尖速比控制方法、功率信號反饋控制和爬山法尋優(yōu)控制。
葉尖速比控制法是通過對風(fēng)輪的機械結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，使風(fēng)輪捕獲最大功率，主要依賴于風(fēng)機的葉尖速比與風(fēng)速曲線，通過控制風(fēng)輪的變漿機構(gòu)來控制槳葉的迎風(fēng)角，從而使風(fēng)輪在此狀態(tài)下的葉尖速比達到最大值。該控制方法對風(fēng)輪的性能參數(shù)敏感，且需要對風(fēng)速進行準確測量，因此應(yīng)用范圍有限。
功率信號反饋控制與爬山法尋優(yōu)控制都屬于電氣控制方法，通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器對電機的控制，從而達到輸出最大功率的目的。功率信號反饋控制是依據(jù)風(fēng)機最大功率曲線，在不同轉(zhuǎn)速下控制風(fēng)機輸出功率，使其跟隨最大功率曲線。該方法能夠較好地適應(yīng)風(fēng)速的變化，但對風(fēng)機參數(shù)敏感，且最大功率曲線存在誤差，從而影響最大功率跟蹤的精度，并且由于不同機型參數(shù)不同，因而其適應(yīng)性較差。爬山法尋優(yōu)控制是采用轉(zhuǎn)速擾動控制方法，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化前后的功率比較，從而確定轉(zhuǎn)速擾動的大小和方向。但此方法不能適用于風(fēng)機的快速變化，由于風(fēng)速變化時，導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，因此一部分風(fēng)能儲存于葉輪中，所以對發(fā)電機輸出功率的測量并不能完全反映出風(fēng)能的變化量，因此導(dǎo)致功率控制的不準確，且由于轉(zhuǎn)速擾動引起最大功率點附近系統(tǒng)的振蕩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種不依賴于風(fēng)場和風(fēng)機的任何特性，可以適應(yīng)風(fēng)速的快速變化，能有效抑制最大功率點附近的系統(tǒng)擾動的風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法，其特征是設(shè)置互為獨立的轉(zhuǎn)速和功率雙閉環(huán)控制方法，控制過程分為三個階段a、初始狀態(tài)下，根據(jù)風(fēng)機的原始功率特性，得到原始最大功率曲線，初次運行時根據(jù)所述原始最大功率曲線對風(fēng)機進行功率信號反饋控制；b、風(fēng)速變化較小時，采用爬山法功率尋優(yōu)控制方法，通過轉(zhuǎn)速擾動獲得當(dāng)前風(fēng)速下的最大輸出功率和對應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)原始最大功率曲線和新加入的數(shù)據(jù)點，對最大功率曲線進行修正，在運行過程中每獲得一個新的數(shù)據(jù)點對曲線進行實時修正，從而獲得修正后的最大功率曲線；c、風(fēng)速變化較大時，根據(jù)修正后的最新功率曲線，對系統(tǒng)采用功率信號反饋控制。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明是以功率信號反饋控制與爬山控制法相結(jié)合，在風(fēng)速變化較快時，采用功率信號反饋控制，根據(jù)最大功率曲線，對風(fēng)機進行功率控制；而在風(fēng)速變化較慢時，采用爬山法控制，并進行在線學(xué)習(xí)，對風(fēng)機的最大功率曲線進行更新。根據(jù)風(fēng)況的不同選擇不同的控制方法使系統(tǒng)捕獲最大風(fēng)能，并使系統(tǒng)輸出功率最大。本發(fā)明方法不依賴于風(fēng)場和風(fēng)機的任何特性，加快了系統(tǒng)對風(fēng)速變化的跟隨性能，同時能保證跟蹤結(jié)果的準確性。


圖1為本發(fā)明方法原理圖。
圖2為本發(fā)明最大功率曲線擬和。
圖3為本發(fā)明爬山法功率尋優(yōu)控制原理圖。
圖4為本發(fā)明控制方法流程圖(流程圖的方框不能有底紋，整體線條必須清晰，圖中的流程表達必須與文稿中對應(yīng)部位的文字表達完全一致)。
以下通過實施例，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
具體實施例方式本實施例設(shè)置互為獨立的轉(zhuǎn)速和功率雙閉環(huán)控制方法，控制過程分為三個階段a、初始狀態(tài)下，根據(jù)風(fēng)機的原始功率特性，得到原始最大功率曲線，初次運行時根據(jù)所述原始最大功率曲線對風(fēng)機進行功率信號反饋控制；b、風(fēng)速變化較小時，采用爬山法功率尋優(yōu)控制方法，通過轉(zhuǎn)速擾動獲得當(dāng)前風(fēng)速下的最大輸出功率和對應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)原始最大功率曲線和新加入的數(shù)據(jù)點，對最大功率曲線進行修正，在運行過程中每獲得一個新的數(shù)據(jù)點對曲線進行實時修正，從而獲得修正后的最大功率曲線；c、風(fēng)速變化較大時，根據(jù)修正后的最新功率曲線，對系統(tǒng)采用功率信號反饋控制。
關(guān)于功率信號反饋控制方法的設(shè)置如圖1所示，在功率環(huán)中，即控制開關(guān)處于1的位置。當(dāng)風(fēng)速增加時，風(fēng)輪捕獲功率增加，但風(fēng)機的瞬時轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化，則風(fēng)機的機械轉(zhuǎn)矩增加，由于發(fā)電機的功率環(huán)的控制作用，其輸出電磁功率不變，且轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化，因此發(fā)電機的電磁阻轉(zhuǎn)矩不變，因此導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的升高，然后通過查詢最大功率曲線，由功率環(huán)控制發(fā)電機的輸出功率，使之達到最大。
在根據(jù)最大功率曲線控制的過程中，其輸出功率控制的準確性主要依賴于最大功率曲線的準確程度。由于風(fēng)機運行會因為各種損耗而引起曲線誤差，若直接根據(jù)風(fēng)機廠商提供的設(shè)計或者試驗數(shù)據(jù)進行控制，并不能保證風(fēng)機在運行過程中的準確性。因此本實施例設(shè)計曲線擬合的方法來在線實時修正最大功率曲線，使之保持最優(yōu)狀態(tài)。
根據(jù)曲線擬合和經(jīng)驗公式中參數(shù)的最小二乘估計，實時對曲線進行擬合。
當(dāng)系統(tǒng)運行于最大功率點時，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)能捕獲公式Pmmax=12ρπrm2Cpmax(rmλopt)3·ω3]]>式中Pmmax為風(fēng)機輸出最大功率，ρ為空氣密度，近似認為不變，rm為風(fēng)力機風(fēng)輪半徑，Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)，λopt為最優(yōu)葉尖速比，ω發(fā)電機轉(zhuǎn)速；設(shè)12rm2Cpmax(RλoPt)3]]>值恒定，因此系統(tǒng)輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方法成正比。此時令z＝ω3，則式(1)可轉(zhuǎn)化為P＝k·z(2)給出P～ω曲線上的n對觀測值(zi，Pi)，(i＝1，2，Λ，n)，進而確定參數(shù)k的數(shù)值；由最小二乘法進行曲線擬和Q=Σi=1n(Pi-k·zi)2---(3)]]>為使Q達到最大，則應(yīng)滿足_Q/_k＝0，推得k=Σi=1nPi·zΣi=1nz2---(4)]]>因而獲得風(fēng)機輸出功率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速關(guān)系表達式P=k·ω3=Σi=1nPi·zΣi=1nz2·ω3]]>因此在系統(tǒng)運行過程中，可以通過在風(fēng)速平穩(wěn)時對最大功率點的搜尋，進而對原始最大功率曲線a進行更新，從而保證在風(fēng)機采用功率信號反饋控制時的準確性，修正后最大功率曲線擬b如圖2所示。
爬山法控制方法參見圖3，在風(fēng)速v1下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于A點，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為ω1，系統(tǒng)輸出最大功率PA。風(fēng)速變?yōu)関2，由于葉輪慣性，轉(zhuǎn)速不能立即變化，仍為ω1，此時系統(tǒng)運行于B點，輸出功率為PB。
TL-Te=J·dωdt---(5)]]>由運動方程式(5)可知，由于風(fēng)機機械轉(zhuǎn)矩增加，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)必然導(dǎo)致發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩增加，發(fā)電機輸出功率增加，MPPT控制器給出轉(zhuǎn)速增量，控制系統(tǒng)進行加速運行。風(fēng)機沿B-C-D進行功率尋優(yōu)，發(fā)電機則沿A-D加速運行。轉(zhuǎn)速達到ω2時，輸出功率達最大值PD。同理分析風(fēng)速下降情況。
在控制時考慮到，當(dāng)進行轉(zhuǎn)速擾動時通過轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)其輸出瞬時功率是減少的，因此在對功率進行采樣比較時，可根據(jù)式(6)先判斷轉(zhuǎn)速環(huán)是否達到穩(wěn)定。
|ω-ωref|≤σ (6)轉(zhuǎn)速擾動可以采用定步長轉(zhuǎn)速擾動或者變步長轉(zhuǎn)速擾動的方法。由于定步長擾動使系統(tǒng)在最大功率點附近發(fā)生振蕩，且追蹤速度較慢，因此為了有效的抑制系統(tǒng)振動和保證追蹤的快速性，本文采用變步長的轉(zhuǎn)速擾動控制方法。其步長大小可以根據(jù)不同風(fēng)速變化時，發(fā)電機輸出功率變化和轉(zhuǎn)速變化的比值來確定，如式(7)所示。
ki=|Δω||ΔP|---(7)]]>轉(zhuǎn)速指令方向可由表1進行判斷。
表1轉(zhuǎn)速指令方向判斷

其中Δω(k-1)，Δω(k)＜0為轉(zhuǎn)速減指令，Δω(k-1)，Δω(k)＞0為轉(zhuǎn)速增指令。
由于轉(zhuǎn)速指令的變化為離散的，因此輸出功率只能接近最大值。因此當(dāng)功率變化小于某一給定區(qū)間時，由式(8)給出，可認為達到最大功率，此時保持轉(zhuǎn)速增量為0。
|ΔP|＝|P(k)-P(k-1)|≤Pσ(8)控制方法的選取對于控制過程中的不同控制方法的切換，可以根據(jù)風(fēng)速變化的引起風(fēng)機機械轉(zhuǎn)矩的變化，從而發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化。因此通過判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化率，可以對風(fēng)速是否穩(wěn)定進行判斷。
設(shè)轉(zhuǎn)子電流中轉(zhuǎn)矩分量的變化率為Λ=ΔIqΔt---(9)]]>根據(jù)式(9)，給一定值σ，當(dāng)Λ≥σ，認為風(fēng)速變化，因此采用功率信號反饋控制方法，跟蹤最大功率曲線，對系統(tǒng)進行控制。當(dāng)Λ≤σ時，認為風(fēng)速平穩(wěn)，采用爬山法尋優(yōu)控制，對其進行轉(zhuǎn)速擾動，尋找此風(fēng)速下的最大輸出功率值點，并對最大功率曲線進行修正。此方法不關(guān)心其風(fēng)速值，只要風(fēng)速穩(wěn)定即可。
本實施例中的具體控制流程如圖4所示對轉(zhuǎn)矩電流采樣n次，取平均判斷風(fēng)速穩(wěn)定情況，若風(fēng)速穩(wěn)定，則采用轉(zhuǎn)速環(huán)進行控制，通過對功率的采樣，進行最大功率點跟蹤，然后對最大功率曲線進行擬合，若判斷風(fēng)速不穩(wěn)定，則采用功率環(huán)進行控制，對當(dāng)前轉(zhuǎn)速進行采樣，通過最大功率曲線查表得到最優(yōu)功率輸出，從而與功率反饋信號進行比較，然后進行控制。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法，其特征是設(shè)置互為獨立的轉(zhuǎn)速和功率雙閉環(huán)控制方法，控制過程分為三個階段a、初始狀態(tài)下，根據(jù)風(fēng)機的原始功率特性，得到原始最大功率曲線，初次運行時根據(jù)所述原始最大功率曲線對風(fēng)機進行功率信號反饋控制；b、風(fēng)速變化較小時，采用爬山法功率尋優(yōu)控制方法，通過轉(zhuǎn)速擾動獲得當(dāng)前風(fēng)速下的最大輸出功率和對應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)原始最大功率曲線和新加入的數(shù)據(jù)點，對最大功率曲線進行修正，在運行過程中每獲得一個新的數(shù)據(jù)點對曲線進行實時修正，從而獲得修正后的最大功率曲線；c、風(fēng)速變化較大時，根據(jù)修正后的最新功率曲線，對系統(tǒng)采用功率信號反饋控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是所述轉(zhuǎn)速擾動采用變步長控制法，其轉(zhuǎn)速指令的大小根據(jù)不同風(fēng)速變化時，發(fā)電機輸出功率變化和轉(zhuǎn)速變化的比值ki來確定ki<|Δω||ΔP|]]>式中ki為比值，Δω為轉(zhuǎn)速增量，ΔP為功率增量；轉(zhuǎn)速指令的方向的判斷由下表給出
表中Δω(k-1)，Δω(k)＜0為轉(zhuǎn)速減指令，Δω(k-1),Δω(k)＞0為轉(zhuǎn)速增指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是所述對曲線進行實時修正是采用最小二乘法估計的曲線擬合方法，當(dāng)系統(tǒng)運行于最大功率點時，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)能捕獲公式Pmmax=12ρπrm2Cpmax(rmλout)3·ω3]]>式中Pmmax為風(fēng)機輸出最大功率，ρ為空氣密度，近似認為不變，rm為風(fēng)力機風(fēng)輪半徑，Cpmax為最大風(fēng)能利用系數(shù)，λopt為最優(yōu)葉尖速比，ω發(fā)電機轉(zhuǎn)速；通過最小二乘法獲得風(fēng)機輸出功率與發(fā)電機轉(zhuǎn)速關(guān)系表達式P=k·ω3=Σi=1nPi·zΣi=1nz2·ω3.]]>
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是通過判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)矩分量的變化率的大小來判斷風(fēng)速的變化大小。
全文摘要
風(fēng)力發(fā)電最大功率點跟蹤控制方法，其特征是設(shè)置互為獨立的轉(zhuǎn)速和功率雙閉環(huán)控制方法，控制過程為三個階段初始狀態(tài)根據(jù)原始最大功率曲線對風(fēng)機進行功率信號反饋控制；風(fēng)速變化較小時采用爬山法功率尋優(yōu)控制，通過轉(zhuǎn)速擾動獲得當(dāng)前風(fēng)速下的最大輸出功率和對應(yīng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)原始最大功率曲線和新加入的數(shù)據(jù)點，獲得修正后的最大功率曲線；風(fēng)速變化較大時根據(jù)修正后的最新功率曲線，對系統(tǒng)采用功率信號反饋控制。本發(fā)明方法不依賴于風(fēng)場和風(fēng)機特性，可以適應(yīng)風(fēng)速的快速變化，能有效抑制最大功率點附近的系統(tǒng)擾動。
文檔編號G05F1/67GK1960159SQ20061009756
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者張興, 程顯忠, 謝震, 楊淑英, 曹仁賢 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)