专利名称：：一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法
技术领域：
：本发明属于风力发电机控制领域，尤其涉及一种风力发电机最大风能捕获控制的方法。
背景技术：
：在变速恒频风力发电系统中，风力发电机运行在低于额定风速下时，需要不断通过调整发电机的电磁转矩Te以改变风力发电机转速ωr，追踪最优转速值COr。pt，使风力发电机运行在最优工作点(OptimalOperatingPoint本发明中简称OOP)，从而使风力发电机可以捕获更多风能。近年来，国内外科研人员针对风力发电机最大风能捕获提出了一系列的控制策略。其中有些控制方法需要获取较多的风力发电机气动特性信息，以及风速信息，例如，采用滑膜控制可以相对准确地给出风力发电机下一控制周期的运行方式(加速，减速或者保持运行状态不变等)，但是受测量风速引起的偏差以及由于风力发电机气动特性随运行时间变化等因素将影响它的控制效果；另外一些控制方法所需的风力发电机信息较少，例如爬山搜索法虽然不需要测量风速，所需信息很少，仅通过判断风力发电机捕获功率的变化给出风力发电机下一控制周期的运行方式，但是大型风力发电机的转动惯量非常大，转速响应很难提高，风速波动变化会导致风力发电机在没有达到最优转速时，便因为风力发电机功率增减情况的变化而改变风力发电机的运行状态，因此会导致风力发电机实际转速不断偏离最优转速，尤其在风速突变情况很严重的情况时，控制器给出的控制信号可能使风力发电机一直背离最优转速运行。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出一种风力发电机最大风能捕获控制方法，该方法结合自适应控制理论，可以在对风力发电机进行最大风能捕获控制的同时，不断修正因风力发电机气动特性变化引起的最大功率曲线偏离，从而获取较为准确的风力发电机实际最大功率曲线，再选定以该搜寻获取的实际最大功率曲线为基准上下浮动范围的区域为风力发电机运行的最优工作区域(OptimalOperatingRegion本发明简称00R)，本发明所提出的控制方法能够减小风力发电机气动特性参数变化对风力发电机控制带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。本发明采用的技术方案如下一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，其特征在于，首先从风力发电机切入风速Vw。ut_in到达额定风速Vwrated之间(即风力发电机最大风能捕获运行风速区间)，选取若干风速值C，i=1,2,3......n，以AVm/S风速为间隔，则η个风速点为INT(VW—cut_in)+l，INT(Vffcuwn)+1+ΔV,INT(Vw—cut_in)+1+2XΔV，......INT(Vw—cut-J+l+(n-2)XΔV,INT(Vwrated),其中，INT表示取整函数，η=[(INT(Vwrated)-(INT(Vw—cut-in)+1))/ΔV]+1，此时，η个风速点根据初始最优叶尖速比λ。ptini可计算得到对应的n个最优转速值<，构成所选转速点列，设这些转速值各对应一个修正因子Mi，则该转速<所对应的第k次更新后的最大功率值P。ptMi(k)可表示为P。ptMi(k)=MiGOKoptini(Coi)3式中，Mi(k)表示第k次修正，k=0，1，2......；比例系数K。ptini可表示为足。pt—mi=0.5/^3CPmax—im/A。3pt—mi式中，ρ为空气密度；A为风力机扫风面积，A=πR2;R为风力机半径；Cpmaxini为初始最大风能利用系数；λ。ptini为初始最优叶尖速比；(Cpmaxini、λ。ptini)为初始设定的一组最优值，并初始给定M1(O)=M2(O)=......Mn(O)=Mavs(O)=1，其中Mi数列的平均值，表达式为该控制方法还包括下列步骤第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中判断t时刻采样转速值ωJt)是否在所选转速点列中，若ωJt)在所选转速值点列<的范围内，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步的风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新Mavs，仍然采用MAvg(k-Ι)对应的最大功率曲线P-l^ft-D，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步风力发电机运行方式初次给定设功率偏移量Δ是指某一转速对应最大功率值P。pt(cojt))与此时风力发电机捕获风能功率Pw(t)的差值，其表达式为进入第二步，则说明cor(t)等于，此时APw(t)为APw(t)=Pw(t)-Poptm(k)(a)如果一0.0；(拓0.0，则说明风力发电机已工作在最优工作区域，记为00R，则进入第三步修正因子更新；否贝I」，如果O.OliV—M例)<ΔΛν⑷，则说明风力发电机应加速运行，如果APw(0<—0.01P。pt—MW(<)，则说明风力发电机应减速运行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新Mavs，仍然采用MAvg(k-Ι)对应的最大功率曲线P-mxh)，然后对风力发电机进行转矩控制；第三步修正因子更新修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率？(1-1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率Pw(t)，当前的MiGO以及上次更新结果Mi(k-Ι)共同决定MiWk+l次更新结果Mi(k+1)，其规则如下a.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下MiGO-ClX(I-Pff(t-1)/Pff(t))XMi(^-Mi(k-1)|=Mi(k+1)式中，d为更新系数；本发明中规定1-Pw(t_l)/Pw(t)的输出如下1-^1)=■■W)LW-1)09<^^<11.W)‘“W)“‘6b.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应减速运行，即说明风力发电机由减速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下MiQiHdX(I-Pff(t-1)/Pff(t))XMi(^-Mi(k-1)|=Mi(k+1)c.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机已工作在00R,即说明风力发电机前后两次都运行在OOR中，此时首先需要给系统做一段延迟，当延迟控制周期结束后，若系统仍然判定风力发电机运行在00R，此时重复上一次对Mi相同的更新方式即可；否则系统继续按原流程执行；根据上述规则完成更新后，)对应Mi(k)将更新为Mi(k+Ι)，其他转速点一(j=1，2,3......η,但是，jΦi)对应的修正因子Mj(k)，更新后，保持原值不变，Mj(k+Ι)等于Mj(k)即可；而MAvg(k)将更新为Mavs(k+Ι)；第四步风力发电机运行方式二次给定若已经执行了第三步，cor(t)等于，则APff(t)为APw(t)=Pw(t)-Popt_Ml(k+1)(ω)(1)如果0.01PQpt—M(/t+1)<APw(0，则说明风力发电机应加速运行；其中，若0.IPoptΜ(^+)(；)<ΔΛν(0，则采用快加速方式运行；若O.OliV—M(/t+1)())<APw(0<0.Ii3OptM(^+i)(；)，则采用慢加速方式运行；(2)如果一0.0LP。ptM(/m)()XAPw(拓0.0LP。ptM(/m)())，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果APw(<—0.0LPQpt—耿+1)(<)，则说明风力发电机应减速运行；其中，若APw(0<—0.1i%t—M(/m)(<)，则采用快减速方式运行；若一O.liV—Mom)^)<^(0<-0.01^1M(^+i)(；)，则采用慢减速方式运行；若未执行第三步，则APw(t)为ΔPff(t)=Pff(t)_P。ptMAvg(H)(ωr(t))(1)如果0.01Popt——Η)(cor(t))<APw(t)，则说明风力发电机应加速运行；其中，若0.lPopt__Avg(k-i)("r(t))<APw(t)，则采用快加速方式运行；若0.01P。ptΜΑΗ)(ωr(t))<ΔPw(t)彡0.lP。ptΜ(ωr(t))，则采用慢加速方式运行；(2)如果-0.01P。ptMAvg(H)(ωr(t))彡ΔPw(t)彡0.01P。pt—M—一妇)(ωr(t))，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果APff(t)<-0.01P。ptμχη)(cor(t))，则说明风力发电机应减速运行；其中，若APw⑴<-0.IPtjptjuwg(H)(CoJt))，则采用快减速方式运行；若-0.lP。ptΜαη)(ωr⑴)彡ΔPw(t)<_0·01P。pt—M—一妇)(ωr(t))，则采用慢减速方式运行第五步发电机电磁转矩控制根据第四步风力发电机运行方式二次给定结果，发电机电磁转矩TJt)以及风力机机械转矩Tw(t)，给出该控制周期的电磁转矩给定值(t)(1)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快加速方式运行，若Te(t)<Tw(t)，则Te&(t)=Te(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给Teref赋值；若Te(t)>Tw(t)^ljTe—ref(t)=0.95Tff(t)；(2)如果二次给定结果为风力发电机采用慢加速方式运行，则TeMf(t)=0.95Tff(t)；(3)如果二次给定结果为风力发电机已工作在00R，则Teref(t)=Tff(t)；(4)如果二次给定结果为风力发电机采用慢减速方式运行，则TeMf(t)=1.05Tff(t)；(5)如果二次给定结果为风力发电机采用快减速方式运行，若Te(t)>Tw(t)，则Teref(t)=TJt)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给Teref赋值；若Te⑴彡Tw⑴，则Teref(t)=1.05Tw(t)。本发明的技术效果如下1、本发明是一种与自适应控制理论结合的最大风能捕获控制方法，即在对风力发电机进行最大风能捕获的同时，不断修正风力发电机气动特性参数使其更为接近实际值，从而获取较为准确的风力发电机实际最大功率曲线，再选定以该搜寻获取的实际最大功率曲线为基准上下浮动范围的区域为风力发电机运行的最优工作区域，所提出的控制方法减小风力发电机气动特性参数变化对风力发电机控制带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。2、本发明所提出的控制策略不需要对风速的采集而增加额外设备，同时也减少了因风速测量不准引起的最优转速偏离。3、本发明所提出的控制策略可以适应风速随机变化的特点。图1是不同风速下，风力发电机捕获风能功率与转速的对应关系和最大功率曲线与转速的关系。图2(a)是叶尖速比λ与风能利用系数的关系；图2(b)是最优叶尖速比λ。pt偏离后对应最大风能捕获曲线偏移的情况。图3是基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法流程框图。图4是判定风力发电机运行方式的原理示意图。图5是所描述实例情况1的运行原理示意图。图6是所描述实例情况2的运行原理示意图。图7是所描述实例情况3的运行原理示意图。图8是所描述实例情况4的运行原理示意图。具体实施例方式下面首先结合附图1和2，简单阐述采用这种方法的理论背景。风力发电机捕获风能功率Pw，表达式如下Pw=Κω](1)Cor是风力发电机转速，K是与风力发电机气动特性有关的量，表达式如下K=0.5PAR3Cp(X)/λ3(2)其中，ρ为空气密度，A为风力机扫风面积，A=πR2，R为风力机半径。Cp为风能利用系数，当风力发电系统工作在最大风能捕获阶段时，Cp只是叶尖速比入的函数；叶尖速比λ的表达式如下λ=QrR/Vff(3)Vw是风速值。恒定风速下，风力发电机运行在某一转速时，可以捕获最大风能。风力发电机最大功率曲线P。pt，表达式如下W，⑷Kopt是与风力发电机气动特性有关的量，表达式如下Kovt=O^pARiCvmaJXlvt⑴其中，Criim为最大风能利用系数；λ。pt为最优叶尖速比；(CPmax、λ。pt)是一组对应的最优值，在某一风速下，当风力发电机转速满足最优叶尖速比λ。pt时，此时风力发电机捕获到最大风能，Cp等于CPmax。在理想状态下，不同风速下，最大功率曲线与各个风速下功率曲线的关系如图1所示。但是若获取(CPmax、λ。pt)的初始值(Cpmax.ini、入opt_ini)，(Cpmax_ini、入opt_ini)就与实际值(CPmax—a。t、λoptact)存在偏差；或者在风力发电机运行一段时间后因为风力发电机本身结构发生变化而引起实际值(Cpmaxa。t、λoptact)变化不再等于初始值(Cltail^λopt_ini)时，都会导致如图2所示的情况，即初始最大功率曲线会偏离实际情况，其中λ。pt为实际最优叶尖速比，λ‘。pt为小于λ。pt的情况，λ“。pt为大于λ。pt的情况。因此，若在风力发电机控制过程中，一直采用(CPmaxini、X。ptini)作为风力发电机气动特性参数，则会可能导致风力发电机捕获不到实际最大功率。引入自适应控制理论可以有效解决运行过程中参数发生变化引起的控制问题，逐步修正风力发电机气动特性信息，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。本发明提出的基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，该方法首先从风力发电机切入风速Vw。ut_in到达额定风速VwMted之间，即风力发电机最大风能捕获运行风速区间，选取若干风速值G，i=1,2,3......η。在具体实施例中，以0.5m/s风速为间隔，则η个风速点为INT(Vw。ut_in)+1，INT(Vwcut_in)+l+0.5，INT(Vffcuwn)+1+2X0.5,......INT(Vw—cut_in)+1+(n_2)X0·5，INT(Vwrated)，其中，INT为取整函数。η=[(INT(Vffrated)-(INT(Vwcut_in)+1))/0.5]+1(6)此时，这个η个风速点根据初始λ。ptini可计算得到对应的n个最优转速值<，构成一个转速点列，这些转速值各对应一个修正因子Mi,则该转速<所对应的第k次更新后的最大功率值P。pt—Mi(k)可表示为P—=M1(k)Kovtmi(ω)3(7)式中，夂。pt—mi=0.5PW3CPmax—mi/A。3pt—mi，是采用初始最优值(CPmaxini、λ。pt」ni)计算得到的比例系数；Mi(k)表示第k次修正，k=0，1，2.......在控制流程中，仅当采样转速等于这若干转速点中的某一值时才进行风力发电机运行方式初次给定和执行更新，更新得到的Mi,而对于非所选点列中的转速值，采用修正因子Mavs，则有Popt_M_Avg=MhvgKoptm^(8)其中，，i=1，2，3......η；则第k次更新后，MAvg(k)的表达式如下本发明仅对几个特定转速值对应的Mi进行更新，这主要是解决因风速变化的随机性引起的问题。初始状态时，给定M1(O)=M2(O)=......Mn(O)=Mavs(O)=1。通过不断更新Mi,从而更新MAvg，使P。pt—Μ—Ανβ(ω》逐步逼近实际最大功率曲线P。pt—a。t(co》。风力发电机最大风能捕获控制流程如图3所示，其中包括5个主要步骤，下面将对这5个步骤执行方式做详细说明。第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中进入控制流程第一步需要判断t时刻采样转速值ωJt)是否在所选转速点列中，若cojt)在所选转速值点列<的范围内，则进入第二步风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步进入风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新MAvg，仍然采用MAvg(k-Ι)对应的最大功率曲线P。ptM^ari)，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制。第二步风力发电机运行方式初次给定若⑴在所选转速值点列的范围内，即叫(0=<，则进入第二步风力发电机运行方式初次给定。风力发电机运行方式给定是指根据功率偏移量ΔΡ给出风力发电机在下一控制周期的运行方式。其中八？是指某一转速对应最大功率值？_((^(0)与此时风力发电机捕获风能功率Pw(t)的差值，即APff(t)=Pff(t)-Popt(Qr(t))(10)结合图4所示理想情况下，说明如何根据APw的情况给定风力发电机下一控制周期运行方式。一种情况，假设风力发电机工作在工作点1，且是风速V2下最优工作点，当风速上升至V3(或下降至V1)时，工作点会偏移到点1'(1")，因此可以根据偏移量情况推测风速变化情况；另一种情况，假设风力发电机工作在风速％下，风力发电机转速从工作点2加速到工作点3，加速过程中偏移量不断缩小。因此，对功率偏移量的处理从以上述两种情况理解为偏移量越大说明风速的变化越明显，越偏离最优工作点，反之说明风力发电机此时运行方向正确，越接近最优工作点。考虑到实际风速噪声部分以及采样噪声的影响，需要选定以最大功率曲线为基准有一定上下浮动的区域为风力发电机运行的最优工作区域(OptimalOperatingRegion简称00R)，风力发电机运行在该区域内则认为此时风力发电机转速已经接近理论上的最优转速值。在本实施例中选定以最大功率曲线为基准上下浮动的区域为风力发电机运行的最优工作区域。本发明中采用上述方法对风力发电机运行状态进行初次给定。初次给定是指采用更新前的MiGO作为修正因子，所对应的最大功率值为iVMW)，其中叫(0=<，则此时APw(t)为APw(t)=Pw(t)-Popt_Mi(k)(ω)(11)根据上述内容风力发电机运行方式初次给定的依据和结果如下(1)如果0.01iV_MW())<APw(i)，则说明风力发电机应加速运行；(2)如果一0.01iV_MW())<^(0<0.01^1^)(；)，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果APw(<—0.0LPQpt—则说明风力发电机应减速运行；若给定结果为风力发电机工作在00R，则进入第三步修正因子更新；否则进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新Mi,仍然采用当前Mavs对应的最大功率值P。ptMAvg'然后对风力发电机进行转矩控制。第三步修正因子更新修正因子更新是指根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率Pw(t-1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率pw(t)，当前的MiGO以及上次更新结果Mi(k-l)共同决定MiWk+l次更新结果Mi(k+1)。其规则如下(1)如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下MiGO-ClX(I-Pw(t-1)/Pw(t))XIMiGO-Mi(Ii-I)I=Mi(k+1)(12)其中，d为更新系数。I-Pff(t-1)/Pff(t)有一定输出限制，这主要是为了减小因风速突变带来的影响；在实际运行中风速是随机变化的，风速突变造成将会造成控制周期前后两次风力发电机瞬时捕获功率变化较大，因此本实施例中规定如下关系(2)同理，如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应减速运行，即说明风力发电机由减速状态进入OOR的，其Mi的k+Ι次更新结果表达式如下Mi(k)+dX(I-Pff(t-1)/Pff(t))XIMi(k)-M^k-l)|=Mi(k+1)(14)(3)如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机已工作在00R,即说明风力发电机前后两次都运行在OOR中，此时首先需要给系统做一段延迟，当延迟控制周期结束后，若系统仍然判定风力发电机运行在00R，此时重复上一次对Mi相同的更新方式即可；否则系统继续按原流程执行。结合图5-8，先以某一选定转速值<为例，简述该转速值对应的修正因子Mi采用上述更新规则时的执行方式。情况1:如图5所示，假设t时刻，转速值<初始状态时对应Mi(O),对应一个最大功率值m(q)，风速为Vtl，风力发电机转速ωJt)等于<，捕获功率为Pw(t)。从图5虚线框放大区域中看出，若此时Pw(t)在区间内，风力发电机运行方式初次给定结果为风力发电机已工作在00R。在示意图6-8中不再对风力发电机运行进入OOR时的情况11做特别放大处理。情况1中假设上一控制周期t-Ι时刻风速也为Vtl，捕获功率为Pw(t_l)，上一控制周期风力发电机运行方式二次给定的结果为风力发电机应加速运行；则可知风力发电机是由加速进入最优工作区域。由式(12)可知，Mi(O)将更新至Mi(I),则PQpt—更新至P。pt—A/W())。假设经过若干时间，风速为V1，发生于上述相同的情况，则Mi(1)将更新至Mi⑵，则iV—μ⑴O))更新至尸。pt—Μ(2)(<)。由式(12)可以推断，在风力发电机运行了m个控制周期后，假设风力发电机转速每次等于<并以加速状态进入OOR时，且前后两次控制周期间风速不变，则随着更新次数的递增，对应的)将逐步逼近该转速对应的实际最大功率值)，则在前后两次控制周期间风速不变情况下，Pff(t+m-l)与？(〖+!11)越接近，同时其更新步长逐步震荡减小并趋近于0。与上述情况对偶的是，假设风力发电机始终以减速状态进入OOR时，并且前后两次控制周期间风速不变，则采用式(14)作为更新规则，其运行方式是基本相同的，在这里不再赘述。情况2:情况1中在风力发电机工作状态进入OOR的前后两个控制周期间风速是不变的，但是实际运行中虽然系统采样周期较短，但是也有可能发生风速在采样周期内发生快速波动的情况，这种情况是随机发生的。如图6(a)所示，假设t时刻，^对应的Mi已经更新k次，对应的PqrtMwC^)已经近似等于实际最大功率值a。t(<)(图6(a)中两点重合)。风速为V1，风力发电机转速"r(t)等于<，捕获功率为Pw(t)，此时经风力发电机运行方式初次给定结果为风力发电机已工作在OOR；并且假设上一控制周期t-Ι时刻风速为Vtl，捕获功率为Pw(t_l)，上一控制周期二次运行方式给定的结果为风力发电机应加速运行；可知风力发电机是由加速进入最优工作区域。通过式(12)可以看出，若Pw(t-1)%Pff(t)差距较小时，Mi(k+1)应该近似等于MiGO，但是假设情况2中，Pw(t-l)%Pff(t)差距较大，但是由于k次更新后，MiGO非常接近虬(k-Ι)，此时根据式(12),Mi(k)将更新为Mi(k+Ι)，则)更新至)。因此k+1次更新后的偏离实际最大功率值aet())很小，而且通过式(9)可知，Mi只对Mavs的影响只有1/n的偏移量。图6(b)描述的情况与图6(a)基本相同，只是k+Ι次更新后，偏离实际最大功率值Apt—)较大。即便如此，待经过m个控制周期后，t+m时刻风力发电机转速再次等于<，并由加速进入00R，再次对Mi更新，根据式(12)可知，只要Pw(t+m-l)大于Pff(t+m),Mi(k+1)将更新为虬&+2)，则P。pt—Mi(k+1)更新至P。pt—Mi(k+2)，此时P。pt—Mi又将逐步逼近实际最大功率曲线P。pt—a。t。与上述情况对偶的是，假设风力发电机始终以减速状态进入OOR时，并且前后两次控制周期间风速发生变化，则采用式(14)作为更新规则，其运行方式是基本相同的，在这里不再赘述。情况3:前两种情况都假设的是风力发电机始终以加速状态进入00R，而实际情况中，因为风速是随机变化的，因此风力发电机可能以随机状态进入00R，或加速、或减速进入00R，而随机问题的情况是多样的，现仅以情况3为例对风力发电机以随机状态进入OOR的情况做简要阐述。如图7所示，假设t时亥K对应的Mi已经更新k次，对应的i^t—已经近似等于实际最大功率值a。t(<)(图中两点重合)，风速为V1，风力发电机转速COr(t)等于<，捕获功率为Pw(t)，此时经风力发电机运行方式初次给定结果为风力发电机已工作在OOR；并且假设上一控制周期t-Ι时刻风速为Vtl，捕获功率为Pw(t-1)，上一控制周期风力发电机二次运行方式给定的结果为风力发电机应加速运行；可知风力发电机由加速进入最优工作区域。假设在情况3中，pw(t-l)%Pff(t)差距较大，而且k次更新后，MiGO与Mi(H)的差很大，则此时根据式(12)，Mi(k)将更新为Mi(k+Ι)，则)更新至)。若经过m个控制周期后，t+m时刻风力发电机转速再次等于<，并以减速状态进入00R，再次对虬更新，根据式(14)可知，则iV—更新至P。PtA^+2)，此时P。Pt—又将逐步逼近实际最大功率值)。情况4:如图8所示，假设在风力发电机在t-Ι时刻，风力发电机转速不在所选点列中，即叫(〖-1垆<，但是风力发电机运行方式二次给定结果为风力发电机已工作在0(。而t时刻，风力发电机转速在所选点列中，即叫(0=<，且根据风力发电机运行方式初次给定得到结果为风力发电机已工作00R。此时风力发电机前后两次运行都判断得到工作在00R，因此系统需要做一段时间的延迟，即延迟若干控制周期，若在其间风速不变，在延迟一段时间后，理论上风力发电机转速也将不变，即通过风力发电机运行方式初次给定，一直给定结果为风力发电机已工作在00R，则此时<对应的Mf将重复上次更新方式即可。综合上述4种情况的分析可知，虽然风速是随机性很强的输入，但是本发明提出的更新方法采用对若干选定转速值的更新结果取均值的方法，该方法减小了局部更新结果Mi偏离时对整体更新结果Mavs的影响。另外，对1-Pw(t-1)/Pw(t)进行限幅输出可以减小因风速突变或者噪声而引起的误更新。根据上述规则完成更新后，<对应MiGO将更新为虬&+1)，其他转速点一(j=1，2,3......η,但是，jΦi)对应的修正因子Mj(k)，更新后，保持原值不变，Mj(k+Ι)等于Mj(k)即可；而MAvg(k)将更新为Mavs(k+Ι)。第四步风力发电机运行方式二次给定风力发电机运行方式二次给定是根据Pw(t)与P。ptMi(k+1)(t)或者与P。ptMAvg(H)(t)的关系决定的。若执行了第三步修正因子更新，则采用P。pt—Mi(k+1)(t)，否则采用P。pt—M—(t)。其给定依据和给定结果如下若已经执行了第三步，叫⑦=)，则APff(t)为APw(t)=Pw(t)-Popt_Ml(k+1)(ω)(15)(1)如果0.01PQpt—mp+D^KAPWG)，则说明风力发电机应加速运行；其中，若O.liV—M(/t+1)<APw(0，则采用快加速方式运行；若O.OliV—)<APw(0<0.Ii3OptΜ(^+)(；)，则采用慢加速方式运行；(2)如果一0.0LPQptM(/m)()XAPw(拓0.0LPQptM(/m)())，则说明风力发电机已工13作在OOR；(3)如果APw(<—0.0LPQpt—耿+1)(<)，则说明风力发电机应减速运行；其中，若APw(0<—0.1i%t—MOt+1)，则采用快减速方式运行；若一O.liV—Mom)^)<^(0<-0.01^1M(^+i)(；)，则采用慢减速方式运行；若未执行第三步，则APff(t)为APff(t)=Pw(t)_P。ptM^(H)(cor(t))(16)(1)如果0.01Popt——Η)(cor(t))<ΔPw(t)，则说明风力发电机应加速运行；其中，若0.lPopt__Avg(k-i)("r(t))<APw(t)，则采用快加速方式运行；若0.01P。ptMAvg(H)(ωr⑴)<ΔPw(t)彡0.lPopt—Μ—Αν“Η)(ωr(t))，则采用慢加速方式运行；(2)如果-O.01P。pt—Mjwg(H)("r(t))彡APff(t)彡0.01P。pt—Μ—Αν“Η)(ωr(t))，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果APff(t)<-O.01P。ptμχη)(cor(t))，则说明风力发电机应减速运行；其中，若APw⑴<-0.lP。ptMAvg(H)(Ojt)),则采用快减速方式运行；若-O.lPopt__Avg(k-l)("r(t))彡APff(t)<-O.01P。pt—M—Avg(H)("r(t))，则采用慢减速方式运行；第五步发电机电磁转矩控制发电机电磁转矩控制是指根据风力发电机运行方式二次给定的结果，发电机电磁转矩Te(t)，风力机机械转矩Tw(t)，给出相应的电磁转矩给定值(t)，通过调节发电机电磁转矩从而实现风力发电机调速。本发明所采用的发电机电磁转矩控制主要针对大型风力发电机的调速运行。大型风力发电机转动惯量都非常巨大，其速度响应缓慢，因此本发明采用的发电机电磁转矩控制方式基本思想如下在风速上升，要求风力发电机升速时，为了提高升速速度，使发电机输出较低电磁转矩；而风速下降时，要求风力发电机降速时，为了提高降速速度，使发电机输出较高电磁转矩。其给定依据和给定结果如下(1)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快加速方式运行，若TJt)<Tw(t)，则Te&(t)=Te(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给Teref赋值；若Te(t)>Tw(t)^ljTe—ref(t)=0.95Tff(t)；(2)如果二次给定结果为风力发电机采用慢加速方式运行，则TeMf(t)=0.95Tff(t)；(3)如果二次给定结果为风力发电机已工作在00R，则Teref(t)=Tff(t)；(4)如果二次给定结果为风力发电机采用慢减速方式运行，则TeMf(t)=1.05Tff(t)；(5)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快减速方式运行，若Te(t)>Tw(t)，则=Te(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给1；>赋值；若Te(t)彡Tw⑴，则Teref(t)=1.05Tw(t)。权利要求一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，其特征在于，首先从风力发电机切入风速VW_cutin到达额定风速VW_rated之间(即风力发电机最大风能捕获运行风速区间)，选取若干风速值i＝1，2，3......n，以ΔVm/s风速为间隔，则n个风速点为INT(VW_cutin)+1，INT(VW_cutin)+1+ΔV，INT(VW_cutin)+1+2×ΔV，......INT(VW_cutin)+1+(n2)×ΔV，INT(VW_rated)，其中，INT表示取整函数，n＝[(INT(VW_rated)(INT(VW_cutin)+1))/ΔV]+1，此时，n个风速点根据初始最优叶尖速比λopt_ini可计算得到对应的n个最优转速值构成所选转速点列，设这些转速值各对应一个修正因子Mi，则该转速所对应的第k次更新后的最大功率值Popt_Mi(k)可表示为Popt_Mi(k)＝Mi(k)Kopt_ini(ωi)3式中，Mi(k)表示第k次修正，k＝0，1，2......；比例系数Kopt_ini可表示为<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0.5</mn><mi>ρA</mi><msup><mi>R</mi><mn>3</mn></msup><msub><mi>C</mi><mrow><mi>P</mi><mi>max</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msubsup><mi>λ</mi><mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>ini</mi></mrow><mn>3</mn></msubsup></mrow>式中，ρ为空气密度；A为风力机扫风面积，A＝πR2；R为风力机半径；CPmax_ini为初始最大风能利用系数；λopt_ini为初始最优叶尖速比；(CPmax_ini、λopt_ini)为初始设定的一组最优值，并初始给定M1(0)＝M2(0)＝......Mn(0)＝MAvg(0)＝1，其中MAvg为Mi数列的平均值，表达式为<mrow><msub><mi>M</mi><mi>Avg</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>n</mi></mfrac><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>该控制方法还包括下列步骤第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中判断t时刻采样转速值ωr(t)是否在所选转速点列中，若ωr(t)在所选转速值点列的范围内，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步的风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新MAvg，仍然采用MAvg(k1)对应的最大功率曲线Popt_M_Avg(k1)，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步风力发电机运行方式初次给定设功率偏移量ΔPW是指某一转速对应最大功率值Popt(ωr(t))与此时风力发电机捕获风能功率PW(t)的差值，其表达式为ΔPW(t)＝PW(t)Popt(ωr(t))进入第二步，则说明ωr(t)等于此时ΔPW(t)为<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>Mi</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>r</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow>如果则说明风力发电机已工作在最优工作区域，记为OOR，则进入第三步修正因子更新；否则，如果则说明风力发电机应加速运行，如果则说明风力发电机应减速运行，这两种情况下，直接进入第四步风力发电机运行方式二次给定，不更新MAvg，仍然采用MAvg(k1)对应的最大功率曲线Popt_M_Avg(k1)，然后对风力发电机进行转矩控制；第三步修正因子更新修正因子更新是根据上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果，上一控制周期风力发电机捕获风能功率PW(t1)和本次控制周期风力发电机捕获风能功率PW(t)，当前的Mi(k)以及上次更新结果Mi(k1)共同决定Mi的k+1次更新结果Mi(k+1)，其规则如下a.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应加速运行，即说明此时风力发电机是由加速状态进入OOR的，其Mi的k+1次更新结果表达式如下Mi(k)d×(1PW(t1)/PW(t))×|Mi(k)Mi(k1)|＝Mi(k+1)式中，d为更新系数；本发明中规定1PW(t1)/PW(t)的输出如下<mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo><</mo><mn>0.9</mn><mi>or</mi><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>1.1</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mtd><mtd><mn>0.9</mn><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>≤</mo><mn>1.1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>b.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机应减速运行，即说明风力发电机由减速状态进入OOR的，其Mi的k+1次更新结果表达式如下Mi(k)+d×(1PW(t1)/PW(t))×|Mi(k)Mi(k1)|＝Mi(k+1)c.如果上一控制周期风力发电机运行方式二次给定结果是风力发电机已工作在OOR，即说明风力发电机前后两次都运行在OOR中，此时首先需要给系统做一段延迟，当延迟控制周期结束后，若系统仍然判定风力发电机运行在OOR，此时重复上一次对Mi相同的更新方式即可；否则系统继续按原流程执行；根据上述规则完成更新后，对应Mi(k)将更新为Mi(k+1)，其他转速点(j＝1，2，3......n，但是，j≠i)对应的修正因子Mj(k)，更新后，保持原值不变，Mj(k+1)等于Mj(k)即可；而MAvg(k)将更新为MAvg(k+1)；第四步风力发电机运行方式二次给定若已经执行了第三步，ωr(t)等于则ΔPW(t)为<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>W</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>opt</mi><mo>_</mo><mi>Mi</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><msubsup><mi>ω</mi><mi>r</mi><mi>i</mi></msubsup><mo>)</mo></mrow></mrow>(1)如果则说明风力发电机应加速运行；其中，若则采用快加速方式运行；若则采用慢加速方式运行；(2)如果则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果则说明风力发电机应减速运行；其中，若则采用快减速方式运行；若则采用慢减速方式运行；若未执行第三步，则ΔPW(t)为ΔPW(t)＝PW(t)Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))(1)如果0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))＜ΔPW(t)，则说明风力发电机应加速运行；其中，若0.1Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))＜ΔPW(t)，则采用快加速方式运行；若0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))＜ΔPW(t)≤0.1Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))，则采用慢加速方式运行；(2)如果0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))≤ΔPW(t)≤0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))，则说明风力发电机已工作在OOR；(3)如果ΔPW(t)＜0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))，则说明风力发电机应减速运行；其中，若ΔPW(t)＜0.1Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))，则采用快减速方式运行；若0.1Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))≤ΔPW(t)＜0.01Popt_M_Avg(k1)(ωr(t))，则采用慢减速方式运行；第五步发电机电磁转矩控制根据第四步风力发电机运行方式二次给定结果，发电机电磁转矩Te(t)以及风力机机械转矩TW(t)，给出该控制周期的电磁转矩给定值Te_ref(t)(1)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快加速方式运行，若Te(t)＜TW(t)，则Te_ref(t)＝Te(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给Te_ref赋值；若Te(t)≥TW(t)，则Te_ref(t)＝0.95TW(t)；(2)如果二次给定结果为风力发电机采用慢加速方式运行，则Te_ref(t)＝0.95TW(t)；(3)如果二次给定结果为风力发电机已工作在OOR，则Te_ref(t)＝TW(t)；(4)如果二次给定结果为风力发电机采用慢减速方式运行，则Te_ref(t)＝1.05TW(t)；(5)如果t时刻二次给定结果为风力发电机采用快减速方式运行，若Te(t)＞TW(t)，则Te_ref(t)＝Te(t)，且保持该给定值不变，直到风力发电机二次运行方式给定结果发生改变再重新给Te_ref赋值；若Te(t)≤TW(t)，则Te_ref(t)＝1.05TW(t)。FDA0000025650260000011.tif,FDA0000025650260000012.tif,FDA0000025650260000013.tif,FDA0000025650260000016.tif,FDA0000025650260000017.tif,FDA0000025650260000019.tif,FDA00000256502600000110.tif,FDA00000256502600000111.tif,FDA0000025650260000022.tif,FDA0000025650260000023.tif,FDA0000025650260000024.tif,FDA0000025650260000026.tif,FDA0000025650260000027.tif,FDA0000025650260000028.tif,FDA0000025650260000029.tif,FDA0000025650260000031.tif,FDA0000025650260000032.tif,FDA0000025650260000033.tif全文摘要本发明属于风力发电机控制领域，涉及一种基于自适应理论的风力发电机最大风能捕获控制方法，该方法首先从风力发电机切入风速到达额定风速之间，选取n个风速值，它们各对应一个转速值，从而构成一个转速点列，每个转速值一个修正因子，包括以下步骤第一步判断采样转速值是否在所选转速点列中，若在，则进入第二步的风力发电机运行方式初次给定；否则直接进入第四步进风力发电机运行状态二次给定，同时也不更新修正因子，仍然采用当前修正因子对应的最大功率曲线，然后根据第四步给定结果对风力发电机进行转矩控制；第二步风力发电机运行方式初次给定；第三步修正因子更新；第四步风力发电机运行方式二次给定；第五步发电机电磁转矩控制。本发明能够减小风力发电机气动特性参数变化对系统控制带来的影响，有助于提高风力发电机捕获风能的效率。文档编号F03D7/00GK101915219SQ201010274018公开日2010年12月15日申请日期2010年9月3日优先权日2010年9月3日发明者夏长亮,王志强,阎彦,陈炜申请人:天津大学