一种风力发电机最大功率跟踪控制方法

1.本发明属于风电控制领域，尤其提出一种风力发电机最大功率跟踪控制方法。


背景技术：

2.由于传统化石燃料价格飙升、储备能力有限以及环境问题，可再生能源作为替代传统能源的新选择正在增加其自身在能源系统中的占比。在全球范围内，研究界正在探索从可自由获得的丰富可再生能源进行高效能源转换的所有可能性。在流行的可再生能源中，风能因其占用空间小和运行过程中的零碳排放而获得了更多的支持。变速风能转换系统因能随跟随风速的变化而改变其转速，能比固定速度的风能转换系统更多的电能且能改善电能质量、提高动力效率而正逐渐成为主导机型。变速风能转换系统中常用两种主要的发电形式，分别是双馈风力发电系统和直驱式永磁发电系统。其中，直驱式永磁同步发电机因其高功率密度、可靠性高、效率高、无齿轮结构等的特殊优点正在广泛应用于变速风能转换系统的各种场合。
3.目前研究人员为实现从风机获取最大功率传输到风能系统，对最大功率点跟踪技术做了较多的研究，其主要分为三类：最佳叶尖速比法，功率反馈法和爬山搜索法。最佳叶尖速比法具有快速、简单、准确等的优点，然而其需要实时测量风速获取当前风速下的最佳转速。功率反馈法基于其快速跟踪能力和低功率纹波，同时不需要风速传感器，然而其需要知道风力机的空气动力特性，否则将进行跟踪。爬山搜索法无需要对风力机特性有任何的了解，成本较低且容易实施，然而该方法的跟踪响应速度较慢，尤其是对大型风电机组，较高的惯性令其跟踪会有明显的滞后性。这几种方法各有优缺点，如果进行相互配合能有效的解决相互的缺点。如果能够准确判断不同方法的切换点能大幅度提高机组的跟踪效果，且能维持较高的风能转换率。同时，经研究发现，发电机损耗并非定值，其会随着转速变化而变化，若直接在最大功率跟踪的计算过程中默认其为常数，便可能造成计算误差，并可能降低风电机组的风能利用率。
4.因此，本发明结合了传统的最大功率点判断方法的优点，并结合发电机损耗模型获得发电机效率与转速的关系，以及结合了传统变步长爬山法的优点，解决了mpp点判断不够准确和爬山搜索法切换至功率反馈法后由于风速与风力机转速的最佳功率比例系数k
opt
不够精准带来的整体风能转换率不高的问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种风力发电机最大功率跟踪控制方法。
6.技术方案：本发明提出一种风力发电机最大功率跟踪控制方法，该方法包括以下步骤：
7.s1：使用电流给定最大功率跟踪测试获得发电机的效率与转速的关系；
8.s2：设置判断发电机是否运行在最大功率点的判断条件；
9.s3：使用变步长爬山搜索法控制发电机组运行的功率与最大功率的差值在预设范
围内，并时刻检测发电机运行点是否满足最大功率点判断条件；
10.s4：当运行点满足最大功率点判断条件时，计算此时包含发电机效率的风速与风力机转速的最佳功率比例系数，将发电机控制模式由爬山搜索法切换至功率反馈法，并持续使用功率反馈法进行最大功率点跟踪。
11.进一步的，所述步骤s1中，发电机总损耗功率p
loss
和损耗转矩t
loss
用公式(1)表示：
[0012][0013]
式中，c和c2分别为两常数，其中，c包含发电机机械损耗、杂散损耗和铁损中的迟滞损耗三者对应的转矩，c2为全局涡流损耗系数，ω为发电机的转速，发电机最佳q轴电流最佳给定值i
q*
为：
[0014][0015]
式中，n
p
为发电机极对数，ψf为永磁磁链，k为根据发电机空气动力特性所获得的风速与风力机转速的比例系数；
[0016]
利用式(2)进行发电机q轴电流iq给定的最大功率跟踪测试，通过给定不同的损耗转矩t
loss
测试得出当前风速下的最大输出功率，并记录此时的损耗转矩t
loss1
和转速ω1，同理，给定另一风速重复上述步骤，可获得另一组损耗转矩t
loss2
和转速ω2，根据测试结果可得到下列方程：
[0017][0018]
求解式(3)得常数c和c2，再根据式(1)得发电机总损耗功率与转速的关系式；
[0019]
永磁同步发电机的效率η公式如下：
[0020][0021]
式中，p
out
为发电机的输出功率，p
loss
为发电机总损耗，发电机采用id＝0的控制方式和忽略igbt变流器损耗，将发电机的输出功率近似等于直流侧所测量的功率p
dc
，式(4)变形为：
[0022][0023]
结合式(1)得效率与转速的关系式。
[0024]
进一步的，所述步骤s2中，判断风电机组是否运行至最大功率点由式(6)确定：
[0025][0026]
式(6)中，δω(k-j)为第k-j时刻的机组转速与上一时刻转速的变化量，j
[0027]
为0～4的正整数；δp
dc
(k-i)和δp
dc
(k-i-1)分别为第k-i和k-i-1时刻的直流侧功率与上一时刻直流侧功率的变化量，i为0～3的正整数；set为一个预设的值，当连续5个时刻的转速变化量达到要求，且在该5个时刻内任意两连续时刻的直流侧功率差之积小于0，则判断此时风电机组达到最大功率点。
[0028]
进一步的，所述步骤s3中，发电机初始跟踪策略为爬山搜索法，记录此时的发电机
模式选择mppt_flag为0，为了保证发电机运行时能够稳定在最大功率点，当发电机运行点离最大功率点越远，其相应的步长应该越长；相应的当离最大功率点越近，步长则应越短，在最大功率点时步长应为0，变步长爬山法的步长由以下公式决定：
[0029][0030]
式中，ω
step
为爬山搜索法的所采用的步长；δp
dc
(k)为为第k时刻的直流侧功率与上一时刻直流侧功率的变化量；ωa，ωb，ωc，ωd为每级步长，是从大到小的四个常数，针对不同的机组采取不同的值，当发电机启动时，采用定步长爬山搜索法保证发电机正常启动，发电机启动后0.5s内采用固定步长ωc，0.5s后采用上述变步长爬山法进行跟踪，发电机在爬山搜索法阶段的参考转速计算如下：
[0031]
ω
ref
(k)＝ω
ref
(k-1)+sign(δp
dc
(k))
·
sign(δω(k))
·
ω
step
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]
式中，ω
ref
(k)和ω
ref
(k-1)分别为当前时刻和上一时刻的参考转速，δω(k)为当前时刻与上一时刻的转速差。
[0033]
进一步的，所述步骤s4中，当发电机运行点满足最大功率点判断条件后，将发电机的控制策略从爬山搜索法切换至功率反馈法，并将mppt_flag修改为1，并保持不变，功率反馈法所使用的风速与风力机转速的最佳功率比例系数k
opt
由式(9)确定：
[0034][0035]
式中，p
w_opt
为机组的捕获功率，p
out_opt
为机组在最大功率点时的输出功率，p
dc_opt
为最大功率点时的直流侧功率；
[0036]
当使用爬山搜索法令发电机运行至最大功率点时，结合最大功率点判断条件，读取此时的直流侧功率和发电机转速，结合式(1)和式(5)获得当前时刻的电机效率，并计算出风速与风力机转速的最佳功率比例系数k
opt
；
[0037]
功率反馈法所使用的参考功率p
w_opt
由下给出：
[0038]
p
w_opt
＝k
opt
ω3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0039]
最后控制发电机实际功率跟踪参考功率即可使发电机持续运行在最大功率点，保证时刻能够输出当前风速下的最大功率。
[0040]
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
[0041]
本发明公开了一种基于无风速传感器和变步长爬山法的风力发电机最大功率跟踪控制，通过变步长爬山搜索法和功率反馈法相结合，并考虑了发电机损耗的影响，使功率反馈法跟踪后更接近最大功率点。此外，本发明通过利用发电机的转速和功率，配合变步长爬山搜索法，准确的判断发电机是否达到最大功率点，增加了准确性和普遍应用的可行性。本发明通过综合考虑发电机损耗、风力机参数未知和无风速传感器的情况，使用变步长爬山法和功率反馈法使永磁同步发电机最大功率跟踪更具有针对性、现实性及有效性。
附图说明
[0042]
图1为本发明具体实施方式中基于无风速传感器和变步长爬山法的风力发电机最大功率跟踪控制框图；
[0043]
图2为本发明具体实施方式中控制框图中的爬山搜索法框图。
具体实施方式
[0044]
本具体实施方式公开了一种基于无风速传感器和变步长爬山法的风力发电机最大功率跟踪控制，包括以下步骤：
[0045]
s1：设置判断条件判断发电机是否运行在最大功率点；
[0046]
s2：给定不同转矩测量出发电机损耗与转速的关系，进而求得发电机的效率与转速的关系以及功率反馈法所需要的风力发电机组参数；
[0047]
s3：使用变步长爬山搜索法接近最大功率点；
[0048]
s4：在检测到发电机运行至最大功率点后，将发电机控制模式由爬山搜索法切换至功率反馈法，并持续进行功率反馈法跟踪。
[0049]
进一步的，所述步骤s1中，发电机总损耗功率p
loss
和损耗转矩t
loss
用公式(1)表示：
[0050][0051]
式中，c和c2分别为两常数，其中，c包含发电机机械损耗、杂散损耗和铁损中的迟滞损耗三者对应的转矩，c2为全局涡流损耗系数，ω为发电机的转速，发电机最佳q轴电流最佳给定值i
q*
为：
[0052][0053]
式中，n
p
为发电机极对数，ψf为永磁磁链，k为根据发电机空气动力特性所获得的风速与风力机转速的比例系数；
[0054]
利用式(2)进行发电机q轴电流iq给定的最大功率跟踪测试，通过给定不同的损耗转矩t
loss
测试得出当前风速下的最大输出功率，并记录此时的损耗转矩t
loss1
和转速ω1，同理，给定另一风速重复上述步骤，可获得另一组损耗转矩t
loss2
和转速ω2，根据测试结果可得到下列方程：
[0055][0056]
求解式(3)得常数c和c2，再根据式(1)得发电机总损耗功率与转速的关系式；
[0057]
永磁同步发电机的效率η公式如下：
[0058][0059]
式中，p
out
为发电机的输出功率，p
loss
为发电机总损耗，发电机采用id＝0的控制方式和忽略igbt变流器损耗，将发电机的输出功率近似等于直流侧所测量的功率p
dc
，式(4)变形为：
[0060]
[0061]
结合式(1)得效率与转速的关系式。
[0062]
进一步的，所述步骤s2中，判断风电机组是否运行至最大功率点由式(6)确定：
[0063][0064]
式(6)中，δω(k-j)为第k-j时刻的机组转速与上一时刻转速的变化量，j
[0065]
为0～4的正整数；δp
dc
(k-i)和δp
dc
(k-i-1)分别为第k-i和k-i-1时刻的直流侧功率与上一时刻直流侧功率的变化量，i为0～3的正整数；set为一个预设的值，当连续5个时刻的转速变化量达到要求，且在该5个时刻内任意两连续时刻的直流侧功率差之积小于0，则判断此时风电机组达到最大功率点。
[0066]
进一步的，所述步骤s3中，发电机初始跟踪策略为爬山搜索法，记录此时的发电机模式选择mppt_flag为0，为了保证发电机运行时能够稳定在最大功率点，当发电机运行点离最大功率点越远，其相应的步长应该越长；相应的当离最大功率点越近，步长则应越短，在最大功率点时步长应为0，变步长爬山法的步长由以下公式决定：
[0067][0068]
式中，ω
step
为爬山搜索法的所采用的步长；δp
dc
(k)为为第k时刻的直流侧功率与上一时刻直流侧功率的变化量；ωa，ωb，ωc，ωd为每级步长，是从大到小的四个常数，针对不同的机组采取不同的值，当发电机启动时，采用定步长爬山搜索法保证发电机正常启动，发电机启动后0.5s内采用固定步长ωc，0.5s后采用上述变步长爬山法进行跟踪，发电机在爬山搜索法阶段的参考转速计算如下：
[0069]
ω
ref
(k)＝ω
ref
(k-1)+sign(δp
dc
(k))
•
sign(δω(k))
•
ω
step
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0070]
式中，ω
ref
(k)和ω
ref
(k-1)分别为当前时刻和上一时刻的参考转速，δω(k)为当前时刻与上一时刻的转速差。
[0071]
进一步的，所述步骤s4中，当发电机运行点满足最大功率点判断条件后，将发电机的控制策略从爬山搜索法切换至功率反馈法，并将mppt_flag修改为1，并保持不变，功率反馈法所使用的风速与风力机转速的最佳功率比例系数k
opt
由式(9)确定：
[0072][0073]
式中，p
w_opt
为机组的捕获功率，p
out_opt
为机组在最大功率点时的输出功率，p
dc_opt
为最大功率点时的直流侧功率；
[0074]
当使用爬山搜索法令发电机运行至最大功率点时，结合最大功率点判断条件，读取此时的直流侧功率和发电机转速，结合式(1)和式(5)获得当前时刻的电机效率，并计算出风速与风力机转速的最佳功率比例系数k
opt
；
[0075]
功率反馈法所使用的参考功率p
w_opt
由下给出：
[0076]
p
w_opt
＝k
opt
ω3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0077]
最后控制发电机实际功率跟踪参考功率即可使发电机持续运行在最大功率点，保
证时刻能够输出当前风速下的最大功率。