一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风力发电系统最大功率跟踪控制领域，尤其涉及一种不需要速度 传感器的最大功率跟踪的控制方法。
【背景技术】
[0002] 风在空间和时间上很难保证一直不变，加之其不可预测性、间歇性，风能的充分利 用面临着诸多挑战。目前风力发电系统中用的较多的是变速定浆系统，风机所获得风能与 风轮的叶尖速和风速的比值（叶尖速比）相关。在风速较低的时候，控制的目的就是随着 风速变化，通过电力电子装置调整风机的转速，使叶尖比处于最佳值，保证风机所捕获的风 能最大，发电效率最尚。
[0003] 现有的风力发电系统最大功率跟踪控制方法主要有以下几种：
[0004] 1)直接转速控制法：随着风速的变化，测量风速以及风机转速的大小，通过调整 风机的转速使叶尖比保持不变，且为最佳恒定值，以达到最大功率跟踪的目的。该方法若要 正常运行，测量风速以及风机转速大小是必不可缺的过程，而风速的大小却难以准确测量， 并且速度传感器的使用，增加了系统的运行成本。
[0005] 2)扰动观察法（爬坡法）：对风机的转速进行适当的扰动A Uw之后观察风机获 取机械功率的变化A Pw，直到（APw/A ?w) =0,此时风机所捕获的风能最大。此种控制 策略虽然不需要风机的各个参数以及在不同风速下风机所能获得的最大风能先验知识，但 是这种控制仅仅适用于小惯性风机系统，对于具有中等或者较大惯性的风机系统，风机的 转速不能随着风速的变化迅速变化，导致控制效果下降，并且还需要速度传感器，增加了运 行成本。
[0006] 3)功率反馈法（最佳功率一转速曲线法）：此策略首先需要获取最大风能捕获与 风机转速之间的关系曲线，控制的目的就是通过测量风机转速的大小确定风机最大风能捕 获，作为控制器的基准值。此方法虽然不需要测量风速的大小，但面临着测量风机转速以及 风机输出最大功率的问题，只能处在最大功率跟踪的次优状态，基本可以达到最大功率跟 踪的目的。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种减少控制系统成本的无速度 传感器的风力发电最大功率跟踪方法。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
[0009] 一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，该方法包括如下步骤：
[0010] 1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线：
[0011] 风轮捕获的气动功率与风机转速之间的关系为
【主权项】
1. 一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步 骤： 1) 通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线： 风轮捕获的气动功率与风机转速之间的关系为
其中，P_t为最大捕获功率，w 所对应的风机最佳转速，p为空气密度；R为 叶轮旋转平面半径，Cp(Atjpt)为最佳叶尖比所对应的风能利用系数，A = OwR/V为叶尖速 比，Ww为风机的角速度，V为风速； 变速定浆风力发电系统，随着风速的大小调节风机转速使风机叶尖比处于最佳值，风 机能够达到最大风能捕获，所能捕获的最大风能与风机转速的立方成正比； 2) 对发电机电磁转矩进行建模分析： 发电机的电磁转矩表示为
其中：、为发电机的同步速度，1^为发电机转子电阻，IJ?S)为发电机的转子电流，s 为发电机的转差率，发电机的转速用表示，则s表示为
与发电机的电磁转矩相关的变量仅为《s、发电机的电磁转矩表示为Te( ?s，; 3) 在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析： 由于发电机与传动机构相连，若忽略静态和粘性磨擦，其高速轴的方程表达为
式中，J为风机高速轴的转动惯量；Tdm。为风机的机械转矩；T e为发电机的电磁转矩； 由公式（5)可知，当风力发电系统在最大功率跟踪状态稳定运行时，则T_，Te (?s，〇〇 满足
通过公式（1)、公式⑵可知，当捕获功率P_t已知时，可以确定风机最佳转速《 _以 及风机的最佳转矩Tmerapt，且两者一一对应；通过公式（6)以及已知的《_可以确定 发电机当前的最佳同步速度，即可以最终确定发电机最大功率跟踪时机械转矩大小与 发电机同步速度之间的关系即1?_(? 3); 4) 确定最佳输出功率与感应电机同步角速度之间关系，并建立查找表： 风机最佳发电功率与发电机的电磁转矩和转速的关系为 P?〇pt (? s〇pt) Tme〇pt (? SOpt) X wr〇pt(Tme〇pt) (7) 当输入电源的角速度为对应的发电机的同步角速度为时，由于机械损耗，铜耗 的存在，风机的输出电功率为Pgtjpt满足下式 Pg〇pt= P _t (ws〇pt) _Pmech-iess_3:rsI Is 12-3rrI Ir 12 (8) 其中：31^|1」2、31',|1,|2分别为在风机定子和转子上的铜耗，？_ 11_1_为机械损耗，将不 同的《^分别代入式⑶可以得到发电机最大输出功率P_t，进而可以确定卩_与《 3的 关系，并可以将它们之间的关系逐个存入表中，建立查找表。
【专利摘要】本发明公开了一种无速度传感器的风力发电最大功率跟踪方法，其步骤为：1)通过实验获取最大风能捕获与电机转速之间的关系曲线；2)对发电机电磁转矩进行建模分析；3)在最大功率跟踪状态时对传动链模型进行分析；4)确定最佳输出功率与感应电机同步速度之间关系，并建立查找表；5)为系统设计一种自适应控制器。本发明不需要用测量风力发电机的转速以及风力大小和方向，就可以实现风力发电机在低风速时的最大功率跟踪。由于风的大小和方向受各种原因的影响很难保证一直不变，准确测量过程复杂并提高了系统成本。因此，本发明有效地解决了常规风力发电系统需要测量风力大小和方向所面临的测量难题，在一定程度上减少了系统成本。
【IPC分类】F03D7-00
【公开号】CN104819098
【申请号】CN201510176090
【发明人】王磊, 罗治伟, 苏晓杰, 张虎, 陈柳
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月15日