一种实现风电机组最大功率点跟踪的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于风电运行控制技术领域，更具体地，涉及一种基于风速前馈爬山算法 的风电机组最大功率点跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 随着风电装机容量的日益增大，如何将风能安全、高效地转换为电能是当前风力 发电研究的热点问题。风力发电机组在不同风速下具有不同的最大功率点，如何高效、稳 定、快速地捕获风能，实现最大功率点跟踪控制(maximum power point tracking，MPPT)是 减小弃风的主要技术手段。
[0003] 在风力发电机功率-转速特性曲线中，每一个风速都唯一对应着一条单峰值曲线。 由曲线可知，某一固定风速下，在最大功率点的左边，功率随着转速的增大单调增加，在最 大功率点的右边，功率随着转速的增大单调减小。由此可知，最大功率点跟踪控制原理是： 通过某种控制策略或方法，跟踪这一单峰值特性曲线的极值点。在众多的最大功率点跟踪 算法中，爬山法因其算法简单，易于实现，且不依赖于风速测量和风机特性等优点，得到了 广泛应用。爬山法(Hill Climbing Searching，HCS)，又称为扰动观察法，利用风力机功率-转速曲线的凸函数特性，通过人为施加转速扰动(搜索)量，观察风力机输出功率增量的大 小及方向，从而确定下一步转速扰动的步长大小及方向。反复转入上述搜索策略，最终实现 最大功率点跟踪。这种爬山法因为步长实时根据每次扰动后的功率变化率进行调整，故又 称为变步长爬山法，该方法不需要考虑环境风速与风力机输出功率之间的函数关系，则无 需测量风速，避免过多地依赖系统参数，具有较强的自适应能力。
[0004] 步长的调整是否合理是变步长爬山法搜索速度及控制性能的优劣主要决定因素。 理想的步长调整机制是当风速变化时，采用风速变化所对应的风功率增量对步长进行调 整，以获取最快的爬山搜索速度。然而由于机组风速的测量仅靠安装与机舱顶端的风速仪 进行测量，而该风速并不能精确地代表风轮扫掠范围内的平均风速，因而现有爬山算法没 有经风速运用于变步长爬山法的步长调整机制中。
[0005] 现有变步长爬山法通过引入功率变化率作为步长调整机制，在一定程度上实现提 高了系统的跟踪控制性能。但风速变化时，一部分风能转化为风电机组的功率输出，另一部 分则通过转化为机组转动部件的动能被存储起来，仪表测量到的机组输出功率变化量并不 能真实反映风速变化所对应的全部风功率增量，因而基于这种步长调整机制的变步长爬山 法在风电机组的最大功率点跟踪控制中仍有一定的局限性。
[0006] 中国专利说明书CN 1960159 A中公开了一种功率信号反馈控制与爬山法相结合 的最大功率点跟踪控制方法。该方法对于风电场的风速状况要求高，尤其是机组容量越大， 风轮惯性越大，搜索到最大功率点的时间越长，且需不断修正最大功率曲线，计算工作量较 大。
[0007] 中国专利说明书CN 102242689 A中公开了一种具有扰动停止机制的改进爬山算 法。该专利仅在现有变步长爬山搜索法的基础上增加了最大功率点处的停止搜索机制，从 而避免了最大功率点处的振荡现象。但是该方法对步长的调整机制未做改进，在搜索速度 上并未得到提尚。
[0008] 中国专利说明书CN 103244350 A中公开了一种最佳叶尖速比跟踪控制方法。该方 法通过功率和最佳叶尖速比对应的风能利用系数计算出风速，使风力机运行在最佳叶尖速 比状态，同时在转速不能调节的情况下调节桨距角，通过统计平均爬山法对最小变桨角度 对应的最佳叶尖速比值进行校正。但是，该方法受系统参数影响大，特别是引入了难以确保 准确性的风速信号，因而难以确保跟踪精度。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有变步长爬山法的缺陷，提供一种基于风速前馈爬山算法的风电机 组最大功率点跟踪方法，该方法将风速变化率作为前馈控制量，而不直接使用风速本身，因 而可以不依赖于风速的精确测量，避免了因为风速测量不准确对控制精度的不良影响。
[0010] 实现上述发明目的技术方案为:一种基于风速前馈爬山算法的风电机组最大功率 点跟踪方法，包括下述步骤：
[0011] (1)初始化步骤：
[0012] 令采样次数k = 0,设定初始转速扰云力步长Δ COref=A coref(〇)、初始给定转速Coref =Δ cor(〇)，确定采样周期，即扰动周期为T;
[0013] 其中，Δ Coref(O)为第一次试探性搜索的扰动步长初始值，Coref(O)为机组的初始 转速；
[0014] (2)进行第k次信号采集，获得kT时刻的风电机组输出电磁功率P(k)、风速v(k)和 机组转速⑦^让）；
[0015] ⑶令给定转速 ref - 〇 ref+ A 〇 ref ;
[0016] (4)进行第(k+1)次信号采集，获得风速v(k+l)、机组电磁功率P(k+1)和机组转速 ? 1仏+1);并根据上述机组参数获得从1^时刻到(1^1)1'时刻的风速变化量八￥ =奴1^1)1 (k)，功率变化量 AP = P(k+l)_P(k)和转速变化量 A〇r=cor(k+l)-cor(k);
[0017 ] (5)根据所述风速变化量的大小判断是否启动前馈控制，若是，则风速前馈系数kv =α;若否，则风速前馈系数kv=0;
[0018] (6)根据所述风速前馈系数获得前馈控制量Δ cof = kv*A v;
[0019] (7)判断转速扰动量△ ω ref是否为零，若是，则转入步骤（12);若否，则转入步骤 (8)；
[0020] (8)判断功率相对转速的变化率I ΔΡ/Δ wr|是否小于e，若是，则转入步骤（14); 若否，则转入步骤(9);
[0021] (9)设定步长调整系数kt = b;
[0022] (10)获得(k+1 )T时刻的扰动搜索步长Λ ref - 〇 f+kt* ( /\P / /\ 〇 r ) - CO f+ wtra;其中，A cotra为现有变步长爬山法的转速扰动步长；
[0023] (11)令k = k+l，并返回至步骤(2)，继续下一个采样周期的爬山搜索；
[0024] (12)判断所述功率变化量I ΔΡ|是否大于重启阀值ε，若是，则转入步骤（13);若 否，则转入步骤(14);
[0025] (13)获得爬山法重启后的初始扰动步长Δ Coref= Δ corst = sign( Δ P)*c，并返回 至步骤(11)，其中，C为重启步长幅值，c>0;
[0026] (14)设置步长调整系数kt = 0,并返回至步骤（10)。
[0027] 更进一步地，在步骤(5)中，判断是否启动前馈控制的判据为： I , ?< β 闭锁前馈控制，令风速前馈系数<二0 ^{>β启动前馈控制，令风速前馈系数< =Ot其中，晚风速前馈启动，闭锁的控制阔 值，β取值范围为0.1-0.2。
[0028]更进一步地，在步骤(8)中，e为一个正数，其大小表征系统稳定运行点与最大功率 点的距离，以不引起最大功率点振荡为原则取最小值。
[0029] 更进一步地，在步骤(9)中，kt为基于功率变化率的变步长爬山法的步长调整系 数，取值范围为10- 3~5*10-3。
[0030] 更进一步地，在步骤（12)中，所述重启阀值ε按躲过功率测量扰动为原则取值，取 值范围为10-3~2*10一 3。
[0031]本发明与现有变步长爬山法技术相比，其显著优点为:利用了机组本身具有的风 速计获取风速变化率，作为计算因子，算出一个包含风速变化信息的前馈控制量，并结合现 有的变步长爬山法，实时调整下一采样周期的爬山搜索步长，使机组能适应风速的快速变 化，从而更快速、高效地实现最大功率点跟踪控制。目前风速测量虽然存在较大的误差，但 本发明的风速前馈控制引入的是风速变化率，误差在计算变化率的过程中被抵消，因而本 发明可以不依赖于风速的精确测量，避免了因为风速测量不准确对控制精度的不良影响。 本发明方法简单，既保持了变步长爬山法的诸多优点，同时合理利用现有设备，提升系统动 态响应特性，进一步提高了现有变步长爬山法的跟踪速度，使风力发电系统更能适应风速 变化较大的情况，实现快速、高效的最大风能利用。
【附图说明】
[0032]图1是本发明实施例提供的一种基于风速前馈爬山算法的风电机组最大功率点跟 踪方法的实现流程图；
[0033]图2是本发明的控制框图；
[0034] 图3是本发明与现有变步长爬山法在阶跃风速下的转速跟踪曲线；
[0035] 图4是本发明与现有变步长爬山法在周期性斜波风速下的转速跟踪曲线；
[0036] 图5是本发明与现有变步长爬山法在随机风速下的转速跟踪曲线。
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0038] 本发明在现有变步长爬山法的基础上，提出了一种基于风速前馈爬山算法的风电 机组最大功率点跟踪方法，是对现有变步长爬山搜索法的一种改进。经过改进，风力发电系 统能及时根据风速变化做出响应，进一步提高最大功率点的跟踪速度。
[0039] 1、现有变步长爬山法的工作原理
[0040] 当风电机组功率发生变化时，机组输出功率会在一定程度上随风速变化，依据功 率变化率△ P/ △ ω r的大小按一定比例对步长进行调整，因此这样的调整在一定程度上反 映了风速的变化。这种利用机组功率跟随风速变化的特性，采用机组功率变化率对步长进 行调整的爬山搜索原理即为现有变步长爬山法的工作原理，其转速扰动步长A cotra由式 (1)确定：
[0041] Λ cotra = kt*(AP/A wr) (I)
[0042] 为防止在最大功率点处反复搜索而引起振荡，现有变步长爬山法在搜索到最大功 率点附近后，引入了停止-启动机制。其原理是通过检测当前的扰动步长A Coref是否为零， 判断当前搜索是否已经结束，如果A c〇ref = 〇,说明当前已经处于最大功率点，此时如果功 率不发生变化，即I A P(k) I <ε，则说明风速未发生变化，继续停止搜索；如果I Δ P(k) I >ε说 明风速发生变化，此时应重启爬山法，其初始步长按式(2)确定：
[0043] Λ Coref = A corst = sign(AP)*c (2)
[0044] 2、风速前馈控制的原理
[0045] 风速前馈控制原