一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法

文档序号:10488098阅读:447来源:国知局
一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法
【专利摘要】一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,根据风力机在不同风速下的转速?输出功率特性曲线,将其运行区域分为恒功率控制区和最大功率追踪区。在恒功率控制区采用风速跟踪控制方法,控制系统根据测风装置观测风速,然后按照其内部存储的不同风速下风力机转速?功率曲线输出当前风速下的功率给定,最后通过功率闭环控制以快速地追踪到接近最大功率点的速度。在功率闭环控制达到稳定后系统进入到最大功率追踪区。在此区域内系统采用变步长爬山搜索来追踪最大功率,以实现最大功率追踪的快速性与准确性,同时引入一种停止措施和误差控制机制,增强系统的稳定性。该最大功率追踪控制方法综合了风速跟踪控制和爬山搜索的优点,使系统的稳定性、准确性和快速性得到提高,具有良好的工程应用价值。
【专利说明】
一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,属于风力发电技 术领域。
【背景技术】
[0002] 开关磁阻发电机以其结构简单(转子上既无绕组也无永磁体),制造成本低,容错 能力强,运行可靠性高,在较宽的转速范围内具有较高的效率,已经成功的应用于许多场合 尤其风力发电等环境恶劣场合。目前最大功率追踪方法主要有风速跟踪控制、转速反馈控 制和爬山搜索。风速跟踪控制法利用测风装置观测出当前的风速,然后依据风力机在不同 风速下的转速-功率曲线输出最大功率给定值或对应于最大功率的转速给定值(最优转 速),最后采用功率闭环或转速闭环来调节开关磁阻发电机的相电流,通过控制开关磁阻发 电机的电磁转矩使风力机运行在最优转速并输出最大功率。此方法简洁明了,可以有效地 根据风速的变化及时调整开关磁阻发电机的输出功率,但对风速测量和风力机的特性曲线 要求比较精确且保证风力机的各项参数不随时间的推移而发生变化,显然在自然环境下实 际运行的系统很难满足要求。转速反馈控制方法根据转速以及风力机的特征参数计算出给 定功率,然后与实际发电功率的差值经过PI调节器后得到相电流限值,通过调节相电流的 大小来实现对开关磁阻发电机系统输出功率的调节。该控制方法需要精确计算出系统的给 定功率,但由于在实际运行过程中很多损耗是无法准确计算且开关磁阻发电机的效率是变 化的,因此系统最终只会运行在最大功率点附近的次优状态。爬山搜索法的主要思想是离 散迭代控制。在一定的风速下风力机的转速-功率曲线是凸函数,因此在系统稳定时给控制 变量以微小的扰动,系统的输出功率发生变化,若系统输出功率增加则扰动方向正确,继续 施加同方向的扰动,反之施加反方向的扰动,如此反复,风力机的工作点沿着功率特性曲线 移动到最大功率点并保持一定的波动。该控制方法对风力机的功率特性依赖较小,但在扰 动量和离散时间的设计上存在较大的困难,尤其很难解决扰动量与系统稳定性之间的矛 盾。当扰动量较大时虽然可以缩短到达最大功率点附近的时间,但无法避免系统在最大功 率点附近出现多次震荡且无法避免在寻找最大功率点过程中出现风速变化使扰动量误衰 减,无法找到正确的最大功率点,系统稳定性、可靠性较差,而当扰动量较小则会使系统调 节过程缓慢。此外恒定步长法采用固定的转速扰动会导致转速波动较大,当风速变化幅度 大时很难及时地追踪到最优转速,也很难抑制因风速噪声引起的转速波动。如何合理的对 开关磁阻风力发电机进行控制,实现追踪最大功率的稳定性、高效性和快速性,是开关磁阻 风力发电系统研究的方向之一。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的是克服现有最大功率追踪方法的不足之处,综合风速跟踪控制和爬 山搜索的优点,提出一种效率高、可靠性强、稳定性好的开关磁阻风力发电系统最大功率追 踪方法。
[0004] 一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法:一种开关磁阻风力发电系统 追踪最大功率控制方法,其特征在于:根据风力机在不同风速下的转速-发电功率特性曲 线,将其运行区域分为恒功率控制区和最大功率追踪区;在恒功率控制区采用风速跟踪控 制方法,控制系统根据测风装置观测风速,按照其内部存储的不同风速下风力机转速-功率 曲线输出当前风速下的功率给定值,然后此功率给定值与系统实际发电功率的差值经过PI 调节器后得到的相电流限值与相电流比较产生控制信号,通过控制功率变换器主开关器件 的开通与关断来调节发电功率,最终使系统输出给定功率;在功率闭环控制达到稳定后系 统进入到最大功率追踪区,在此区域内系统采用变步长爬山搜索法来追踪最大功率,控制 系统根据相邻时刻下系统稳态时发电功率的变化量及变化方向给出转速扰动量及扰动方 向,然后在实际转速的基础上叠加转速扰动输出转速给定,通过转速闭环来调节开关磁阻 发电机的转速使发电功率增加,如此重复,系统最终稳定运行在最大功率点上。
[0005] 控制系统输出的功率给定与实际发电功率的差值经过PI调节器后输出相电流限 值,当功率给定值与实际发电功率的差值超过系统设置的误差允许范围且功率给定值所对 应的转速与实际转速的差值也超过误差允许范围,则确定风速发生了突变,进行恒功率控 制区的变风速控制,否则功率给定值保持不变。
[0006] 控制系统输出的功率给定值与实际发电功率的差值经过PI调节器后输出相电流 限值,当功率给定值与实际发电功率的差值在系统设置的误差允许范围,功率闭环控制已 达到稳定状态,系统进入最大功率追踪区;在最大功率追踪过程控制系统采样母线电压、励 磁电流和续流电流,计算出此时刻系统稳定状态的发电功率并与上一时刻系统稳定状态的 发电功率相比较,给出下一时刻的转速扰动量及扰动方向,其按照公式(1)计算,然后在实 际转速的基础上叠加转速扰动得到下一时刻的转速给定值,与实际转速的差值经过PI调节 器后输出相电流限值,通过调节相电流的大小使系统的实际转速跟随给定转速的变化而变 化,如此反复,系统最终稳定运行在此风速下最大功率点所对应的转速并输出最大功率;公 式(]、隨1 XVU)1+1,ω定t+iH、」剡tfJ符巡东疋诅;ω〈t;定t时刻的实际转速;Δ ω (t)是t 时刻的转速扰动量;λ为转速扰动量系数;P(t)为t时刻的发电功率;P(t_l)为t-i时刻的发 电功率;P(t_2)为t-2时刻的发电功率;ω (t)为t时刻的实际转速;ω (t-Ι)为t-Ι时刻的实 际转速;ω (t-2)为t-2时刻的实际转速。
[0007] 系统在追踪最大功率过程中风速发生了突变;若风速突变发生在恒功率控制区时 系统进行恒功率控制区的变风速控制,系统观测变化后的风速,然后按照其内部存储的不 同风速下风力机转速-功率曲线输出变风速下的功率给定值并进行功率闭环控制;当风速 突变发生在最大功率追踪区时进行最大功率追踪区的变风速控制;若在风速变化前系统正 在搜索最大功率,当风速发生变化后由于转速扰动量不为零可以继续追踪最大功率;若风 速变化前系统已完成最大功率追踪并以转速ω稳定运行于最大功率点处且转速扰动量为 零,当风速发生变化后,由于转速调节器的作用,系统的转速依旧保持为ω而风速的变化使 系统的输出功率发生了变化,通过比较风速突变前后发电功率的变化大小,可以判断出风 速的变化情况,进而重置转速扰动量继续搜寻变风速下的最大功率点。
[0008] 传统的爬山搜索法在实际应用中会出现系统在最大功率点附近不停振荡和风速 突变导致搜索方向发生误判等问题,因此需要一些措施来改善其最大功率追踪过程中的静 态、动态性能。当开关磁阻风力发电系统由于转速扰动量不为零而出现振荡时,可以判断出 此时风力机运行在最大功率点附近,其输出功率与最大功率相差很小同时传动轴系长期的 振荡会对风力机机械部件造成较大的危害,因此为了避免系统在最大功率点附近不停振荡 且在系统输出功率损失很小的情况下引入一种停止措施,即当系统在最大功率点附近出现 振荡且相邻两个时刻的发电功率变化很小,控制系统将转速扰动量置为零从而停止搜索最 大功率,系统可以稳定运行在最大功率点附近。当开关磁阻风力发电系统稳定运行在某一 风速下的最大功率点时,转速扰动量为零,由于风速的微小扰动使功率变化量不为零,系统 误判为风速发生了变化,重置转速扰动量而做出不必要的反应。为了避免此类情况引入误 差控制机制,若输出功率的变化量超过误差允许范围,则认为风速发生了变化,进行最大功 率追踪区的变风速控制,否则应保持控制量不变。同样在恒功率控制区时,当功率给定值与 实际发电功率的差值超过系统设置的误差允许范围且功率给定值所对应的转速与实际转 速的差值也超过误差允许范围,则确定风速发生突变,进行恒功率控制区的变风速控制,否 则功率给定值保持不变。
[0009] 有益效果:在现有最大功率追踪方法的基础上,本发明综合风速跟踪控制和爬山 搜索的优点,提出一种效率高、可靠性强、稳定性好的开关磁阻风力发电系统最大功率追踪 方法,具有良好的工程应用价值。
【附图说明】
[0010]图1是开关磁阻风力发电系统的组成。
[0011] 图2是风力机在不同风速下的理想转速-功率特性曲线。
[0012] 图3是功率闭环控制框图。
[0013]图4是最大功率追踪控制框图。
[0014] 图5是恒功率控制区控制流程图。
[0015] 图6是最大功率追踪区控制流程图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本发明的实例作进一步的描述: 开关磁阻风力发电系统主要由六部分组成:风力机、励磁电源、开关磁阻发电机、功率 变换器、控制器和检测装置,如图1所示。在该系统中,风力机拖动开关磁阻发电机旋转,将 风能转换为机械能。功率变换器作为能量转化的通道,在励磁阶段外加的直流电源通过功 率变换器为相绕组供电;在续流发电阶段相绕组通过功率变换器回馈能量。控制器是整个 系统的中枢部分,捕获系统运行中的风速、电压、电流以及转子位置等信号,然后综合处理, 控制功率变换器中主开关器件的开通与关断。
[0017] (1)风力机理想转速-功率曲线获取。在实际风力发电系统中可以通过实验室测量 或者现场测量与经验辅助预先得到一组风力机的特性曲线,即在不同风速下风力机的转 速-功率曲线。考虑到风力机实际应用环境的复杂性与多变性,此测量得到的风力机特性曲 线肯定不会是系统在真实环境下的转速-功率特性曲线,但可以作为系统在特定风速下相 对接近最大功率特性运行点的特性曲线,称为风力机的理想转速-功率特性曲线。不同风速 下,风力机的理想转速-功率特性曲线如图2所示。从图2中可以看出,各风速下的理想转速-功率特性曲线都是凸函数,g卩存在一个最大的输出功率P max以及对应最大输出功率的最优 转速ω Cjpt。此外各风速的最大输出功率Pmax和最优转速ω Cjpt是不相同的,将不同风速下的最 大输出功率点连起来,即得到风力机的最佳功率曲线。当风力机运行于最佳功率曲线上时, 风能转换效率最高。因此当风速变化时为了使风力机能输出最大功率,必须改变风力机的 转速使之运行于最佳功率曲线上。
[0018] (2)功率闭环控制方案。将测量得到的风力机理想转速-功率特性曲线存储在控制 器中以便查表使用。上电后控制系统根据测风装置观测到的风速输出功率给定值,此功率 给定值的设置要靠近最大功率点,以便系统在经过功率闭环后迅速进入到最大功率追踪 区,加快系统搜寻最大功率点的速度。在实际应用中由于风速波动大、测风装置的测量误差 和理想转速-功率特性曲线与真实转速-功率特性曲线的偏离误差使得实际的功率给定值 与理论设计的功率给定值存在偏差,因此需要一些措施来改善功率闭环控制的性能。首先, 风速测量要设置死区,即风速在设定的波动范围内变化时默认风速保持不变,这样可以避 免风速经常扰动对系统稳定性、可靠性的影响同时也可以精确的测量出风速的突变。其次, 设置功率误差允许范围,即当给定功率与实际发电功率的差值在系统允许的误差范围内, 认为系统已稳定运行并输出给定功率,屏蔽了风速测量误差和理想转速-输出功率特性曲 线测量误差对系统的影响。功率闭环控制框图如图3所示,功率给定值P/与实际发电功率? 8 的差值经过PI调节器输出相电流限值,与相电流比较产生功率变换器主开关器件的控制信 号。在图3中发电功率的计算公式为:
式(2)中,Ig是续流电流的ig的有效值,是励磁电流h的有效值,idPh可以分别通过 续流回路和励磁回路的电流传感器获得;Ud。是直流母线电压,可以通过电压传感器测量得 到。
[0019] (3)最大功率追踪控制方案。系统在功率闭环控制达到稳定状态后进入到最大功 率追踪区,在此区域内采用变步长爬山搜索法来追踪最大功率,其追踪控制过程分为六个 步骤。
[0020] A、控制系统采样t时刻的发电功率P(t)和转速co(t),若发电功率P(t)超过系统的 安全限值P/,则以安全限值P/为给定功率,进行功率闭环控制。若发电功率P(t)小于系统 的安全限值P/且转速给定值ω (t)aim与实际转速ω (t)的差值在误差允许范围,即I ω (t) aim_ ω (t) I〈 εi,则保存t时刻的发电功率P(t)和转速ω (t),并执行步骤B;若发电功率P (t)小于系统的安全限值P/且转速给定值ω⑴aim与实际转速ω (t)的差值超过系统设置的 误差允许范围,BP I ω (t)aim- ω (t) I X1,则重复执行步骤A。
[0021] B、判断风速是否发生突变。若风速突变且发生在恒功率控制区,则进行恒功率控 制区的变风速控制,否则保持功率给定值不变;若风速突变且发生在最大功率追踪区,则进 行最大功率追踪区的变风速控制,否则进行恒风速最大功率追踪控制。
[0022] C、使用已保存的数据(包括t时刻的发电功率P(t),t_l时刻的发电功率P(t-l),t-2时刻的发电功率P(t-2),t时刻的实际转速ω (t),t-1时刻的实际转速ω (t-1),t-2时刻的 实际转速《(t-2))通过公式(1)计算出转速扰动量系数λ。
[0023] D、根据公式(1),计算出t时刻的转速扰动量Δ co(t)。
[0024] E、根据t时刻发电功率P(t)与t-1时刻发电功率P(t-1)的差值决定扰动方向。若IP (t)_ P(t_l)|>e且P(t)> P(t-l),则继续施加同方向的扰动;若 |P(t)_ P(t_l)|>e且P(t)〈 P(t-l),则施加反方向的扰动;若|P(t)_ P(t_l)|〈e,表示系统已达到最大功率点附近,则 引入停止措施,将转速扰动量△ ω (t)置零,结束最大功率追踪过程使系统稳定运行在最大 功率点附近。
[0025] F、控制器在实际转速的基础上叠加转速扰动并输出转速给定值ω (t+l)aim,系统 进行转速闭环控制。
[0026] 最大功率追踪控制框图如图4所示,控制系统采样系统的母线电压Ud。,续流电流" 和励磁电流ie,计算出此时刻系统稳定状态的发电功率P g(t)并与上一时刻系统稳定状态的 发电功率?8(卜1)相比较,给出系统在下一时刻的转速扰动量△ ω及扰动方向,然后在此时 刻转速的基础上叠加转速扰动得到下一时刻的转速给定值《(t+l)aim,与系统实际转速ω 的差值经过PI调节器后输出相电流限值i'通过调节相电流的大小使系统的实际转速跟随 给定转速的变化而变化,如此反复,系统最终稳定运行在此风速下最大功率点所对应的转 速并输出最大功率。在此期间若发电功率超过安全限值P/,则以安全限值P/为给定功率进 行功率闭环控制。
[0027] 恒功率控制区的控制流程图如图5所示,其包括功率闭环控制和恒功率控制区的 变风速控制;最大功率追踪区的控制流程图如图6所不,其包括最大功率追踪控制、最大功 率追踪区的变风速控制和功率闭环控制。
【主权项】
1. 一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,其特征在于:根据风力机在不 同风速下的转速-发电功率特性曲线,将其运行区域分为恒功率控制区和最大功率追踪区; 在恒功率控制区采用风速跟踪控制方法,控制系统根据测风装置观测风速,按照其内部存 储的不同风速下风力机转速-功率曲线输出当前风速下的功率给定值,然后此功率给定值 与系统实际发电功率的差值经过PI调节器后得到的相电流限值与相电流比较产生控制信 号,通过控制功率变换器主开关器件的开通与关断来调节发电功率,最终使系统输出给定 功率;在功率闭环控制达到稳定后系统进入到最大功率追踪区,在此区域内系统采用变步 长爬山捜索法来追踪最大功率,控制系统根据相邻时刻下系统稳态时发电功率的变化量及 变化方向给出转速扰动量及扰动方向,然后在实际转速的基础上叠加转速扰动输出转速给 定,通过转速闭环来调节开关磁阻发电机的转速使发电功率增加,如此重复,系统最终稳定 运行在最大功率点上。2. 根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,其特征在于: 控制系统输出的功率给定与实际发电功率的差值经过PI调节器后输出相电流限值,当功率 给定值与实际发电功率的差值超过系统设置的误差允许范围且功率给定值所对应的转速 与实际转速的差值也超过误差允许范围,则确定风速发生了突变,进行恒功率控制区的变 风速控制,否则功率给定值保持不变。3. 根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,其特征在于: 控制系统输出的功率给定值与实际发电功率的差值经过PI调节器后输出相电流限值,当功 率给定值与实际发电功率的差值在系统设置的误差允许范围,功率闭环控制已达到稳定状 态,系统进入最大功率追踪区;在最大功率追踪过程控制系统采样母线电压、励磁电流和续 流电流,计算出此时刻系统稳定状态的发电功率并与上一时刻系统稳定状态的发电功率相 比较,给出下一时刻的转速扰动量及扰动方向,其按照公式(1)计算,然后在实际转速的基 础上叠加转速扰动得到下一时刻的转速给定值,与实际转速的差值经过PI调节器后输出相 电流限值,通过调节相电流的大小使系统的实际转速跟随给定转速的变化而变化,如此反 复,系统最终稳定运行在此风速下最大功率点所对应的转速并输出最大功率;公式(1)具体 为:式(1)中,ω (t+l)aim是t+1时刻的转速给定值;ω (t)是t时刻的实际转速;Δ ω (t)是t 时刻的转速扰动量;λ为转速扰动量系数;P(t)为t时刻的发电功率;P(t-1)为t-1时刻的发 电功率;P(t-2)为t-2时刻的发电功率;ω (t)为t时刻的实际转速;ω (t-1)为t-1时刻的实 际转速;ω (t-2)为t-2时刻的实际转速。4. 根据权利要求1、2和3所述的开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法,其特征 在于:系统在追踪最大功率过程中风速发生了突变;若风速突变发生在恒功率控制区时系 统进行恒功率控制区的变风速控制,系统观测变化后的风速,然后按照其内部存储的不同 风速下风力机转速-功率曲线输出变风速下的功率给定值并进行功率闭环控制;当风速突 变发生在最大功率追踪区时进行最大功率追踪区的变风速控制;若在风速变化前系统正在 捜索最大功率,当风速发生变化后由于转速扰动量不为零可W继续追踪最大功率;若风速 变化前系统已完成最大功率追踪并W转速ω稳定运行于最大功率点处且转速扰动量为零, 当风速发生变化后,由于转速调节器的作用,系统的转速依旧保持为ω而风速的变化使系 统的输出功率发生了变化,通过比较风速突变前后发电功率的变化大小,可W判断出风速 的变化情况,进而重置转速扰动量继续捜寻变风速下的最大功率点。
【文档编号】G05F1/67GK105843321SQ201610213727
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】陈昊, 窦宇宇, 王青, 杨明扬, 唐悦, 赵仁明, 颜爽, 齐亚文, 韩玉倩
【申请人】中国矿业大学
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