基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法
【专利摘要】本发明提出一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于：该方法以传统功率曲线法为基础，在调整电磁转矩时在最优转矩前乘以可调的增益系数以获得更高的风能捕获效率；其中，增益系数的调整方法为：以最佳增益系数与风速特征的统计关系为基础，获取它们的拟合表达式，以该表达式周期性调整增益系数。本发明的方法能够使增益系数在不同的风速条件下始终保持或接近最佳增益系数，使获得的增益系数能更好地反映风速条件以及风能分布特性，并能及时根据风速条件改善风力机的跟踪性能，以尽可能地获得最大风能捕获效率；且该方法在调整系数时仅需要测量迭代周期内采样风速的湍流强度，所需信息少，非常简单易行。
【专利说明】
基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电领域，具体地说是一种简单易行且能提高风能捕获效率的基 于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法。
【背景技术】
[0002] 为了提高低于额定风速区间的风能捕获效率，变速恒频风力发电机组一般采用最 大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制策略。功率曲线法（Power Signal Feedback，PSF)是应用最广泛的MPPT控制方法之一。然而，功率曲线法基于系统稳 态设计而忽略了风机系统在不同稳态工作点之间跟踪的动态过程，这是导致应用该方法的 风机不能尚效率捕获风能的原因之一。
[0003] 为了改善上述问题，美国国家可再生能源实验室的Johnson K.E.等人提出了减小 转矩增益(Decreased Torque Gain，DTG)控制。该控制方法通过减小电磁转矩提高了风机 在跟踪渐强阵风时的加速性能;进一步地，考虑到DTG控制采用恒定的增益系数，难以根据 变化的风速条件动态调整增益系数以获得更高的捕获效率，为此Johnson K.E.等人又设计 出自适应转矩控制(Adaptive Torque Control，AT Control，简称为AT)，利用自适应算法 和历史运行工况的统计数据，迭代搜索并在线修正增益系数，以响应迭代周期时间尺度上 的风速条件变化。但是，该方法却会受到风速变化的影响而计算出异常的增益系数，导致风 能捕获效率不升反降。
[0004] 综上所述，自适应转矩控制出现搜索异常的问题仍然是影响最大功率点跟踪控制 效果的重要原因。因而，对该问题进行改善十分必要。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率 点跟踪控制方法，该方法根据最佳增益系数与风速条件的统计关系进行曲线拟合，获得该 系数与风速条件的数学表达式，以此获得较为准确的最佳增益系数，从而进一步提高风能 捕获效率。
[0006] 本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0007] -种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于:在功 率曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控 制，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：
[0008] (1)
[0009] (2)
[0010] (3)
[0011] Kd(k+l)=a*Ti(k)+b (4)
[0012]式（1)-式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te3为电磁转矩，v为风 速，ω为风力机的角速度，?为风力机角加速度，P为空气密度，R为风力机半径，Cp为风能利 用系数，λ= coR/v是叶尖速比，Cobgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益 系数，k为迭代次数，Kd(k+1)为第k+Ι次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭 代周期内风速的湍流强度，T 1U)为第k次迭代周期内风速的湍流强度，Tc>pt( ω )为风力机最 优转矩，其所用公式为：
[0013]
(5)
[0014] 式(5)中Acipt为最佳叶尖速比，（，为最大风能利用系数；
[0015] 增益系数Kd(k+1)的周期性调整包括以下步骤：
[0016] S1、初始化:设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期Tk，清空风速采样值序列W， 设定初始增益系数Kd(O);
[0017] S2、计算获得增益系数Kd的调整系数a和b;
[0018] S3、令k = k+l，进入新的控制周期，以周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采 样值存储于风速序列W;
[0019] S4、按式(6)计算风速序列W的湍流强度；
[0020] Ti(k) = 〇(k)/vavg(k) (6)
[0021] 式(6)中，〇为风速采样值的标准差，Vavg为采样值的平均风速；
[0022] S5、根据计算获得的1\(1〇更新增益系数，即按式(4)计算下一控制周期的Kd(k+1)， 然后返回步骤S3。
[0023] 所述步骤S2计算获得增益系数Kd的调整系数a和b的方法为：根据最佳增益系数 Kdcipt与平均风速V avg和湍流强度T1的统计关系，应用最小二乘法拟合获得Kd的调整系数a和 b，该过程具体包括以下步骤：
[0024] S21、根据风场的风速数据分别确定平均风速Vavg和湍流强度T1的取值范围以及取 值间隔，根据上述取值范围、取值间隔构造用于统计分析的风速样本集合W a(VavgJ1)n，其中 η为(Vavg，T i)取值组合的总数；
[0025] S22、采用遍历算法获得风力机对应于每组(VavgJ1)取值组合的风速样本的最佳 增益系数Kdopt，即可获得心_与￥^、1\的统计关系 ；
[0026] S23、将1(_与￥^、1\的统计关系简化为1((1。1^与1\的统计关系 ；
[0027] S24、采用最小二乘法对简化后的!^。^与!^的统计关系进行线性拟合获得调整系数 a和b〇
[0028] 步骤S23将1(<1。1^与￥_、1\的统计关系简化为1((1。 1^与1\的统计关系的过程为:将具有 相同Ti、不同Vavg的（ Vavg，Ti)组合对应的所有Kdcipt列出，以Ti为单位分别求取每个Ti下所有 V avg对应的心^的平均值K=t，将上述过程中每个Ti所对应获得的平均值Kg t作为该Ti对应 Q^JKdopt 〇
[0029] 步骤Sl中所述的初始增益系数Kd(O)为0 · 8~0 · 9。
[0030]步骤Sl中所述的增益系数Kd的更新周期Tk为5~20分钟，风速的采样周期Tw为0.25 秒~1秒。
[0031 ]本发明相比现有技术有如下优点：
[0032] 1)本发明参考最佳增益系数与风速条件的关系对增益系数进行设定，一方面改善 了风速变化对增益系数设定的干扰，另一方面使增益系数始终保持或接近最佳增益系数， 能够进一步提尚风能捕获效率；
[0033] 2)本发明根据具体的风速条件设置增益系数，使获得的增益系数能更好地反映风 速条件以及风能分布特性；
[0034] 3)本发明通过周期性调整增益系数，能及时根据风速条件改善风力机的跟踪性 能；
[0035] 4)本发明在调整系数时仅需要测量迭代周期内采样风速的湍流强度，所需信息 少，非常简单易行。
【附图说明】
[0036]附图1为基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法的实现图；
[0037] 附图2为最佳转矩增益系数Kdcipt与平均风速、湍流强度的统计关系；
[0038] 附图3为附图2的统计关系简化后获得的Kdcipt-T1曲线（带圆圈的粗实线为Kdcipt-T 1 曲线，其余细实线对应附图2中的所有曲线）；
[0039] 附图4为本发明与自适应转矩控制的增益系数的对比(AT代表自适应转矩控制）；
[0040] 附图5为本发明的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法与其他 方法的风能捕获效率的对比(PSF代表传统功率曲线法，DTG代表减小转矩增益控制，RTR代 表基于收缩跟踪区间的MPPT控制，AT代表自适应转矩控制）。
【具体实施方式】
[0041] 为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和【具体实施方式】对本发 明做进一步描述。
[0042] 参照附图1，首先根据本发明的实施方法实现增益系数Kd的整定算法，然后应用该 整定算法周期性调整风电机组电磁转矩的增益系数，即可使风力机实现最大功率点跟踪。
[0043] 本发明的实施例首先根据最佳增益系数与风速条件的统计关系获得增益系数的 调整系数a和b，用于周期性调整增益系数。然后通过仿真算例验证本发明的有效性和优越 性。
[0044] -、实施例的仿真模型
[0045] (1)简化风机模型的参数
[0046] 在matlab/simulink中建立风力机仿真模型。其主要参数如表1所示。
[0047]表1仿真采用的主要参数
[0049] (2)风速模型
[0050] 本文利用matlab建立中长期风速模型，其中表征长期风速特征的平均风速根据 Van der Hoven谱随机产生，短期端流风速则采用卡尔曼滤波随机产生具有von Karman功 率谱的短期风速时间序列。短期风速的湍流强度与平均风速的关系满足IEC-614000-1标 准，如式O所无-
[0051 ]
(7)
[0052] 式(7)中，bref = 5.6,若湍流等级为A、B、C，则对应的 Iref = 0.16,0.14,0.12。
[0053] 二、本发明方法的实现
[0054] (1)具体的实现步骤
[0055]按本发明给出的步骤设置每次迭代的增益系数Kd，并根据该系数调整电磁转矩即 可实现本发明提出的方法。具体如下：
[0056] 一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于:在功 率曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控 制，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：
[0057] (1)
[0058] (2)
[0059] (3)
[0060]
[0061] 式（1)-式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te3为电磁转矩，V为风 速，ω为风力机的角速度，A为风力机角加速度，p为空气密度，R为风力机半径，Cp为风能利 用系数，λ= coR/v是叶尖速比，Cobgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益 系数，k为迭代次数，Kd(k+1)为第k+Ι次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭 代周期内风速的湍流强度，T 1U)为第k次迭代周期内风速的湍流强度，Tc>pt( ω )为风力机最 优转矩，其所用公式为：
[0062]
(5)
[0063] 式(5)中Acipt为最佳叶尖速比，为最大风能利用系数；
[0064] 增益系数Kd(k+1)的周期性调整包括以下步骤：
[0065] S1、初始化:设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期Tk，清空风速采样值序列W， 设定初始增益系数Kd(O) = 0.8;
[0066] S2、计算获得增益系数Kd的调整系数a和b;
[0067] S3、令k = k+l，进入新的控制周期，以周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采 样值存储于风速序列W;
[0068] S4、按式(6)计算风速序列W的湍流强度；
[0069] Ti(k) = 〇(k)/vavg(k) (6)
[0070] 式(6)中，〇为风速采样值的标准差，Vavg为采样值的平均风速；
[0071] S5、根据计算获得的1\(1〇更新增益系数，即按式(4)计算下一控制周期的Kd(k+1)， 然后返回步骤S3。
[0072]优选的，步骤Sl中所述的增益系数Kd的更新周期Tk为20分钟，风速的采样周期Tw为 0.25秒~1秒。
[0073] (2)计算增益系数的调整系数a和b
[0074]结合附图2和附图3,根据步骤S2计算获得增益系数Kd的调整系数a和b的方法为： 根据最佳增益系数Kdcipt与平均风速vavg和湍流强度T1的统计关系，应用最小二乘法拟合获得 Kd的调整系数a和b，该过程具体包括以下步骤：
[0075] S21、根据风场的风速数据分别确定平均风速Vavg和湍流强度T1的取值范围以及取 值间隔，根据上述取值范围、取值间隔构造用于统计分析的风速样本集合Wa(VavgJ1) n，其中 η为(Vavg，Ti)取值组合的总数；
[0076]针对本发明的具体实施例，平均风速取值范围为4~7m/s，间隔为0.2m/s;湍流强 度取值范围设为〇 . 18~0.35，间隔为0.01;据此可获得16种平均风速与18种湍流强度组合 的288种样本风速时段，即η = 288;每种样本风速再随机生成200条风速时段进行最佳增益 系数的统计分析，合计288*200条风速样本;风速时长设为20min。
[0077] S22、采用遍历算法获得风力机对应于每组(VavgJ1)取值组合的风速样本的最佳 增益系数Kdcipt，即可获得KdcipAvavg J1的统计关系，如附图2所示；
[0078] S23、对上述关系进行简化处理，即将Kdopt与Vavg、Ti的统计关系简化为Kdopt与Ti的 统计关系，具体做法为MT1为参照，将具有相同T1、不同Vavg的（V avgJ1)组合对应的所有 Kdcipt列出，以Ti为单位分别求取每个Ti下所有Vavg对应的K dcip^平均值K巧，将上述过程中 每个Ti所对应获得的平均值Kgt作为该T i对应的Kdcipt;
[0079] S24、采用最小二乘法对简化后的!^。^与!^的统计关系进行线性拟合获得调整系数 a和b。获得的拟合Kdc ipt-Ti曲线如附图3所示，具体的拟合表达式为式(8)，其中a = -0.7228，b = 1.0888,则式(8)为：
[0080] Kd(k+l)=-0.7228*Ti(k)+1.0888 (8)
[00811三、实施例的结果分析
[0082]采用模拟风速序列对本发明提出的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟 踪控制方法的有效性进行分析，最后通过150组仿真算例的统计分析，再将本发明提出的基 于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法与传统功率曲线法(简称为PSF)、DTG 控制、基于收缩跟踪区间的MPPT控制（简称为RTR)以及自适应转矩控制（简称为AT)进行比 较，以验证本发明的有效性和优越性。
[0083] (1)有效性分析
[0084] 应用上述风速模型随机生成150组长期风速时间序列，持续时长为10h，将自适应 转矩控制以及本发明提出的方法的迭代周期设为20min，则IOh的风速序列将进行30次迭代 搜索。随机抽取一组风速序列，获得该序列分别应用自适应转矩控制和本发明时Kdc ipt的情 况，并通过遍历获得该风速序列的实际Kdcipt，如附图4所示。
[0085] 由附图4可知，相较于自适应转矩控制，本发明迭代计算的最佳增益系数与实际最 佳值十分接近，验证了本发明的有效性。
[0086] (2)多种方法的风能捕获效率分析
[0087] 针对150组时长为IOh的随机风速序列，分别应用传统功率曲线法（简称为PSF)、 DTG控制、基于收缩跟踪区间的MPPT控制（简称为RTR)以及自适应转矩控制（简称为AT)和本 发明，可获得每次迭代对应的平均风能利用率^l favg，其表达式如式(9)所示;那么，整个风速 序列的％avg的平均值记为歹/w，如式(10)所示。
[0088]
[0089] (9)
[0090] _ _
[0091] 式(9)中，Pciap为实际功率，Pwy为最优功率，Φ为偏航误差角，本文设为0度，η。为一个 迭代周期内的采样次数。
[0092]
(10)
[0093] 式（10)中，nd为风速序列持续时长内的迭代总次数。进一步地，将150组仿真算例 获得的的平均值记为。
[0094] 每种方法获得的风能捕获效率C如附图5所示。由附图5可知，本发明提出的方法 在风能捕获效率方面均优于上述现有传统及改进方法。
[0095] 上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以 实现。
【主权项】
1. 一种基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于:在功率 曲线法的基础上，根据风速条件周期性调整电磁转矩增益系数来实现最大功率点跟踪控 审IJ，该基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法所用公式为：式（1)-式(4)中，J为转动惯量，Tm为风力机的气动驱动转矩，Te为电磁转矩，V为风速，ω 为风力机的角速度，?为风力机角加速度，Ρ为空气密度，R为风力机半径，Cp为风能利用系 数，λ=ωκ/ν是叶尖速比，cobgn为起始发电转速，Kd为电磁转矩增益系数或简称为增益系 数，k为迭代次数，KcKk+l)为第k+1次迭代获得的增益系数，a和b为Kd的调整系数，Ti为迭代 周期内风速的端流强度，Τι化)为第k次迭代周期内风速的端流强度，Tnpt( ω )为风力机最优 转矩，其所用公式为：Cb) 式巧）中λαρ*为最佳叶尖速比，为最大风能利用系数； 增益系数Kd化+1)的周期性调整包括W下步骤： 51、 初始化:设定风速采样周期Tw和增益系数更新周期化，清空风速采样值序列W，设定 初始增益系数Kd(0); 52、 计算获得增益系数Kd的调整系数a和b; 53、 令k = k+l，进入新的控制周期，W周期Tw对风速进行采样，采样时长为Tk，将采样值 存储于风速序列W; 54、 按式(6)计算风速序列W的端流强度； Ti 化)=。化)/Vavg化） （6) 式(6)中，σ为风速采样值的标准差，Vavg为采样值的平均风速； 55、 根据计算获得的Τι化)更新增益系数，即按式(4)计算下一控制周期的Kd化+1)，然后 返回步骤S3。2. 根据权利要求1所述的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其 特征在于:所述步骤S2计算获得增益系数Kd的调整系数a和b的方法为:根据最佳增益系数 Kdopt与平均风速Vavg和端流强度Τι的统计关系，应用最小二乘法拟合获得Kd的调整系数a和 b，该过程具体包括W下步骤： 521、 根据风场的风速数据分别确定平均风速Vavg和端流强度Τι的取值范围W及取值间 隔，根据上述取值范围、取值间隔构造用于统计分析的风速样本集合Wa(Vavg，Ti)n，其中η为 (Vavg, Τι)取值组合的总数； 522、 采用遍历算法获得风力机对应于每组(Vavg, Τι)取值组合的风速样本的最佳增益系 数Kdopt，即可获得Kdopt与Vavg、Ti的统计关系； 523、 将Kdopt与Vavg、Ti的统计关系简化为Kdopt与Ti的统计关系； 524、 采用最小二乘法对简化后的KdDpt与Τι的统计关系进行线性拟合获得调整系数a和 b。3. 根据权利要求2所述的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其 特征在于：步骤S23将KdDpt与Vavg、Ti的统计关系简化为KdDpt与Τι的统计关系的过程为:将具 有相同Ti、不同Vavg的(Vavg，Ti)组合对应的所有KdDpt列出，WTi为单位分别求取每个Ti下所有 Vavg对应的Kdopt的平均值K；；某，将上述过程中每个Τι所对应获得的平均值K為作为该Τι对应 QtlKdopt 〇4. 根据权利要求1所述的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其 特征在于:步骤S1中所述的初始增益系数Kd(0)为0.8~0.9。5. 根据权利要求1所述的基于变系数转矩控制的风力机最大功率点跟踪控制方法，其 特征在于：步骤S1中所述的增益系数Kd的更新周期化为5~20分钟，风速的采样周期Tw为 0.25秒~1秒。
【文档编号】G06Q50/06GK105844544SQ201610222216
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】张小莲, 郝思鹏, 翟晶晶, 李军, 宋 莹, 刘正凡
【申请人】南京工程学院