基于环境因素的风机功率信号反馈方法与流程

本发明涉及基于环境因素的风机功率信号反馈方法。属于风力发电技术领域。

背景技术：

风机最大功率点跟踪算法(maximum power point tracking，MPPT)有尖速比法、最优力矩法、功率信号反馈法、爬山法、模糊算法、神经网络法等，对于转动惯量大且叶轮参数已知的大中型机组，通常采用功率信号反馈法。

在风电机组的跟踪控制中，通常认为空气密度不变，但实际上风机所处的不同温度、海拔高度、气压和湿度会导致空气密度随时间波动。

目前，大多数风电机组制造商在选择风电机组的控制策略时，仅根据风电场年平均空气密度来确定机组最优控制策略，很少考虑温度和湿度变化对风电机组输出功率产生的影响，从而导致风电机组输出功率达不到厂家设计的最优输出功率值。有文献给出了一种考虑高度和温度的自适应空气密度变化的风电机组最优转矩控制方法。但该方法没有考虑湿度和风机损耗的影响，没有给出分析环境因素对风机功率信号反馈算法的影响。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的采用风电机组最优转矩控制的方法对风机进行控制，往往风电机组输出功率达不到厂家设计的最优输出功率值，风能转换效率低的问题。现提供基于环境因素的风机功率信号反馈方法。

基于环境因素的风机功率信号反馈方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过实验或者仿真得到标准空气密度下的最优功率曲线；

步骤二、根据气象资料或安装传感器实时得到机舱外温度和相对湿度，结合风机的海拔高度，对步骤一中的最优功率曲线进行修正，获得修正系数K；

步骤三、利用步骤二中的修正系数和步骤一中的标准温度下的最优功率曲线的参考有功功率，得到修订后的最优功率曲线的参考有功功率；

步骤四、根据步骤三中修订后的最优功率曲线的参考有功功率计算风机电磁力矩参考值，进而计算D轴转子电流参考值，将该D轴转子电流参考值输入变频器进行风机控制，从而在环境因素干扰的情况下实现对风机的控制。

本发明的有益效果为：

本发明考虑了环境因素中温度和湿度对风机的影响，根据环境中的湿度和温度，对标准空气密度下的最优功率曲线进行修正，得到修订后的最优功率曲线的参考有功功率，根据该修订后的最优功率曲线的参考有功功率计算风机电磁力矩参考值，进而计算D轴转子电流参考值，将该D轴转子电流参考值输入变频器进行风机控制从而在环境因素干扰的情况下实现对风机的控制。采用该方法能够使风电机组输出功率达到厂家设计的最优输出功率值，得到更高的风能转换效率。

附图说明

图1为设计环境因素的风机功率信号反馈方法的原理示意图；

图2为设计环境因素的风机功率信号反馈方法的流程图；

图3为风电场系统单线示意图；

图4为对图3中的风电场的风电机组输入的风速图；

图5为考虑环境因素和不考虑环境因素下的风能利用系数随时间变化的曲线对比图，附图标记1表示1.2倍标准空气密度，考虑环境因素变化下的MPPT方法的风能利用系数曲线图，附图标记2表示1.2倍标准空气密度，原有MPPT方法的风能利用系数曲线图；

图6为考虑环境因素和不考虑环境因素下的风机输出功率随时间变化的曲线对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于环境因素的风机功率信号反馈方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、通过实验或者仿真得到标准空气密度下的最优功率曲线；

步骤二、根据气象资料或安装传感器实时得到机舱外温度和相对湿度，结合风机的海拔高度，对步骤一中的最优功率曲线进行修正，获得修正系数K；

步骤三、利用步骤二中的修正系数和步骤一中的标准温度下的最优功率曲线的参考有功功率，得到修订后的最优功率曲线的参考有功功率；

步骤四、根据步骤三中修订后的最优功率曲线的参考有功功率计算风机电磁力矩参考值，进而计算D轴转子电流参考值，将该D轴转子电流参考值输入变频器进行风机控制，从而在环境因素干扰的情况下实现对风机的控制。

本实施方式在Matlab/simulink中建立了基于功率信号反馈方法的双馈机组在风电场模型，图3是风电场算例的结构示意图。该风电场由100台2兆瓦双馈风电机组组成，假定所有机组感受相同的风速，采用一台等值风电机组表征风电场模型，风电机组经机端负荷和变压器(110kV/690V)连接到外部电网。风电机组主要参数见表1。

表1风电机组电气参数

为了验证环境因素对风机MPPT(最大功率跟踪)的影响，假定环境因素变化，使得空气密度由标准空气密度增加到1.2倍标准空气密度。分别进行下列两种情况的仿真，第一种情况为：1.2倍标准空气密度，原有MPPT控制(即MPPT采用标准空气密度时的基于功率信号反馈方法)；第二种情况为：1.2倍标准空气密度，根据公式1至公式3，采用考虑环境因素变化的MPPT控制。输入风速见图4，仿真时间60秒，图5和图6分别给出了两种情况下风能利用系数和风机输出功率的特性曲线(取系统稳定后10到60秒)。

结合图5和图6可以看出，图5中的第一种情况的风能利用系数较低。注意到当风速变化期间，第一种情况风能利用系数相对较高的原因是此时风机输出较低，加速了风机转子的跟踪速度。从图6的风机输出功率可以看出考虑环境因素变化的MPPT控制相比不考虑环境因素变化的情况将获得更大的输出功率，从而证实了计及环境因素的风机功率信号反馈方法可以获得更高的风能转换效率。

本实施方式中，具体实施时需要考虑传感器的检测误差和避免空气密度变化的频繁动作，为此给出的流程如图2所示。步骤一中的标准空气密度下指标准大气压和标准温度下。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于环境因素的风机功率信号反馈方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，通过实验或者仿真得到标准空气密度下的最优功率曲线的具体过程为：

步骤一一、根据风力机风能利用系数与叶尖速比的数学关系确定最优叶尖速比；

步骤一二、通过实验或者仿真，对风机分别输入N m/s的风速，其中，N取5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s，改变最优功率曲线的参考有功功率，观察叶尖速比；

步骤一三、当步骤一二中的叶尖速比等于步骤一一中的最优叶尖速比时，记录此时的风机转速和参考有功功率；

步骤一四、根据风机转速和参考有功功率采用插值法等量分配最优功率曲线的各控制点，从而得到标准空气密度下的最优功率曲线。

本实施方式中，步骤一一中的根据风力机风能利用系数与叶尖速比的数学关系确定最优叶尖速比，即为风能利用系数最大时对应的叶尖速比。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于环境因素的风机功率信号反馈方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，根据气象资料或安装传感器实时得到机舱外温度和相对湿度，结合风机的海拔高度，对步骤一中的最优功率曲线进行修正，获得修正系数的具体过程为：

当温度小于等于30℃时，不考虑湿度的影响，修正系数K为：

式中，表示实际温度下的最优功率曲线的参考有功功率，表示标准温度下的最优功率曲线的参考有功功率，ρ₁为下的空气密度，ρ₀为标准温度下的空气密度，常温为15℃，标准温度T₀为15+273.15＝288.15℃，L为0.0065K/m，H为高度，单位为m，R为8.31447J/(mol.K)，g为9.80665m/s²，M为0.0289644kg/mol，T_C为实际温度；

当温度大于30℃时，同时考虑温度和湿度的影响，修正系数K为：

式中，标准大气压P₀为101325Pa，C₀为6.1078，C₁为7.5，C₂为237.3，相对湿度定义为实际水蒸气压力和饱和水蒸气压力的比值，计为PH％。

本实施方式中，不考虑湿度的影响，得到的修正系数K和同时考虑温度和湿度的影响，得到的修正系数K，判断两种K值是否超过动作阈值，如果是，则更新K值，如果否，则K值保持不变，然后将判断后的K值应用到步骤三中。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或三所述的基于环境因素的风机功率信号反馈方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，结合步骤二中的修正系数和标准空气密度下的最优功率曲线，得到修订后的最优功率曲线的参考有功功率的具体过程为：

公式1中得到的修正系数K和公式2中得到的修正系数K分别乘以标准温度下的最优功率曲线的参考有功功率得到修订后的最优功率曲线的参考有功功率为：

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于环境因素的风机功率信号反馈方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，根据步骤三中修订后的最优功率曲线的参考有功功率计算风机电磁力矩参考值，进而计算D轴转子电流参考值的具体过程为：

根据修订后的最优功率曲线的参考有功功率结合公式：

获得风机电磁力矩参考值T_ref，

式中，ω_r为转子转速，

进而得到输入变频器进行风机控制的D轴转子电流参考值I_{dr_ref}为：

式中，U_d为d轴电压。