一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种能够考虑湍流频率因素的风力机MPPT控制方法，该方法基于收缩跟踪区间的功率曲线调整方式，采用响应面近似模型构建最佳起始转速与3种风速特征指标（平均风速、湍流强度、湍流频率）的函数关系，进而提出了能够更加全面响应湍流风况变化的改进功率信号反馈MPPT方法。本发明专利技术完善了MPPT方法对湍流风速特征的考虑，能够进一步改善风力机的MPPT性能，并且在面对变化的湍流风况时具有良好的适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于风力机控制领域，特别是一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点 跟踪控制方法。
技术介绍
湍流风速系指短时间（通常小于IOmin)内的风速波动，一般理解为由平均风速分 量叠加快速变化的湍流分量组成。在风电研究中，风速湍流分量的特性一般用湍流强度和 功率谱密度函数来刻画。前者反映了风速在平均值附近波动的幅值分布；后者则是湍流风 速的频率特征描述，其表征了风速在时间轴上的变化规律。频率特征会随时间、地形、风力 机安装高度而变化。 当前研究发现端流频率会对风力机最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT)性能造成不容忽视的影响。已有文献基于周期风速推出了风能捕获损失量 的表达式，明确指出风速频率的增大会降低风能捕获效率。进一步该文献提出等效频率指 标以刻画湍流频率，并分析湍流频率对MPPT性能的影响，得到了与周期风速相同的结果。 现有MPPT方法虽已考虑到湍流风速的影响（包括平均风速和湍流强度），却尚未考虑湍流 频率的影响。 基于上述情况，目前迫切需要一种新的风力机最大功率点跟踪控制方法，能够更 加全面考虑湍流风速特性（平均风速、湍流强度和湍流频率）。但是现有技术中尚无相关描 述。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点 跟踪控制方法。 实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点 跟踪控制方法，包括以下步骤： 步骤1、设定风速采样周期Tw和起始转速更新周期1\;初始化为风力机MPPT阶段 的最低转速为《bgn; 步骤2、进入新采样周期Tw，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列，该序列中 采样到的风速测量值按照时间进行排列； 步骤3、判定当前起始转速更新周期?；是否结束，若结束，则跳至步骤4 ;否则，跳 至步骤2 ; 步骤4、确定风速采样值序列的平均值、湍流强度和湍流频率，代入响应面模型求 得最佳起始转速的预估值，并将风力机MPPT阶段的起始转速Wbgn调整为该值；响应面模型 的构建的具体方法包括以下步骤： 步骤4-1、获取风力机参数和环境参数，所述风力机参数具体包括风轮半径R、最 佳叶尖速比、最大风能利用系数Cpniax，所述环境参数为空气密度P ; 步骤4-2、采用湍流风速模拟方法，生成对应于不同风速特征指标的湍流风速序 列，每种风速特征指标组合对应的风速序列数量均大于10,其中风速特征指标包括平均风 速W、湍流强度TI和积分尺度L ; 步骤4-3、确定步骤4-2中每条风速序列的湍流频率ω#，并在每条风速序列下对 风力机进行仿真，遍历所有起始转速，确定所有起始转速下的风能捕获比率Pfavg，其中风能 捕获比率Pfavg的最大值所对应的转速为最佳起始转速; 所述求取湍流频率所用公式为： 式中，At为风速序列两个点之间的时间间隔，Δν为每个风速序列采样点与前一 个点的风速的差值，σ为该条风速序列风速的标准差，N为一个统计时段内At的个数； 所述求取风能捕获比率Pfavg的公式为： 式中，η为一个统计时段内的米样次数，Tf3为发电机电磁转矩，ω为发电机转速，V 为风速值； 步骤4-4、针对步骤4-2中每种风速特征指标组合，求取步骤4-3中获得的风速序 列平均风速F的平均值、湍流强度TI的平均值和湍流频率COrff的平均值以及对应的 的 平均值，构成一个样本数据； 步骤4-5、根据样本数据，通过最小二乘法求出最佳起始转速与端流风速特征指标 函数关系的参数，完成响应面模型的构建，具体为： 式中，β0~β 9为响应面模型参数。 步骤5、以步骤4确定的风力机MPPT阶段的起始转速Cobgn进入下一个更新周期 ?；，清空风速采样值序列，之后执行步骤2。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)本专利技术对湍流风速特征的考虑更为完 善，因为全面的考虑湍流风速特征的变化，本专利技术面对变化的湍流风况时具有更好的适应 性，能够获得更高的风能捕获效率。2)本专利技术能够准确地反映最佳起始转速叫落和湍流风速 特征指标之间的关系。 下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。【附图说明】 图1为本专利技术的考虑湍流频率因素的改进功率信号反馈方法流程图。 图2为本专利技术的不同MPPT方法在风速时段内的Pfavg特性图，其中（a)为不同MPPT 方法在Weff= o. 45Hz的风速时段内的Pfavg特性图，（b)为不同MPPT方法在ω eff= o. 25Hz 的风速时段内的Pfavg特性图。 图3为本专利技术的不同MPPT方法预估及最佳的风速时段内的Cobgn特性图，其中（ a) 为在Weff= 〇. 45Hz的风速时段内不同MPPT方法预估及最佳的ω bgn特性图，（b)为在ω eff=0. 25Hz的风速时段内不同MPPT方法预估及最佳的cobgn特性图。【具体实施方式】 结合图1，本专利技术的，包 括以下步骤： 步骤1、设定风速采样周期Tw和起始转速更新周期1\;初始化为风力机MPPT阶段 的最低转速为《bgn; 步骤2、进入新采样周期Tw，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列，该序列中 采样到的风速测量值按照时间进行排列； 步骤3、判定当前起始转速更新周期?；是否结束，若结束，则跳至步骤4 ;否则，跳 至步骤2 ; 步骤4、确定风速采样值序列的平均值、湍流强度和湍流频率，代入响应面模型求 得最佳起始转速的预估值，并将风力机MPPT阶段的起始转速Wbgn调整为该值；响应面模型 的构建的具体方法包括以下步骤： 步骤4-1、获取风力机参数和环境参数，所述风力机参数具体包括风轮半径R、最 佳叶尖速比、最大风能利用系数Cpniax，所述环境参数为空气密度P ; 步骤4-2、采用湍流风速模拟方法，生成对应于不同风速特征指标的湍流风速序 列，每种风速特征指标组合对应的风速序列数量均大于10,其中风速特征指标包括平均风 速F、湍流强度TI和积分尺度L ; 步骤4-3、确定步骤4-2中每条风速序列的湍流频率ω#，并在每条风速序列下对 风力机进行仿真，遍历所有起始转速，确定所有起始转速下的风能捕获比率Pfavg，其中风能 捕获比率Pfavg的最大值所对应的转速为最佳起始转速^S; 所述求取湍流频率所用公式为： 式中，Δ t为风速序列两个点之间的时间间隔，Δ V为每个风速序列采样点与前一 个点的风速的差值，σ为该条风速序列风速的标准差，N为一个统计时段内At的个数； 所述求取风能捕获比率Pfavg的公式为： 式中，η为一个统计时段内的米样次数，Tf3为发电机电磁转矩，ω为发电机转速，V 为风速值； 步骤4-4、针对步骤4-2中每种风速特征指标组合，求取步骤4-3中获得的风速序 列平均风速7的平均值、湍流强度TI的平均值和湍流频率ω#的平均值以及对应的C的 平均值，构成一个样本数据；当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑湍流频率因素的风力机最大功率点跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、设定风速采样周期Tw和起始转速更新周期Tr；初始化为风力机MPPT阶段的最低转速为ωbgn；步骤2、进入新采样周期Tw，读取风速测量值，并保存至风速采样值序列，该序列中采样到的风速测量值按照时间进行排列；步骤3、判定当前起始转速更新周期Tr是否结束，若结束，则跳至步骤4；否则，跳至步骤2；步骤4、确定风速采样值序列的平均值、湍流强度和湍流频率，代入响应面模型求得最佳起始转速的预估值，并将风力机MPPT阶段的起始转速ωbgn调整为该值；步骤5、以步骤4确定的风力机MPPT阶段的起始转速ωbgn进入下一个更新周期Tr，清空风速采样值序列，之后执行步骤2。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：殷明慧，周连俊，何立君，卜京，谢云云，姚娟，蔡晨晓，邹云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32