一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻风力发电系统追踪最大功率控制方法
本专利技术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

技术介绍
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-发电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。
技术实现思路
本专利技术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。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。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。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范围内，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：（1）式（1）中，ω(t+1)aim是t+1时刻的转速给定值；ω(t)为t时刻的实际转速；Δω(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；ΔP是t时刻发电功率与t-1时刻发电功率的差值。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。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，否则应保持控本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32