基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法及系统，该方法包括将当前转速和参考转速得到功率给定值，根据当前转速确定前馈功率，将功率给定值、前馈功率相加得到限幅前的功率给定值并进行动态限幅得到限幅后的功率给定值，将风力发电机的输出功率和限幅后的功率给定值做差并通过PI控制得到电流给定值，将风力发电机的输出电流和电流给定值做差并通过PI控制获取用于控制风力发电机进行发电的控制信号。系统包括转速外环单元、前馈功率查找单元、功率给定单元、功率给定限幅单元、功率内环单元和电流内环单元。本发明专利技术能够最大功率追踪对包含风速测量、最大功率曲线的外界参数的敏感性、快速准确的追踪到最大功率点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风电技术，具体涉及一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法及系统。
技术介绍
风能具有随机性、不确定性。在不同的风速下，风力发电系统能够捕获的最大功率与风轮的叶尖速比(即叶尖的线速度与流过的风速的比值)以及桨距角有关。在桨距角一定的情况下，风能与转速的关系如图1所示。可以看出，每一个风速(V1～V3)下，都有唯一的一个转速与最大功率点(ω1～ω3)对应，随着风速的增加，最大功率点对应的转速也随之增加。目前，变速恒频风力发电系统中常规的最大功率跟踪控制方法主要有直接转速控制、功率信号反馈控制和爬山法寻优控制三种。直接转速控制通过控制发电机转速，使不同风速下叶尖速比始终为一个最优值，以此来保证风力发电系统的风能利用率最高，实现最大功率追踪；功率信号反馈控制依据风机最大功率曲线(即图1中的l1),在不同的转速下控制风机的输出功率，使其跟随最大功率曲线l1；爬山法寻优控制采用转速扰动控制方法，根据转速变化前后的功率比较，从而确定转速扰动的大小和方向。上述三种最大功率跟踪控制方法存在的问题如下：(1)直接转速控制依赖于叶尖速比曲线的精确性，对风轮的性能参数敏感，且需要对风速进行精确的测量；(2)功率信号反馈控制能够较好的适应风速的变化，但对风机参数敏感，最大功率跟踪精度受风机最大功率曲线的影响；(3)爬山寻优法不能适应风速的快速变化，且其性能受扰动步长的影响。过大的扰动步长导致功率追踪不准确，实际的工作点始终在最大功率点附近大幅震荡；扰动步长过小，则导致追踪速度过慢。针对上述问题，申请号为CN201410642712.3的中国专利文献公开了一种最大功率追踪的方法，该技术方案采用转速闭环控制，根据系统所存储的风速-最大功率特性曲线确定当前风速情况下风力机运行转速给定信号，当转速稳定在给定信号附近后，再通过修改转速给定，判断功率变化来进行最大功率追踪。这种方法能够快速的接近最大功率点，并在功率点附近进行寻优。但是，其性能依然受风速测量精度的影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够最大功率追踪对包含风速测量、最大功率曲线的外界参数的敏感性、快速准确的追踪到最大功率点的基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法及系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，步骤包括：1)将风力发电机的当前转速和参考转速ωref做差并通过PI控制得到功率给定值；2)根据风力发电机的当前转速查找风力发电机的最大功率曲线l1确定前馈功率；3)将功率给定值、前馈功率相加得到限幅前的功率给定值；4)将限幅前的功率给定值进行动态限幅得到限幅后的功率给定值Pref；5)将风力发电机的输出功率和限幅后的功率给定值Pref做差并通过PI控制得到电流给定值Iref；6)将风力发电机的输出电流和电流给定值Iref做差并通过PI控制获取用于控制风力发电机进行发电的控制信号。优选地，所述步骤3)的详细步骤包括：3.1)在风力发电机的最大功率曲线l1的上方确定上限幅功率曲线l2、在风力发电机的最大功率曲线l1的下方确定下限幅功率曲线l3，根据风力发电机当前转速在上限幅功率曲线l2、下限幅功率曲线l3上对应功率点确定功率限幅范围；3.2)将限幅前的功率给定值和功率限幅范围进行比较，如果限幅前的功率给定值在功率限幅范围内，则直接将限幅前的功率给定值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值大于功率限幅范围的上限值，则将功率限幅范围的上限值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值小于功率限幅范围的下限值，则将功率限幅范围的下限值作为限幅后的功率给定值Pref输出。优选地，所述步骤1)中将当前转速闭环后和参考转速ωref做差时，如果风力发电机处于启动过程中，将风力发电机的当前转速赋值给参考转速ωref，且在风力发电机稳定运行后，基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值。优选地，所述基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值的详细步骤包括：A1)在风力发电机稳定运行后记录工作点的风力发电机输出功率；A2)增大参考转速ωref的值，当风力发电机稳定运行在新的工作点后，记录新的工作点的风力发电机输出功率；A3)判断新的工作点的风力发电机输出功率是否比上一工作点的风力发电机输出功率大，如果比上一工作点的风力发电机输出功率大则跳转执行步骤A2)；如果比上一工作点的风力发电机输出功率小则跳转执行步骤A4)，如果和上一工作点的风力发电机输出功率相等则跳转执行步骤A5)；A4)减小参考转速ωref的值，当风力发电机稳定运行在新的工作点后，记录新的工作点的风力发电机输出功率；跳转执行步骤A3)；A5)将当前的参考转速ωref作为最优的参考转速ωref。本专利技术还提供一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪系统，包括：转速外环单元，用于将风力发电机的当前转速和参考转速ωref做差并通过PI控制得到功率给定值；前馈功率查找单元，用于根据风力发电机的当前转速查找风力发电机的最大功率曲线l1确定前馈功率；功率给定单元，用于将功率给定值、前馈功率相加得到限幅前的功率给定值；功率给定限幅单元，用于将限幅前的功率给定值进行动态限幅得到限幅后的功率给定值Pref；功率内环单元，用于将风力发电机的输出功率和限幅后的功率给定值Pref做差并通过PI控制得到电流给定值Iref；电流内环单元，将风力发电机的输出电流和电流给定值Iref做差并通过PI控制获取用于控制风力发电机进行发电的控制信号。优选地，所述功率给定限幅单元包括：功率限幅范围确定模块，用于在风力发电机的最大功率曲线l1的上方确定上限幅功率曲线l2、在风力发电机的最大功率曲线l1的下方确定下限幅功率曲线l3，根据风力发电机当前转速在上限幅功率曲线l2、下限幅功率曲线l3上对应功率点确定功率限幅范围；限幅处理模块，用于将限幅前的功率给定值和功率限幅范围进行比较，如果限幅前的功率给定值在功率限幅范围内，则直接将限幅前的功率给定值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值大于功率限幅范围的上限值，则将功率限幅范围的上限值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值小于功率限幅范围的下限值，则将功率限幅范围的下限值作为限幅后的功率给定值Pref输出。优选地，所述转速外环单元将当前转速闭环后和参考转速ωref做差时，如果风力发电机处于启动过程中，将风力发电机的当前转速赋值给参考转速ωref，且在风力发电机稳定运行后，基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值。优选地，所述转速外环单元包括用于基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值的参考转速优化模块，所述参考转速优化模块包括：初始稳定工作点记录子模块，用于在风力发电机稳定运行后记录工作点的风力发电机输出功率；增大参考转速子模块，用于增大参考转速ωref的值，当风力发电机稳定运行在新的工作点后，记录新的工作点的风力发电机输出功率；功率比较子模块，用于判断新的工作点的风力发电机输出功率是否比上一工作点的风力发电机输出功率大，如果比上一工作点的风力发电机输出功率大则跳转执行增大参考转速子模块；如果比上一工作点的风力发电机输出功率小则跳转执行减小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，其特征在于步骤包括：1)将风力发电机的当前转速和参考转速ωref做差并通过PI控制得到功率给定值；2)根据风力发电机的当前转速查找风力发电机的最大功率曲线l1确定前馈功率；3)将功率给定值、前馈功率相加得到限幅前的功率给定值；4)将限幅前的功率给定值进行动态限幅得到限幅后的功率给定值Pref；5)将风力发电机的输出功率和限幅后的功率给定值Pref做差并通过PI控制得到电流给定值Iref；6)将风力发电机的输出电流和电流给定值Iref做差并通过PI控制获取用于控制风力发电机进行发电的控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，其特征在于步骤包括：1)将风力发电机的当前转速和参考转速ωref做差并通过PI控制得到功率给定值；2)根据风力发电机的当前转速查找风力发电机的最大功率曲线l1确定前馈功率；3)将功率给定值、前馈功率相加得到限幅前的功率给定值；4)将限幅前的功率给定值进行动态限幅得到限幅后的功率给定值Pref；5)将风力发电机的输出功率和限幅后的功率给定值Pref做差并通过PI控制得到电流给定值Iref；6)将风力发电机的输出电流和电流给定值Iref做差并通过PI控制获取用于控制风力发电机进行发电的控制信号。2.根据权利要求1所述的基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤3)的详细步骤包括：3.1)在风力发电机的最大功率曲线l1的上方确定上限幅功率曲线l2、在风力发电机的最大功率曲线l1的下方确定下限幅功率曲线l3，根据风力发电机当前转速在上限幅功率曲线l2、下限幅功率曲线l3上对应功率点确定功率限幅范围；3.2)将限幅前的功率给定值和功率限幅范围进行比较，如果限幅前的功率给定值在功率限幅范围内，则直接将限幅前的功率给定值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值大于功率限幅范围的上限值，则将功率限幅范围的上限值作为限幅后的功率给定值Pref输出；如果限幅前的功率给定值小于功率限幅范围的下限值，则将功率限幅范围的下限值作为限幅后的功率给定值Pref输出。3.根据权利要求2所述的基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)中将当前转速闭环后和参考转速ωref做差时，如果风力发电机处于启动过程中，将风力发电机的当前转速赋值给参考转速ωref，且在风力发电机稳定运行后，基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值。4.根据权利要求3所述的基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪方法，其特征在于，所述基于爬山法确定最优的参考转速ωref的取值的详细步骤包括：A1)在风力发电机稳定运行后记录工作点的风力发电机输出功率；A2)增大参考转速ωref的值，当风力发电机稳定运行在新的工作点后，记录新的工作点的风力发电机输出功率；A3)判断新的工作点的风力发电机输出功率是否比上一工作点的风力发电机输出功率大，如果比上一工作点的风力发电机输出功率大则跳转执行步骤A2)；如果比上一工作点的风力发电机输出功率小则跳转执行步骤A4)，如果和上一工作点的风力发电机输出功率相等则跳转执行步骤A5)；A4)减小参考转速ωref的值，当风力发电机稳定运行在新的工作点后，记录新的工作点的风力发电机输出功率；跳转执行步骤A3)；A5)将当前的参考转速ωref作为最优的参考转速ωref。5.一种基于转速控制的风力发电最大输出功率跟踪系统，其特征在于包括：转速外环单元，用于将风力发电机的当前转速和参考转速ωref做差并通过PI...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洁，刘光欣，史建英，
申请(专利权)人：三一重型能源装备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11