一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法。首先由风力机的最佳功率曲线以及无刷双馈发电机的机械角速度获得风力机输出的最大机械功率；然后根据发电机的运行状态参数确定发电机的损耗功率；通过分析发电机的功率流动，确定发电机发出的有功功率与风力机输出最大机械功率、损耗功率之间的关系，进而计算出该转速下的精确参考有功功率；最后将发电机参考有功功率输入到控制系统，实现最大风能跟踪控制。本发明专利技术不仅能确定精确的参考有功功率，使实际转速跟随上参考转速，而且能有效提高风能的吸收效率，增大输出功率，实现最大风能跟踪控制。

A Maximum Wind Energy Tracking Control Method for Brushless Doubly-fed Generator

【技术实现步骤摘要】
一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法
本专利技术涉及一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，属于无刷双馈电机发电控制

技术介绍
近几十年来，由于环境的恶化、化石能源的消耗以及全球变暖的影响，可再生能源的发展引起越来越多的关注。风能由于储量丰富、清洁无污染，已经成为很多国家首选的发展对象。为了充分利用风能，变速恒频风力发电系统因可提高风能利用效率，实现最大风能跟踪，得到了迅速发展。无刷双馈发电机使用的功率变换器容量小，没有电刷和滑环，系统的可靠性高、维护费用少，可实现有功和无功功率的解耦控制，已经成为当前的研究热点，在变速恒频风力发电领域颇具应用前景。为了尽可能地捕获风能，风力发电系统常采用最大风能跟踪控制方法，包括爬山法、最佳叶尖比法、功率反馈法、最优转矩法等。对无刷双馈风力发电机而言，使用功率反馈法最大风能跟踪控制时系统输出功率脉动较小，效果最佳。然而由于系统损耗功率的影响，给定的参考有功功率不准确，发电机转速不能跟随参考转速，无法真正实现最大风能跟踪。为了解决这个问题，本专利技术提出了一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有功率反馈法存在的给定参考有功功率不准确的问题，本专利技术提出了一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法。技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，具体步骤如下：步骤一：由风力机的最佳功率曲线以及无刷双馈发电机的机械角速度ωm，获得风力机输出的最大机械功率Pmax；步骤二：由发电机铜耗、铁耗以及机械损耗，计算发电机的损耗功率ΔP；步骤三：由发电机发出的有功功率与风力机输出最大机械功率Pmax、损耗功率ΔP之间的关系，计算发电机参考有功功率Pp*；步骤四：将发电机参考有功功率Pp*输入到控制系统，实现最大风能跟踪控制。其中，所述的发电机为无刷双馈发电机。其中，步骤一中最大机械功率Pmax的计算方法为：式中kopt为风力机最佳功率曲线系数。其中，步骤二中发电机的损耗功率ΔP的计算方法为：式中Pcu1为发电机功率绕组定子铜耗，Pfe为发电机铁耗，Pms为发电机机械损耗；sp和sc分别为功率侧和控制侧的转差率。其中，步骤三中发电机参考有功功率Pp*的计算方法为：式中Pcu2为发电机转子铜耗。其中，步骤四中所述的控制系统为无刷双馈风力发电系统。其中，步骤二中发电机铁耗Pfe的计算方法为：Pfe＝α1ksh+α2kse+α3krh1+α4krh2+α5kre1+α6kre2式中ksh为定子的磁滞损耗系数，kse为定子的涡流损耗系数，krh1、krh2为修正的转子磁滞损耗系数，kre1、kre2为修正的转子涡流损耗系数，且式中，α、β是Steinmetz常数；ψps是功率绕组磁链的幅值，ψcs是控制绕组磁链的幅值，ψeq为功率绕组和控制绕组磁链合成的等效磁链；r为发电机气隙的平均半径，ys为定子磁轭深度；pp和pc分别为功率侧、控制侧绕组的极对数；ωp、ωc分别为功率侧、控制侧定子电角频率，ωr为转子电角频率。其中，发电机铁耗Pfe系数的计算步骤为：步骤a：在电机工作范围内选择某一转速，在该转速下分别测量并计算输入功率、输出功率、铜耗、机械损耗；测量该转速下功率绕组磁链、控制绕组磁链和转子绕组磁链；步骤b：基于步骤a得到的参数，计算该转速下电机的铁耗Pfe1以及α1、α2、α3、α4、α5和α6的大小，得到向量A1＝[α1α2α3α4α5α6]；步骤c：再选择5个不同的转速，重复步骤a、步骤b，得到向量A2、A3、A4、A5、A6以及铁耗Pfe2、Pfe3、Pfe4、Pfe5、Pfe6；步骤d：基于步骤c得到的向量及铁耗，构造方程组：步骤e：使用Gauss-Seidel迭代法解步骤d中得到的方程组，得到发电机铁耗Pfe的系数。有益效果：本专利技术与现有技术相比解决了无刷双馈发电机功率反馈法控制时参考有功功率不准确的问题，通过确定精确的参考有功功率，使实际转速跟随上参考转速，可有效提高风能的吸收效率，增大输出功率，实现最大风能跟踪控制。本专利技术的损耗计算方法能够适应不同风速和发电机转速，可在不同情况下确定精确的参考有功功率，能提高最大风能跟踪的效率，在风电领域具有应用价值。附图说明图1是本专利技术所述的最大风能跟踪控制方法的步骤流程图；图2是无刷双馈风力发电系统的控制框图；图3是随机风速下传统功率反馈法控制下的转速曲线图；图4是随机风速下本专利技术所述的最大风能跟踪控制下的转速曲线图；图5是采用传统功率反馈法和本专利技术所述的最大风能跟踪控制方法的输出功率曲线图。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术做详细的说明。如图1所示，实现无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法的步骤具体为：步骤一：获得风力机输出的最大机械功率Pmax。风力机从风功率中捕获到的功率Po为其中，ρ为空气密度；v为空气流速；Rw为风力机叶片的半径；Cp为风能利用系数，它表示风力机将风能转换为机械能的效率。Cp是叶尖速比λ的函数，叶尖速比λ表达式为其中，ωm为发电机机械角速度，N为齿轮箱变比。当风速变化时，为了能够捕获更多的风能，利用控制系统实时改变发电机的转速，使得发电机转速与风速保持最佳叶尖速比λopt，维持Cp恒定，实现最大风能跟踪。风力机存在一条最佳功率曲线，这条功率曲线是由风力机本身的结构参数决定的，与风速、发电机转速无关，对于某一固定的机械角速度ωm，这条曲线存在一个最佳功率Pmax式中，kopt为风力机最佳功率曲线系数，步骤二：计算发电机的损耗功率ΔP。使用功率反馈法最大风能跟踪控制时，给定的参考有功功率不同，发电机输出功率也不相同，这会改变发电机输出的电磁转矩，进而影响发电机和风力机之间的转矩平衡关系，所以给定的有功功率参考值不准确，则难以实现最大风能跟踪。影响有功功率参考值的因素有定转子铜耗、电机的铁耗以及机械损耗等。功率侧的定子铜耗以及转子铜耗都会影响有功功率参考值，功率侧定子铜耗Pcu1以及转子铜耗Pcu2表达式为其中，ips为功率侧定子电流，ir为转子电流；Rps为功率侧定子电阻，Rr为转子电阻。在Steinmetz方程中，如果仅考虑旋转磁化的作用，铁心损耗主要分为磁滞损耗和涡流损耗。定、转子磁轭和齿的磁场包括两个基频分量：功率绕组磁场基频分量和控制绕组磁场基频分量。因此，如果仅考虑基频分量，定、转子的铁心损耗可分别通过修正的Steinmetz方程计算。定子齿中的磁滞损耗为其中，α、β是Steinmetz常数(1<α<3、2<β<3)；ksh为定子的磁滞损耗系数；ψeq为功率绕组和控制绕组磁链合成的等效磁链：其中，ψps是功率绕组磁链的幅值，ψcs是控制绕组磁链的幅值。由定子磁轭和齿中的磁链关系可知，定子磁轭中的磁滞损耗为其中，ys为定子的磁轭深度。所以定子中总的磁滞损耗为：由于功率绕组磁链ψps为pp对极，转子感应出pp对极的转子磁链ψpr，两者以相同的速度旋转，共同构成了pp对极的气隙磁链。控制绕组磁场中也存在相同的情况，pc对极的控制绕组磁链ψcs与转子感应出的磁链ψcr以另一速度旋转，构成了pc对极的气隙磁链。所以转子齿中对应pp对极的转子磁链ψpr的磁滞损耗为：其中，krh为转子的磁滞损耗系数；ωr为转子绕组磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于该跟踪控制方法具体步骤如下：步骤一：由风力机的最佳功率曲线以及无刷双馈发电机的机械角速度ωm，获得风力机输出的最大机械功率Pmax；步骤二：由发电机铜耗、铁耗以及机械损耗，计算发电机的损耗功率ΔP；步骤三：由发电机发出的有功功率与风力机输出最大机械功率Pmax、损耗功率ΔP之间的关系，计算发电机参考有功功率Pp

【技术特征摘要】
1.一种无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于该跟踪控制方法具体步骤如下：步骤一：由风力机的最佳功率曲线以及无刷双馈发电机的机械角速度ωm，获得风力机输出的最大机械功率Pmax；步骤二：由发电机铜耗、铁耗以及机械损耗，计算发电机的损耗功率ΔP；步骤三：由发电机发出的有功功率与风力机输出最大机械功率Pmax、损耗功率ΔP之间的关系，计算发电机参考有功功率Pp*；步骤四：将发电机参考有功功率Pp*输入到控制系统，实现最大风能跟踪控制。2.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于步骤一中最大机械功率Pmax的计算方法为：式中kopt为风力机最佳功率曲线系数。3.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于步骤二中发电机的损耗功率ΔP的计算方法为：式中Pcu1为发电机功率绕组定子铜耗，Pfe为发电机铁耗，Pms为发电机机械损耗；sp和sc分别为功率侧和控制侧的转差率。4.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于步骤三中发电机参考有功功率Pp*的计算方法为：式中Pcu2为发电机转子铜耗。5.根据权利要求1所述的无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于步骤四中所述的控制系统为无刷双馈风力发电系统。6.根据权利要求3所述的无刷双馈发电机最大风能跟踪控制方法，其特征在于步骤二中发电机铁耗Pfe的计算方法为：Pfe＝α1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，许利通，魏新迟，宁新福，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32