一种风机转子动能控制功率平滑方法技术

本发明专利技术公开了一种风机转子动能控制功率平滑方法，包括：根据风机参数推算风机在最大功率跟踪控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数；设计一阶低通滤波器对最大风功率进行数字平滑处理；考虑非最大功率跟踪控制运行的带来的损失，以转速和转速变化率为依据设计双输入单输出的模糊逻辑控制器，输入量为转速和转速变化率，输出量为比例系数k；给定风机合适的有功参考值以平滑功率波动，有功参考值设置为最大风功率级联所设计的一阶低通滤波器，并将系数k乘入有功参考值中以保证风机的稳定运行。本发明专利技术能够在平抑输出功率波动的同时确保风力发电机系统的正常稳定运行。时确保风力发电机系统的正常稳定运行。时确保风力发电机系统的正常稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种风机转子动能控制功率平滑方法


[0001]本专利技术涉及风电
，具体而言涉及一种风机转子动能控制功率平滑方法。

技术介绍

[0002]为了建立更清洁、更经济的能源结构，风能转换系统正越来越受到关注。然而，随着风电渗透率的不断提高，输出功率的不稳定性已成为导致电网条件异常和限制风力发电的严重问题。由于风能与风速的立方成正比，风力发电机的输出功率随风速的变化而波动。为了提高风力发电系统并网电能质量，满足并网要求，需要使风电机组的输出功率尽量平滑。平滑风机的输出功率波动，对于保证电网运行的稳定性，特别是对于电网相对薄弱的孤岛系统场景，具有重要意义。
[0003]目前，平抑风机输出功率波动的方法大体可分为两类。第一类称为间接功率控制策略，通过包括电池、飞轮、超级电容器等在内的储能系统(ESS)实现。这种方法的实质是利用储能装置的快速充放电特性补偿风电波动的输出功率，以实现平稳的有功输出。然而，此类储能装置的引入将大大增加整个风力发电系统的运行和维护成本。第二类是直接功率控制策略。该策略旨在利用风机自身的调节能力进行功率平滑，相比于间接功率控制，不需要额外的储能装置，减少了系统成本。风机自身的功率平滑能力由以下部分组成：直流母线电压控制、桨距角控制和转子动能控制。转子动能控制将风机的转子当作虚拟的储能装置，利用转子旋转动能的存储和释放来平滑系统输出功率，与其他两种方法相比避免了直流电压波动过大及频繁变桨距带来的机械应力等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的不足，以转子动能控制为基础，提供一种基于低通滤波和模糊逻辑的风机转子动能控制功率平滑方法，通过对传统最大功率跟踪方式进行传递函数分析，合理设计一阶低通滤波器以平抑功率波动。同时设计了模糊控制器生成比例系数k以考虑非最大功率跟踪控制(MPPT)运行带来的功率缺额，在平抑输出功率波动的同时确保风力发电机系统的正常稳定运行。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术实施例提出了一种风机转子动能控制功率平滑方法，所述平滑方法以转子动能控制为基础，基于低通滤波和模糊逻辑对风机输出功率进行平滑处理，该平滑方法包括以下步骤：
[0007]S1：根据风机参数推算风机在最大功率跟踪控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数；
[0008]S2：设计一阶低通滤波器对最大风功率进行数字平滑处理，结合平滑效果和平滑能力，使其时间常数在大于最大功率跟踪控制的固有滤波时间常数的同时，与固有滤波时间常数保持在同一个数量级；
[0009]S3：考虑非最大功率跟踪控制运行的带来的功率缺额，以转速和转速变化率为依
据设计双输入单输出的模糊逻辑控制器，输入量为转速和转速变化率，输出量为比例系数k；
[0010]S4：给定风机合适的有功参考值以平滑功率波动，有功参考值设置为最大风功率级联所设计的一阶低通滤波器，并将系数k乘入有功参考值中以保证风机的稳定运行。
[0011]进一步地，步骤S1中，根据风机参数推算风机在最大功率跟踪控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数的过程包括以下步骤：
[0012]S11，设风力发电机的运动方程为：
[0013][0014]式(1)中，J为转子的转动惯量，ω为转子的角速度，T
w
为风力机机械转矩，T
e
为发电机电磁转矩；
[0015]S12，以功率来表示，将式(1)改写成：
[0016][0017]式(2)中，P
w
为风力机机械功率，P
e
为发电机电磁功率；P
w
的表达式为：
[0018][0019]其中ρ为空气密度，R为风机桨叶半径，C
p
是风能利用系数，由叶尖速比λ和桨距角β共同决定；叶尖速比λ的定义如下：
[0020]λ＝ωR/v
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]式(4)中v是风速；
[0022]S13，在额定风速以下风机采用最大功率跟踪控制，桨距角设置为0，风能利用系数C
p
只和叶尖速比λ有关；当取得最佳叶尖速比λ
opt
时，风能利用系数达到最大值C
pmax
；风力机能捕获到的最大风功率为：
[0023][0024]在最大功率跟踪控制下，电磁功率P
e
参考值设定为：
[0025][0026]式(6)中，K
opt
是最大功率跟踪系数，和风机参数有关；
[0027]S14，对P
w
和P
e
分别进行线性化得到：
[0028][0029][0030]式中v＝v0，ω＝ω0表示参数的稳态值；
[0031]S15，对式(2)进行小扰动线性化分析得到：
[0032][0033]S16，将式(7)和式(8)代入(9)，并对等式两边做Laplace变换，得到最大功率跟踪
控制下风速到转速的传递函数为：
[0034][0035]在最大功率跟踪控制下，从转速角度系统对于风速的波动起到一个一阶低通滤波器的效果，由式(10)可知，滤波时间常数与转动惯量成正比，和最大功率跟踪系数K
opt
及稳态转速ω0成反比；由于输出电磁功率和转速的立方成正比，根据式(6)输出功率相比于最大风功率也会得到平滑。
[0036]进一步地，步骤S3中，以转速和转速变化率为依据设计双输入单输出的模糊逻辑控制器的过程包括：
[0037]将转速划分为极大、很大、大、中、小、很小和极小七个区间，分别用EB、VB、B、M、S、VS和ES表示；
[0038]将转速变化率分为正和负两个区间，用P和N表示；
[0039]模糊控制器输出为小于1的比例系数k，范围设定为[0.8，1]，也划分为EB、VB、B、M、S、VS和ES七个区间。
[0040]进一步地，步骤S4中，将设计的低通滤波器和模糊控制输出k级联在最大风功率之后，给定风机输出有功参考值为：
[0041][0042]本专利技术公开了一种基于低通滤波和模糊逻辑的风机转子动能控制功率平滑方法，包括以下步骤：S1：根据风机参数推算其在传统最大功率跟踪(MPPT)控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数；S2：设计一阶低通滤波器对最大风功率进行数字平滑处理，使其时间常数大于MPPT控制的固有时间常数，以取得更好的平滑效果。但考虑到风机有限的动能存储，低通滤波参数应结合平滑效果和平滑能力两方面进行考量；S3：由于需要转速更大幅度的上升和下降来实现旋转动能的存储和释放，因此必须考虑非MPPT运行的带来的损失，以转速和转速变化率为依据设计双输入单输出的模糊逻辑控制器，输出量为比例系数k；S4：给定风机合适的有功参考值以平滑功率波动，参考值设置为最大风功率级联所设计的一阶低通滤波器，并将模糊控制器生成的功率缺额系数k乘入有功参考值中以保证风机的稳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风机转子动能控制功率平滑方法，其特征在于，所述平滑方法以转子动能控制为基础，基于低通滤波和模糊逻辑对风机输出功率进行平滑处理，该平滑方法包括以下步骤：S1：根据风机参数推算风机在最大功率跟踪控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数；S2：设计一阶低通滤波器对最大风功率进行数字平滑处理，结合平滑效果和平滑能力，使其时间常数在大于最大功率跟踪控制的固有滤波时间常数的同时，与固有滤波时间常数保持在同一个数量级；S3：考虑非最大功率跟踪控制运行的带来的功率缺额，以转速和转速变化率为依据设计双输入单输出的模糊逻辑控制器，输入量为转速和转速变化率，输出量为比例系数k；S4：给定风机合适的有功参考值以平滑功率波动，有功参考值设置为最大风功率级联所设计的一阶低通滤波器，并将系数k乘入有功参考值中以保证风机的稳定运行。2.根据权利要求1所述的风机转子动能控制功率平滑方法，其特征在于，步骤S1中，根据风机参数推算风机在最大功率跟踪控制下的波动平抑效果，计算出固有滤波时间常数的过程包括以下步骤：S11，设风力发电机的运动方程为：式(1)中，J为转子的转动惯量，ω为转子的角速度，T
w
为风力机机械转矩，T
e
为发电机电磁转矩；S12，以功率来表示，将式(1)改写成：式(2)中，P
w
为风力机机械功率，P
e
为发电机电磁功率；P
w
的表达式为：其中ρ为空气密度，R为风机桨叶半径，C
p
是风能利用系数，由叶尖速比λ和桨距角β共同决定；叶尖速比λ的定义如下：λ＝ωR/v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式(4)中v是风速；S13，在额定风速以下风机采用最大功率跟踪控制，桨距角设置为0，风能利用系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑛，王志聪，滕德红，卫志农，孙国强，臧海祥，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：