面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，包括以下内容：基于传统OTR方法的基本原理，风电机组控制器在电磁转矩指令中引入气动转矩与最优转矩之差的补偿回路，根据当前风速测量值与风轮加速度信号对补偿回路中的补偿系数进行动态调整，以此来调节不同风速下的转矩误差补偿量，从而重点增强风电机组在高风速区域的MPPT性能。相比于采用恒定补偿系数的传统OTR方法，本发明专利技术所提方法能够以较小的载荷代价获得较多的风能捕获量。获量。

【技术实现步骤摘要】
面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法


[0001]本专利技术属于风电机组MPPT控制
，特别是一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)控制方法。

技术介绍

[0002]MPPT是额定风速以下风电机组的主要运行模式，提升MPPT效率具有重要意义。最常见的MPPT方法为最优转矩(Optimal Torque，OT)法，该方法基于最优转矩曲线对输出电磁转矩进行控制，通过气动转矩与电磁转矩之间的不平衡转矩使得风轮加减速，逐渐收敛至最大功率点。该策略简单且电磁转矩较为平稳，是目前产业化大型风电机组应用最为广泛的MPPT方法。
[0003]实际风电机组运行在湍流风速下，大多数情况下处于跟踪过程中而非稳态工作点，导致基于稳态最优转矩曲线设计的OT方法风能捕获效果不佳，需从跟踪动态视角对其进行改进。通过在OT方法的电磁转矩指令基础上附加额外的转矩，能够使得气动转矩与电磁转矩间的不平衡转矩进一步增大，从而提升跟踪动态性能。代表性的方法有恒带宽控制、惯量补偿控制和最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)控制。其中，OTR方法的附加转矩是通过在电磁转矩指令中引入关于气动转矩与最优转矩之差的补偿量，并通过改变补偿系数调节附加转矩的大小。OTR方法虽然可以通过设置一个较大的补偿系数来增加转矩补偿量，进而提高风能捕获效率，但这也造成了更为强烈的电磁转矩波动，并伴随风电机组传动链载荷的增大。
[0004]需要注意的是，高风速区域所蕴含的能量远大于低风速区域，这意味着两者之间在跟踪价值上存在区别，在减小同等幅度的跟踪误差的情况下，跟踪高风速所收获的风能捕获增量要显著大于跟踪低风速的，而付出的载荷代价却较为接近。然而，传统OTR方法在任意风速下采用的都是恒定的补偿系数，忽略了高、低风速在跟踪价值上的区别，使相当一部分载荷产生在跟踪价值较低的低风速区域内，并导致转速过多处于低转速区间，降低了跟踪高风速的比重，导致付出较大的载荷代价却未获得理想的风能捕获效率提升效果。目前针对OTR方法的研究中还未考虑到根据风速的跟踪价值来动态调整补偿系数。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的问题，考虑到MPPT控制技术是风电机组的一项重要技术手段，针对传统OTR方法忽略风速跟踪价值而过度关注低风速区域的问题，提出一种改进风电机组OTR控制方法，考虑当前风速条件与风轮加速度大小对补偿系数进行动态调整，重点增强高风速区域的风轮跟踪性能，实现从整体上获得低载荷高效率的控制性能优化效果。
[0006]实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，MPPT运行模式下的风电机组控制器输出电磁转矩指令值为：
[0007]T
e
＝K
opt
ω2‑
G(T
m
‑
K
opt
ω2)
[0008]式中，T
e
为电磁转矩指令；T
m
为气动转矩，计算方式为：T
m
＝0.5ρπR5C
p
(λ)ω2/λ3，其中ρ为空气密度，R为风轮半径，ω为风轮转速，C
p
(λ)为风能利用系数，当桨距角设定为0
°
时仅与叶尖速比λ＝ωR/v有关，v为当前风速值；K
opt
ω2为最优转矩，为最优转矩，为最优叶尖速比λ
opt
对应的最大风能利用系数；G为补偿系数，根据当前风速与风轮加速度信号对其进行动态调整。
[0009]进一步地，根据当前风速与风轮加速度信号对补偿系数G进行动态调整，具体过程包括：
[0010]步骤2
‑
1，风速测量仪对当前瞬时风速进行采样，并将瞬时风速测量值发送给风电机组控制器；同时，风电机组控制器获取此时的风轮加速度信号；
[0011]步骤2
‑
2，风电机组控制器根据所述风速测量值与风轮加速度，对所述补偿系数G进行动态调整，调整公式为：
[0012][0013]式中，为风轮加速度；g1、g2为预先通过风电机组建模与仿真获取的适用于风电机组机型的加权系数。
[0014]进一步地，所述加权系数g1、g2，具体获取方式为：
[0015]步骤3
‑
1，根据风电机组的结构参数与控制参数，预先构建所述风电机组的简化数学模型：
[0016][0017][0018]T
e
＝K
opt
ω2‑
G(T
m
‑
K
opt
ω2)
[0019]步骤3
‑
2，根据IEC61400
‑
1标准要求，生成各类典型风况：依次改变平均风速(4～7m/s，变化步长为1m/s)、湍流强度等级(A、B、C)和积分尺度(100～500m，变化步长为50m)，生成每种风况下各n条持续时间为t1min、风速采样周期为t2s的湍流风速序列；
[0020]步骤3
‑
3，根据额定转矩限制T
eN
确定g1、g2的允许取值范围：设置g1、g2初值均为0，依次改变g1、g2的取值，基于所述风电机组的简化数学模型针对步骤3
‑
2中每一条湍流风速序列进行时域仿真并记录载荷，直至输出电磁转矩超过设定阈值，停止搜索；
[0021]步骤3
‑
4，基于所述风电机组的简化数学模型，针对步骤3
‑
2所述的每一条湍流风速序列，采用传统OTR方法进行时域仿真并记录载荷，
[0022]步骤3
‑
5，计算每组g1、g2所对应的载荷相比于采用传统OTR方法所对应的载荷的平均减载率；
[0023]步骤3
‑
6，在各组g1、g2中，选取平均减载率最高的一组加权系数。
[0024]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0025]1)根据风速和风轮加速度对补偿系数进行动态调整，使得风电机组MPPT更为关注蕴含能量较多、更具跟踪价值的高风速区域，实现了以较小载荷代价获得较多风能捕获量的控制性能优化效果。
[0026]2)上述动态调整方式还考虑了风轮运行状态，在加速阶段提高G以便于风电机组
更快地进入高风速区域；在减速阶段降低G以防止转速过度进入低转速区间、影响后续跟踪效果。
[0027]下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。
附图说明
[0028]图1为改进风电机组MPPT最优跟踪转子控制方法的控制框图。
[0029]图2为本专利技术实施例中OT方法、传统OTR方法与改进风电机组MPPT最优跟踪转子控制方法的转速跟踪轨迹图与补偿系数，其中图(a)为转速跟踪轨迹图，图(b)为补偿系数示意图。
具体实施方式
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，其特征在于，MPPT运行模式下的风电机组控制器输出电磁转矩指令值为：T
e
＝K
opt
ω2‑
G(T
m
‑
K
opt
ω2)式中，T
e
为电磁转矩指令；T
m
为气动转矩，计算方式为：T
m
＝0.5ρπR5C
p
(λ)ω2/λ3，其中ρ为空气密度，R为风轮半径，ω为风轮转速，C
p
(λ)为风能利用系数，当桨距角设定为0
°
时仅与叶尖速比λ＝ωR/v有关，v为当前风速值；K
opt
ω2为最优转矩，为最优转矩，为最优叶尖速比λ
opt
对应的最大风能利用系数；G为补偿系数，根据当前风速与风轮加速度信号对其进行动态调整。2.根据权利要求1所述的面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，其特征在于，根据当前风速与风轮加速度信号对补偿系数G进行动态调整，具体过程包括：步骤2
‑
1，风速测量仪对当前瞬时风速进行采样，并将瞬时风速测量值发送给风电机组控制器；同时，风电机组控制器获取此时的风轮加速度信号；步骤2
‑
2，风电机组控制器根据所述风速测量值与风轮加速度，对所述补偿系数G进行动态调整，调整公式为：式中，为风轮加速度；g1、g2为预先通过风电机组建模与仿真获取的适用于风电机组机型的加权系数。3.根据权利要求1所述的面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，其特征在于，所述加权系数g1、g2，具体获取方式为：步骤3
‑
1，根据风电机组的结构参数与控制参数，预先构建所述风电机组的简化数学模型：型：T
e
＝K
opt
ω2‑
G(T
m
‑
K
opt
ω2)步骤3
‑
2，根据IEC61400
‑
1标准要求，生成各类典型风况：依次改变平均风速、湍流强度等级和积分尺度，生成每种风况下各n条持续时间为t1min、风速采样周期为t2s的湍流风速序列；步骤3
‑
3，根据额定转矩限制T
eN
确定g1、g2的允许取值范围：设置g1、g2初值均为0，依次改变g1、g2的取值，基于所述风电机组的简化数学模型针对步骤3
‑
2中每一条湍流风速序列进行时域仿真并记录载荷，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周连俊，孙雪琨，陈载宇，宋丹丹，霍雨翀，杨飞，赵大伟，殷明慧，卜京，邹云，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：