[發(fā)明專利]一種利用大型風(fēng)力機(jī)慣性的最大風(fēng)能捕獲控制方法

有效

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• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109707565B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 岑麗輝;陳佳;桂凱;陳曉方
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 張勇

本發(fā)明公開了一種利用大型風(fēng)力機(jī)慣性的最大風(fēng)能捕獲控制方法，該方法根據(jù)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法與滑模控制方法的各自特點，在預(yù)知風(fēng)速已知的前提下，設(shè)計了一種切換控制方法，在風(fēng)速上升的過程中利用滑模控制等先進(jìn)控制方法的快速性，在風(fēng)速下降的過程中采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法，利用其緩慢變化的特點，這種切換控制方法的優(yōu)點在于，充分利用不同控制手段的特性，其次，在風(fēng)速下降區(qū)間內(nèi)充分利用了風(fēng)力機(jī)由于慣性而具有的動能來提高在最大風(fēng)能捕獲階段控制的目標(biāo)功率；本發(fā)明的實施例將該切換控制方法與經(jīng)典的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法，滑模控制進(jìn)行對比仿真，驗證了該切換控制方法的有效性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)控制領(lǐng)域，具體地說是一種利用大型風(fēng)力機(jī)慣性的最大風(fēng)能捕獲控制方法。

背景技術(shù)

在低于額定風(fēng)速以下的最大風(fēng)能捕獲控制階段，控制的主要目標(biāo)是盡可能多的從風(fēng)能中提取能量，大多數(shù)文章采用最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制策略，該控制策略是采取不同的控制手段使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速趨近于最優(yōu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。經(jīng)典的控制手段有最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法，除此之外，先進(jìn)控制手段也廣泛研究并運用到風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲控制階段，如滑模控制，預(yù)測控制等。

不同的控制手段有其自身特點，但如果僅僅是基于最大功率點跟蹤策略所采用的控制策略，由于大型風(fēng)力機(jī)自身的轉(zhuǎn)動慣量較大，是無法每時每刻都使風(fēng)力機(jī)處于最優(yōu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速運行狀態(tài)，這就必然導(dǎo)致功率損耗，所提取的能量不是最好的。其次，基于最大功率點跟蹤策略提出的控制方法，其參考最優(yōu)功率僅僅與風(fēng)速相關(guān)，即與風(fēng)速的三次方成正比。這就導(dǎo)致一個嚴(yán)重的問題，一味地跟蹤該參考最優(yōu)功率值忽略了由于慣性而具有的動能。而大型風(fēng)力機(jī)由于其轉(zhuǎn)動慣量較大，由于慣性而具有的動能是不可忽略的一部分，如何利用這動能在大多數(shù)文章中未提及，這導(dǎo)致從風(fēng)能中提取的能量必然有部分損失。

基于上述分析，目前需要急切得到解決的一個關(guān)鍵性問題是：如何利用風(fēng)力機(jī)由于慣性而具有的動能來提高最大風(fēng)能捕獲控制階段的目標(biāo)——盡可能多的從風(fēng)能中提取能量。

發(fā)明內(nèi)容

針對相關(guān)技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種利用大型風(fēng)力機(jī)慣性的最大風(fēng)能捕獲控制方法，該方法在風(fēng)速下降區(qū)間內(nèi)，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法，依靠系統(tǒng)本身的特性進(jìn)行自身調(diào)節(jié)，利用風(fēng)力機(jī)由于慣性而具有的動能，提高此區(qū)間內(nèi)從風(fēng)能中捕獲的能量。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種利用大型風(fēng)力機(jī)慣性的最大風(fēng)能捕獲控制方法，包括以下步驟：

S1：預(yù)知風(fēng)速信息；

S2：離線確定切換區(qū)間、切換點；

S3：在風(fēng)速上升階段，利用先進(jìn)控制方法進(jìn)行快速風(fēng)力機(jī)控制，以進(jìn)行最大功率點跟蹤，在風(fēng)速下降階段，采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法，使風(fēng)力機(jī)保持緩慢變化的特點，利用了風(fēng)力機(jī)由于慣性而具有的動能，提高風(fēng)能捕獲能力。

優(yōu)選地，所述風(fēng)速上升階段的控制方法選擇相對于傳統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)控制方法具有快速性的先進(jìn)控制方法，跟蹤參考值的調(diào)節(jié)時間更短，風(fēng)能捕獲效果更好。

優(yōu)選地，該控制方法基于預(yù)知風(fēng)速已知的前提，所述風(fēng)力機(jī)為單質(zhì)量塊模型，其傳動鏈方程如下：

其中

其中，w_r為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，T_r為風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，T_g為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，即為控制輸入量，J_r，J_g分別為轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)動慣量和發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動慣量，C_r，C_g分別為轉(zhuǎn)子側(cè)阻尼系數(shù)和發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)動慣量，n_g為齒輪箱變速比，C_p為風(fēng)能利用系數(shù)，葉尖速比λ表達(dá)式為：