[發明專利]一種基于測量風速的風力發電機組最大風能捕獲方法

有效

• 申請號: 202010146029.6
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111336062B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 王灑;魏慶海;蔡高原;趙瓊婧;李彬
• 申請（專利權）人: 中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院
• 主分類號: F03D7/00
• 分類號: F03D7/00
• 代理公司: 鄭州中鼎萬策專利代理事務所(普通合伙) 41179
• 代理人: 林新園

1.一種基于測量風速的風力發電機組最大風能捕獲方法，其特征在于，該方法將測量風速引入轉速控制過程結合測量風速的平均值快速定位至最優轉速區間，通過轉速主動控制使風機快速過渡到最大功率點附近，縮短了轉速尋優迭代時長，同時控制器會將尋找到的最優運行點的記錄下來作為下次轉速判斷的依據，進一步提高了實際最佳葉尖速比的精度；由于風機在運行過程中的最優轉速受風速變化影響，但轉速相對于風速變化具有明顯的滯后性，因此，通過測量風速的低頻風量，將風速的變化速率作為前饋補償分量引入最優轉速控制，能夠做到超前控制，有效縮短風機對于風速變化的響應時長，提高最大風能捕獲階段的動態追蹤能力，具體包括以下步驟：

A、通過風機控制器監測最近n個采樣周期，并獲取采樣時間內的功率、轉速和風速，同時將風速信號進行濾波后得到風速低頻風量，根據轉速和風速低頻風量計算當前葉尖速比λ：

式中：R為葉片長度，ω為當前轉速，V_ave為最近n個采樣周期內的風速低頻風量平均值；

通過風機最近一次運行在最大功率點時對應的轉速和風速低頻風量平均值計算最優葉尖速比λ_opt：

式中：R為葉片長度，ω_opt為風機上次運行在最大功率點時對應的轉速，V_opt為風機上次運行在最大功率點時對應的風速低頻風量平均值，具體為最大功率點所在時刻倒推n個采樣周期內的風速低頻分量平均值；

將當前葉尖速比λ與最優葉尖速λ_opt進行比較，若誤差值小于葉尖速比給定誤差ε_λ，則認為風機當前時刻k的轉速ω(k)置于最優轉速區間，否則，根據下式調節風機的當前時刻的轉速ω(k)，使其快速定位至最優運行點轉速區間內：

式中：ω(k)為當前時刻k風機的轉速，V_ave(k)為當前時刻k的風速低頻風量平均值，ω_opt為上次運行在最大功率點時對應的轉速，V_opt為上次運行在最大功率點時對應的風速低頻風量平均值；

B、計算最近2n個采樣周期內，后n個周期與前n個周期內輸出功率平均值的差額ΔP(k)，并根據ΔP(k)的符號確定搜索步長的方向：

式中，P_i(k)為k時刻前第i個周期內的功率值，P_i(k-1)為k-1時刻前第i個周期的功率值，Δω(k)為第k時刻相對于前一時刻的轉速增量，Δω為轉速變化步長；

同時為了提高計算速度，采用自適應變步長的方法調節搜索步長，轉速變化步長Δω大小與當前功率梯度大小相關：

式中，ΔP(k-1)為k-1時刻相對于前一時刻的功率增量；Δω(k-1)為k-1時刻相對于前一時刻的轉速增量，K_ω為轉速增量比例系數；

C、為了補償風速變化造成的最優轉速值波動，將低頻風速變化速率作為補償值調節轉速變化，進而得到迭代后轉速受控值，得到k+1時刻的轉速，即：

式中：ω(k+1)為k+1時刻風機的轉速，ω(k)為當前時刻k風機的轉速，Δω(k)為k時刻轉速變化增量，為低頻風速變化速率；K_v為風速變化速率比例系數；

從風機控制器采集k+1時刻和k時刻的功率值，計算迭代后的功率增量：

ΔP(k+1)＝P(k+1)-P(k) (8)

式中：P(k)為k時刻的功率值，P(k+1)為k+1時刻的功率值，ΔP(k+1)為k+1時刻的功率增量；若功率增量ΔP(k+1)小于給功率增量給定誤差值ε_P，則將k+1時刻的轉速ω(k+1)和平均風速V_ave(k+1)記錄為最優葉尖速比的估計值并存入控制系統，再次轉入迭代，否則將直接返回迭代：

式中：ω_opt為更新后風機最大功率點對應的轉速值，作為下次迭代過程的參考量代入式(3)；V_opt為更新后風機最大功率點對應的風速低頻分量平均值，作為下次迭代過程的參考；量代入式(3)；

通過上述步驟的尋優過程，從而快速實現變風速情況下的最大風能捕捉。