本發(fā)明涉及基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法。屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)機(jī)最大功率點跟蹤算法(maximum power point tracking，MPPT)有尖速比法、最優(yōu)力矩法、功率信號反饋法、爬山法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等，對于轉(zhuǎn)動慣量大且葉輪參數(shù)已知的大中型機(jī)組，通常采用功率信號反饋法。

在風(fēng)電機(jī)組的跟蹤控制中，通常認(rèn)為空氣密度不變，但實際上風(fēng)機(jī)所處的不同溫度、海拔高度、氣壓和濕度會導(dǎo)致空氣密度隨時間波動。

目前，大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組制造商在選擇風(fēng)電機(jī)組的控制策略時，僅根據(jù)風(fēng)電場年平均空氣密度來確定機(jī)組最優(yōu)控制策略，很少考慮溫度和濕度變化對風(fēng)電機(jī)組輸出功率產(chǎn)生的影響，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率達(dá)不到廠家設(shè)計的最優(yōu)輸出功率值。有文獻(xiàn)給出了一種考慮高度和溫度的自適應(yīng)空氣密度變化的風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制方法。但該方法沒有考慮濕度和風(fēng)機(jī)損耗的影響，沒有給出分析環(huán)境因素對風(fēng)機(jī)功率信號反饋算法的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的采用風(fēng)電機(jī)組最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制的方法對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制，往往風(fēng)電機(jī)組輸出功率達(dá)不到廠家設(shè)計的最優(yōu)輸出功率值，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低的問題?，F(xiàn)提供基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法。

基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、通過實驗或者仿真得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線；

步驟二、根據(jù)氣象資料或安裝傳感器實時得到機(jī)艙外溫度和相對濕度，結(jié)合風(fēng)機(jī)的海拔高度，對步驟一中的最優(yōu)功率曲線進(jìn)行修正，獲得修正系數(shù)K；

步驟三、利用步驟二中的修正系數(shù)和步驟一中的標(biāo)準(zhǔn)溫度下的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，得到修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率；

步驟四、根據(jù)步驟三中修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率計算風(fēng)機(jī)電磁力矩參考值，進(jìn)而計算D軸轉(zhuǎn)子電流參考值，將該D軸轉(zhuǎn)子電流參考值輸入變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制，從而在環(huán)境因素干擾的情況下實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明考慮了環(huán)境因素中溫度和濕度對風(fēng)機(jī)的影響，根據(jù)環(huán)境中的濕度和溫度，對標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線進(jìn)行修正，得到修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，根據(jù)該修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率計算風(fēng)機(jī)電磁力矩參考值，進(jìn)而計算D軸轉(zhuǎn)子電流參考值，將該D軸轉(zhuǎn)子電流參考值輸入變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制從而在環(huán)境因素干擾的情況下實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制。采用該方法能夠使風(fēng)電機(jī)組輸出功率達(dá)到廠家設(shè)計的最優(yōu)輸出功率值，得到更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

附圖說明

圖1為設(shè)計環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法的原理示意圖；

圖2為設(shè)計環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法的流程圖；

圖3為風(fēng)電場系統(tǒng)單線示意圖；

圖4為對圖3中的風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組輸入的風(fēng)速圖；

圖5為考慮環(huán)境因素和不考慮環(huán)境因素下的風(fēng)能利用系數(shù)隨時間變化的曲線對比圖，附圖標(biāo)記1表示1.2倍標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，考慮環(huán)境因素變化下的MPPT方法的風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖，附圖標(biāo)記2表示1.2倍標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，原有MPPT方法的風(fēng)能利用系數(shù)曲線圖；

圖6為考慮環(huán)境因素和不考慮環(huán)境因素下的風(fēng)機(jī)輸出功率隨時間變化的曲線對比圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1至圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、通過實驗或者仿真得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線；

步驟二、根據(jù)氣象資料或安裝傳感器實時得到機(jī)艙外溫度和相對濕度，結(jié)合風(fēng)機(jī)的海拔高度，對步驟一中的最優(yōu)功率曲線進(jìn)行修正，獲得修正系數(shù)K；

步驟三、利用步驟二中的修正系數(shù)和步驟一中的標(biāo)準(zhǔn)溫度下的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，得到修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率；

步驟四、根據(jù)步驟三中修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率計算風(fēng)機(jī)電磁力矩參考值，進(jìn)而計算D軸轉(zhuǎn)子電流參考值，將該D軸轉(zhuǎn)子電流參考值輸入變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制，從而在環(huán)境因素干擾的情況下實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)的控制。

本實施方式在Matlab/simulink中建立了基于功率信號反饋方法的雙饋機(jī)組在風(fēng)電場模型，圖3是風(fēng)電場算例的結(jié)構(gòu)示意圖。該風(fēng)電場由100臺2兆瓦雙饋風(fēng)電機(jī)組組成，假定所有機(jī)組感受相同的風(fēng)速，采用一臺等值風(fēng)電機(jī)組表征風(fēng)電場模型，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)機(jī)端負(fù)荷和變壓器(110kV/690V)連接到外部電網(wǎng)。風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)見表1。

表1風(fēng)電機(jī)組電氣參數(shù)

為了驗證環(huán)境因素對風(fēng)機(jī)MPPT(最大功率跟蹤)的影響，假定環(huán)境因素變化，使得空氣密度由標(biāo)準(zhǔn)空氣密度增加到1.2倍標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。分別進(jìn)行下列兩種情況的仿真，第一種情況為：1.2倍標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，原有MPPT控制(即MPPT采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度時的基于功率信號反饋方法)；第二種情況為：1.2倍標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，根據(jù)公式1至公式3，采用考慮環(huán)境因素變化的MPPT控制。輸入風(fēng)速見圖4，仿真時間60秒，圖5和圖6分別給出了兩種情況下風(fēng)能利用系數(shù)和風(fēng)機(jī)輸出功率的特性曲線(取系統(tǒng)穩(wěn)定后10到60秒)。

結(jié)合圖5和圖6可以看出，圖5中的第一種情況的風(fēng)能利用系數(shù)較低。注意到當(dāng)風(fēng)速變化期間，第一種情況風(fēng)能利用系數(shù)相對較高的原因是此時風(fēng)機(jī)輸出較低，加速了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的跟蹤速度。從圖6的風(fēng)機(jī)輸出功率可以看出考慮環(huán)境因素變化的MPPT控制相比不考慮環(huán)境因素變化的情況將獲得更大的輸出功率，從而證實了計及環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法可以獲得更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。

本實施方式中，具體實施時需要考慮傳感器的檢測誤差和避免空氣密度變化的頻繁動作，為此給出的流程如圖2所示。步驟一中的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下指標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和標(biāo)準(zhǔn)溫度下。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，步驟一中，通過實驗或者仿真得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線的具體過程為：

步驟一一、根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的數(shù)學(xué)關(guān)系確定最優(yōu)葉尖速比；

步驟一二、通過實驗或者仿真，對風(fēng)機(jī)分別輸入N m/s的風(fēng)速，其中，N取5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s、10m/s、11m/s、12m/s，改變最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，觀察葉尖速比；

步驟一三、當(dāng)步驟一二中的葉尖速比等于步驟一一中的最優(yōu)葉尖速比時，記錄此時的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和參考有功功率；

步驟一四、根據(jù)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和參考有功功率采用插值法等量分配最優(yōu)功率曲線的各控制點，從而得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線。

本實施方式中，步驟一一中的根據(jù)風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的數(shù)學(xué)關(guān)系確定最優(yōu)葉尖速比，即為風(fēng)能利用系數(shù)最大時對應(yīng)的葉尖速比。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，步驟二中，根據(jù)氣象資料或安裝傳感器實時得到機(jī)艙外溫度和相對濕度，結(jié)合風(fēng)機(jī)的海拔高度，對步驟一中的最優(yōu)功率曲線進(jìn)行修正，獲得修正系數(shù)的具體過程為：

當(dāng)溫度小于等于30℃時，不考慮濕度的影響，修正系數(shù)K為：

式中，表示實際溫度下的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，表示標(biāo)準(zhǔn)溫度下的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率，ρ₁為下的空氣密度，ρ₀為標(biāo)準(zhǔn)溫度下的空氣密度，常溫為15℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度T₀為15+273.15＝288.15℃，L為0.0065K/m，H為高度，單位為m，R為8.31447J/(mol.K)，g為9.80665m/s²，M為0.0289644kg/mol，T_C為實際溫度；

當(dāng)溫度大于30℃時，同時考慮溫度和濕度的影響，修正系數(shù)K為：

式中，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P₀為101325Pa，C₀為6.1078，C₁為7.5，C₂為237.3，相對濕度定義為實際水蒸氣壓力和飽和水蒸氣壓力的比值，計為PH％。

本實施方式中，不考慮濕度的影響，得到的修正系數(shù)K和同時考慮溫度和濕度的影響，得到的修正系數(shù)K，判斷兩種K值是否超過動作閾值，如果是，則更新K值，如果否，則K值保持不變，然后將判斷后的K值應(yīng)用到步驟三中。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一或三所述的基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，步驟三中，結(jié)合步驟二中的修正系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的最優(yōu)功率曲線，得到修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率的具體過程為：

公式1中得到的修正系數(shù)K和公式2中得到的修正系數(shù)K分別乘以標(biāo)準(zhǔn)溫度下的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率得到修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率為：

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一所述的基于環(huán)境因素的風(fēng)機(jī)功率信號反饋方法作進(jìn)一步說明，本實施方式中，步驟四中，根據(jù)步驟三中修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率計算風(fēng)機(jī)電磁力矩參考值，進(jìn)而計算D軸轉(zhuǎn)子電流參考值的具體過程為：

根據(jù)修訂后的最優(yōu)功率曲線的參考有功功率結(jié)合公式：

獲得風(fēng)機(jī)電磁力矩參考值T_ref，

式中，ω_r為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，

進(jìn)而得到輸入變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)控制的D軸轉(zhuǎn)子電流參考值I_{dr_ref}為：

式中，U_d為d軸電壓。