一種考慮湍流頻率因素的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)控制領(lǐng)域，特別是一種考慮湍流頻率因素的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn) 跟蹤控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 湍流風(fēng)速系指短時(shí)間（通常小于IOmin)內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)，一般理解為由平均風(fēng)速分 量疊加快速變化的湍流分量組成。在風(fēng)電研究中，風(fēng)速湍流分量的特性一般用湍流強(qiáng)度和 功率譜密度函數(shù)來(lái)刻畫(huà)。前者反映了風(fēng)速在平均值附近波動(dòng)的幅值分布；后者則是湍流風(fēng) 速的頻率特征描述，其表征了風(fēng)速在時(shí)間軸上的變化規(guī)律。頻率特征會(huì)隨時(shí)間、地形、風(fēng)力 機(jī)安裝高度而變化。
[0003] 當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)端流頻率會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT)性能造成不容忽視的影響。已有文獻(xiàn)基于周期風(fēng)速推出了風(fēng)能捕獲損失量 的表達(dá)式，明確指出風(fēng)速頻率的增大會(huì)降低風(fēng)能捕獲效率。進(jìn)一步該文獻(xiàn)提出等效頻率指 標(biāo)以刻畫(huà)湍流頻率，并分析湍流頻率對(duì)MPPT性能的影響，得到了與周期風(fēng)速相同的結(jié)果。 現(xiàn)有MPPT方法雖已考慮到湍流風(fēng)速的影響（包括平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度），卻尚未考慮湍流 頻率的影響。
[0004] 基于上述情況，目前迫切需要一種新的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，能夠更 加全面考慮湍流風(fēng)速特性（平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和湍流頻率）。但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)相關(guān)描 述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種考慮湍流頻率因素的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn) 跟蹤控制方法。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種考慮湍流頻率因素的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn) 跟蹤控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1、設(shè)定風(fēng)速采樣周期Tw和起始轉(zhuǎn)速更新周期1\;初始化為風(fēng)力機(jī)MPPT階段 的最低轉(zhuǎn)速為《bgn;
[0008] 步驟2、進(jìn)入新采樣周期Tw，讀取風(fēng)速測(cè)量值，并保存至風(fēng)速采樣值序列，該序列中 采樣到的風(fēng)速測(cè)量值按照時(shí)間進(jìn)行排列；
[0009] 步驟3、判定當(dāng)前起始轉(zhuǎn)速更新周期?；是否結(jié)束，若結(jié)束，則跳至步驟4 ;否則，跳 至步驟2 ;
[0010] 步驟4、確定風(fēng)速采樣值序列的平均值、湍流強(qiáng)度和湍流頻率，代入響應(yīng)面模型求 得最佳起始轉(zhuǎn)速的預(yù)估值，并將風(fēng)力機(jī)MPPT階段的起始轉(zhuǎn)速Wbgn調(diào)整為該值；響應(yīng)面模型 的構(gòu)建的具體方法包括以下步驟：
[0011] 步驟4-1、獲取風(fēng)力機(jī)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，所述風(fēng)力機(jī)參數(shù)具體包括風(fēng)輪半徑R、最 佳葉尖速比、最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpniax，所述環(huán)境參數(shù)為空氣密度P ;
[0012] 步驟4-2、采用湍流風(fēng)速模擬方法，生成對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)速特征指標(biāo)的湍流風(fēng)速序 列，每種風(fēng)速特征指標(biāo)組合對(duì)應(yīng)的風(fēng)速序列數(shù)量均大于10,其中風(fēng)速特征指標(biāo)包括平均風(fēng) 速W、湍流強(qiáng)度TI和積分尺度L ;
[0013] 步驟4-3、確定步驟4-2中每條風(fēng)速序列的湍流頻率ω#，并在每條風(fēng)速序列下對(duì) 風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真，遍歷所有起始轉(zhuǎn)速，確定所有起始轉(zhuǎn)速下的風(fēng)能捕獲比率Pfavg，其中風(fēng)能 捕獲比率Pfavg的最大值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為最佳起始轉(zhuǎn)速;
[0014] 所述求取湍流頻率所用公式為：
[0016] 式中，At為風(fēng)速序列兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，Δν為每個(gè)風(fēng)速序列采樣點(diǎn)與前一 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速的差值，σ為該條風(fēng)速序列風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差，N為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)At的個(gè)數(shù)；
[0017] 所述求取風(fēng)能捕獲比率Pfavg的公式為：
[0019] 式中，η為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的米樣次數(shù)，Tf3為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，V 為風(fēng)速值；
[0020] 步驟4-4、針對(duì)步驟4-2中每種風(fēng)速特征指標(biāo)組合，求取步驟4-3中獲得的風(fēng)速序 列平均風(fēng)速F的平均值、湍流強(qiáng)度TI的平均值和湍流頻率COrff的平均值以及對(duì)應(yīng)的 的 平均值，構(gòu)成一個(gè)樣本數(shù)據(jù)；
[0021] 步驟4-5、根據(jù)樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法求出最佳起始轉(zhuǎn)速與端流風(fēng)速特征指標(biāo) 函數(shù)關(guān)系的參數(shù)，完成響應(yīng)面模型的構(gòu)建，具體為：
[0023] 式中，β0~β 9為響應(yīng)面模型參數(shù)。
[0024] 步驟5、以步驟4確定的風(fēng)力機(jī)MPPT階段的起始轉(zhuǎn)速Cobgn進(jìn)入下一個(gè)更新周期 ?；，清空風(fēng)速采樣值序列，之后執(zhí)行步驟2。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明對(duì)湍流風(fēng)速特征的考慮更為完 善，因?yàn)槿娴目紤]湍流風(fēng)速特征的變化，本發(fā)明面對(duì)變化的湍流風(fēng)況時(shí)具有更好的適應(yīng) 性，能夠獲得更高的風(fēng)能捕獲效率。2)本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地反映最佳起始轉(zhuǎn)速叫落和湍流風(fēng)速 特征指標(biāo)之間的關(guān)系。
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 圖1為本發(fā)明的考慮湍流頻率因素的改進(jìn)功率信號(hào)反饋方法流程圖。
[0028] 圖2為本發(fā)明的不同MPPT方法在風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的Pfavg特性圖，其中（a)為不同MPPT 方法在Weff= o. 45Hz的風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的Pfavg特性圖，（b)為不同MPPT方法在ω eff= o. 25Hz 的風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的Pfavg特性圖。
[0029] 圖3為本發(fā)明的不同MPPT方法預(yù)估及最佳的風(fēng)速時(shí)段內(nèi)的Cobgn特性圖，其中（ a) 為在Weff= 〇. 45Hz的風(fēng)速時(shí)段內(nèi)不同MPPT方法預(yù)估及最佳的ω bgn特性圖，（b)為在ω eff=0. 25Hz的風(fēng)速時(shí)段內(nèi)不同MPPT方法預(yù)估及最佳的cobgn特性圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種考慮湍流頻率因素的風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，包 括以下步驟：
[0031] 步驟1、設(shè)定風(fēng)速采樣周期Tw和起始轉(zhuǎn)速更新周期1\;初始化為風(fēng)力機(jī)MPPT階段 的最低轉(zhuǎn)速為《bgn;
[0032] 步驟2、進(jìn)入新采樣周期Tw，讀取風(fēng)速測(cè)量值，并保存至風(fēng)速采樣值序列，該序列中 采樣到的風(fēng)速測(cè)量值按照時(shí)間進(jìn)行排列；
[0033] 步驟3、判定當(dāng)前起始轉(zhuǎn)速更新周期?；是否結(jié)束，若結(jié)束，則跳至步驟4 ;否則，跳 至步驟2 ;
[0034] 步驟4、確定風(fēng)速采樣值序列的平均值、湍流強(qiáng)度和湍流頻率，代入響應(yīng)面模型求 得最佳起始轉(zhuǎn)速的預(yù)估值，并將風(fēng)力機(jī)MPPT階段的起始轉(zhuǎn)速Wbgn調(diào)整為該值；響應(yīng)面模型 的構(gòu)建的具體方法包括以下步驟：
[0035] 步驟4-1、獲取風(fēng)力機(jī)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，所述風(fēng)力機(jī)參數(shù)具體包括風(fēng)輪半徑R、最 佳葉尖速比、最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpniax，所述環(huán)境參數(shù)為空氣密度P ;
[0036] 步驟4-2、采用湍流風(fēng)速模擬方法，生成對(duì)應(yīng)于不同風(fēng)速特征指標(biāo)的湍流風(fēng)速序 列，每種風(fēng)速特征指標(biāo)組合對(duì)應(yīng)的風(fēng)速序列數(shù)量均大于10,其中風(fēng)速特征指標(biāo)包括平均風(fēng) 速F、湍流強(qiáng)度TI和積分尺度L ;
[0037] 步驟4-3、確定步驟4-2中每條風(fēng)速序列的湍流頻率ω#，并在每條風(fēng)速序列下對(duì) 風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真，遍歷所有起始轉(zhuǎn)速，確定所有起始轉(zhuǎn)速下的風(fēng)能捕獲比率Pfavg，其中風(fēng)能 捕獲比率Pfavg的最大值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為最佳起始轉(zhuǎn)速^S;
[0038] 所述求取湍流頻率所用公式為：
[0040] 式中，Δ t為風(fēng)速序列兩個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，Δ V為每個(gè)風(fēng)速序列采樣點(diǎn)與前一 個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速的差值，σ為該條風(fēng)速序列風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)差，N為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)At的個(gè)數(shù)；
[0041] 所述求取風(fēng)能捕獲比率Pfavg的公式為：
[0043] 式中，η為一個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的米樣次數(shù)，Tf3為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，V 為風(fēng)速值；
[0044] 步驟4-4、針對(duì)步驟4-2中每種風(fēng)速特征指標(biāo)組合，求取步驟4-3中獲得的風(fēng)速序 列平均風(fēng)速7的平均值、湍流強(qiáng)度TI的平均值和湍流頻率ω#的平均值以及對(duì)應(yīng)的C的 平均值，構(gòu)成一個(gè)樣本數(shù)據(jù)；