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一种风力发电机组最佳风能捕获方法

阅读：1024发布：2020-11-28

IPRDB可以提供一种风力发电机组最佳风能捕获方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种风力发电机组最佳风能捕获方法，该方法以转速-转矩表法为基础，结合爬山搜索法确定风力发电机组合适转速，实现最佳风能捕获；同时，结合长时间数据统计，对转速-转矩表进行微调，缩短系统确定最佳转速的时间，增加了机组发电量；本发明简单、计算量小，而且统计机组对每次相应转速下施加的最终转矩扰动值，在转矩长时间向特定方向调整时，控制器对转速-转矩表进行微调，减少寻找最优转速时间。，下面是一种风力发电机组最佳风能捕获方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种风力发电机组最佳风能捕获方法，其特征是：包括以下步骤：（1）基于最佳尖速比计算风力发电机组风轮转速与发电机转矩的关系曲线，即转速-转矩表；（2）风力发电机组的控制器固化转速-转矩表，实现风能追踪；（3）采用爬山搜索法对转速-转矩控制方案进行修正；

（4）统计机组对每次相应转速下施加的最终转矩扰动值，在转矩长时间向特定方向调整时，控制器对转速-转矩表进行微调，减少寻找最优转速时间。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组最佳风能捕获方法，其特征是：所述步骤（1）中，具体步骤如下： a)计算特定风速下对应最佳风能捕获时的风轮转速W；由W，结合机组齿轮箱变比，获得机组发电机转速R；计算公式如式（2）其中，Rw为风轮半径，W为风轮转速，V为风速；

b)由风电场平均空气密度ρ，结合式（1），计算机组在特定风速下吸收的最大机械能Pm； c)由机组吸收的最大机械能Pm，结合机组的转换效率η，得出机组发出最大电功率Pe； Pe=η*Pm （3）

d)由Pe与发电机转速R、转矩T，获得特定风速下对应的转矩T，如公式（4）所示，式中A为常数； Pe=A*R*T。（4）。

3.如权利要求1所述的一种风力发电机组最佳风能捕获方法，其特征是：所述步骤（3）中，具体方法为：在风力发电机组转矩控制值上增加转扰动值Δω，并观测功率的变化，若功率增加，则扰动的方向不变，否则，改变扰动方向。

4.如权利要求3所述的一种风力发电机组最佳风能捕获方法，其特征是：所述步骤（3）中，对Δω的取值引入反馈和比例控制环节，增加控制的稳定性，减少调节时间，通过式（5）、（6）方式计算Δω的值：其中Kt为比例系数、P(K)为第K次调节后机组功率值、P(K-1)为第K-1次调节后机组功率值、ΔP(K)为第K次调节后机组功率变化值、Δω(K+1)为第K+1次转矩扰动值；依据功率P-转速W曲线，任何风速下，在P值最大点上有：由此，设置P0，当|ΔP(K)|＜Pb时，取Kt=0，防止超调现象出现。

说明书全文

一种风力发电机组最佳风能捕获方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风电领域，尤其涉及一种风力发电机组最佳风能捕获方法。

背景技术

[0002] 风力发电过程为：风力发电机组通过叶片吸收风能，将风能转换为机械能并通过主轴、齿轮箱（部分机组没有）传递给发电机，发电机将机械能转换为电能，通过变流器、箱式变电站将电能输送到电网。

[0003] 风力发电机组输出电能的多少与其捕获风能的多少有密切的关系。风力发电机组工作在额定风速以下时，提高机组风能捕获能力，可以使机组捕获更多的风能，将更多的风能转换为电能，提高机组的发电量。

发明内容

[0004] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种风力发电机组最佳风能捕获方法，该方法以转速-转矩表法为基础，结合爬山搜索法确定风力发电机组合适转速，实现最佳风能捕获；同时，结合长时间数据统计，对转速-转矩表进行微调，缩短系统确定最佳转速的时间，增加机组工作在最佳风能捕获状态的时间，从而增加了机组发电量。

[0005] 本发明的工作原理为：风力发电机组正常运行时吸收风能而产生的机械功率与风速关系如下：

[0006]

[0007] 式中：Pm为机械功率，ρ为空气密度，A为风轮扫略面积，Cp为风能利用系数，V为风速。

[0008] 机组运行过程中，（1）式中ρ，A为固定值，不受机组控制影响，因此可知，在风速V一定的情况下，提高风力发电机组捕获风能的途径就是提高风能利用系数CP。风能利用系数CP与风力发电机组叶片顶端线速度与风速的比值（叶尖速比）λ，桨距角β有密切关系；在额定风速以下时，桨距角β保持为0，可以通过调整叶尖速比λ实现最佳风能捕获。

[0009] 通常情况下，风力发电机组设计之初会通过仿真计算出机组最佳尖速比，在机组实际的运行中，控制机组实际尖速比无限靠近最佳尖速比即可实现最佳风能捕获。

[0010] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0011] 一种风力发电机组最佳风能捕获方法，包括以下步骤：

[0012] （1）基于最佳尖速比计算风力发电机组风轮转速与发电机转矩的关系曲线，即转速-转矩表；

[0013] （2）风力发电机组的控制器固化转速-转矩表，实现风能追踪；

[0014] （3）采用爬山搜索法对转速-转矩控制方案进行修正；

[0015] （4）统计机组对每次相应转速下施加的最终转矩扰动值，在转矩长时间向特定方向调整时，控制器对转速-转矩表进行微调，减少寻找最优转速时间。

[0016] 所述步骤（1）中，具体步骤如下：

[0017] a)计算特定风速下对应最佳风能捕获时的风轮转速W；由W，结合机组齿轮箱变比，获得机组发电机转速R；计算公式如式（2）

[0018]

[0019] 其中，Rw为风轮半径，W为风轮转速，V为风速；

[0020] b)由风电场平均空气密度ρ，结合式（1），计算机组在特定风速下吸收的最大机械能Pm；

[0021] c)由机组吸收的最大机械能Pm，结合机组的转换效率η，得出机组发出最大电功率Pe；

[0022] Pe=η*Pm（3）

[0023] d)由Pe与发电机转速R、转矩T，获得特定风速下对应的转矩T，如公式（4）所示，式中A为常数；

[0024] Pe=A*R*T。（4）

[0025] 所述步骤（3）中，具体方法为：在风力发电机组转矩控制值上增加转扰动值Δω，并观测功率的变化，若功率增加，则扰动的方向不变，否则，改变扰动方向。

[0026] 所述步骤（3）中，对Δω的取值引入反馈和比例控制环节，增加控制的稳定性，减少调节时间，通过式（5）、（6）方式计算Δω的值：

[0027]

[0028] 其中Kt为比例系数、P(K)为第K次调节后机组功率值、P(K-1)为第K-1次调节后机组功率值、ΔP(K)为第K次调节后机组功率变化值、Δω(K+1)为第K+1次转矩扰动值；依据功率P-转速W曲线，任何风速下，在P值最大点上有：由此，设置Pb，当|ΔP(K)|＜Pb时，取Kt=0，防止超调现象出现。

[0029] 本发明的有益效果为：方法简单、实用，以转速-转矩表法为基础，结合爬山搜索法确定风力发电机组合适转速，实现最佳风能捕获；同时，结合长时间数据统计，对转速-转矩表进行微调，缩短系统确定最佳转速的时间，增加了机组发电量。

附图说明

[0030] 图1为本发明的爬山搜索法流程图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

[0032] 风力发电机组正常运行时吸收风能而产生的机械功率与风速关系如下：

[0033]

[0034] 式中：Pm为机械功率，ρ为空气密度，A为风轮扫略面积，CP为风能利用系数，V为风速。

[0035] 机组运行过程中，（I）式中ρ，A为固定值，不受机组控制影响，因此可知，在风速V一定的情况下，提高风力发电机组捕获风能的途径就是提高风能利用系数CP。风能利用系数CP与风力发电机组叶片顶端线速度与风速的比值（叶尖速比）λ，桨距角β有密切关系；在额定风速以下时，桨距角β保持为0，可以通过调整叶尖速比λ实现最佳风能捕获。

[0036] 通常情况下，风力发电机组设计之初会通过仿真计算出机组最佳尖速比，在机组实际的运行中，控制机组实际尖速比无限靠近最佳尖速比即可实现最佳风能捕获。

[0037] 该方法首先基于最佳尖速比计算风力发电机组转速-转矩表，即风力发电机组风轮转速与发电机转矩的关系曲线，计算步骤如下：

[0038] a)计算特定风速下对应最佳风能捕获时的风轮转速W。由W，结合机组齿轮箱变比（如有）可获得机组发电机转速R。计算公式如式（II）

[0039]

[0040] 其中，Rw为风轮半径，W为风轮转速，V为风速。

[0041] b)由风电场平均空气密度ρ，结合式（I），计算机组在特定风速下吸收的最大机械能Pm。

[0042] c)由机组吸收的最大机械能Pm，结合机组的转换效率η，可得出机组发出最大电功率Pe。

[0043] d)由Pe与发电机转速R、转矩T的关系可获得此风速下对应的转矩T。

[0044] 由此，便获得了转速-转矩表，转速转矩表得出后，被固化在风力发电机组控制器中，机组在运行时依据风轮转速通过查表获得转矩值，实现风能追踪。

[0045] 通常情况下，空气密度以年为单位在ρ±Δρ范围内变动（尤其是在冬夏季温差明显的地区），在风电场空气密度发生变化时，便需要在转速-转矩表控制的基础上加以修正，以确保风力发电机组对风能的捕获。

[0046] 本方案采用爬山搜索法对转速-转矩控制方案进行修正，具体如下：在风力发电机组转矩控制值上增加转扰动值Δω，并观测功率的变化，若功率增加，则扰动的方向不变，否则，改变扰动方向，算法流程如图1所示。

[0047] 控制中，对Δω的取值引入反馈和比例控制环节，增加控制的稳定性，减少调节时间，通过式（III）、（IV）方式计算Δω的值。

[0048]

[0049] 其中Kt为比例系数，依据P（功率）-W（转速）曲线，特定风速下，在P值最大点上有：由此，设置Pb，当|ΔP(K)|＜Pb时，取Kt=0，防止超调现象出现。

[0050] 由此，机组可确保运行在最佳Cp值附近，实现最佳风能捕获。

[0051] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

标题	发布/更新时间	阅读量
风力发电机组-专利编号CN109944746A	2020-05-11	754
风力发电机组-专利编号CN103470453B	2020-05-13	208
风力发电机组-专利编号CN106762465B	2020-05-11	75
风力发电机组-专利编号CN102889182B	2020-05-12	315
风力发电机组-专利编号CN103470453A	2020-05-13	215
风力发电机组-专利编号CN102619699A	2020-05-13	62
风力发电机组-专利编号CN107420274A	2020-05-12	662
风力发电机组-专利编号CN107255065A	2020-05-12	648
风力发电机组-专利编号CN109751193A	2020-05-11	921
风力发电机组-专利编号CN108005862A	2020-05-11	665

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