一種實現風電機組最大功率點跟蹤的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于風電運行控制技術領域，更具體地，涉及一種基于風速前饋爬山算法 的風電機組最大功率點跟蹤方法。
【背景技術】
[0002] 隨著風電裝機容量的日益增大，如何將風能安全、高效地轉換為電能是當前風力 發電研究的熱點問題。風力發電機組在不同風速下具有不同的最大功率點，如何高效、穩 定、快速地捕獲風能，實現最大功率點跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)是 減小棄風的主要技術手段。
[0003] 在風力發電機功率-轉速特性曲線中，每一個風速都唯一對應著一條單峰值曲線。 由曲線可知，某一固定風速下，在最大功率點的左邊，功率隨著轉速的增大單調增加，在最 大功率點的右邊，功率隨著轉速的增大單調減小。由此可知，最大功率點跟蹤控制原理是： 通過某種控制策略或方法，跟蹤這一單峰值特性曲線的極值點。在眾多的最大功率點跟蹤 算法中，爬山法因其算法簡單，易于實現，且不依賴于風速測量和風機特性等優點，得到了 廣泛應用。爬山法(Hill Climbing Searching，HCS)，又稱為擾動觀察法，利用風力機功率-轉速曲線的凸函數特性，通過人為施加轉速擾動(搜索)量，觀察風力機輸出功率增量的大 小及方向，從而確定下一步轉速擾動的步長大小及方向。反復轉入上述搜索策略，最終實現 最大功率點跟蹤。這種爬山法因為步長實時根據每次擾動后的功率變化率進行調整，故又 稱為變步長爬山法，該方法不需要考慮環境風速與風力機輸出功率之間的函數關系，則無 需測量風速，避免過多地依賴系統參數，具有較強的自適應能力。
[0004] 步長的調整是否合理是變步長爬山法搜索速度及控制性能的優劣主要決定因素。 理想的步長調整機制是當風速變化時，采用風速變化所對應的風功率增量對步長進行調 整，以獲取最快的爬山搜索速度。然而由于機組風速的測量僅靠安裝與機艙頂端的風速儀 進行測量，而該風速并不能精確地代表風輪掃掠范圍內的平均風速，因而現有爬山算法沒 有經風速運用于變步長爬山法的步長調整機制中。
[0005] 現有變步長爬山法通過引入功率變化率作為步長調整機制，在一定程度上實現提 高了系統的跟蹤控制性能。但風速變化時，一部分風能轉化為風電機組的功率輸出，另一部 分則通過轉化為機組轉動部件的動能被存儲起來，儀表測量到的機組輸出功率變化量并不 能真實反映風速變化所對應的全部風功率增量，因而基于這種步長調整機制的變步長爬山 法在風電機組的最大功率點跟蹤控制中仍有一定的局限性。
[0006] 中國專利說明書CN 1960159 A中公開了一種功率信號反饋控制與爬山法相結合 的最大功率點跟蹤控制方法。該方法對于風電場的風速狀況要求高，尤其是機組容量越大， 風輪慣性越大，搜索到最大功率點的時間越長，且需不斷修正最大功率曲線，計算工作量較 大。
[0007] 中國專利說明書CN 102242689 A中公開了一種具有擾動停止機制的改進爬山算 法。該專利僅在現有變步長爬山搜索法的基礎上增加了最大功率點處的停止搜索機制，從 而避免了最大功率點處的振蕩現象。但是該方法對步長的調整機制未做改進，在搜索速度 上并未得到提尚。
[0008] 中國專利說明書CN 103244350 A中公開了一種最佳葉尖速比跟蹤控制方法。該方 法通過功率和最佳葉尖速比對應的風能利用系數計算出風速，使風力機運行在最佳葉尖速 比狀態，同時在轉速不能調節的情況下調節槳距角，通過統計平均爬山法對最小變槳角度 對應的最佳葉尖速比值進行校正。但是，該方法受系統參數影響大，特別是引入了難以確保 準確性的風速信號，因而難以確保跟蹤精度。
【發明內容】
[0009] 本發明針對現有變步長爬山法的缺陷，提供一種基于風速前饋爬山算法的風電機 組最大功率點跟蹤方法，該方法將風速變化率作為前饋控制量，而不直接使用風速本身，因 而可以不依賴于風速的精確測量，避免了因為風速測量不準確對控制精度的不良影響。
[0010] 實現上述發明目的技術方案為:一種基于風速前饋爬山算法的風電機組最大功率 點跟蹤方法，包括下述步驟：
[0011] (1)初始化步驟：
[0012] 令采樣次數k = 0,設定初始轉速擾云力步長Δ COref=A coref(〇)、初始給定轉速Coref =Δ cor(〇)，確定采樣周期，即擾動周期為T;
[0013] 其中，Δ Coref(O)為第一次試探性搜索的擾動步長初始值，Coref(O)為機組的初始 轉速；
[0014] (2)進行第k次信號采集，獲得kT時刻的風電機組輸出電磁功率P(k)、風速v(k)和 機組轉速⑦^讓）；
[0015] ⑶令給定轉速 ref - 〇 ref+ A 〇 ref ;
[0016] (4)進行第(k+1)次信號采集，獲得風速v(k+l)、機組電磁功率P(k+1)和機組轉速 ? 1仏+1);并根據上述機組參數獲得從1^時刻到(1^1)1'時刻的風速變化量八￥ =奴1^1)1 (k)，功率變化量 AP = P(k+l)_P(k)和轉速變化量 A〇r=cor(k+l)-cor(k);
[0017 ] (5)根據所述風速變化量的大小判斷是否啟動前饋控制，若是，則風速前饋系數kv =α;若否，則風速前饋系數kv=0;
[0018] (6)根據所述風速前饋系數獲得前饋控制量Δ cof = kv*A v;
[0019] (7)判斷轉速擾動量△ ω ref是否為零，若是，則轉入步驟（12);若否，則轉入步驟 (8)；
[0020] (8)判斷功率相對轉速的變化率I ΔΡ/Δ wr|是否小于e，若是，則轉入步驟（14); 若否，則轉入步驟(9);
[0021] (9)設定步長調整系數kt = b;
[0022] (10)獲得(k+1 )T時刻的擾動搜索步長Λ ref - 〇 f+kt* ( /\P / /\ 〇 r ) - CO f+ wtra;其中，A cotra為現有變步長爬山法的轉速擾動步長；
[0023] (11)令k = k+l，并返回至步驟(2)，繼續下一個采樣周期的爬山搜索；
[0024] (12)判斷所述功率變化量I ΔΡ|是否大于重啟閥值ε，若是，則轉入步驟（13);若 否，則轉入步驟(14);
[0025] (13)獲得爬山法重啟后的初始擾動步長Δ Coref= Δ corst = sign( Δ P)*c，并返回 至步驟(11)，其中，C為重啟步長幅值，c>0;
[0026] (14)設置步長調整系數kt = 0,并返回至步驟（10)。
[0027] 更進一步地，在步驟(5)中，判斷是否啟動前饋控制的判據為： I , ?< β 閉鎖前饋控制，令風速前饋系數<二0 ^{>β啟動前饋控制，令風速前饋系數< =Ot其中，晚風速前饋啟動，閉鎖的控制闊 值，β取值范圍為0.1-0.2。
[0028]更進一步地，在步驟(8)中，e為一個正數，其大小表征系統穩定運行點與最大功率 點的距離，以不引起最大功率點振蕩為原則取最小值。
[0029] 更進一步地，在步驟(9)中，kt為基于功率變化率的變步長爬山法的步長調整系 數，取值范圍為10- 3~5*10-3。
[0030] 更進一步地，在步驟（12)中，所述重啟閥值ε按躲過功率測量擾動為原則取值，取 值范圍為10-3~2*10一 3。
[0031]本發明與現有變步長爬山法技術相比，其顯著優點為:利用了機組本身具有的風 速計獲取風速變化率，作為計算因子，算出一個包含風速變化信息的前饋控制量，并結合現 有的變步長爬山法，實時調整下一采樣周期的爬山搜索步長，使機組能適應風速的快速變 化，從而更快速、高效地實現最大功率點跟蹤控制。目前風速測量雖然存在較大的誤差，但 本發明的風速前饋控制引入的是風速變化率，誤差在計算變化率的過程中被抵消，因而本 發明可以不依賴于風速的精確測量，避免了因為風速測量不準確對控制精度的不良影響。 本發明方法簡單，既保持了變步長爬山法的諸多優點，同時合理利用現有設備，提升系統動 態響應特性，進一步提高了現有變步長爬山法的跟蹤速度，使風力發電系統更能適應風速 變化較大的情況，實現快速、高效的最大風能利用。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發明實施例提供的一種基于風速前饋爬山算法的風電機組最大功率點跟 蹤方法的實現流程圖；
[0033]圖2是本發明的控制框圖；
[0034] 圖3是本發明與現有變步長爬山法在階躍風速下的轉速跟蹤曲線；
[0035] 圖4是本發明與現有變步長爬山法在周期性斜波風速下的轉速跟蹤曲線；
[0036] 圖5是本發明與現有變步長爬山法在隨機風速下的轉速跟蹤曲線。
【具體實施方式】
[0037] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0038] 本發明在現有變步長爬山法的基礎上，提出了一種基于風速前饋爬山算法的風電 機組最大功率點跟蹤方法，是對現有變步長爬山搜索法的一種改進。經過改進，風力發電系 統能及時根據風速變化做出響應，進一步提高最大功率點的跟蹤速度。
[0039] 1、現有變步長爬山法的工作原理
[0040] 當風電機組功率發生變化時，機組輸出功率會在一定程度上隨風速變化，依據功 率變化率△ P/ △ ω r的大小按一定比例對步長進行調整，因此這樣的調整在一定程度上反 映了風速的變化。這種利用機組功率跟隨風速變化的特性，采用機組功率變化率對步長進 行調整的爬山搜索原理即為現有變步長爬山法的工作原理，其轉速擾動步長A cotra由式 (1)確定：
[0041] Λ cotra = kt*(AP/A wr) (I)
[0042] 為防止在最大功率點處反復搜索而引起振蕩，現有變步長爬山法在搜索到最大功 率點附近后，引入了停止-啟動機制。其原理是通過檢測當前的擾動步長A Coref是否為零， 判斷當前搜索是否已經結束，如果A c〇ref = 〇,說明當前已經處于最大功率點，此時如果功 率不發生變化，即I A P(k) I <ε，則說明風速未發生變化，繼續停止搜索；如果I Δ P(k) I >ε說 明風速發生變化，此時應重啟爬山法，其初始步長按式(2)確定：
[0043] Λ Coref = A corst = sign(AP)*c (2)
[0044] 2、風速前饋控制的原理
[0045] 風速前饋控制原