本發(fā)明屬于風(fēng)力機(jī)控制領(lǐng)域，特別是一種考慮變化湍流風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法。
背景技術(shù)：
：變速風(fēng)機(jī)通過(guò)改變自身的轉(zhuǎn)速跟蹤風(fēng)速的變化，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(maximumpowerpointtracking,MPPT)。主要的MPPT控制方法分為葉尖速比法、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法和爬山法。本發(fā)明方法是基于目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于大部分風(fēng)力機(jī)中的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法(optimaltorquecontrol,OT)。由于OT的控制參數(shù)計(jì)算是基于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，而忽略了風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)風(fēng)速變化的跟蹤性能不佳。為了加速風(fēng)力機(jī)的MPPT過(guò)程，有文獻(xiàn)提出了減小轉(zhuǎn)矩增益法(decreasedtorquegain,DTG)，其通過(guò)減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩以優(yōu)化MPPT性能。進(jìn)而，由于發(fā)現(xiàn)不同湍流風(fēng)速條件下的最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)不同。從而，自適應(yīng)修改轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩增益方法(theadaptivetorquecontrol,ATC)被提出。然而，研究發(fā)現(xiàn)，由于湍流風(fēng)速的變化是隨機(jī)而不可預(yù)測(cè)的，自適應(yīng)搜索的方向時(shí)常會(huì)出現(xiàn)背離最優(yōu)值的情況，這是因?yàn)轱L(fēng)能捕獲效率不僅受到轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)的影響，而且受到湍流條件的影響?；谏鲜銮闆r，目前迫切需要一種新的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法，能夠考慮湍流條件變化對(duì)自適應(yīng)搜索的影響，消除搜索方向錯(cuò)誤情況。但是現(xiàn)有技術(shù)中尚無(wú)相關(guān)描述。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種考慮變化湍流風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種考慮變化湍流風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法，包括以下步驟：步驟1、對(duì)第1、2個(gè)迭代周期的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)進(jìn)行初始化，并計(jì)算相應(yīng)周期的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg和功率損失量Ploss的值；步驟2、設(shè)置迭代周期k＝k+1，并進(jìn)入下一個(gè)迭代周期；步驟3、在第k周期的開(kāi)始時(shí)，確定代表湍流狀況的變化趨勢(shì)的變量ηloss值，若ηloss超過(guò)其閾值則設(shè)ΔKd(k)＝0，并進(jìn)入步驟5，否則，進(jìn)入步驟4；步驟4、判斷ΔKd(k-1)是否等于0，若ΔKd(k-1)≠0，則計(jì)算確定ΔKd(k)，否則繼續(xù)開(kāi)始自適應(yīng)搜索，并設(shè)置ΔKd(k)＝ΔKdini，其中ΔKdini為初始擾動(dòng)量；步驟5、設(shè)置轉(zhuǎn)矩增益值Kd(k)＝Kd(k-1)+ΔKd(k)；步驟6、利用轉(zhuǎn)矩增益值為Kd(k)的控制器控制風(fēng)力機(jī)進(jìn)行第k周期的運(yùn)行，同時(shí)，估計(jì)實(shí)時(shí)風(fēng)速和測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速并儲(chǔ)存，獲得電磁轉(zhuǎn)矩Tem；步驟7、判斷第k周期是否運(yùn)行結(jié)束，若結(jié)束，利用估計(jì)的風(fēng)速和測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速計(jì)算得到平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(k)和功率損失量Ploss(k)，并進(jìn)入步驟2；否則，繼續(xù)運(yùn)行。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)況變化的考慮更為完善，優(yōu)化了自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法的搜索算法，抑制了失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。2)相對(duì)于傳統(tǒng)的自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法，本發(fā)明的方法對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕獲效率有了進(jìn)一步的提高。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)明圖1為本發(fā)明的考慮變化湍流風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法流程圖。圖2為本發(fā)明的風(fēng)速序列1下的三種MPPT控制方法的性能比較圖，其中圖(A)為每個(gè)周期的功率損失量，圖(B)為三種控制方法在每個(gè)周期的的轉(zhuǎn)矩增益值，圖(C)為三種控制方法分別在每個(gè)周期內(nèi)的平均風(fēng)能捕獲效率。圖3為本發(fā)明的風(fēng)速序列2下的三種MPPT控制方法的性能比較圖，其中圖(A)為每個(gè)周期的功率損失量，圖(B)為三種控制方法在每個(gè)周期的的轉(zhuǎn)矩增益值，圖(C)為三種控制方法分別在每個(gè)周期內(nèi)的平均風(fēng)能捕獲效率。具體實(shí)施方式結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種考慮變化湍流風(fēng)況的風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法，包括以下步驟：步驟1、對(duì)第1、2個(gè)迭代周期的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)進(jìn)行初始化，并計(jì)算相應(yīng)周期的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg和功率損失量Ploss的值；對(duì)第1、2個(gè)迭代周期的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)進(jìn)行初始化的具體步驟為：步驟1-1、第一個(gè)迭代周期即k＝1時(shí)：設(shè)置初始轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)為Kd(1)，并在運(yùn)行周期結(jié)束時(shí)，計(jì)算第一個(gè)周期的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(1)和第一個(gè)周期的功率損失量Ploss(1),其中，Kopt為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)，其計(jì)算公式為式中，ρ為空氣密度，R為風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑，為最佳葉尖速對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)能捕獲系數(shù)的最大值，λopt為最佳葉尖速比；第一個(gè)周期的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(1)和第一個(gè)周期的功率損失量Ploss(1)的計(jì)算公式分別為：式中，n為一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的采樣次數(shù)，Tem為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Jt為風(fēng)力機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為風(fēng)輪加速度，v為風(fēng)速值，ψ為偏航誤差；式中，Δt為風(fēng)速的采樣間隔，Δv為風(fēng)速變化值，ωrated和Trated為額定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和額定風(fēng)速vrated下的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，τ為風(fēng)輪時(shí)間常數(shù)，為平均風(fēng)速，σ為湍流標(biāo)準(zhǔn)差，ωeff為湍流頻率；步驟1-2、第二個(gè)迭代周期即k＝2時(shí)：利用Kd的初始擾動(dòng)量為獲得并在運(yùn)行周期結(jié)束時(shí)，計(jì)算第二個(gè)周期的平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(2)和第二個(gè)周期的功率損失量Ploss(2)，其計(jì)算公式分別為：步驟2、設(shè)置迭代周期k＝k+1，并進(jìn)入下一個(gè)迭代周期；步驟3、在第k周期的開(kāi)始時(shí)，確定代表湍流狀況的變化趨勢(shì)的變量ηloss值，若ηloss超過(guò)其閾值則設(shè)ΔKd(k)＝0，并進(jìn)入步驟5，否則，進(jìn)入步驟4；代表湍流狀況的變化趨勢(shì)的變量ηloss的計(jì)算方法為：步驟4、判斷ΔKd(k-1)是否等于0，若ΔKd(k-1)≠0，則計(jì)算確定ΔKd(k)，否則繼續(xù)開(kāi)始自適應(yīng)搜索，并設(shè)置ΔKd(k)＝ΔKdini，其中ΔKdini為初始擾動(dòng)量；ΔKd(k)的計(jì)算公式為：ΔKd(k)＝γsign[ΔKd(k-1)]sign[Pfavg(k-1)-Pfavg(k-2)]|Pfavg(k-1)-Pfavg(k-2)|1/2式中，γ為搜索步長(zhǎng)，Pfavg(k)為第k周期的平均風(fēng)能捕獲效率。步驟5、設(shè)置轉(zhuǎn)矩增益值Kd(k)＝Kd(k-1)+ΔKd(k)；步驟6、利用轉(zhuǎn)矩增益值為Kd(k)的控制器控制風(fēng)力機(jī)進(jìn)行第k周期的運(yùn)行，同時(shí)，估計(jì)實(shí)時(shí)風(fēng)速和測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速并儲(chǔ)存，獲得電磁轉(zhuǎn)矩Tem；發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：式中，ng為風(fēng)力機(jī)齒輪箱傳動(dòng)比，ωr為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，Dg和Dr為風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù)。步驟7、判斷第k周期是否運(yùn)行結(jié)束，若結(jié)束，利用估計(jì)的風(fēng)速和測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速計(jì)算得到平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(k)和功率損失量Ploss(k)，并進(jìn)入步驟2；否則，繼續(xù)運(yùn)行。平均風(fēng)能捕獲效率Pfavg(k)和功率損失量Ploss(k)的計(jì)算公式分別為本發(fā)明對(duì)湍流風(fēng)況變化的考慮更為完善，優(yōu)化了自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法的搜索算法，抑制了失效現(xiàn)象的出現(xiàn)。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：實(shí)施例利用美國(guó)國(guó)家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NationalRenewableEnergyLaboratory，NREL)提供的開(kāi)源的專業(yè)風(fēng)力機(jī)仿真軟件FAST(Fatigue,Aerodynamics,Structures,andTurbulence)來(lái)模擬控制效果。風(fēng)力機(jī)模型采用NERL開(kāi)發(fā)的600kWCART3試驗(yàn)機(jī)型，具體參數(shù)如表1所示。表1NREL600kWCART3風(fēng)力機(jī)主要參數(shù)參數(shù)值額定功率600kW額定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速37.1rpm切入/額定風(fēng)速3/13.5m/s輪轂高度36.6m風(fēng)輪半徑20m轉(zhuǎn)動(dòng)慣量5.492×105kgm2最佳葉尖速比5.8最大風(fēng)能利用系數(shù)0.46首先，使用TurbSim(NREL提供的開(kāi)源的湍流風(fēng)模擬軟件)生成兩條時(shí)長(zhǎng)為8小時(shí)的風(fēng)速序列(包含24個(gè)20分鐘間隔)，每個(gè)間隔的平均風(fēng)速是由位于中國(guó)江蘇省的風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得。湍流風(fēng)速由Kaimal譜模型產(chǎn)生的，具有更高的湍流分量(A等級(jí))和數(shù)值為150m的積分尺度。然后，仿真的迭代周期設(shè)為20分鐘，初始的轉(zhuǎn)矩增益系數(shù)設(shè)為0.9Kopt，Kd的初始擾動(dòng)設(shè)為0.01Kopt。ηloss的閾值設(shè)為10％。尤其，γ選擇為0.002，其為從0.0015～0.003，步長(zhǎng)為0.0005的大量仿真遍歷結(jié)果的最優(yōu)值。所以，可以排除不同MPPT控制方法的比較受到γ取值不合適的影響。風(fēng)速序列1(湍流波動(dòng)劇烈)：Ploss、Kd和Pfavg每個(gè)周期的變化特性如圖2所示。由于湍流風(fēng)速條件在一些連續(xù)周期(如從第4到7周期，從第14到17周期)的變化趨勢(shì)相同，Kd的變化趨勢(shì)遠(yuǎn)離Kdopt。接著，由于嚴(yán)重偏離最優(yōu)值，Kd可能難以通過(guò)自適應(yīng)算法在接下去的幾個(gè)周期中快速恢復(fù)到Kdopt(如從第18到20周期)。因此，Kd會(huì)在一長(zhǎng)段時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重偏離Kdopt(如從第15到20周期)，導(dǎo)致Pfavg的降低，甚至低于傳統(tǒng)的OT控制方法(如從第6到7周期，從第16到20周期)。相反，由于本發(fā)明方法添加了中斷和繼續(xù)策略，如第7到8周期，從第16到18周期所示，Kd遠(yuǎn)離Kdopt和Pfavg降低的情況數(shù)次被阻止。如表2的結(jié)果所示，相對(duì)于OT控制方法，本發(fā)明所提出的方法的總效率Pfavg提高了1.49％，而ATC方法僅提高了0.61％。表2.不同MPPT控制方法的效率比較MPPT控制方法8小時(shí)總Pfavg相對(duì)于OT方法的提高比率OT方法0.4297─ATC方法0.43230.61％本發(fā)明方法0.43611.49％風(fēng)速序列2(湍流波動(dòng)平緩)：由于湍流狀況變化平緩，中斷機(jī)制沒(méi)有觸發(fā)，所以如圖3所示，本發(fā)明提出的方法與ATC方法完全相同。由上述實(shí)施例，可以驗(yàn)證本發(fā)明完善了風(fēng)力機(jī)自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制方法的自適應(yīng)搜索算法，消除了由湍流條件變化導(dǎo)致的算法失效現(xiàn)象，面對(duì)變化的湍流風(fēng)況時(shí)具有更好的適應(yīng)性，進(jìn)一步改善了風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能捕獲效率。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3