一種實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)電運(yùn)行控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于風(fēng)速前饋爬山算法 的風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的日益增大，如何將風(fēng)能安全、高效地轉(zhuǎn)換為電能是當(dāng)前風(fēng)力 發(fā)電研究的熱點(diǎn)問題。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速下具有不同的最大功率點(diǎn)，如何高效、穩(wěn) 定、快速地捕獲風(fēng)能，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)是 減小棄風(fēng)的主要技術(shù)手段。
[0003] 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率-轉(zhuǎn)速特性曲線中，每一個(gè)風(fēng)速都唯一對應(yīng)著一條單峰值曲線。 由曲線可知，某一固定風(fēng)速下，在最大功率點(diǎn)的左邊，功率隨著轉(zhuǎn)速的增大單調(diào)增加，在最 大功率點(diǎn)的右邊，功率隨著轉(zhuǎn)速的增大單調(diào)減小。由此可知，最大功率點(diǎn)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(diǎn)。在眾多的最大功率點(diǎn)跟蹤 算法中，爬山法因其算法簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且不依賴于風(fēng)速測量和風(fēng)機(jī)特性等優(yōu)點(diǎn)，得到了 廣泛應(yīng)用。爬山法(Hill Climbing Searching，HCS)，又稱為擾動(dòng)觀察法，利用風(fēng)力機(jī)功率-轉(zhuǎn)速曲線的凸函數(shù)特性，通過人為施加轉(zhuǎn)速擾動(dòng)(搜索)量，觀察風(fēng)力機(jī)輸出功率增量的大 小及方向，從而確定下一步轉(zhuǎn)速擾動(dòng)的步長大小及方向。反復(fù)轉(zhuǎn)入上述搜索策略，最終實(shí)現(xiàn) 最大功率點(diǎn)跟蹤。這種爬山法因?yàn)椴介L實(shí)時(shí)根據(jù)每次擾動(dòng)后的功率變化率進(jìn)行調(diào)整，故又 稱為變步長爬山法，該方法不需要考慮環(huán)境風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)輸出功率之間的函數(shù)關(guān)系，則無 需測量風(fēng)速，避免過多地依賴系統(tǒng)參數(shù)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。
[0004] 步長的調(diào)整是否合理是變步長爬山法搜索速度及控制性能的優(yōu)劣主要決定因素。 理想的步長調(diào)整機(jī)制是當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，采用風(fēng)速變化所對應(yīng)的風(fēng)功率增量對步長進(jìn)行調(diào) 整，以獲取最快的爬山搜索速度。然而由于機(jī)組風(fēng)速的測量僅靠安裝與機(jī)艙頂端的風(fēng)速儀 進(jìn)行測量，而該風(fēng)速并不能精確地代表風(fēng)輪掃掠范圍內(nèi)的平均風(fēng)速，因而現(xiàn)有爬山算法沒 有經(jīng)風(fēng)速運(yùn)用于變步長爬山法的步長調(diào)整機(jī)制中。
[0005] 現(xiàn)有變步長爬山法通過引入功率變化率作為步長調(diào)整機(jī)制，在一定程度上實(shí)現(xiàn)提 高了系統(tǒng)的跟蹤控制性能。但風(fēng)速變化時(shí)，一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)化為風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，另一部 分則通過轉(zhuǎn)化為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)能被存儲起來，儀表測量到的機(jī)組輸出功率變化量并不 能真實(shí)反映風(fēng)速變化所對應(yīng)的全部風(fēng)功率增量，因而基于這種步長調(diào)整機(jī)制的變步長爬山 法在風(fēng)電機(jī)組的最大功率點(diǎn)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(jié)合 的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法。該方法對于風(fēng)電場的風(fēng)速狀況要求高，尤其是機(jī)組容量越大， 風(fēng)輪慣性越大，搜索到最大功率點(diǎn)的時(shí)間越長，且需不斷修正最大功率曲線，計(jì)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(dòng)停止機(jī)制的改進(jìn)爬山算 法。該專利僅在現(xiàn)有變步長爬山搜索法的基礎(chǔ)上增加了最大功率點(diǎn)處的停止搜索機(jī)制，從 而避免了最大功率點(diǎn)處的振蕩現(xiàn)象。但是該方法對步長的調(diào)整機(jī)制未做改進(jìn)，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(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)計(jì)算出風(fēng)速，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速 比狀態(tài)，同時(shí)在轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)的情況下調(diào)節(jié)槳距角，通過統(tǒng)計(jì)平均爬山法對最小變槳角度 對應(yīng)的最佳葉尖速比值進(jìn)行校正。但是，該方法受系統(tǒng)參數(shù)影響大，特別是引入了難以確保 準(zhǔn)確性的風(fēng)速信號，因而難以確保跟蹤精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對現(xiàn)有變步長爬山法的缺陷，提供一種基于風(fēng)速前饋爬山算法的風(fēng)電機(jī) 組最大功率點(diǎn)跟蹤方法，該方法將風(fēng)速變化率作為前饋控制量，而不直接使用風(fēng)速本身，因 而可以不依賴于風(fēng)速的精確測量，避免了因?yàn)轱L(fēng)速測量不準(zhǔn)確對控制精度的不良影響。
[0010] 實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案為:一種基于風(fēng)速前饋爬山算法的風(fēng)電機(jī)組最大功率 點(diǎn)跟蹤方法，包括下述步驟：
[0011] (1)初始化步驟：
[0012] 令采樣次數(shù)k = 0,設(shè)定初始轉(zhuǎn)速擾云力步長Δ COref=A coref(〇)、初始給定轉(zhuǎn)速Coref =Δ cor(〇)，確定采樣周期，即擾動(dòng)周期為T;
[0013] 其中，Δ Coref(O)為第一次試探性搜索的擾動(dòng)步長初始值，Coref(O)為機(jī)組的初始 轉(zhuǎn)速；
[0014] (2)進(jìn)行第k次信號采集，獲得kT時(shí)刻的風(fēng)電機(jī)組輸出電磁功率P(k)、風(fēng)速v(k)和 機(jī)組轉(zhuǎn)速⑦^讓）；
[0015] ⑶令給定轉(zhuǎn)速 ref - 〇 ref+ A 〇 ref ;
[0016] (4)進(jìn)行第(k+1)次信號采集，獲得風(fēng)速v(k+l)、機(jī)組電磁功率P(k+1)和機(jī)組轉(zhuǎn)速 ? 1仏+1);并根據(jù)上述機(jī)組參數(shù)獲得從1^時(shí)刻到(1^1)1'時(shí)刻的風(fēng)速變化量八￥ =奴1^1)1 (k)，功率變化量 AP = P(k+l)_P(k)和轉(zhuǎn)速變化量 A〇r=cor(k+l)-cor(k);
[0017 ] (5)根據(jù)所述風(fēng)速變化量的大小判斷是否啟動(dòng)前饋控制，若是，則風(fēng)速前饋系數(shù)kv =α;若否，則風(fēng)速前饋系數(shù)kv=0;
[0018] (6)根據(jù)所述風(fēng)速前饋系數(shù)獲得前饋控制量Δ cof = kv*A v;
[0019] (7)判斷轉(zhuǎn)速擾動(dòng)量△ ω ref是否為零，若是，則轉(zhuǎn)入步驟（12);若否，則轉(zhuǎn)入步驟 (8)；
[0020] (8)判斷功率相對轉(zhuǎn)速的變化率I ΔΡ/Δ wr|是否小于e，若是，則轉(zhuǎn)入步驟（14); 若否，則轉(zhuǎn)入步驟(9);
[0021] (9)設(shè)定步長調(diào)整系數(shù)kt = b;
[0022] (10)獲得(k+1 )T時(shí)刻的擾動(dòng)搜索步長Λ ref - 〇 f+kt* ( /\P / /\ 〇 r ) - CO f+ wtra;其中，A cotra為現(xiàn)有變步長爬山法的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)步長；
[0023] (11)令k = k+l，并返回至步驟(2)，繼續(xù)下一個(gè)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(zhuǎn)入步驟（13);若 否，則轉(zhuǎn)入步驟(14);
[0025] (13)獲得爬山法重啟后的初始擾動(dòng)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(shè)置步長調(diào)整系數(shù)kt = 0,并返回至步驟（10)。
[0027] 更進(jìn)一步地，在步驟(5)中，判斷是否啟動(dòng)前饋控制的判據(jù)為： I , ?< β 閉鎖前饋控制，令風(fēng)速前饋系數(shù)<二0 ^{>β啟動(dòng)前饋控制，令風(fēng)速前饋系數(shù)< =Ot其中，晚風(fēng)速前饋啟動(dòng)，閉鎖的控制闊 值，β取值范圍為0.1-0.2。
[0028]更進(jìn)一步地，在步驟(8)中，e為一個(gè)正數(shù)，其大小表征系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)與最大功率 點(diǎn)的距離，以不引起最大功率點(diǎn)振蕩為原則取最小值。
[0029] 更進(jìn)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(diào)整系 數(shù)，取值范圍為10- 3~5*10-3。
[0030] 更進(jìn)一步地，在步驟（12)中，所述重啟閥值ε按躲過功率測量擾動(dòng)為原則取值，取 值范圍為10-3~2*10一 3。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有變步長爬山法技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:利用了機(jī)組本身具有的風(fēng) 速計(jì)獲取風(fēng)速變化率，作為計(jì)算因子，算出一個(gè)包含風(fēng)速變化信息的前饋控制量，并結(jié)合現(xiàn) 有的變步長爬山法，實(shí)時(shí)調(diào)整下一采樣周期的爬山搜索步長，使機(jī)組能適應(yīng)風(fēng)速的快速變 化，從而更快速、高效地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。目前風(fēng)速測量雖然存在較大的誤差，但 本發(fā)明的風(fēng)速前饋控制引入的是風(fēng)速變化率，誤差在計(jì)算變化率的過程中被抵消，因而本 發(fā)明可以不依賴于風(fēng)速的精確測量，避免了因?yàn)轱L(fēng)速測量不準(zhǔn)確對控制精度的不良影響。 本發(fā)明方法簡單，既保持了變步長爬山法的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)合理利用現(xiàn)有設(shè)備，提升系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)一步提高了現(xiàn)有變步長爬山法的跟蹤速度，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更能適應(yīng)風(fēng)速 變化較大的情況，實(shí)現(xiàn)快速、高效的最大風(fēng)能利用。
【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于風(fēng)速前饋爬山算法的風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)跟 蹤方法的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0033]圖2是本發(fā)明的控制框圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有變步長爬山法在階躍風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速跟蹤曲線；
[0035] 圖4是本發(fā)明與現(xiàn)有變步長爬山法在周期性斜波風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速跟蹤曲線；
[0036] 圖5是本發(fā)明與現(xiàn)有變步長爬山法在隨機(jī)風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速跟蹤曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0038] 本發(fā)明在現(xiàn)有變步長爬山法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于風(fēng)速前饋爬山算法的風(fēng)電 機(jī)組最大功率點(diǎn)跟蹤方法，是對現(xiàn)有變步長爬山搜索法的一種改進(jìn)。經(jīng)過改進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)能及時(shí)根據(jù)風(fēng)速變化做出響應(yīng)，進(jìn)一步提高最大功率點(diǎn)的跟蹤速度。
[0039] 1、現(xiàn)有變步長爬山法的工作原理
[0040] 當(dāng)風(fēng)電機(jī)組功率發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組輸出功率會(huì)在一定程度上隨風(fēng)速變化，依據(jù)功 率變化率△ P/ △ ω r的大小按一定比例對步長進(jìn)行調(diào)整，因此這樣的調(diào)整在一定程度上反 映了風(fēng)速的變化。這種利用機(jī)組功率跟隨風(fēng)速變化的特性，采用機(jī)組功率變化率對步長進(jìn) 行調(diào)整的爬山搜索原理即為現(xiàn)有變步長爬山法的工作原理，其轉(zhuǎn)速擾動(dòng)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(diǎn)處反復(fù)搜索而引起振蕩，現(xiàn)有變步長爬山法在搜索到最大功 率點(diǎn)附近后，引入了停止-啟動(dòng)機(jī)制。其原理是通過檢測當(dāng)前的擾動(dòng)步長A Coref是否為零， 判斷當(dāng)前搜索是否已經(jīng)結(jié)束，如果A c〇ref = 〇,說明當(dāng)前已經(jīng)處于最大功率點(diǎn)，此時(shí)如果功 率不發(fā)生變化，即I A P(k) I <ε，則說明風(fēng)速未發(fā)生變化，繼續(xù)停止搜索；如果I Δ P(k) I >ε說 明風(fēng)速發(fā)生變化，此時(shí)應(yīng)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(fēng)速前饋控制的原理
[0045] 風(fēng)速前饋控制原