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1、10申请公布号CN102072083A43申请公布日20110525CN102072083ACN102072083A21申请号201010607194322申请日20101227F03D7/0020060171申请人西安理工大学地址710048陕西省西安市金花南路5号72发明人刘军蒋说东74专利代理机构西安弘理专利事务所61214代理人罗笛54发明名称一种双馈风力发电系统最大风能跟踪方法57摘要本发明提供一种最大风能跟踪控制方法先假设某一瞬间风速为V1，检测V1风速下风力机运行到A点的功率PA；再假定V1风速下风力机A点的功率PA为某一虚拟风速V2最大功率点B点的功率PBMAX，也就是PBMA。
2、XPA，根据风轮机从风能吸收的功率特性公式计算出虚拟风速V2的最优转速WOPT，再作为V1风速下风力机下一时刻风力机的转速给定，在新的工作点再按照上述方法继续搜索，即可搜索到V1风速的最优转速，同时就能得到V1风速的最大功率。有益效果是，能在渐增、渐减及阶跃风速下始终使风力发电系统运行于风能捕获效率较高的工作状态，改善了在渐变风速下最大风能跟踪的动态性能，提高了在渐变风速下风能捕获效率，该方法无需进行风速检测，算法简单。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图9页CN102072087A1/1页21一种双馈风力发电系统最大风能跟踪方法，其特征在。
3、于，该方法按照以下步骤实施步骤1，假设某一瞬间风速为V1，检测V1风速下风力机运行到A点的功率PA；步骤2，假定V1风速下风力机A点的功率PA为某一虚拟风速V2最大功率点B点的功率PBMAX，也就是PBMAXPA，根据风轮机从风能吸收的功率特性公式计算出虚拟风速V2式1式中，CPMAX为风力机最大功率利用系数，S为风力机扫掠面积，为空气密度；然后根据已计算出虚拟风速V2及风轮叶尖线速度与风速的关系函数得到虚拟风速V2的最优转速WOPT式2式中，OPT为最佳叶尖速比，R为风轮半径；步骤3，将虚拟风速V2的最优转速WOPT作为V1风速下风力机下一时刻风力机的转速给定风力机运行到C点，C点的角速度C。
4、等于虚拟风速V2的最优转速WOPT，再根据C点的角速度及风力机的运行状态，检测此时风力机的输出功率PC，再以PC作为虚拟风速V3的最大功率点D点的功率PDMAX，将PDMAX带入式1得到虚拟风速V3，再根据式2得到虚拟风速V3的最优转速，再将虚拟风速V3的最优转速作为V1风速下风力机下一时刻E点的转速给定，风力机运行到E点，在新的工作点再按照上述方法继续搜索，即可搜索到V1风速下的最优转速，同时得到V1风速的最大功率。权利要求书CN102072083ACN102072087A1/5页3一种双馈风力发电系统最大风能跟踪方法技术领域0001本发明属于风力发电系统控制技术领域，涉及一种双馈风力发电系。
5、统最大风能跟踪方法。背景技术0002风能是一种具有随机性、不确定性的能源，如何设计一种跟踪控制策略，使风力机在不同风速下对风能的捕获效率最高是风力发电关键技术之一。目前一般采用无需测量风速的爬山搜索法，通过检测风力机输出功率和角速度，然后计算风力机功率对风力机角速度的斜率，得出合适的转速扰动量，该方法在阶跃风速下取得了较好的控制效果，但在渐变风速下动态追踪性能不佳，特别当风速变化较快时，风能捕获效率显著下降。发明内容0003本发明的目的是提供一种双馈风力发电系统最大风能跟踪方法，解决在渐变风速下爬山搜索算法对风能跟踪性能下降的问题。0004本发明所采用的技术方案是，一种双馈风力发电系统最大风能。
6、跟踪方法，该方法按照以下步骤实施0005步骤1，0006假设某一瞬间风速为V1，检测V1风速下风力机运行到A点的功率PA；0007步骤2，0008假定V1风速下风力机A点的功率PA为某一虚拟风速V2最大功率点B点的功率PBMAX，也就是PBMAXPA，根据风轮机从风能吸收的功率特性公式计算出虚拟风速V20009式10010式中，CPMAX为风力机最大功率利用系数，S为风力机扫掠面积，为空气密度；0011然后根据已计算出虚拟风速V2及风轮叶尖线速度与风速的关系函数得到虚拟风速V2的最优转速WOPT0012式20013式中，OPT为最佳叶尖速比，R为风轮半径；0014步骤3，0015将虚拟风速V2。
7、的最优转速WOPT作为V1风速下风力机下一时刻风力机的转速给定风力机运行到C点，C点的角速度C等于虚拟风速V2的最优转速WOPT，再根据C点的角速度及风力机的运行状态，检测此时风力机的输出功率PC，再以PC作为虚拟风速V3的最大功率点D点的功率PDMAX，将PDMAX带入式1得到虚拟风速V3，再根据式2得到虚拟风速V3的最优转速，再将虚拟风速V3的最优转速作为V1风速下风力机下一时刻E点的转速给定，风力机运行到E点，在新的工作点再按照上述方法继续搜索，即可搜索到V1风速下的最优转说明书CN102072083ACN102072087A2/5页4速，同时得到V1风速的最大功率。0016本发明的有益。
8、效果是，能在渐增、渐减及阶跃风速下始终使风力发电系统运行于风能捕获效率较高的工作状态，改善了在渐变风速下最大风能跟踪的动态性能，提高了在渐变风速下风能捕获效率，该方法无需进行风速检测，算法简单。附图说明0017图1是风力机功率特性曲线图；0018图2是本发明最大风能跟踪方法的原理图A为初始工作点在最优转速点左边时最大风能跟踪方法跟踪过程原理图，B为初始工作点在最优转速点右边时最大风能跟踪方法跟踪过程原理图；0019图3是渐增风速下，爬山搜索法及本发明方法跟踪过程对比图A为渐增风速下爬山搜索法最大风能跟踪过程原理图，B为渐增风速下本发明方法最大风能跟踪过程原理图；0020图4是渐减风速下，爬山搜。
9、索法及本发明方法跟踪过程对比图A为渐减风速下爬山搜索法最大风能跟踪过程原理图，B为渐减风速下本发明方法最大风能跟踪过程原理图；0021图5是典型风速下，爬山搜索法与本发明方法转速跟踪控制曲线图及风能利用系数曲线图A为典型风速曲线图，B为最优转速计算值与爬山搜索法转速曲线图，C为爬山搜索法风能利用系数CP曲线图，D为最优转速计算值与本发明方法转速曲线图，E为本发明方法风能利用系数CP曲线图；0022图6是模拟自然风速下，爬山搜索法与本发明方法转速跟踪曲线图及风能利用系数曲线图A为模拟自然风速曲线图，B为最优转速曲线与爬山搜索法发电机实际转速曲线图，C为爬山搜索法风能利用系数CP曲线图，D为最优转。
10、速曲线与本发明方法发电机实际转速曲线图，E为本发明方法风能利用系数CP曲线图。具体实施方式0023下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。0024从图1可以看出，风力机功率曲线形状与二次曲线类似；在一定的风速下，风力机的输出机械功率PM随风力机的角速度W变化而变化，V1、V2、V3、V4、V5、V6均为风速，PMAX为各个风速下风力机的最大功率。设风力机的最大功率时对应的风力机角速度为相应风速下的最优转速。0025实施例10026如图2A所示，假设某一瞬间风速为V1，风力机的角速度为W，风力机运行到最大功率点左边的某一点A点，A点对应的功率为PA，由于此时的风速V1是未知的，因此可假定。
11、A点的功率PA为某一虚拟风速V2下最大功率点B点的功率，设为PBMAXPA，于是根据风轮机从风能吸收的功率特性公式可计算出虚拟风速V20027式10028式中，CPMAX为风力机最大功率利用系数；S为风力机扫掠面积；为空气密度；然说明书CN102072083ACN102072087A3/5页5后根据已计算出虚拟风速V2及风轮叶尖线速度与风速的关系函数得到虚拟风速V2的最优转速WOPT10029式20030式中，OPT为最佳叶尖速比；R为风轮半径；0031将虚拟风速V2的最优转速WOPT1作为V1风速下风力机下一时刻C点风力机角速度给定当风力机运行到C点，其C点的角速度C等于虚拟风速V2的最优转。
12、速WOPT1，再根据C点的角速度C得到C点的功率PC，再以PC作为虚拟风速V3的最大功率点D点的功率PDMAX，将PDMAX代入式1得到虚拟风速V3，再根据式2得到虚拟风速V3的最优转速WOPT2，再将虚拟风速V3的最优转速作为V1风速下风力机下一时刻E点的转速给定，风力机运行到E点，在新的工作点再按照上述方法继续搜索，即可搜索到V1风速的最优转速，同时也得到了V1风速的最大功率。0032实施例20033如图2B所示，假设某一瞬间风速为V1，风力机的角速度为W，风力机运行到最大功率点右边的某一点A点，A点对应的功率为PA，由于此时的风速V1是未知的，因此可假定A点的功率PA为某一虚拟风速V2下。
13、最大功率点B点的功率，设为PBMAXPA，于是根据风轮机从风能吸收的功率特性公式可计算出虚拟风速V20034式10035式中，CPMAX为风力机最大功率利用系数；S为风力机扫掠面积；为空气密度；然后根据已计算出虚拟风速V2及风轮叶尖线速度与风速的关系函数得到虚拟风速V2的最优转速WOPT10036式20037式中，OPT为最佳叶尖速比；R为风轮半径；0038将虚拟风速V2的最优转速WOPT1作为V1风速下风力机下一时刻C点风力机角速度给定当风力机运行到C点，其C点的角速度C等于虚拟风速V2的最优转速WOPT1，再根据C点的角速度C得到C点的功率PC，再以PC作为虚拟风速V3的最大功率点D点的功。
14、率PDMAX，将PDMAX带入式1得到虚拟风速V3，再根据式2得到虚拟风速V3的最优转速WOPT2，再将虚拟风速V3的最优转速WOPT2作为V1风速下风力机下一时刻E点的转速给定，则风力机运行到E点，在新的工作点再按照上述方法继续搜索，即可搜索到V1风速的最优转速，同时也得到了V1风速的最大功率。0039实施例30040图3A为渐增风速下，变步长爬山搜索法最大风能搜索过程假设当前风速为V4，风力机运行于A点；突然风速上升到V3，变步长爬山搜索法检测到功率上升及转速变化，施加转速扰动，按照施加转速扰动的大小可能有两种情况如图3A所示1当扰动量DW1较小时，则处于最大功率点左侧的C1点；2当扰动量。
15、DW2较大时，处于最大功率点右侧的C2点。假定在第一种情况下，风力机向C1点运行时，风速又上升为V2，那么风力机实际工作点是D1点，搜索方向是正确的。假定在第二种情况下，风力机向C2点运行时，若风说明书CN102072083ACN102072087A4/5页6速不再变化，因为PC2PB，则沿着L方向寻优。但若此时风速又上升到V2，风力机实际工作点则为D2点，由于PD2PB，系统误以为工作点还在最优点左边，于是继续增加转速，如此就偏离最优转速。因此转速扰动大小及限幅值选取十分关键，也比较困难，如果取值偏小，跟踪缓慢，在较快变化的风速下难以实现快速跟踪，取值偏大就可能会出现偏离最优转速点。0041。
16、图3B为渐增风速下，本发明方法搜索过程假设当前风速为V7，风力机运行于A点，突然风速上升到V5，此时风力机实际工作点到了B点风力机在A点与B点的角速度一致，通过检测到风力机在B点的功率及风轮机从风能吸收的功率公式式1计算出B点所对应的虚拟风速V6，利用式2再计算出该虚拟风速V6的最优转速，风力机继续向C点运行风力机在C点的角速度与虚拟风速V6的最优转速相等，假设此时风速又上升到V3，风轮机实际工作点到了D点风力机在C点与D点的角速度一致，同样可计算出D点所对应的虚拟风速V4及该虚拟风速的最优转速，风力机继续向E点运行，以此类推。0042实施例40043图4A为渐减风速情况下，爬山搜索法最大风能。
17、搜索过程。假设当前风速为V1，风力机运行于A点；突然风速下降到V2，变步长爬山搜索法检测到功率下降及转速变化，施加转速扰动，减小转速，这时系统向C点运行，若风速不再变化，由于PCPB，则沿着L方向寻优。若此时风速又下降到V3，则风机实际工作点位D点，由于功率PDPB，系统会误以为已运行到最优功率点的左边，进而增加转速，则系统会向E点运行，此时已经明显偏离了最优转速点。0044图4B为渐减风速情况下，本发明最大风能跟踪算法搜索过程假设当前风速为V1，风力机运行于A点，此时风速突然下降到V2，此时风力机实际工作点到了B点风力机在A点与B点的角速度一致，通过检测到风力机在B点的功率及风轮机从风能吸收。
18、的功率公式式1计算出B点所对应的虚拟风速V3，利用式2再计算出该虚拟风速V3下的最优转速WC，风力机继续向C点运行风力机在C点的角速度与虚拟风速V3的最优转速相等，假设此时风速又下降到到V4，风轮机实际工作点到了D点风力机在D点与C点的角速度一致，同样可计算出D点对应的虚拟风速V5及该虚拟风速的最优转速WE，风力机继续向E点运行，以此类推。由图4B可以看出，在渐减风速下本发明最大风能跟踪算法在搜索过程中没有反向调整转速，因此跟踪的动态性能得到了改善。0045从图5B可以看出，在5A所示的典型风速下，当风速渐增时爬山搜索法下的风力机实际转速较理论上最优转速有较大偏差；当风速渐减时，爬山搜索法转速。
19、搜索过程中出现反向调整转速使得转速变化很小，也偏离了最优转速。从图5D可以看出，在5A所示的典型风速下，本发明最大风能跟踪算法转速跟踪十分平稳，且渐变风速下依然能很好的跟踪理论上最优转速。由图5C及图5E可知，在5A所示的典型风速下，风速渐变时，本发明最大风能跟踪方法的风能利用系数始终保持在最大利用系数附近仿真用风力机的最大功率利用系数048，而爬山搜索法的风能利用系数明显低于最大利用系数。0046从图6B和图6C可以看出，在6A所示的自然风速下，由于风速是变化的，导致爬山搜索法转速跟踪出现较大偏差，风能利用系数明显低于最大利用系数048，若风速出现长时间的上升或下降，甚至导致跟踪失败。从图6。
20、D和图6E可以看出本发明最大风能跟踪方法跟踪效果很好，本发明方法下风力机的实际转速与理论最优转速比较吻合，并且风能利用系数始终保持在最大利用系数附近仿真用风力机的最大功率利用系数为说明书CN102072083ACN102072087A5/5页7048。说明书CN102072083ACN102072087A1/9页8图1说明书附图CN102072083ACN102072087A2/9页9图2说明书附图CN102072083ACN102072087A3/9页10图3说明书附图CN102072083ACN102072087A4/9页11图4说明书附图CN102072083ACN102072087A5/9页12说明书附图CN102072083ACN102072087A6/9页13说明书附图CN102072083ACN102072087A7/9页14图5说明书附图CN102072083ACN102072087A8/9页15说明书附图CN102072083ACN102072087A9/9页16图6说明书附图CN102072083A。