一种基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法与流程

1.本发明涉及风电转速控制技术领域，具体而言涉及一种基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法。


背景技术：

2.由于煤炭等传统能源的日益紧缺，近些年来，各国都在大力推广可再生能源，风力发电也得到了迅速发展。然而风速的随机性及不可预测性使风电场获得波动的风电功率，带来电压或频率的波动，进而会导致一系列的电网不稳定问题。随着风电场并入电网的容量逐渐增大，为提高风电系统并网的电能质量，需尽量平滑风电机组输出功率，同时还要保证电网的稳定运行。
3.风机转子的较大惯性中储存大量的动能，所以可通过调节风机转速来释放储存转子动能，利用风电机组自身的功率调节能力抑制输出功率波动。而风电机组实际上是非常复杂的非线性系统，风机所捕获的风能与多种参数有关，包括风机自身参数、风速、空气密度等。对于考虑转子动能的功率控制策略的风机转速控制器设计，为保证良好的输出功率波动平滑效果、低风速下的最大风能捕获和高风速下的功率恒定，控制器参数的选取尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法，合理优化了控制器的参数值，并使得优化参数下风机跟踪获取最大功率的效果更好。此外，风机在获得更加平滑的功率和转矩同时，仍能处于稳定运行可行域内。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.本发明实施例提出了一种基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法，所述参数优化方法包括以下步骤：
7.s1：基于风电机组的最优转矩控制策略，分别建立风速与输出功率、风速与电磁转矩和风速与转速间的频域特性关系式；
8.s2：根据风机特性关系，分析得到风力发电机的稳定约束；
9.s3，结合风速至转速间的频域关系式的最大幅值及步骤s2中的稳定约束得到相应的稳定可行域；
10.s4：绘制步骤s1中的三个频域特性关系式的最大幅值与控制器pi参数间的关系图，结合风机发电机的稳定约束优化控制器pi的参数值，在满足稳定可行域的基础上，对风机的功率、转矩跟踪及平滑效果进行优化，在保证风机转速稳定的同时，最小化功率及转矩的波动，以获得更为平滑稳定的风电输出功率。
11.进一步地，步骤s1中，分别建立风速与输出功率、风速与电磁转矩和风速与转速间的频域特性关系式的过程包括以下步骤：
12.s11，根据最优转矩控制策略的框图，推导出中间变量
[0013][0014]
式(1)中，pe表示输出功率，ω表示风力机旋转角速度，是偏导符号；t
e0
表示电磁转矩的稳态值；k1为电磁转矩转换系数，由式(2)计算得到：
[0015][0016]
式(2)中，p是发电机极对数，ψf是永磁磁链；g
sω
是发电机的转速环控制器pi的传递函数，具体表达式由式(3)表示：
[0017][0018]
式(3)中k
pω
、k
iω
分别是控制器pi的比例参数、积分参数；s是复数频率；
[0019]
s12，根据步骤s11中求得的lv，确定风机从风速到输出功率、转速、转矩的频域关系式分别为：
[0020][0021][0022][0023]
式中，p
w0
表示风机输入功率的稳态值；j为风力机转子的转动惯量，ω0表示风力机旋转角速度的稳态值；k2为风能最大利用系数，由式(7)计算得到；
[0024][0025]
式(7)中，r是风电场风机桨叶半径；ρ是空气密度；c
p，opt
是最大风能利用系数；λ
opt
为叶尖速比，根据式(8)得到；λ
opt
为最佳叶尖速比；
[0026]
λ
opt
＝ωr/v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0027]
式(8)中ω是风力机旋转角速度，v是风速。
[0028]
进一步地，步骤s2中，风力发电机的稳定约束为：
[0029][0030]
式(9)中v0是风速的稳态值，δv为风速变化量；δω1为转速下降量，δω
os
为转速下降时产生的超调响应量。
[0031]
进一步地，步骤s3中，由风速至转速间的频域关系式的最大幅值及步骤s2中的稳定约束得到该优化方法下的稳定可行域；
[0032]
max(|g
ω/v
(jω)|
ω＝0
→
∞
)≤1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)。
[0033]
进一步地，步骤s4中，结合风机发电机的稳定约束优化控制器pi的参数值的过程包括以下步骤：
[0034]
s41，基于风速的三个频域关系式计算相应的最大幅值：
[0035][0036]
式(11)中，m
p
是风速到输出功率的频域关系式的最大幅值，m
ω
是风速到转速的频域关系式的最大幅值，m
t
是风速到转矩的频域关系式的最大幅值；
[0037]
s42，绘制最大幅值随控制器参数变化的曲线图，纵向对比三个所得的曲线图，结合风力发电机的稳定可行域，选取使m
ω
值不大于1且m
p
、m
t
值最小的控制器参数临界值，将该临界值作为控制器参数的优化值；
[0038]
s43，将优化得到的控制器的参数值与选取的非优化参数值作对比。
[0039]
本发明的有益效果是：
[0040]
本发明提出的基于最优转矩控制法的风机控制参数优化方法，首先风机的最优转矩控制是一种直接功率控制，利用发电机自身转速具备了一定的功率波动调节能力，其次通过最优转矩控制策略下频域关系式的建立，合理量化了风速变化下的输出功率、电磁转矩和转速随控制器参数变化的关系。并且根据风机转速、风速、转矩的特性曲线，分析得到了基于风机风速与转速间频域关系的稳定约束，合理优化了控制器的参数值，并使得优化参数下风机跟踪获取最大功率的效果更好。此外，风机在获得更加平滑的功率和转矩同时，仍能处于稳定运行可行域内。
附图说明
[0041]
图1是本发明实施例的基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法流程图。
[0042]
图2为本发明实施例的风机基于最优转矩控制策略的转速与输出功率的关系图。
[0043]
图3为本发明实施例的最优转矩控制下的滞环矢量控制框图。
具体实施方式
[0044]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0045]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0046]
图1是本发明实施例的基于最优转矩控制法的风力机控制器参数优化方法流程图。参见图1，该优化方法包括以下步骤：
[0047]
s1：基于风电机组的最优转矩控制策略，分别建立风速与输出功率、风速与电磁转矩和风速与转速间的频域特性关系式。
[0048]
s2：根据风机特性关系，分析得到风力发电机的稳定约束。
[0049]
s3，结合风速至转速间的频域关系式的最大幅值及步骤s2中的稳定约束得到相应
的稳定可行域。
[0050]
s4：绘制步骤s1中的三个频域特性关系式的最大幅值与控制器pi参数间的关系图，结合风机发电机的稳定约束优化控制器pi的参数值，在满足稳定可行域的基础上，对风机的功率、转矩跟踪及平滑效果进行优化，即在保证风机转速稳定的同时，减少功率及转矩的波动，获得较为平滑稳定的风电输出功率。
[0051]
最大风能跟踪控制的手段有很多，基于最优转矩的控制利用风机“转速-功率”曲线使风力机转速和电磁转矩维持特定关系，即利用风机获得的最佳转矩作为输入参考值，并与实际转矩做偏差后通过控制器产生所需电磁转矩，通过电磁转矩来控制风机转速，以跟踪最大风功率。最优转矩控制法简单易行，且不需要获取实时风速信息，在工程中已得到广泛的应用。即风机的最优转矩跟踪控制，是最大功率跟踪控制的一种手段，利用风机获得的最佳转矩作为输入参考值，并与实际转矩做偏差后通过控制器产生所需电磁转矩，通过电磁转矩来控制风机转速，以跟踪最大风功率，所得转速与输出功率的关系如图2所示。给定转矩值后，永磁同步发电机组采用滞环矢量控制，其控制框图如图3所示。
[0052]
在此基础上，本实施例通过最优转矩控制策略下频域关系式的建立，合理量化了风速变化下的输出功率、电磁转矩和转速随控制器参数变化的关系。并且根据风机转速、风速、转矩的特性曲线，分析得到了基于风机风速与转速间频域关系的稳定约束，合理优化了控制器的参数值，并使得优化参数下风机跟踪获取最大功率的效果更好。
[0053]
具体的，步骤s1中，风机从风速到输出功率、转速、转矩的频域关系式通过以下过程确定：
[0054]
s1.1：根据最优转矩控制策略的框图，推导出中间变量
[0055][0056]
式(1)中，pe表示输出功率，ω表示风力机旋转角速度，是偏导符号；t
e0
表示电磁转矩的稳态值；k1为电磁转矩转换系数，由式(2)计算得到：
[0057][0058]
式(2)中，p是发电机极对数，ψf是永磁磁链。
[0059]gsω
是发电机的转速环控制器pi的传递函数，具体表达式由式(3)表示：
[0060][0061]
式(3)中k
pω
、k
iω
分别是控制器pi的比例参数、积分参数。
[0062]
s1.2：根据步骤s1.1中求得的lv，确定风机从风速到输出功率、转速、转矩的频域关系式：
[0063]
[0064][0065][0066]
式中，p
w0
表示风机输入功率的稳态值；j为风力机转子的转动惯量，ω0表示风力机旋转角速度的稳态值；k2为风能最大利用系数，由式(7)计算得到：
[0067][0068]
式(7)中，r是风电场风机桨叶半径；ρ是空气密度；c
p，opt
是最大风能利用系数；λ
opt
为叶尖速比，根据式(8)得到：
[0069]
λ
opt
＝ωr/v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0070]
式(8)中ω是风力机旋转角速度，v是风速。
[0071]
步骤s2中，风力发电机的稳定约束为：
[0072][0073]
式(9)中v0是风速的稳态值，δω1为转速下降量，δω
os
为转速下降时产生的超调响应量。
[0074]
步骤s3中，稳定可行域通过以下方法求取：
[0075]
s3.1：基于风速的三个频域关系式计算相应的最大幅值：
[0076][0077]
s3.2：由风速至转速间的频域关系式的最大幅值及步骤s2中的稳定约束得到该优化方法下的稳定可行域：
[0078]
max(|g
ω/v
(jω)|
ω＝0
→
∞
)≤1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)。
[0079]
步骤s4中，控制器的优化参数通过以下方法求取：
[0080]
绘制步骤s3.1中最大幅值随控制器参数变化的曲线图，绘制最大幅值随控制器参数变化的曲线图，纵向对比三个所得的曲线图，结合步骤s3.2中风力发电机的稳定可行域稳定约束(即式(10))，选取使m
ω
值不大于1且m
p
、m
t
值相对较小的控制器参数临界值，将该临界值作为控制器参数的优化值。这样在保证风机转速稳定在转速最大幅值小于1的基础上，减少输出功率及转矩的波动，对风机的功率、转矩跟踪及平滑效果进行起到一定的优化效果，同时与选取的非优化参数值作对比。
[0081]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。