[发明专利]面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法

说明书

本发明公开了一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，包括以下内容：基于传统OTR方法的基本原理，风电机组控制器在电磁转矩指令中引入气动转矩与最优转矩之差的补偿回路，根据当前风速测量值与风轮加速度信号对补偿回路中的补偿系数进行动态调整，以此来调节不同风速下的转矩误差补偿量，从而重点增强风电机组在高风速区域的MPPT性能。相比于采用恒定补偿系数的传统OTR方法，本发明所提方法能够以较小的载荷代价获得较多的风能捕获量。

技术领域

本发明属于风电机组MPPT控制技术领域，特别是一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)控制方法。

背景技术

MPPT是额定风速以下风电机组的主要运行模式，提升MPPT效率具有重要意义。最常见的MPPT方法为最优转矩(Optimal Torque，OT)法，该方法基于最优转矩曲线对输出电磁转矩进行控制，通过气动转矩与电磁转矩之间的不平衡转矩使得风轮加减速，逐渐收敛至最大功率点。该策略简单且电磁转矩较为平稳，是目前产业化大型风电机组应用最为广泛的MPPT方法。

实际风电机组运行在湍流风速下，大多数情况下处于跟踪过程中而非稳态工作点，导致基于稳态最优转矩曲线设计的OT方法风能捕获效果不佳，需从跟踪动态视角对其进行改进。通过在OT方法的电磁转矩指令基础上附加额外的转矩，能够使得气动转矩与电磁转矩间的不平衡转矩进一步增大，从而提升跟踪动态性能。代表性的方法有恒带宽控制、惯量补偿控制和最优跟踪转子(Optimally Tracking Rotor，OTR)控制。其中，OTR方法的附加转矩是通过在电磁转矩指令中引入关于气动转矩与最优转矩之差的补偿量，并通过改变补偿系数调节附加转矩的大小。OTR方法虽然可以通过设置一个较大的补偿系数来增加转矩补偿量，进而提高风能捕获效率，但这也造成了更为强烈的电磁转矩波动，并伴随风电机组传动链载荷的增大。

需要注意的是，高风速区域所蕴含的能量远大于低风速区域，这意味着两者之间在跟踪价值上存在区别，在减小同等幅度的跟踪误差的情况下，跟踪高风速所收获的风能捕获增量要显著大于跟踪低风速的，而付出的载荷代价却较为接近。然而，传统OTR方法在任意风速下采用的都是恒定的补偿系数，忽略了高、低风速在跟踪价值上的区别，使相当一部分载荷产生在跟踪价值较低的低风速区域内，并导致转速过多处于低转速区间，降低了跟踪高风速的比重，导致付出较大的载荷代价却未获得理想的风能捕获效率提升效果。目前针对OTR方法的研究中还未考虑到根据风速的跟踪价值来动态调整补偿系数。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，考虑到MPPT控制技术是风电机组的一项重要技术手段，针对传统OTR方法忽略风速跟踪价值而过度关注低风速区域的问题，提出一种改进风电机组OTR控制方法，考虑当前风速条件与风轮加速度大小对补偿系数进行动态调整，重点增强高风速区域的风轮跟踪性能，实现从整体上获得低载荷高效率的控制性能优化效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种面向风电机组MPPT的改进最优跟踪转子控制方法，MPPT运行模式下的风电机组控制器输出电磁转矩指令值为：

T_e＝K_optω²-G(T_m-K_optω²)

式中，T_e为电磁转矩指令；T_m为气动转矩，计算方式为：T_m＝0.5ρπR⁵C_p(λ)ω²/λ³，其中ρ为空气密度，R为风轮半径，ω为风轮转速，C_p(λ)为风能利用系数，当桨距角设定为0°时仅与叶尖速比λ＝ωR/v有关，v为当前风速值；K_optω²为最优转矩，为最优叶尖速比λ_opt对应的最大风能利用系数；G为补偿系数，根据当前风速与风轮加速度信号对其进行动态调整。