一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法及系统

技术领域

本发明属于风电控制技术领域，具体涉及一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法及系统。

背景技术

对于直驱风机或半直驱串列式双风轮风电机组而言，在风电机组的入流风速高于切入风速，且电机转速低于额定转速的这一工作区间内，通常被称为最大风能跟踪区，此时风轮桨距角被控制恒定为0度，调节风电机组出力的方式只有通过调节前、后风轮的变流器，改变电机所产生的电磁转矩，从而控制前、后风轮发电机的转速。在这个工作区间内，在每一个入流风速下，都存在一组特定的前、后风轮的电磁转矩组合，对应一组特定的前、后风轮的转速组合，使得前、后风轮的输出功率之和达到最大，即所谓的该入流风速下的最大功率。

在单风轮风电机组的最大功率跟踪方法中，常用的主要由两种，一是通过风电机组设计阶段即完成的转速-转矩对应表，通过直接的一一对应，直接确定该风速下所应达到的电磁转矩参考值；二是通过不断向前向后改变电磁转矩，同时监测输出功率的变化，找到功率输出的峰值，即所谓的“爬山法”寻求最大功率点。而针对单风轮风电机组的所有最大功率跟踪方法，都无法直接应用到串列式双风轮风电机组当中。

对于串列式双风轮风电机组，由于现在国内尚无投产的实际机组，已有的技术方案主要沿用转速-转矩对应表，即通过前、后风轮当前的转速，通过查表查得前、后风轮对应的电磁转矩参考值，输入变流器控制系统中，以完成串列式双风轮风电机组最大功率点的跟踪。而针对串列式双风轮风电机组的转速-转矩对应表的最大功率跟踪方法，由于转速-转矩对应表是由气动理论模型推导或实际运行数据推测而来，导致其准确性较低，由此表指导实际的串列式双风轮风电机组运行，其误差较大，无法达到真正意义上的最大功率点，从而降低了机组运行的效率。

对于串列式双风轮风电机组而言，在宽阔的平地或海域，由于周围没有阻挡物，风速变化较一般比较慢。在这种场景下，每一次的风速改变虽然对于控制系统而言都有着充足的时间进行调节，但风速改变后串列式双风轮风电机主要的需求则是调节的精准度，但现有技术中没有对需要保持风电机组维持在最大功率点，且不存在静态误差的有效监测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法及系统，以解决现有技术中的问题：

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法，包括对风速进行检测：

若风速不发生变化，则串列式双风轮处于稳态状态；

若风速发生变化，则以处于稳态状态所对应的前后风轮转矩坐标为基准，记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中电机变流器转矩环的转矩参考值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，令双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0，修改双风轮的新的转矩T1和T2，测量双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P，并对应存储数组(T1，T2，P)；

将双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ增加一个角度步长Δθ后，判断所述θ的角度大小，若θ角度小于360度，则重复上述测量风电机组双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P和对应存储数组(T1，T2，P)的操作；若θ角度大于等于360度，则进行输出总功率P最大值的检索操作，并将所检索得到的输出总功率P最大值与P0进行比较；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值小于等于门槛值ε，则运算结束，并令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮的最大功率进行跟踪；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值大于门槛值ε，则将总功率P最大值所对应的T1的值赋值给T10，总功率P最大值所对应的T2的值赋值给T20，总功率P最大值赋值给P0，即生成新的(T10,T20,P0)，并重新设置双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ值并计算。

进一步地，所述双风轮的新的转矩T1和T2的修改方法为：根据双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0时所处的位置，建立二维直角坐标(T10，T20)为基准点，初始角度θ为方向，使得T1＝T10+△T×cosθ，T2＝T20+△T×sinθ，并将所计算得出的T1和T2作为双风轮的变流器转矩参考值；其中，△T为转矩梯度步长。

进一步地，所述检索最大值P的方法为：在所有数组(T1,T2,P)中进行相互比较。

进一步地，所述△T为转矩梯度步长选取方法为：△T＝0～1×(T10+T20)。

进一步地，所述角度步长△θ的选取范围为0°～10°。

进一步地，所述门槛值ε为P和P0的差距值的误差允许范围，所述门槛值ε的大小为：ε＝0～1×P0。

进一步地，所述输出总功率P最大值与P0的差距值为所述输出总功率P最大值与P0相减后得到的绝对值。

一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪系统，包括：

检测模块，用于对风速进行检测；

判断模块，用于对风速变化进行检测，若风速不发生变化，则串列式双风轮处于稳态状态；

若风速发生变化，则以处于稳态状态所对应的前后风轮转矩坐标为基准，记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算得出风电机组双风轮中电机变流器转矩环的转矩参考值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，令双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0，修改双风轮的新的转矩T1和T2，测量双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P，并对应存储数组(T1，T2，P)；

将双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ增加一个角度步长Δθ后，判断所述θ的角度大小，若θ角度小于360度，则重复上述测量风电机组双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P和对应存储数组(T1，T2，P)的操作；若θ角度大于等于360度，则进行输出总功率P最大值的检索操作，并将所检索得到的输出总功率P最大值与P0进行比较；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值小于等于门槛值ε，则运算结束，并令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮的最大功率进行跟踪；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值大于门槛值ε，则重新设置双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ值并计算。

相较于现有技术，本发明的优点在于：

通过本发明串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法，用于机组运行在最大风能跟踪区时，对于不同的入流风速，通过本发明的方法生成前、后风轮机组变流器控制系统中的电磁转矩参考值，来控制前、后风轮风电机组的输出功率，使其和达到最大值，从而完成当前入流风速下的最大功率跟踪，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率点，提高了机组运行的效率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法的流程示意图；

图2为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法最大功率跟踪方法效果示意图；

图3为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法最大功率跟踪方法系统输入输出连接示意图；

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

串列式双风轮风电机组：在传统风力发电机的基础上，在风电机组的背面对侧增加一个旋转风轮，用于吸收风力通过前风轮后，剩余的风能。

风能利用系数：风力机从自然风能中吸取能量的大小程度，表示了风力发电机将风能转化成电能的转换效率，用Cp表示。具体计算方式为风轮主轴上的轴功率与风轮扫过面积上获得的自然风功率之比。在实际工程中，由于主轴上的轴功率测量不准确，通常采用电机输出的总的电功率来代替。

前风轮：串列式双风轮风电机组中首先正面迎向入流风的风轮。

后风轮：串列式双风轮风电机组中除前风轮外的风轮。

进一步地，双风轮串联连接于风电机组上。

进一步地，双风轮的转矩值通过测量风电机组机侧变流器的转矩参考值来获得。

本发明的一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法通过对风速进行检测；若风速发生变化，则以处于稳态状态所对应的前后风轮转矩坐标为基准，以风速变化之前所在的运行稳态下所对应的前、后风轮转矩坐标(T10，T20)为基准，以△T为步长的若干次计算，直至本次尝试所测量得到的风电机组输出功率值P与上一次计算所得到的的输出功率值之间的差距的绝对值小于等于门槛值ε，则结束计算的方法对串列式双风轮的最大功率进行监测，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率点，提高了了机组运行的效率。

如图1所示，本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法最大功率跟踪方法，包括：对风速进行检测；

若风速不发生变化，则串列式双风轮处于稳态状态；

若风速发生变化，则以处于稳态状态所对应的前后风轮转矩坐标为基准，记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，作为风电机组双风轮中电机变流器转矩环的转矩参考值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，令双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0，修改双风轮的新的转矩T1和T2，测量双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P，并对应存储数组(T1，T2，P)；

将双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ增加一个角度步长Δθ后，判断所述θ的角度大小，若θ角度小于360度，则重复上述测量风电机组双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P和对应存储数组(T1，T2，P)的操作；若θ角度大于等于360度，则进行输出总功率P最大值的检索操作，并将所检索得到的输出总功率P最大值与P0进行比较；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值小于等于门槛值ε，则运算结束，并令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T1和T2，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮的最大功率进行跟踪；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值大于门槛值ε，则将总功率P最大值所对应的T1的值赋值给T10，总功率P最大值所对应的T2的值赋值给T20，总功率P最大值赋值给P0，即生成新的(T10,T20,P0)，并重新设置双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ值并计算。

其中：运行处于稳态状态的双风轮为处于上一个稳态状态的双风轮，在风电机组进行运行时，由于风速的不同，风电机组的双风轮会出现多个稳态状态。

更为具体地，双风轮风电机组处于上一个运行稳态时，如风速无变化，则不进行前、后风轮转速和转矩的改变，如因风速变化导致风轮转速发生波动，则进行记录操作。

进行记录操作时，首先记录此时前、后风轮输出总功率P0，前、后风轮当前转矩(一般通过测量机侧变流器转矩参考值来代替)T10和T20,进行计算操作。

进行计算操作时，首先令梯度方向θ为0°；根据当前梯度方向，修改T1和T2的值，方式为根据当前二维直角坐标(T10,T20)为基准点，θ为方向，使得T1＝T10+△T×cosθ，T2＝T20+△T×sinθ。将T1和T2作为前、后风轮的变流器转矩参考值输入。其中，△T为转矩梯度步长；测量此时的前、后风轮输出总功率P，并储存数组(T1,T2,P)。将θ增加一个角度步长△θ，如果未超过360°，则重复步骤4；如果大于或等于360°，则进行比较操作。

在进行比较操作时，在所有的T1,T2，P数组中，检索最大的P对应的数组，令T10＝T1，T20＝T2。如果此时P与P0之间的差距的绝对值小于等于门槛值ε，则运算结束，令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态；反之，则令P0＝P，重复计算操作。

进一步地，风电机组双风轮中电机变流器转矩环新的转矩参考值的计算方法为：根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，令双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0，修改双风轮的新的转矩T1和T2，测量双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P，并对应存储数组(T1，T2，P)；将双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ增加一个角度步长Δθ后，判断所述θ的角度大小，若θ角度小于360度，则重复上述测量风电机组双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P和对应存储数组(T1，T2，P)的操作；若θ角度大于等于360度，则进行输出总功率P最大值的检索操作，并将所检索得到的输出总功率P最大值与P0进行比较，若所述输出总功率P最大值与P0的差距值小于等于门槛值ε，则运算结束，并令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值大于门槛值ε，则重新设置双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ值并计算。

进一步具体地，如图2所示，双风轮梯度爬坡初始点的梯度方向为是θ所在的方向，也即在T1和T2的二维坐标系中，确定任意一点座作为初始点，初始点的大小为arctan((T2-T20)/(T1-T10))的角度值，并以此为基础，不断循环增加一个角度步长△θ，并将在梯度方向θ增加角度步长△θ的值与360°进行对比，在风电机组所在的水平方向的一周的空间内，根据对比的结果，确定风电机组下一个稳态的行进方向。

具体地，检索最大值P的方法为：在所有数组(T1,T2,P)中进行相互比较。

具体地，门槛值ε是指P和P0的差距值的误差允许范围，门槛值ε的大小为：ε＝0～10×P0，优选ε＝0.01×P0。

进一步地，双风轮的新的转矩T1和T2的修改方法为：根据双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0时所处的位置，建立二维直角坐标(T10，T20)为基准点，初始角度θ为方向，使得T1＝T10+△T×cosθ，T2＝T20+△T×sinθ，并将所计算得出的T1和T2作为双风轮的变流器转矩参考值；其中，△T为转矩梯度步长。

具体地，△T为转矩梯度步长选取方法为：△T＝0～1×(T10+T20)，优选△T＝0.02～0.05×(T10+T20)。

具体地，角度步长△θ的选取范围通常为0°～10°，优选1°～3°。

具体地，输出总功率P最大值与P0的差距值为所述输出总功率P最大值与P0相减后得到的绝对值。

进一步地，如图2所示，为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法最大功率跟踪方法效果示意图。从梯度爬坡的初始点，经过上述方法中计算和比较步骤的多个循环，爬坡到下一个点。继续若干次相关操作，如本实施例中进行了三次操作，作为示例进行说明。达到梯度爬坡最终点，即为串列式双风轮机组新的最大功率点对应的前、后风轮电机变流器转矩参考值。

具体地，如图3所示，为本发明一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法最大功率跟踪方法系统输入输出连接示意图。串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法系统包含3个输入，1个输出。输入1为当前前、后风轮的转速；输入2为当前前、后风轮的总输出功率；输入3位当前前、后风轮电机变流器的转矩参考值。输出为经过图1流程计算得到的前、后风轮电机变流器转矩环新的转矩参考值。

进一步具体地，在双风轮风机的任何一个运行稳态下，风机维持前、后风轮的转速和转矩保持不变，保持风机在这个稳态下平稳运行；如果某一时刻，外界风速发生变化，则开始对串列式双风轮风电机组的最大功率进行跟踪；通过本发明串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪方法，用于机组运行在最大风能跟踪区时，对于不同的入流风速，通过本发明的方法生成前、后风轮机组变流器控制系统的电磁转矩参考值，来控制前、后风轮风电机组的输出功率，使其和达到最大值，从而完成当前入流风速下的最大功率跟踪，准确性高，误差较小，达到真正意义上的最大功率点，提高了了机组运行的效率。

实施例2：

一种串列式双风轮风电机组的最大功率跟踪系统，包括：

检测模块，用于对风速进行检测；

判断模块，用于对风速变化进行检测，若风速不发生变化，则串列式双风轮处于稳态状态；

若风速发生变化，则以处于稳态状态所对应的前后风轮转矩坐标为基准，记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20；根据所记录的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，计算得出风电机组双风轮中电机变流器转矩环的转矩参考值，根据所记录双风轮处于稳态前后的输出总功率P0和双风轮的转矩T10和T20，令双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ＝0，修改双风轮的新的转矩T1和T2，测量双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P，并对应存储数组(T1，T2，P)；

将双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ增加一个角度步长Δθ后，判断所述θ的角度大小，若θ角度小于360度，则重复上述测量风电机组双风轮处于初始角度θ＝0的输出总功率P和对应存储数组(T1，T2，P)的操作；若θ角度大于等于360度，则进行输出总功率P最大值的检索操作，并将所检索得到的输出总功率P最大值与P0进行比较；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值小于等于门槛值ε，则运算结束，并令前、后风轮电机变流器转矩环转矩参考值分别为T10和T20，系统进入新的运行稳态，完成对串列式双风轮的最大功率进行跟踪；若所述输出总功率P最大值与P0的差距值大于门槛值ε，则重新设置双风轮梯度爬坡初始点的初始角度θ值并计算。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。