一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組提效的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法 提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有兩種最優(yōu)風(fēng)能利用系數(shù)跟蹤控制方法，分別為基于常規(guī)的轉(zhuǎn) 速-功率查表控制方法（方法1)和基于轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩的PI控制方法（方法2)，但無論是方 法1還是方法2,算法控制器中的功率給定或轉(zhuǎn)矩給定均為固定空氣密度下的最優(yōu)給定，由 于空氣密度與環(huán)境的氣壓、溫度相關(guān)，而一天中氣壓和環(huán)境溫度是實(shí)時(shí)變化的，運(yùn)樣就會(huì)導(dǎo) 致空氣密度變化后功率或轉(zhuǎn)矩的實(shí)際給定與最優(yōu)給定存在一些偏差，從而影響發(fā)電效果。
[0003] 目前在中國的北"（華北、東北和西北）地區(qū)，在風(fēng)速超過風(fēng)機(jī)的滿發(fā)值W上 時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度棄風(fēng)、限發(fā)電情況，降低了業(yè)主的收益和風(fēng)電項(xiàng)目的成本回收。如何 提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中低風(fēng)速段（4~9m/s運(yùn)個(gè)區(qū)間）的發(fā)電量是最為關(guān)鍵和最為熱口的課 題。
[0004] 一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法，目的就是為了提升中 低風(fēng)速段的機(jī)組發(fā)電量和功率曲線飽和度，從而為客戶帶來可觀的效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法 提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法，能有效解決此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在中低風(fēng)速段發(fā)電量和功率 曲線飽和度低的問題。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法，首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過傳感器采集機(jī)組所處環(huán)境的氣壓和溫 度，然后通過氣體動(dòng)態(tài)方程計(jì)算得到空氣密度；最后將空氣密度，風(fēng)機(jī)葉輪的最大風(fēng)能利用 系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算 公式中得到變頻器的最優(yōu)功率給定，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大出力；其包括W下步驟：
[0007] 1)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝大氣壓傳感器來采集環(huán)境空氣的氣壓值；
[0008] 2)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的環(huán)境溫度傳感器來采集環(huán)境空氣的溫度值；
[0009] 3)將采集到的環(huán)境空氣氣壓值和溫度值代入到氣體狀態(tài)方程中得到環(huán)境空氣的 空氣密度值；
[0010] 4)將空氣密度，葉輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效 率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公式中得到各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下變頻器的最優(yōu) 功率給定。
[0011] 5)將計(jì)算得到的各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下變頻器的最優(yōu)功率給定關(guān)系輸入到風(fēng)力發(fā)電 機(jī)組功率控制器中，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大出力。
[0012] 在步驟1)中，將大氣壓傳感器連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙柜中的模擬量信號(hào)輸 入模塊上，該模擬量輸入模塊能將大氣壓傳感器的電流信號(hào)解析成當(dāng)前環(huán)境空氣的氣壓實(shí) 測(cè)值；
[0013] 在步驟2)中，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙柜中的模擬量信號(hào)輸入模塊能夠?qū)h(huán)境溫 度傳感器的電阻信號(hào)解析成當(dāng)前環(huán)境空氣的溫度實(shí)測(cè)值。
[0014] 在步驟3)中，將采集到的環(huán)境空氣氣壓值和溫度值代入到氣體狀態(tài)方程中得到 環(huán)境空氣的空氣密度值；其中，所述氣體狀態(tài)方程如下：
[0016] 式中，P為空氣密度，P為環(huán)境空氣的大氣壓力，M為空氣摩爾質(zhì)量，R為氣體狀態(tài) 方程常數(shù)，T為環(huán)境空氣的開爾文溫度，即T=t+273. 15,t為環(huán)境空氣的攝氏溫度。
[0017] 在步驟4)中，通過查詢風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪和傳動(dòng)鏈相關(guān)的技術(shù)資料得到葉輪的 最大風(fēng)能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率；再將空氣密度，葉輪的最大風(fēng) 能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能 的計(jì)算公式中得到變頻器的最優(yōu)功率給定；其中，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì) 算公式如下：
[0019] 式中，P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率，Cp為葉輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)，P為空氣 密度，A為葉輪的掃風(fēng)面積，V為葉輪前的風(fēng)速，riDtu。。。。為傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率；
[0020] 根據(jù)葉尖速比的定義，可知風(fēng)速與葉尖速比的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
[0022] 式中，V為葉輪前的風(fēng)速，Wg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑，G為增速齒輪箱傳動(dòng)比， 入為葉尖速比；
[0023] 將風(fēng)速與葉尖速比的關(guān)系式代入到風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公式中得到如下對(duì)應(yīng) 關(guān)系：
[00巧]將空氣密度、最大風(fēng)能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率代入后 就可得到各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)變頻器功率給定如下：
[0027] 式中，口。。^^16,。"為變頻器最優(yōu)功率給定，〔口。。為最大風(fēng)能利用系數(shù)，^。。為最優(yōu) 葉尖速比。
[0028] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果：
[0029] 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組加裝大氣壓傳感器后，就可W通過傳感器采集到機(jī)組所處環(huán)境空氣 的氣壓和溫度，通過氣體動(dòng)態(tài)方程計(jì)算便可得到空氣密度，最后將空氣密度、葉輪的最大風(fēng) 能利用系數(shù)、葉輪的最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換 成電能的計(jì)算公式中可得到變頻器的最優(yōu)功率給定，在空氣密度發(fā)生變化的條件下，由于 空氣密度參與了最優(yōu)控制，故能使機(jī)組實(shí)時(shí)保持最大出力。
[0030] 通過在1.5麗風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的測(cè)試效果可知，一種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提 高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法較基于常規(guī)的轉(zhuǎn)速-功率查表控制方法在年發(fā)電量上能提升 8% -30% ;-種采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法較基于轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩的 PI控制方法在年發(fā)電量上能提升1% -5%。總之，本發(fā)明方法具有提效效果明顯、可靠性 高、方便推廣、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明所述方法的流程框圖。
[0032] 圖2為動(dòng)態(tài)查表控制算法、轉(zhuǎn)速-功率查表控制算法和轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩PI控制算法在 環(huán)境空氣密度發(fā)生改變的情況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉尖速比和風(fēng)能利用系數(shù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)與最優(yōu)點(diǎn) 的位置關(guān)系圖。
[0033] 圖3為同一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分別采用動(dòng)態(tài)差表法和轉(zhuǎn)速-功率查表法控制方法下 的功率曲線比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035] 本實(shí)施例所述的采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法，其情況如 下：
[0036] 首先，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過傳感器采集機(jī)組所處環(huán)境的氣壓和溫度，然后通過氣體 動(dòng)態(tài)方程計(jì)算得到空氣密度；最后將空氣密度，風(fēng)機(jī)葉輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速 比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公式中得到變頻 器的最優(yōu)功率給定，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組最大出力。
[0037] 如圖1所示，所述的采用動(dòng)態(tài)查表控制算法提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的方法包括W 下步驟：
[0038] 1)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝大氣壓傳感器來采集環(huán)境空氣的氣壓值，其中，將大氣壓 傳感器連接到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙柜中的模擬量信號(hào)輸入模塊上，該模擬量輸入模塊能將 大氣壓傳感器的電流信號(hào)解析成當(dāng)前環(huán)境空氣的氣壓實(shí)測(cè)值。
[0039] 2)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的環(huán)境溫度傳感器來采集環(huán)境空氣的溫度值，而風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組機(jī)艙柜中的模擬量信號(hào)輸入模塊能夠?qū)h(huán)境溫度傳感器的電阻信號(hào)解析成當(dāng)前環(huán) 境空氣的溫度實(shí)測(cè)值。
[0040] 3)將采集到的環(huán)境空氣氣壓值和溫度值代入到氣體狀態(tài)方程中得到環(huán)境空氣的 空氣密度值。其中，所述氣體狀態(tài)方程如下：
[0042] 式中，P為空氣密度，P為環(huán)境空氣的大氣壓力，M為空氣摩爾質(zhì)量，R為氣體狀態(tài) 方程常數(shù)，T為環(huán)境空氣的開爾文溫度，即T=t+273. 15,t為環(huán)境空氣的攝氏溫度。
[0043] 4)通過查詢風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪和傳動(dòng)鏈相關(guān)的技術(shù)資料得到葉輪的最大風(fēng)能利 用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率；再將空氣密度，葉輪的最大風(fēng)能利用系 數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率輸入到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公 式中得到變頻器的最優(yōu)功率給定；其中，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公式如 下：
W45] 式中，P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出電功率，Cp為葉輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)，P為空氣 密度，A為葉輪的掃風(fēng)面積，V為葉輪前的風(fēng)速，riDtu。。。。為傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率；
[0046] 根據(jù)葉尖速比的定義，可知風(fēng)速與葉尖速比的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：
[0048] 式中，V為葉輪前的風(fēng)速，Wg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑，G為增速齒輪箱傳動(dòng)比， 入為葉尖速比；
[0049] 將風(fēng)速與葉尖速比的關(guān)系式代入到風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的計(jì)算公式中得到如下對(duì)應(yīng) 關(guān)系：
[0051] 將空氣密度、最大風(fēng)能利用系數(shù)、最優(yōu)葉尖速比和傳動(dòng)鏈的能量傳遞效率代入后 就