一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法、系统、设备及介质与流程

本发明属于风力发电，具体涉及一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、风能因其环保、可再生的特点，已成为化石燃料最有前途的替代能源之一，提高风能捕获效率是进一步增强风能相对于其他能源市场竞争力的最有效手段之一。风能捕获效率主要由叶尖速比和叶片桨距角决定。风电机组最大风能捕获是指在低于额定风速条件下，通过指定发电机电磁转矩调节风轮转速，使风电机组运行于最佳叶尖速比状态，进而实现最大风能捕获。

2、主流的风电机组最大风能捕获方法有最优转矩法、叶尖速比法和爬山算法。叶尖速比法根据风速信号和最佳叶尖速比给定参考风轮转速，通过发电机电磁转矩实现使风轮状态保持在最佳叶尖速比附近。叶尖速比法高于依赖于风速测量精度，然而风速传感器的惯性及风轮尾流效应使风速难以得到快速、准确测量。此外，风速传感器往往是单点测量，难以反映作用在整个风轮平面的有效风速，激光雷达具有较高的风速测量精度，但其成本过高，因此叶尖速比法在工程中的应用较少。爬山算法不依赖于系统固有特性和风速测量，是一种数据驱动控制方法，能够自动根据功率和转速的扰动关系实现最大功率点的搜索，但对于大惯量风电机组，爬山算法的跟踪速度较慢，因此常被应用于小型风电机组。最优转矩法依据风电机组稳态最优转矩曲线和实时转速计算发电机电磁转矩，是大型风电机组最大风能捕获的主流控制算法。然而，该方法的设计过程仅关注稳态性能，未考虑风电机组不同工作点切换的动态性能。不仅如此，该方法选取本身就滞后于风速的转速信号来计算发电机电磁转矩的设定值，大大限制了风电机组最大风能捕获的跟踪带宽。

3、现有技术已公布了风电机组最大风能捕获的恒定带宽改进控制方法，但恒定带宽的选择是一个值得权衡的难题，过大的带宽将为风轮引入过大的惯性载荷，过小的带宽将造成风能捕获效率低下。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法、系统、设备及介质，解决了现有的风电机组最大风能捕获的恒定带宽改进控制方法存在的宽带选择较难的问题，本发明兼顾了风轮惯性载荷及风能捕获效率，同时考虑了风电机组固有特性和实时风速特征的带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供的一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法，包括以下步骤：

4、步骤1，获取目标风电机组设定时间段内的历史数据，所述历史数据包括多组发电机电磁转矩信号和高速轴转速信号；

5、步骤2，依据历史数据分别估计对应的气动转矩估计值和实时风速估计值；

6、步骤3，利用实时风速估计值预测得到下一时间区间的平均风速和等效风频率，基于下一时间区间的平均风速和等效风频率计算转矩误差前馈补偿环的自适应增益值；

7、步骤4，依据得到的转矩误差前馈补偿环的自适应增益值计算总电磁转矩设定值；

8、步骤5，将得到的总电磁转矩设定值输入至变流器电磁转矩控制模块完成目标风电机组最大风能捕获。

9、优选地，步骤2中，估计对应的气动转矩估计值，具体方法是：

10、将得到的电磁转矩信号和高速轴转速信号和预构建得到的风电机组传动链离散形式的动力学方程相结合，利用无迹卡尔曼滤波器估算得到每组发电机电磁转矩信号和高速轴转速信号对应的气动转矩估计值。

11、优选地，步骤2中，估计对应的实时风速估计值的具体方法是：

12、获取目标风电机组风轮对应的气动特性；

13、将得到的气动转矩估计值与气动特性相结合，利用牛顿拉夫逊方法计算得到每组发电机电磁转矩信号和高速轴转速信号对应的实时风速估计值。

14、优选地，步骤3中，利用实时风速估计值预测得到下一时间区间的平均风速和等效风频率，具体方法是：

15、利用非线性微分追踪器对实时风速估计值进行处理，得到每个实时风速估计值对应的实时风速和该实时风速对应的微分信号；

16、按照设定的固定时间区间对得到的所有实时风速和该实时风速对应的微分信号进行划分，得到多个时间区间；

17、计算每个时间区间对应的平均风速和等效风频率；

18、从得到的所有时间区间中选取指定时间区间对应的平均风速和等效风频率；

19、利用单指数平滑法对选取得到的平均风速和等效风频率进行处理，预测得到下一时间区间对应的平均风速和等效风频率。

20、优选地，步骤3中，基于最大风能捕获系统的跟踪带宽与下一时间区间的等效风频率保持一致，将得到的下一时间区间的平均风速和等效风频率结合下式计算得到转矩误差前馈补偿环的自适应增益值：

21、

22、其中，kab为自适应增益值；jd为传动链在低速轴侧的等效转动惯量；λopt为最佳叶尖速比；ρ为空气密度；r为风轮半径；cpamx为最大风能利用系数；为下一时间区间对应的等效风频率；为下一时间区间对应的平均风速；k为时间区间。

23、优选地，步骤4中，依据得到的转矩误差前馈补偿环的自适应增益值计算总电磁转矩设定值，具体方法是：

24、根据高速轴转速信号计算得到稳态最优转矩值；

25、根据得到的气动转矩估计值、自适应增益值和稳态最优转矩值，计算得到转矩误差前馈补偿量；

26、依据稳态最优转矩值和转矩误差前馈补偿量计算得到总电磁转矩设定值。

27、优选地，依据下式计算转矩误差前馈补偿量：

28、

29、其中，δtab为转矩误差前馈补偿量；kab为自适应增益值；tst为稳态最优转矩值；为气动转矩估计值；n为传动链齿轮箱的增速比；

30、依据下式计算总电磁转矩设定值：

31、tg,set＝tst+δtab

32、其中，tg,set为总电磁转矩设定值。

33、一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获系统，包括：

34、数据获取单元，用于获取目标风电机组设定时间段内的历史数据，所述历史数据包括多组发电机电磁转矩信号和高速轴转速信号；

35、气动转矩估计值和实时风速估计值估计单元，用于依据历史数据分别估计对应的气动转矩估计值和实时风速估计值；

36、自适应增益值计算单元，用于利用实时风速估计值预测得到下一时间区间的平均风速和等效风频率，基于下一时间区间的平均风速和等效风频率计算转矩误差前馈补偿环的自适应增益值；

37、总电磁转矩设定值计算单元，用于依据得到的转矩误差前馈补偿环的自适应增益值计算总电磁转矩设定值；

38、控制单元，用于将得到的总电磁转矩设定值输入至变流器电磁转矩控制模块完成目标风电机组最大风能捕获。

39、一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现所述方法的步骤。

40、一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现根据所述方法的步骤

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、本发明提供的一种带宽自适应的风电机组最大风能捕获方法，所述方法在传统的最优转矩法基础上引入转矩误差前馈补偿环，该转矩误差前馈补偿环的自适应增益值依据风速特征进行增益调度，其结构简单、方法可靠、实现成本低，不需要在风电系统中额外添加传感器和采集装置，易于在新旧机组的技术改造中进行广泛应用，同时，依据预测的风速特征对转矩误差前馈补偿环的增益进行非线性调度，使得风电机组最大风能捕获系统的跟踪带宽与入流风速的频率相匹配，保证了在不引入过大风轮惯性载荷的前提下提升风能捕获效率，本发明兼顾了风轮惯性载荷及风能捕获效率，同时考虑了风电机组固有特性和实时风速特征，实现了带宽自适应的风电机组最大风能捕获。

43、进一步的，利用卡尔曼滤波和风电机组传动链动态特性实现风轮气动转矩的实时估计，将稳态最优转矩值与气动转矩估计值的差值用于前馈补偿，提升了最大风能捕获系统的跟踪带宽。

44、进一步的，利用牛顿拉夫逊方法实现实时风速的估计，并利用非线性微分追踪器获取消除噪声的实时风速及其微分信号，以提升最大风能捕获系统的抗扰能力。

45、进一步的，利用处理后的风速及其微分信号按时间区间求取平均风速和等效风频率，利用单指数平滑法预测下一时间区间的平均风速和等效风频率，其获取风速特征的手段成本较低、不依赖于风速传感器的测量精度。