CN108599643B - 一种风力发电机功率跟踪控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风力发电机功率跟踪控制方法和装置，涉及风力发电技术领域，所述方法为：a、采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*；b、根据采样的电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC转换器中电感的电流公式计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t‑t0；c、获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；d、根据计算出的占空比D产生相应的PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。本发明方案根据系统自身参数和采集的电信号进行功率跟踪，不直接采用PID闭环控制，具有控制快速稳定的优点。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体涉及一种风力发电机功率跟踪控制方法和装置。
背景技术
现有的风力发电机功率跟踪控制方法一般为将发电机实际输出电信号和参考输出电信号输入至PID(比例积分微分)控制器实现风机输出功率的控制，该控制系统由于采用PID控制器，PID控制器虽然控制原理简单，但是其只根据三个固定的系数进行误差调节，而不考虑系统实时的运行状态，不根据系统自身的电信号参数进行功率校正，对于非线性系统或时变系统，其调节效果并不理想。且由于PID需要反复比较判断，其调节耗时较长，风机的输出功率不能快速响应外部风速和其他因素的变化，系统时效性和精度不高，难以准确实现最大功率跟踪控制。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的上述问题，提出一种新型的风机功率跟踪控制方案，该方案根据系统实时的运行状态和系统自身参数进行功率调节，调节精度高、速度快，能实现很好的调节效果。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种风力发电机功率跟踪控制方法，运用于风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器的电路结构中，包括：
a、采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*；
b、根据采样的电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0，其中，il(t)为电感中功率调节终止时刻的电流，其值等于i*；il(t0)为功率调节起始时刻电感中的电流值，其值等于i1，l为电感量；u(ξ)为电感两端的电压，其为随时间ξ而变化的变量；t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻；
c、获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；
d、根据计算出的占空比D产生相应的PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
进一步的，所述步骤a中获得给定基准电流i*的具体方法为：
采样风力发电机经三相整流后的输出电压u1，根据风机的电压电流特性曲线，得到与所述输出电压u1相对应的给定基准电流i*；
进一步的，所述步骤a中获得给定基准电流i*的具体方法为：
采集风力发电机输出的交流电压频率fw和经三相整流后的输出电压u1；根据算式w＝fw/pN计算风力发电机的转速w，其中pN为磁极对数；根据发电机的转速功率特性曲线，获取与风力发电机的转速w相对应的功率即为给定基准功率 p*；根据算式
计算给定基准电流i*。
进一步的，所述步骤c中获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0的具体方法为：
采集三相整流后的输出电压u1以及DC/DC转换器的输出端电压u2；当 DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，根据算式计算出开关管控制信号的初始占空比
当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比其中，ton为开关管的导通时长，toff为开关管的截止时长，ts为控制信号的周期，且 ts＝ton+toff。
进一步的，所述功率跟踪控制方法还包括采用闭环反馈的方式进行修正，所述闭环反馈的具体方法为：
将风力发电机经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数输入至PID调节器进行PID误差调节并输出闭环修正信号；然后将所述闭环修正信号与步骤c中计算出占空比的信号一起叠加，并产生PWM控制信号输入至 DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
进一步的，所述经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数为经三相整流后的输出电流i1和给定基准电流i*，
进一步的，所述经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数为经三相整流后的输出功率p1和给定基准功率p*。
本发明还提供一种风力发电机功率跟踪控制装置，运用于风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器的电路结构中，所述功率跟踪控制装置包括：
电流采集单元，采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*；
导通时长计算单元，用于根据采样的电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC 转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0，其中，il(t)为电感中功率调节终止时刻的电流，其值等于i*； il(t0)为功率调节起始时刻电感中的电流值，其值等于i1，l为电感量；u(ξ)为电感两端的电压；t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻；
占空比计算单元，用于获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；
PWM控制单元，用于根据计算出占空比D产生PWM控制信号，并输入至 DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制；
DC/DC转换器，与所述PWM控制单元相连，用于接收所述PWM控制单元产生的PWM控制信号进行功率跟踪控制。
进一步的，所述功率跟踪控制装置还包括：
PID调节器：用于接收风力发电机经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数，并经PID误差调节后输出闭环修正信号；
叠加单元，用于将闭环修正信号与通过占空比计算单元计算出占空比的信号一起叠加后输入至PWM控制单元；
所述PWM控制单元还用于根据叠加后的信号产生PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、相比于传统的根据固定系数进行PID闭环反馈调节方法，本发明采用根据系统运行状态以及电信号参数来进行实时的误差调节的功率控制方法，由于是根据自身状态参数实现偏差控制，本发明具有调节过程针对性更强、调节效率更高以及调节速度更快等优点，能够快速响应风机的输出功率要求，特别适合用于风速急剧变化环境下的风机控制。
2、利用PID闭环反馈对功率跟踪控制的结果进行修正，可以进一步提高功率跟踪控制精度。
附图说明
图1和图2是本发明风力发电机组功率跟踪控制方法原理图。
图3是本发明风力发电机组功率跟踪控制结合闭环修正的方法原理图。
图4(a)是本发明具体实施方式中DC/DC转换器的降压斩波电路拓扑结构图。
图4(b)是本发明具体实施方式中DC/DC转换器的升压斩波电路拓扑结构图。
图5是本发明风力发电机功率跟踪控制装置系统框图。
图6是本发明具体实施方式中功率跟踪控制装置的控制单元内部架构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做清楚完整的说明，但本发明的保护范围不限于下述具体实施方式。
本发明公开了一种风力发电机功率跟踪控制方法：将风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器，对风力发电机经三相整流后的输出进行采样，根据采样的电信号参数和系统自身参数计算DC/DC转换器的PWM控制信号的占空比，并根据计算出的占空比生成PWM控制信号进行功率跟踪控制，所述电信号参数包括电流、电压和功率等等，所述系统自身参数包括系统给定基准电信号参数、电感量、电容以及电阻等等。
在功率跟踪控制中，根据风机的电压电流特性曲线、转速功率特性曲线、电压功率特性曲线或者转速电流特性曲线进行功率偏差调整。在下述具体实施方式中，以电压电流特性曲线和转速功率特性曲线进行功率偏差调整为例，详细介绍功率跟踪控制方法。
本发明进行功率跟踪控制的方式是计算DC/DC转换器控制信号的占空比，以实时调节占空比的大小来调节功率输出。由于DC/DC转换器包括多种拓扑结构，例如，降压斩波电路(Buck Chopper)、升压斩波电路(Boost Chopper)、升降压斩波电路(Buck-BoostChopper)、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路以及Zeta 斩波电路等等，其中降压斩波电路和升压斩波电路为最典型的两种基本拓扑结构，本实施方式即以该两种典型的拓扑结构为例来具体说明其PWM控制信号占空比的计算方法，其他拓扑结构的DC/DC转换器均可以此为参照而类推出控制信号的占空比，从而进行功率跟踪控制。
图1和2是本发明风力发电机组功率跟踪控制方法原理图，图1是根据电压电流特性曲线得到给定基准电流的功率跟踪控制方法原理图，图2是根据转速功率特性曲线得到给定基准电流的功率跟踪控制方法原理图，图4(a)、图4 (b)给出了两种典型DC/DC转换器拓扑结构，其中图4(a)是降压斩波电路的拓扑结构，图4(b)是升压斩波电路的拓扑结构，参见图1、2和图4(a)、图4(b)， DC/DC转换器占空比的计算方法为：
S101：采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*。
在具体实施中，可采用永磁同步风力发电机PMSG，其输出的交流电经三相整流后输入至DC/DC转换器进行电能转换。
本发明方法首先采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1和获取给定基准电流i*，其中给定基准电流i*的获取方法为：
采样风力发电机整流后的输出电压u1，根据风机的电压电流特性曲线，如图1所示，得到与所述输出电压u1相对应的给定基准电流i*；
或者，采集风力发电机输出的交流电压频率fw，以及输出电压u1；根据算式w＝fw/pN计算风力发电机的转速w，其中pN为磁极对数；根据发电机的转速功率特性曲线，如图2所示，获取与风力发电机的转速w相对应的功率即为给定基准功率p*；根据算式
计算给定基准电流i*。
S102：根据风力发电机三相整流后的输出电流i1和给定基准电流i*，以及 DC/DC转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0。
参见图4(a)、图4(b)，其中图4(a)是降压DC/DC转换器的原理图，图4(b)是升压DC/DC转换器的原理图，图中V代表开关管，本实施方式即是通过调节开关管V的导通时长来进行风力发电机的输出功率控制，开关管V导通时，电感L的电流增加，其值可根据公式
算出。
具体计算过程中，il(t)＝i*，il(t0)＝i1，l为电感量，u(ξ)为电感L的两端电压，其为随时间ξ而变化的变量，其取值分为：
当DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，u(ξ)＝u1-u2，进而可得出 DC/DC转换器中开关管V的导通时长增量
当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，u(ξ)＝u1，进而可得出 DC/DC转换器中开关管V的导通时长增量
上述u2为DC/DC转换器的采样输出电压，t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻。
S103：获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；
采样三相整流后的输出电压u1，即采样DC/DC转换器输入端电压u1以及 DC/DC转换器输出端电压u2；
当DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比
根据初始占空比D0和导通时长增量Δt即可得出调节后的PWM控制信号的占空比为：
当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比根据初始占空比D0和导通时长增量Δt即可得出调节后的PWM控制信号的占空比为：
其中，ton为开关管的导通时长，toff为开关管的截止时长，ts为控制信号的周期，且ts＝ton+toff，在PWM调制中，ts通常为固定的已知常量。
S104：根据计算出的占空比D产生相应的PWM控制信号，并输入至DC/DC 转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
DC/DC转换器控制信号的占空比计算出后，即可产生相应的PWM控制信号以进行功率跟踪控制。
上述即给出了当DC/DC转换器为升压斩波电路拓扑结构和降压斩波电路拓扑结构情形时的控制信号占空比的计算方法，由计算结果可知，调节后的占空比可表示为采样电信号参数，如输入输出电压或电流等，以及系统自身参数，如电感以及脉宽调制信号的周期等的表达式。对于DC/DC转换器的其他拓扑结构，亦可参照上述方法，根据检测的电压、电流或者功率的采样值，以及系统相关参数，如电感、电容以及脉宽调制信号的周期等计算出DC/DC转换器开关管的PWM控制信号的占空比，从而实现功率跟踪。
作为优选的实施方式，还包括采用闭环反馈的方式进行修正，参见图3，所述闭环反馈的具体方法为：
将风力发电机的输出端经整流后的电信号和对应的给定基准电信号输入至 PID调节器进行误差调节并输出闭环修正信号；然后将所述闭环修正信号与计算出占空比的信号一起叠加，并产生PWM控制信号输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。所述风力发电机经三相整流后的电信号参数和对应的给定基准电信号参数可为风力发电机经三相整流后的输出功率p1和给定基准功率p*，或者风力发电机经三相整流后的输出电流i1和给定基准电流i*，或者其他参数等等，所述给定基准电流i*或给定基准功率p*可根据前述风机的电压电流特性曲线或者转速功率曲线获得。
此处采用功率跟踪加闭环修正相结合的方式进行功率控制，在保证控制速度和效率的基础上，进一步提高了控制精度。
本发明还提供一种风力发电机功率跟踪控制装置100，如图5所示，所述功率跟踪控制装置100运用于风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器的电路结构中，其包括：
控制单元110，用于对风力发电机经三相整流后的输出电信号进行采样，根据采样的电信号参数和系统自身参数计算DC/DC转换器的PWM控制信号的占空比，并根据计算出的占空比生成PWM控制信号进行功率跟踪控制，所述电信号参数包括电流、电压和功率，所述系统自身参数包括系统给定基准电信号参数、电感量、电容以及电阻；
DC/DC转换器120，与所述控制单元110和负载200相连，用于接收控制单元产生的PWM控制信号进行功率跟踪控制。
如图6所示，所述控制单元110进一步包括：
电流采集单元111，采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*。其中，给定基准电流i*的获取方法为：
采样风力发电机的输出电压u1，根据风机的电压电流特性曲线，得到与所述输出电压u1相对应的给定基准电流i*；
或者，采集风力发电机输出的交流电压频率fw，以及输出电压u1；根据算式w＝fw/pN计算风力发电机的转速w，其中pN为磁极对数；根据发电机的转速功率特性曲线，获取与风力发电机的转速w相对应的功率即为给定基准功率P*；根据算式
计算给定基准电流i*；
导通时长计算单元112，用于根据风力发电机经三相整流后的输出电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0。
具体计算过程中，il(t)＝i*，il(t0)＝i1，l为电感，u(ξ)为电感电压，具体计算过程中，il(t)＝i*，il(t0)＝i1，l为电感量，u(ξ)为电感两端电压，当开关开通时，其取值分为以下两种情况：
当DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，u(ξ)＝u1-u2，进而可得出 DC/DC转换器中开关管的导通时长增量
当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，u(ξ)＝u1，进而可得出 DC/DC转换器中开关管的导通时长增量
上述u2为DC/DC转换器的采样输出电压，t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻。
占空比计算单元113，用于获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D。
采样DC/DC转换器输入端电压u1以及输出端电压u2；
当DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比
根据初始占空比D0和导通时长增量Δt即可得出调节后的PWM控制信号的占空比为：
当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比根据初始占空比D0和导通时长增量Δt即可得出调节后的PWM控制信号的占空比为：
其中，ton为开关管的导通时长，toff为开关管的截止时长，ts为控制信号的周期，且ts＝ton+toff，在PWM调制中，ts通常为固定的已知常量。
PWM控制单元114，用于根据计算出占空比D产生PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
作为优选的实施方式，本发明风力发电机功率跟踪控制装置还包括：
PID调节器115，用于接收风力发电机经三相整流后的输出电信号和给定基准电信号，并经PID误差调节后输出闭环修正信号。
所述风力发电机经三相整流后的输出电信号参数和对应的给定基准电信号参数可为风力发电机经三相整流后的输出端功率p1和给定基准功率p*，或者风力发电机经三相整流后的输出电流i1和给定基准电流i*，或者其他参数等等，所述给定基准电流i*或给定基准功率p*可根据前述风机的电压电流特性曲线或者转速功率曲线获得。
叠加单元116，用于将闭环修正信号与通过占空比计算单元计算出占空比的信号一起叠加后输入至PWM控制单元；
所述PWM控制单元114还用于根据叠加后的信号产生PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
使用PID调节器进行反馈调节可以进一步提高功率跟踪的精度。
本发明技术方案根据采样的电信号参数和系统自身参数对风力发电机的输出功率进行跟踪调节，不直接使用PID反馈调节，具有更高的控制效率和控制精度。
另外，为了进一步提高调节精度，本发明还提出了一种加入闭环修正的功率跟踪控制方法，在闭环修正方案中采用PID反馈控制进行微调，由于本发明采用的根据系统自身参数进行功率跟踪控制的方法能够保证功率控制速度，而 PID反馈只是进行微调修正，调整幅度较小，相比于传统的PID反馈调节，其控制速度也具有一定改善，而且另一方面也能提升控制精度，所以本发明方案能在保证调整速度的前提下进一步提升调整精度，也即很好的结合了根据系统自身参数进行功率跟踪控制和PID闭环反馈的各自优点，从而使得系统具有更加优越的功率跟踪控制性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种风力发电机功率跟踪控制方法，运用于风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器的电路结构中，其特征在于，所述方法为：
a、采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*；
b、根据采样的电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0，其中，il(t)为电感中功率调节终止时刻的电流，其值等于i*；il(t0)为功率调节起始时刻电感中的电流值，其值等于i1，l为电感量；u(ξ)为电感两端的电压，其为随时间ξ而变化的变量；t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻；
c、获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；
d、根据计算出的占空比D产生相应的PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤a中获得给定基准电流i*的具体方法为：
采样风力发电机经三相整流后的输出电压u1，根据风机的电压电流特性曲线，得到与所述输出电压u1相对应的给定基准电流i*。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤a中获得给定基准电流i*的具体方法为：
采集风力发电机输出的交流电压频率fw和经三相整流后的输出电压u1；根据算式w＝fw/pN计算风力发电机的转速w，其中pN为磁极对数；根据发电机的转速功率特性曲线，获取与风力发电机的转速w相对应的功率即为给定基准功率p*；根据算式
计算给定基准电流i*。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤c中获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0的具体方法为：
采集三相整流后的输出电压u1以及DC/DC转换器的输出端电压u2；当DC/DC转换器为升压斩波电路的拓扑结构时，根据算式
计算出开关管控制信号的初始占空比当DC/DC转换器为降压斩波电路的拓扑结构时，根据算式计算出开关管控制信号的初始占空比
其中，ton为开关管的导通时长，toff为开关管的截止时长，ts为控制信号的周期，且ts＝ton+toff。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，还包括采用闭环反馈的方式进行修正，所述闭环反馈的具体方法为：
将风力发电机经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数输入至PID调节器进行PID误差调节并输出闭环修正信号；然后将所述闭环修正信号与步骤c中计算出占空比的信号一起叠加，并产生PWM控制信号输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
6.根据权利要求5所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，所述经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数为经三相整流后的输出电流i1和给定基准电流i*。
7.根据权利要求5所述的一种风力发电机功率跟踪控制方法，其特征在于，所述经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数为经三相整流后的输出功率p1和给定基准功率p*。
8.一种风力发电机功率跟踪控制装置，其特征在于，运用于风力发电机的输出经三相整流后连接DC/DC转换器的电路结构中，所述功率跟踪控制装置包括：
电流采集单元，采样风力发电机经三相整流后的输出电流i1，并获取给定基准电流i*；
导通时长计算单元，用于根据采样的电流i1与给定基准电流i*，以及DC/DC转换器中电感的电流公式
计算DC/DC转换器中开关管的导通时长增量Δt＝t-t0，其中，il(t)为电感中功率调节终止时刻的电流，其值等于i*；il(t0)为功率调节起始时刻电感中的电流值，其值等于i1，l为电感量；u(ξ)为电感两端的电压；t0为功率调节起始时刻，t为功率调节终止时刻；
占空比计算单元，用于获取DC/DC转换器控制信号的初始占空比D0，根据初始占空比D0以及导通时长增量Δt获得调节后的控制信号占空比D；
PWM控制单元，用于根据计算出占空比D产生PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制；
DC/DC转换器，与所述PWM控制单元相连，用于接收所述PWM控制单元产生的PWM控制信号进行功率跟踪控制。
9.根据权利要求8所述的一种风力发电机功率跟踪控制装置，其特征在于，还包括：
PID调节器：用于接收风力发电机经三相整流后的输出电信号参数和给定基准电信号参数，并经PID误差调节后输出闭环修正信号；
叠加单元，用于将闭环修正信号与通过占空比计算单元计算出占空比的信号一起叠加后输入至PWM控制单元；
所述PWM控制单元还用于根据叠加后的信号产生PWM控制信号，并输入至DC/DC转换器的控制信号输入端进行功率跟踪控制。
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