复杂风场最大功率点跟踪控制的机理分析与设计

With the gradual exhaustion of ideal wind farms with high wind speed and low turbulence, wind energy exploitations in complex wind farms with low wind speed and high turbulence have to be focused for the future development of wind power. Because the conventional maximum power point tracking (MPPT) control designed for ideal wind farms only defines equilibrium points and neglects the tracking dynamic and the effects due to wind speed conditions, the tracking problem that wind turbines can not respond to the rapid fluctuation of wind speed does occur when the application scenarios of wind turbines are changed from ideal wind farms to complex wind farms and correspondingly wind speed conditions become unsuitable for wind energy extraction. And this tracking problem reduces the efficiency of wind power capture significantly. Hence, in order to conveniently improve the efficiency of wind turbines with developed hardware configurations applied in complex wind farms, the MPPT control strategy needs to be designed for complex wind farms based on the mechanism analysis of effects of wind speed conditions on MPPT. In this project, the wind speed characteristics of complex wind farms that affect tracking dynamics are comprehensively analyzed and described. With this knowledge, by digital simulations and experimental analysis based on principles of nonlinear dynamics, the effect and mechanism of wind speed conditions on the dynamic behavior, tracking process of wind turbines and the MPPT controls are explored to develop the foundation for designing and realizing the MPPT control system for the high efficiency of the wind turbines with large inertia applied in complex wind farms.

随着高风速低湍流理想风场资源开发已趋枯竭，未来风电发展不得不转向低风速高湍流复杂风场以寻求更大突破。面对从理想风场向复杂风场的应用场景转变及带来不利于风能捕获的风速环境，在传统最大功率点跟踪控制设计中因仅针对前者场景而只定义平衡点，且忽略跟踪动态及风速影响的设计缺陷导致了风轮难以响应风速波动的跟踪问题，已成为阻碍风机高效率捕获风能的瓶颈。因此，研究风速影响机理，且针对复杂风场设计跟踪控制策略是解决当前硬件相对成熟的风机在复杂风场高效率应用的便捷途径。本项目旨在全面分析刻画影响风轮跟踪的复杂场景风速特征，并籍此运用非线性动力学原理和仿真试验，揭示风速对风轮动态性能、跟踪过程及相关控制的影响机理，为进一步设计研究与工程实现大转动惯量风机在复杂风场高效率捕获风能的风轮跟踪控制系统奠定基础。

随着蕴含优良风能资源的高风速风场已开发殆尽，风能储量巨大的低风速风场已逐渐成为我国可再生能源发电的重要组成部分。但是，即便有成熟的高风速风机可供借鉴，运行风况的本质改变以及由此引发的风机尺寸大型化，却严重影响低风速风机的最大功率点跟踪（MPPT）控制性能，从而降低其发电效率和运行效益。因此，刻画和揭示低风速风场的复杂风况对MPPT控制的影响机理，进而设计出全面考虑湍流风况及风轮动态的MPPT控制策略，是提升低风速风机发电效率的有效途径。为此，1）本项目基于实测风速数据的分析，提出了之前被忽视却明显影响跟踪性能的风速特征——湍流频率，并将影响MPPT控制性能的湍流风速归纳提炼为平均风速、湍流强度和湍流频率三类统计特征；2）基于风机数值仿真与实验分析，本项目总结了湍流风速的上述特征和风机主要结构参数对MPPT的影响规律和作用机理，并将影响机理归纳为改变跟踪性能和跟踪要求两大方面；3）在此基础上，本项目提出了综合考虑风轮跟踪动态与时变湍流风况的MPPT控制策略，改善了大转动惯量风机的MPPT效果；4）本项目研制出针对大型风机缓慢机械动态的动模实验平台。基于稳定性分析提出的转动惯量补偿算法解决了传统模拟器在模拟大转动惯量风机时出现的振荡失稳问题，使得该实验平台能够模拟出MW级低风速风机的缓慢跟踪过程，为控制策略的检验提供了更具说服力的实验手段；5）风机仿真和动模实验的数据表明，本项目提出的MPPT控制策略能够提高风能捕获效率1%~2%，这对于提升低风速风机的运行效益、提高市场竞争力具有工程意义。除了完成上述计划任务之外，本项目小组还将研究视角从MPPT控制扩展到风机结构与MPPT控制联合设计的一体化设计，因为我们发现：忽视风机结构参数与MPPT控制的耦合效应，而仅设计优化控制器将很难进一步提升风机发电效率。在此方向上，本项目1）发现在众多的风机结构设计参数中，叶片气动参数表现出与MPPT控制性能较为敏感的耦合效应；2）而考虑MPPT控制的叶片气动参数优化调整已初步体现出，一体化设计对于进一步提升低风速风机的效率，效果显著、潜力巨大，值得进一步深入研究。