风力机组风速下最佳状态控制

1、风速下风力发电机组的最优状态控制摘要：在不同风速下，风机控制系统应根据不同的风速测量数据做出时间响应。本文一般会在额定风速以下基于 DCS 控制和 PI 和 DCA 控制来分析风机的风速。在分析风机运行特性的基础上，研究了实现最佳风能捕获的系统控制方法。并采用PWM控制技术，对双馈发电机的转子进行交流励磁，实现发电机有功、无功和转速的独立控制，从而获得最大风能的高效发电运行。捕获。利用仿真效果验证控制策略的正确性和有效性。关键词：变速恒频PWM整流励磁电流调速功率控制直接调速等一、介绍随着现代工业的快速发展，人类对能源的需求显着增加，而地球上可用的常规能源却日益稀缺。据专家预测，煤炭可以开采2

2、21年，石油可以开采39年，天然气只能开采60年。如何实现能源的可持续发展，从而保证经济和社会的可持续发展，已成为各国政府必须解决的重大问题。问题是能源战略问题。唯一的出路是有计划地利用常规能源，节约能源，发展新能源和可再生能源。目前，占能源消费首位的电能是二次能源。由其他能源转化而来。目前，世界各国主要依靠火力发电。火力发电以碳氢化合物为主要成分，以煤、重油等为燃料。燃烧后，SO 2和CO 2等有害气体和烟尘排放到大气中，间接造成酸雨和温室效应。为了减少火力发电造成的空气污染，实现能源的可持续发展，世界各国都在积极发展风力发电。随着世界风电机组容量的快速发展和风电机组技术的成熟和不断提高，未

3、来风电势必成为世界新的关键能源之一。风电一直是世界上增长最快的能源，装机容量每年增长30%以上。到2003年初，全球风力发电装机容量达到3200万千瓦，相当于32座标准核电站，足以满足1600万欧洲居民的用电需求。本世纪以来，国际上风力发电的使用有所增长。随着风电技术的不断进步，容量逐渐增加。单机容量已达数百千瓦，兆瓦级风力发电机已问世。近十年来，风力发电机组的产品质量得到显着提升，作为一种新型、安全、可靠、清洁的能源，引起了世界风能资源丰富国家的关注和大规模开发。目前，世界风电总装机容量约7000MW，美国最大，约1700MW。中国是一个风能资源丰富的国家，特别是在沿海地区。我国的风力发电于

4、1980年代开始发展。起初，家庭用的100瓦风力发电机大部分是独立运行的，安装在偏远、偏远的没有电的偏远地区，供农牧民使用。近年来，我国引进大型并网风力发电机组，在风资源丰富的地区安装多台风力发电机组，形成风电场，接入区域电网供电。目前，我国并网风力发电机组总装机容量约为100MW。风能 12% 蓝图的数值基础来自假设的未来 17 年 20-25% 的年均增长率。但是，20%-25%的年增长率对于风电行业来说并不是很高的增长率。近五年电机装机容量年均增长率接近36%； 2013年后，预计增长率将降至15%。到 2018 年，它将再下降 10%。欧洲目前占全球风电装机容量的74%，其他地区也在上

5、升。约有50个国家加入了风力发电的行列，整个行业从业人员约9万至10万人，其中欧洲有7万至8万人。在世界风电国家中，德国的风电开发量位居世界第一，其次是丹麦和西班牙。发展中国家的先驱是印度。相比之下，我国的风电发展速度较慢。发电虽然从1980年代开始运行，但仍处于起步阶段，没有突破。 1995年，电力部提出，到2000年底，我国风力发电机组规模要达到100万千瓦，但实际上，到2003年底，全国风电场装机容量仅为56.7万千瓦，占全国总装机容量。容量的 0.14%。虽然已建成40个风电场，但每个风电场的平均装机容量不足1.5万千瓦，远未实现规模经济。此外，从风力发电机设备的制造水平来看，已成为世

6、界主流机型的兆瓦级机组在我国尚处于发展阶段。目前，大型风机只能依靠进口或与国外公司合作生产。1.1 风力发电对中国经济发展的必要性按照同志的三步走发展战略，到2050年，中国人均国民生产总值必须达到4000美元/人年，才能达到中等发达国家的水平。预计到2050年，中国人口将达到15亿至16亿。届时，中国国民生产总值将达到6万亿美元。根据世界各国经济发展的经验，要达到这个水平，人均年用电量约为6000kwh 。人均发电装机容量1kw 。全国总装机容量15亿千瓦。 15亿千瓦装机容量构成见表1。表1 2050年中国发电装机容量构成（KW）在我国能源构成中，煤炭虽然储量最大，但足够我们开采和使用数百

7、年。但由于环境问题和交通问题，到2050年9亿千瓦的火电（主要是煤电）容量已经达到开发利用的极限。从表1可以看出， 2亿千瓦水电和2亿千瓦核电也达到了开发利用的极限，因此1亿千瓦可再生能源是我国能源发展的重要组成部分。这是最有潜力的部分。1.2 风电对环境的积极影响因为风能是一种不消耗化石燃料的可再生能源。风力发电的使用相当于节省电能所需的等量化石燃料。它对环境的明显积极影响是：1. 减少向大气排放粉尘、 CO 2 、 NO 2 、 SO 2 。我们以煤电为例，根据我国最常用的30万千瓦汽轮发电机组的现状。每万度电消耗约4吨标准煤；约0.5吨粉尘排放到大气中；约10吨CO 2 ； NO 2约0

8、.05吨；约0.08吨SO 2 。到2050年，如果风电发电量占全国电力需求的5 %，即约4000亿千瓦时，风电装机容量约1.5亿千瓦（风电容量系数小，相当于7亿千瓦煤电装机容量） ，每年可节约标准煤约1.6亿吨，减少向大气排放粉尘约2000万吨；约4亿吨二氧化碳； NO 2约200万吨；和约320万吨SO 2 。 _2、减少煤炭、石油、天然气等一次能源开发带来的环境问题。除沙漠地区外，一次能源的开发通常会破坏森林、肥沃的田野和各种原始植被。海上油田的开采往往给海洋生态带来不可逆转的破坏。3、与同为可再生能源的水电相比，风电不存在水电的问题。风力发电有其自身的优势。风力发电具有以下特点：地球上

9、的风力资源十分丰富。我国风能储量约为4.810 9 MW，是一种不消耗资源、不污染环境的可再生清洁能源。按照目前的技术水平，只要离地10米的年平均风速达到5-5.5m/s（四级风速为5.5-7.9m/s），风力发电是经济的。技术进步可能会将可用风能的风速要求进一步降低到 5m/s 以下。工期短，实际占地面积小万瓦风电场建设工期不到一年，发电机组、监控、变电站等建筑仅占火电厂1%的土地，其余场地仍可使用用于农业、畜牧业和渔业。低成本和灵活的装机容量从国外建设的风电场来看，每千瓦时的成本和电价均低于火力发电，与常规能源发电相比更具竞争力。装机规模可根据资金情况确定。只需一笔资金，即可安装并投入生产

10、。高可靠性现代高科技在风力涡轮机上的应用大大提高了风力发电的可靠性。风力发电机组的可靠性从1980年代的50%提高到98%，高于火力发电，机组寿命可达20年。简单的操作和维护现代磨刀机自动化程度高。由于采用微电脑技术，实现了风机自诊断功能，安全保护更加完善，实现了单机独立控制、多机群控和远程控制。必要的维护。多样化的发电方式风能可以并网，也可以与太阳能等其他能源相结合，形成互补系统，也可以独立运行。因此，为解决偏远地区无电地区的用电问题提供了现实的可行性。2. 风力涡轮机理论在描述风扇控制时，必须知道几个风扇工作原理2.1风能根据流体（气流）力学，气流的动能为：E=其中 m - 气体的质量；v

11、 -气体的速度。假设单位时间内流过截面积S的气体为V，则V=Sv如果空气的密度用 表示，则该体积的空气密度质量为m=V=Sv此时空气的动能为E = Sv上式是风能的表达式。德国的贝茨提出了空气动力学理论，他认为风轮被假定为理想状态，即没有轮毂，有无数个叶片，气流通过风轮时没有阻力。 ;均匀，通过风轮前后的气流速度为轴向。风轮上的风力可以用欧拉理论写成F=Sv(v -v )因此，风轮吸收的功率为 P=Fv=Sv (v - v )让 v = ;v = ;代入风轮的功率P，得到最大功率为P = S v将上式除以气流通过扫掠面积S时风的动能，可推导出风机的理论最大效率为 = 0.593称为 Betz

12、理论的极限。这表明在转换过程中，一部分能量被尾流中的旋转动能所消耗。因此，可以说风机的实际利用系数为Cp0.593。2.2 风力机特性系数2.2.1 风能利用系数由于转子旋转时形成的支流关系，气流速度在其前后一定距离处减小；同时，在转子前方的一定区域内，气压逐渐升高；在转子处急剧下降，在转子后面产生一定的真空度，随着远离转子，真空度逐渐降低。Cp= =4(1- )由上式可知，风流过风轮时，风能利用系数Cp随风速损失而变化。上节提到的Cp=0.953是假想风轮工作时没有任何损耗的风能利用系数，即理想的风能利用系数2.2.2 叶尖速比当风力发电机的转子转动时，为了表示转子在不同风速下的状态，叶片端

13、部圆周速度与风速的比值称为转子的高速，这个比值为有时称为叶尖速比，即 =式中n-风轮转速，单位为r/s；w - 风轮角频率，单位为rad/s；R-转子的半径，单位为m；v -上游风速，m/s。叶尖速比随风能利用系数 Cp 和作用在转子上的转矩 T 而变化。2.3 叶片气动分析2.3.1 拖动和提升如果流体是空气，叶片上就会有一个气动力F，如下图1所示，作用在叶片上的力F与相对速度的方向有关，可以用下式表示： F=在哪里：图 1 作用在刀片上的力S-叶片面积，等于弦长叶片长度Cr-总气动系数根据力的平行四边形合成分解法，分析表明力可分为两部分，分量Fd与速度v平行，成为阻力；分量 F 垂直于速度

14、 v，称为升力。Fd 和 F 可以表示为Fd =F=其中 C d - 阻力系数C l - 升力系数2.3.2 攻角攻角，即上图中的角度i，是指流体的流速方向与弦线的夹角。对于每一个攻角值，都有一个点C，该点的气动力力矩为零，作用在叶片上的气动力可以代表压力中心的升力和阻力。并且随着攻角的不同而变化。2.3.3 升力系数与阻力系数的关系升力系数的变化由直线和曲线两部分组成。 Clmax 对应的 i 点称为失速点。超过失速点后，升力系数下降，阻力系数迅速增加。在负迎角下，Cl 也是弯曲的，并且 Cl 通过最小点 Clmax。阻力系数的曲线不同，其最小值对应于一定的攻角值。不同叶片的升力和阻力系数如

15、图2所示图 2 叶片升阻系数2.4 涡流理论下的实际功率在叶片长度有限的情况下，依靠叶片的失速调节特性来完成对具有失速功率调节的风力发电机叶轮的功率控制。当气流流经上下翼型不同形状的叶片时，由于上下翼型表面的气流速度不同而形成压力差，从而产生升力。由于叶轮的速度恒定，叶片上的攻角随着风速的增加而增加，直到最终气流偏离到不能流过叶片后翼型并导致顶部气流分离的程度，并进入停顿状态。叶片进入失速状态后，气流在叶片后翼型上形成分离区，分离区内形成较大的涡流。在轮毂、叶尖和叶片三个空间内形成切线的螺旋涡流。其实如下图所示图3 扇形螺旋形成的涡流尾迹实际风机的叶片在运行过程中存在尾流损失、叶尖损失和轮毂损

16、失（即叶片根端没有r=0），叶片失速后Cl减小，Cd增大，因此影响 Cp 曲线。分布，如图所示。A-限制B-理想的Cp特性C-失速损失D-型电阻损耗E-实际Cp特性图4 实际条件下的Cp曲线3.液压系统执行器风力机在不同风速下的速度控制和功率控制主要由液压系统来实现。液压系统是控制系统的执行器，实现风力发电机的变桨控制。变桨控制系统采用非线性比例控制技术，可以补偿比例阀的死区和限位。变桨控制系统的执行器为液压系统，变桨控制器的输出信号经过D/A转换后转换为电压信号。控制比例阀（或电液伺服阀），驱动液压缸活塞，推动变桨机构改变叶片的桨距角。活塞的位移反馈信号由位移传感器测量，转换后输入比较器。图

17、 5 和图 6 是所设计变桨机构的液压原理图。叶片通过机械联动机构与液压缸相连，桨距角的变化与液压缸的位移基本成正比。液压缸活塞杆向左移动至最大位置时，俯仰角为88，活塞杆向右移动至最大位置时，俯仰角为-5。系统正常工作时，二位三通电磁换向阀a、b、c全部通电，液控单向阀开启。液压缸的排量由电液比例阀换向阀精确控制。当风速低于额定风速时，无论风速如何变化，电液比例换向阀都保持叶片桨距角为3。考虑油缸泄漏，电液比例换向阀微调，保持螺距角不变；当风速高于额定风速时，根据输出功率，利用电液比例换向阀精确改变输出流量，从而控制叶片的桨距角，使输出功率持续的。如果系统出现故障需要紧急制动，立即切断电源，

18、紧急停泵，由蓄能器单独提供顺桨油。如果蓄能器中的液压油不足以使液压缸一路走下去，即当叶片尚未到达顺桨位置时，风会自动将叶片调整到顺桨状态。液压缸所需的油液从液压缸前端的油液经二位三通换向阀C和止回阀进入气缸后端，部分油液进入后端气缸在大气压的作用下从油箱通过止回阀。 ，使刀片到达羽化位置。4、风速下风机的具体控制4.1 变速恒频风机控制技术变速恒频发电机在变速驱动下发出恒频电能，其转速不受发电机输出频率的限制，其输出电压的频率、幅值和相位不受转子转速的影响。通过励磁控制和桨距调节使风机运行在最佳工作状态，在较宽的风速范围内保持接近恒定的最佳叶尖速比，从而提高风机的运行效率和系统的稳定性。其功率

19、曲线如图 6 所示）。风速突变引起的转矩波动是由风力机的加速或减速引起的。图6 变速发电机组功率曲线动能的形式储存在风轮中，从而避免了对主轴和传动机构产生过大的扭矩和应力。此外，通过对变速恒频风机的励磁控制，可以实现无电流冲击的软并网。变速恒频风力发电技术以其高效、实用的特点在国外越来越受到重视。对于风力发电机系统来说，输入机械扭矩特性非常重要，与之对应的是输出机械功率与风力发电机转速的关系曲线。不同风速下风机输出机械功率与转速的关系如图7所示，是一组风机在不同风速下的输出机械功率特性曲线（v1v20，P2 0 ，逆变器向转子绕组输入功率；当发电机处于超同步状态时，s0，P 2 0，逆变器向转

20、子绕组输入电能。4.2.2 PWM控制技术的应用由于风能的不稳定性，随风速的三次方增加，发电机转速也随之变化，并经常在同步转速上下波动，这就要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入和输出它还具有双向流动能量的能力。这里，采用由IGBT组成的PWM整流-PWM逆变器形式的AC-DC-AC逆变器作为其励磁电压电源，连接到转子绕组上的三个滑块上。绝缘栅晶体管 (IGBT) 是双极晶体管 (BJT) 和场效应晶体管 (MOS) 的组合。具有输入阻抗高、开关时间短、通态电压降低、阻断电压高、耐受电流大等特点。二极管整流-IGBT逆变组成的交-直-交变频电路原理图如图9所示。图 9. 三相 IGBT 逆

21、变器拓扑其工作原理是先将电网的50Hz三相交流电通过三相二极管桥式整流器转换为直流电。电压和频率可调的三相交流电为发电机供电。滤波电容C d容量大，输出直流电压比较稳定，具有电压源特性，电阻小，使逆变器的交流输出电压钳位为矩形波，逆变器部分没有电压调节功能。六个晶闸管1- T6按一定的导通规则导通和关断，由滤波电容Cd送出的支路电压逆变成频率可调的交流电，由前置可控整流电路完成稳压。由于要求能量的传输是可逆的，因此在转子上使用了双 PWM 技术，使能量能够双向流动。4.2.3 控制策略分析通常控制系统将发电机转矩设置为 Te = Kout - B。但是在电机的直接速度控制中，需要将任何给定时刻

22、所需的最佳发电机速度设置为风速的函数。可以测量风速，然后根据风力机的功率特性计算出发电机所需的最佳转速，并在策略中使用转矩观测器来预测风力机的机械传递转矩。在直接速度控制策略中，将速度给定设置为： =其中 -;速度控制系统的参考速度；-驱动风力涡轮机的机械扭矩。直接调速系统的结构框图如图10所示。由于风力机的转速控制实际上是一个跟踪问题，所以将最大风能捕获对应的转速值作为假设输入系统，即系统的给定值。 和有效风速之间的关系由叶尖速比给出： =图 10 直接速度控制策略框图当可控变速发电机获得转矩响应时，产生电转矩的延迟时间一般小于10ms，与机械系统的时间常数相比，可以认为是一个瞬态过程。该假

23、设简化了风力涡轮机的模型，因为所有电气状态都具有快速动态，并且可以忽略相关的机械系统。4.3 额定风速以上功率控制4.3.1 功率控制模式高风速下，当风速变化较大时，调整风机功率系数，将功率输出限制在允许范围内；同时，发电机转速可随输入功率快速变化，保持发电机输出功率恒定，使发电机在允许的转速范围内继续工作，保持传动系统良好的灵活性。一般采用改变叶片桨距角来改变气动扭矩的方法，在变化较大的情况下控制风轮的功率系数。的扫掠和面积可分为发电机输出电能EE、转子旋转动能EM和变桨叶片的能量损失Ep （忽略其他机械和电路能量损失）。公式1）当风能增加，发电机需要保持原来的额定功率时，转子转动的动能必须

24、增加，相应的转速也必须增加，这样发电机的输出功率也会相应增加。因此，仅仅依靠变速恒频控制是解决不了问题的。高于额定风速的能量平衡问题。如果增大叶片的桨距角，使叶片上的能量损失增加到E in - Ep，则可以保证发电机在额定功率下工作；如果发电机输出功率降低到额定功率以下时，叶片的桨距角减小，叶片上的能量损失减少，转子转速增加，发电机的输出功率也随之增加。这样，通过变桨控制，功率始终保持在额定功率。桨叶的桨距角由液压作动系统的液压吊索控制，有时也设计成使用服务点机来控制每个桨叶，实现桨叶独立控制的原理。4.3.2控制策略分析高于额定风速的变桨控制一般采用比例积分和扰动调节的方法来实现控制。一。比

25、例积分控制（PI控制）比例积分控制器的传递函数为Gc(s) = Kp其相频特性为负，即具有相位滞后特性，可以提高系统的稳态精度，消除系统的残余误差，对动态性能的影响与所选择的有关参数。积分环节的引入增加了系统的性，其无状态静差会增大，从而大大提高稳态精度；此外，积分环节会造成-90的相移，不利于系统的稳定性。 , 但 Gc(s) 中的比例微分环节会使系统的稳定性和快速性向好的方向变化。如果参数 Kp 和 Ki 选择得当，系统的稳态和动态性能都能满足要求。控制框图如下：图 11 PI控制器伯德图图 12 PI 控制器框图比例积分增益Kp和Ki的稳定数值由闭合传递函数的Rolls稳定性判据确定。这

26、些增益的准确值可以通过实验获得，其原理是保持风力涡轮机的转速为 rop 并最小化最大俯仰角速率。由于控制增益相对较小，因此控制器给出的俯仰速率命令并不接近限制的范围。如果增益值增加，控制器会命令叶片桨距角发生较大变化以补偿较小的速度误差，从而使速度响应更接近其工作点二。抖动调节控制器（DAC 控制）风能高速波动，控制思想是保持风力发电机的功率或转速恒定。 DAC可用于抵抗连续干扰。其控制图如下十二所示。 DAC控制器包括状态估计器和干扰估计器，以及处理输入和输出的多路复用器（Mux）和解复用器（Demux）。状态估计器估计旋转速度偏差估计，干扰估计器计算风速变化估计。图 13 DAC 控制器框图5. 设计分析使用控制系统仿真软件MATLAB对控制过程进行仿真和仿真，可以看出风电机组的控制理论是可取的。下面是它在不同风速下的仿真。模块参数设置：Step ：初值14，终值25；Step1 ：初值为3，终值为60；饱和度：上限60，下限3；饱和度1 ：上限10，下限-10；死区：死区开始-0.1，死区结