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1、摘要本论文主要针对风力机在额定风速以下时的控制策略研究。目前变转速风力机的并网过程采用交流直流交流的控制方式，并网过程中主要对功率输出和功率因数进行控制。通过向电网输入功率大小的控制达到控制转速的目的，通过功率因数的控制达到向电网输入有功功率的目的。转速跟踪控制部分主要是实现风力机在低于额定风速状态下的最佳转速跟踪控制，通过对转速的控制达到最佳功率的目的。关键词: 变转速风力机；风力发电机；最大风能捕获；额定风速AbstractThis topics is about the research on control of variable wind turbine, which is on l
2、ow wind speed. At present, Variable Wind Turbines use AC-DC-AC type. In process of the Wine Turbine connect to the net, the main control is about the power control and the power factor control. We can control the wind speed by control the power and control the real power by control the phase.Control
3、 the speed of wind turbine to track the best speed when the wind speed is low.In the conversion control is two part, one is the power control, the other is the power factor control. Keywords : variable speed wind turbine; gwind driven generator ; reatest wind energy capture; The rated wind speed目 录引
4、言 1第一章 风力机转速系统分析2 第二章 控制策略分析 5第三章模糊控制8结 论 10参考文献 111引言地球上的石油!天然气,这些积蓄了亿万年的化石能源,经过数百万年的巨大消耗,最终将不可逆转地趋向枯竭能源短缺正在成为制约许多国家经济发展的瓶颈风力发电作为一种可再生能源,对环境无害或危害极小,而且资源分布广泛,适宜就地开发利用,已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视随着风电行业的技术进步,风力发电成本逐步降低,在经济性上己经能够与核能发电水力发电展开竞争。随着风力发电在世界的广泛应用,降低风力发电成本!提高风能利用效率已经成为现在风电的主要发展方向,这个趋势使得风力发电设备单机容量越来越大,
5、同时为风机的设计制造!控制系统设计和运行等各个方面提出了更高的要求。本文是基于风力发电机组的复杂非线性和神经网络对数据的强大处理功能与黑箱建模的优点,针对变速恒频型风力发电机组,对风轮部分进行深入研究,并对其进行建模仿真,得出风轮在不同条件下的动态特性曲线,并根据曲线能够确定低于额定风速运行时,风轮输出最大转矩时的风轮转速,并且控制风轮维持在此最优转速值,以获得最大风能同时,风轮转速的两种控制策略原理进行研究并仿真,为风机进行最大风能追踪提供一个最优的控制策略,从而提高风力发电机组的风能利用效率。2第一章 风力机转速系统分析变转速风力发电机控制工程中一个重要的问题就是对转速的控制,在低于额定风
6、速下,为了获得最大的能量, 叶轮的转速需要跟踪对应风速下的最佳叶尖速比,所以在低于额定风速的情况下,转速的控制可以看作一个跟踪问题来研究。变转速发电机组通常包括变转速发电机,整流器,逆变器和变桨距机构。目前采用的有双馈异步发电机和带直流祸合逆变器的变转速同步风力发电机两种,我们研究的对象就是后者。同步发电机有一些优良的特性,同步发电机可以控制励磁来调节它的功率因数,使功率因数达到 1。在同样的条件下同步发电机的调速范围比异步发电机更宽,一般发电机要靠通过加大转差率来提高转矩,而同步发电机只要加大功率角就可以增大转矩,因此同步电机比异步电机对转矩的扰动具有更强的承受能力,作出更快的响应。带整流逆
7、变的变转速同步发电机组基本构成如下:变转速发电机组的输出功率随着风速的 3 次方的增大而增大,3p 空气密度S 叶轮面积功率系数pCV 风速 当风速较小时,风力发电机的输出功率随风速的增大而增大,当达到发电机组的额定功率后,随着风速的增加,发电机的输出功率将保持不变,变转速风力发电机组的功率特性曲线图:所以变转速风力发电机组的控制分成两个阶段来控制,在低于额定风速时,通过整流器和逆变器来控制发电机的电磁转矩,实现对风力机的转速控制,以获得最佳叶尖速比,可以作为跟踪问题来处理;在高于额定风速时,一般采用节距调整的方法将多余的能量出去,使风力发电机组保持在额定功率下发电。论文研究的范围属于低于额定
8、风速情况的研究。风力发电机组可以看成一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑,在控制上采用模糊控制和传统 PID 控制相结合的方法。在电网和风力发电机之间通过逆变器和电抗器连接,解决转速和电网频率之间的祸合问题。通过变频器的使用,可以使风力发电机在不同的速度下运行,同时可以控制电机内部的转矩,从而减轻系统的应力。通过对变频器电流的控制就一可以控制发电机的转矩,而控制电磁转矩就可以控制风力机叶片的转速,使之达到最佳运行状态。4下图是最佳功率和风轮转速的关系图,功率一转速的特性图曲线图的形状由和最佳叶尖速比决定,曲线簇的曲线分别对应不同风速下的叶轮转速和输pmaxC出功率的曲线,转速控制的目的就是使
9、转速稳定在 曲线上,从而达到最佳的利optP用风能。叶尖速比是控制叶轮转速的一个重要指标,叶尖速比下图是某一风速下的功率因数和仆尖速比的关系图,跟踪控制目的是使转速稳定在对应的叶尖速阴影范围内,从而达到最佳的利用风能效率。通过跟踪不同风速下的最佳叶尖速比,使输出功率曲线稳定在 上,使变转optP速风力发电机组在低于额定风速情况下以获取最大的能量。5第二章 控制策略分析变转速风力发电机组的在风速低于额定风速下基本控制策略2:控制实现的目的:在不同的风速下,调整叶片的转速,最大的获取能量。也就是风速低于额定风速时,跟踪 。整个控制分成三个阶段:当风速达到启动风速时,风力机pmaxC开始发电运行,叶
10、片转速不断增加,C,的值不断增加,风力机逐渐进入 恒定区(pC),这时随着风速的增大,转速必须下降,使叶尖速比减少的速度比转速pmax恒定区下降的更快,使机组维持在更小的 C:值下恒功率运行。转矩和转速关系特性可以用下图表示转矩控制目前分直接速度控制和间接速度控制,间接速度控制是根据转矩和转速的平方关系式来控制发电机转矩:论文采用的控制是采用直接速度控制,直接速度控制是将任一时刻所需要的6最佳发电机转速设置为风速的函数,通过测量风速,然后从风力发电机组的功率特性推算发电机所需的最佳速度。风速和叶尖速比确定当前的气动转矩 ,在经过机械的感应滞后后输出气aT动转矩 作工月在齿轮箱的轴上,根据输入的
11、风速确定当前参考转速 和经过mT retw传动系统测量的当前转速。作为控制器的输入,控制器通过控制逆变器和发电机的转矩不和气动输出转矩几达到动态平衡,控制叶轮的转速稳定在最佳叶尖速比附近,获取最大的能量。申转矩产生的延时一般低于 10ms,与机械系统的时间常熟相比,可以认为是瞬态过程,通过这一假设简化了风力发电机组模型,电气系统的状态参数的动态特性均可以相对机械系统忽略。稳态时,风力发电机组的机械转矩气动转矩是一个跟风速,转速,桨叶节距角有关的函数,7当在桨叶节距角刀恒定时,兀在运行点附件的小变化量可以表示为可以看出叶轮的转矩和风速有关,同时也与自身的转速有关。.8第三章模糊控制转速控制系统的
12、模糊控制算法采用模糊逻辑系统表格查询学习算法19系统采用模糊产生器和模糊消除器的模糊逻辑系统,采用该方式的模糊逻辑系统有许多引人入胜的优点 1。输入输出均为真值变量,特别适用于工程系统。2 它提供了一种描述专家组织的模糊“如果一则”规则的一般化模式。3。设计者在设计模糊产生器,模糊推理机和模糊消除器方面有很大的自由度,同时可以为这种模糊逻辑系统提供不同的学习算法,使之能有效的利用数据和语言两类信息原理:1.把输入输出空间划分为模糊区间,输入是 x:当前的风速,y:当前的风力机叶片的转速与对应风速下的最佳叶尖速比转速的差,转差值根据风力机的当前转速和对应风速下满足最佳叶尖速比的转速计算得出。输出
13、 Z:输出是 PID的参数 K;,K、 。介绍参数模糊自整定的算法,对输入输出数据进行区间模糊。风速范围4m/s12m/s,转差范围卜 IOrad/s10rad/s,隶属度函数图划分如下20:模糊控制是目前一种新颖的控制方式,与经典控制策略相比,模糊控制的优势在于模糊控制器无需数学模型即可由微处理器执行功能。风力发电机控制系统当数学模型未知或者不确定时,可以取得满意的控制效果。风力机的转速在不同风速下自动跟踪最佳转速值,同时避免了单纯采用模糊控制容易出现的在稳定点附件出现振荡和对小的偏差 e(t)不敏感的问题,解决了单纯采用 PID 控制在系统发生变化时控制性能变差的缺点,从试验结果来看,将
14、PID 控制和模糊控制相结合,对非线性系统的风力机控制的转速控制可以取得良好好的控制效果。9结 论本论文主要针对风力机在额定风速以下时的控制策略研究。目前变转速风力机的并网过程采用交流直流交流的控制方式，并网过程中主要对功率输出和功率因数进行控制。通过向电网输入功率大小的控制达到控制转速的目的，通过功率因数的控制达到向电网输入有功功率的目的。转速跟踪控制部分主要是实现风力机在低于额定风速状态下的最佳转速跟踪控制，通过对转速的控制达到最佳功率的目的。本文是基于风力发电机组的复杂非线性和神经网络对数据的强大处理功能与黑箱建模的优点,针对变速恒频型风力发电机组,对风轮部分进行深入研究,并对其进行建模
15、仿真,得出风轮在不同条件下的动态特性曲线,并根据曲线能够确定低于额定风速运行时,风轮输出最大转矩时的风轮转速,并且控制风轮维持在此最优转速值,以获得最大风能同时,风轮转速的两种控制策略原理进行研究并仿真,为风机进行最大风能追踪提供一个最优的控制策略,从而提高风力发电机组的风能利用效率。10参考文献 1 黄守道，王耀南，王毅，等 无刷双馈电机有功和无功功率控制研究 J 中国电机工程学报，2005，25 ( 4 ) : 87 93 2 惠晶，杨元侃，顾鑫 变速恒频无刷双馈风力发电机的功率控制系统 J 电机与控制应用，2008，35 (7 ) : 27 30 3 马炜炜，俞俊杰，吴国祥，等 双馈风力发电系统最大功率点跟踪策略电工技术学报，2009，24 ( 4 ) : 202 208 4 刘其辉，贺益康，赵仁德 变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制 J 电力系统自动化，2003，27 (20 ) : 62 67 5 关中杰, 双馈电机风力发电系统控制策略研究, 青岛大学硕士学位论文 2008-05-25 6
