风力发电中的最大风能跟踪

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Pv Tew
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变步长爬山法的实现方法
谢谢！
风速 风轮机功 率特性
CP
*
控制器
风能系统

2 Rw
风轮转速

2.功率反馈法 该方法省去了风速检测装置，运用了能量平衡的原理，根据风机 的最大功率曲线控制发电机的功率输出，逐步实现最大风能跟踪。对 于不同的风轮机，最大功率曲线需要事先通过仿真或试验测得，这会 增加功率反馈控制难度和实际应用的成本。
各运行区域风机输出的机械功率PO
启动区：
各区域发电机的输出功率Pe
在切入风速之前系统与电网断开，可调节桨距角使系统的转速恒定， 当达到切入风速时进行并网控制。
最大风能跟踪区：
一般采用定桨距控制，通过对发电机子系统的控制，使风机获得的 风能量最大。也可以对风机子系统和发电机子系统进行配合控制。
恒转速区： 此时风力机组转速已经达到最高转速，但风力机的输出功率没有达到 额定输出功率，为了保护机组不受损坏，不再进行最大风能追踪控制，而 是通过风力机控制子系统调节桨叶节距角将机组转速限制到最大允许转速 上继续发电运行。 恒功率区： 随着风速的增大，风力机输出的机械功率不断增大，发电机系统将达 到其功率极限，因此必须控制机组的功率小于其功率极限。由风力机控制 子系统通过变桨距控制实现机组的恒功率控制的。
双馈风力发电系统结构示意图
二、风力机的运行特性
一些基本概念 由空气动力学理论可知风机的输入功率（即通过风轮旋转面的风能）为：
其中： 为空气密度，一般为1.25kg/m3 ； Sw为风机叶片迎风扫掠面 积； 为空气进入风机扫掠面以前的风速。
1 Pv Swv3 2
v
考虑到风机的输入功率并不能被完全转化为主轴上的机械功率 Po ， 引入风能利用系数：
Po CP Pv
它是一个与风速、叶轮转速和桨叶节距角有关的量，所谓的风力发 电最大风能的跟踪就是指在风速变化的时候保持 CP 为最大的值。
定义叶尖速比
：叶片的叶尖线速度与风速之比。即：

Rww 2 Rwnw v v
w为叶片旋转的角速度，nw 为叶片旋转的速度。 其中：Rw为叶片的半径，
传统的爬山法采用固定步长，当风速变化较快时，转速不能快 速地响应风速的变化；而风速波动较小时，又容易引起振荡。因此 在此介绍一种变步长爬山法进行最大风能跟踪控制，在传统固定步 长算法基础上，引入了随风速变化快慢而调整步长的机制。
开始 脉冲计数 N m个 Y 检测 Tew
P n m Pv n dPv n m v d w w n m w n
风力发电中的最大风能跟踪
一、风力机结构
二、风力机的运行特性 三、风力发电最大风能跟踪技术简介
一、风力机结构
风力机是将风能转化为机械能的机构，其性能的好坏对整个风力 发电系统的效率及稳定运行有着重大的影响。如果从风力机风轮的旋转 轴方向上划分可以分为垂直轴风力机和水平轴风力机两种类型。 垂直轴风力机 垂直轴风力机风轮的旋转轴垂直于地面或者 气流方向 ，现主要有Darrieus的Φ型，Δ型，Y型， H型和其他一些型号。该结构的优点是能从任意方 向获得风能，无需对风机构，无对风损失，噪音小， 而且随着科技的发展逐步克服了其叶尖速比低，启 动性能差等缺点，但在大功率场合的应用不多。
在定桨距情况下，CP与 在不同的风速下成如下图所示的关系：
C POP
w
从图上可以看出，在定桨距情况下最大风能跟踪实质上就是控制发 电机组的转速。
三、风力发电最大风能跟踪技术简介
1.最佳叶尖速比法 当风速可测时，可以采用最佳叶尖速比法。根据风轮机功率特 性，可以事先确定每一风速下的最佳的叶尖速比λ*，然后实时测量 实际风速和机组转速，并调节发电机转速维持实际的λ 等于λ * ，从 而获得最大风能。但是由于风速的随机性和不确定性，实时测量风 速会增加系统的成本和实际执行的难度，其精度也难以保证。其控 制框图如下所示：
Darrieus H型
Darrieus Φ型
quietrevolution——能够获取风 速低或风向比较紊乱的风能
水平轴风力机
水平轴风力机风轮的旋转轴与风向平行，有2~3片桨叶，启动能力 好，技术成熟，在各个功率等级都有成熟的产品。
双馈电机
A
B
C
齿轮箱 并网装置 风机
L
R
机侧变换器
网侧变换器
电网
v1 v2 v3
通过前面的推导，我们可得电机转 速和最大风能之间的关系如下：
Pmax
R 1 S wC p max w 2 max
3
双馈电机
A
B
C
齿轮箱 并网装置 风机
L
R
机侧变换器
网侧变换器
电网
双馈风力发电系统结构示意图 3.爬山法
爬山法是为了克服前两种算法的缺点而提出来的，它无需测量 风速，也不需要事先知道具体风轮机的功率特性，而是施加人为的 转速扰动，然后通过测量功率的变化来自动搜索发电机的最优转速 点，实现方法简单，经济且高效。
我们已知是叶尖速比和桨叶节距角的函数，即： CP ( , ) 在固定的 风速下，得到下面的风机特性曲线：
根据桨距角是否可调，风机又可分为定桨距和变桨距风机两种，在定 桨距风机中， 是不可变的，在风速一定的情况下，CP与 成单一的函数 关系，这样就可以简化我们的控制。

风力发电系统的运行区域：