基于风力发电的最大功率跟踪控制研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ｒ帆蜘变流器 Ｕ
，… ：
得最 大机械能 尸 ｍ
一
一
，
此 时的 为最佳转矩
。
一
风
Ｍ侧变流器
：
’
力机最大输 出功率和最优转矩表达式为：
， ～
７
一 》
’ ： ／
一
／
～－
／
一‘
‘
ｊ
－ｏ－ ｓ
ｌ
、
＝
一
Ｊ ：
；
；
÷
Ａ＝ ｖ ＼ （） ／ ２
的高度 重视 。为满足 经济 高速增 长对 电力供 应 的需 求 ，我 国发改委制定 了中长期能源 战略规划 ，力争到 ２ ２ 年 ，风 电装机容量达 ￣３ ０ 万ｋ 将替代２ ０ 万吨 ００ ００ Ｗ ２０ 标准煤 ，同时使我 国的风 电设计 、制造和管理技术达
÷
Ｖ ３
（） １
Ｗ ｍ
一 盲
＝ Ｖ
ｗ
（） ６
式 中 表 示为 风速 （ ／ ）； Ｐ为 空气 密 度 ， ｍＳ 单 位 为 （ ｍ ）； Ｒ为 风轮 的扫风 半 径 ，单 位 为 堙／
４ Ｏ 中闯 新 术 ６ 高 技 ２ １ ｛ ０｛２
由图２ 示 的 功率 特 性可 以看 出在 不 同的 风速 所
基 于风能的充分利用 ，从分析风力机运行特性 出 发 ，针对变速恒频风力发电系统 的特 点，研究叶尖速 比控制 、功率信号反馈法 ［］ ４ 的最大风 能捕 获方法 ， 总结其优缺点，本文采 用转速控制风 能跟踪算法 。转 速控 制法 结合 了尖速 比控 制法 和功率控 制 法两种 控 制思想 ，在风速变化 的情况下 以保持最优尖速 比为 目 的，根据 ｃ 一 特性关系求得 指定桨距角下 的参考 转 速 指令 ，通过 ｄ — ｃ ｃ ｄ 变换器利用 参考转速指令控制 发 电机输出功率 ，使得发 电机转速跟踪参考转速运行 。
性 及控 制策略 的正确 性和 可行性 。 ‘
关键词 ： 力发 电 ； 风 直驱 永磁 同步风 力发 电机 圣（ — ＭＳ ； 速控制 ； 且 Ｄ Ｐ Ｇ） 转 桨距 角控制 ； 大功 率跟踪控 制 最 中图分 类号 ： Ｍ６ ４ Ｔ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ９ ３ ４（ ０ １ ３ — ０ ６ ０ １ ０ —２ ７ ２ １ ） ４ ０ ４ — ３ 风 能 作 为 一种 清 洁 可 再 生 能 源 ，受 到 了世 界 各 国 （ ） ； Ｃ 表 示风 能 利用 系 数 。 ｍ ｐ 叶尖 速 比 的表 达式 为 ：
到 国际 先 进 水 平 。因 此 发 展风 电 已经 是 不 可 逆 转 的潮
根据风力机不 同风速下控制策略和空气 动力学特
性 可 知 风 力 机 最大 功率 跟 踪 控 制 过 程 在 切 入 风 速 到 额
定风速之间，将叶尖比表达式代入 （ ）式得： １
流 ，投 资风 电产业的企业 目前应 做的就是坚定信心， 立足长运 ，充分研究 ，精心策划 ，积蓄力量准备迎接 风电发展的高潮到来。
下，功 率曲线上有唯一的转速对应唯一的一个最 大功
率点 ，这对最大功率的跟踪提 供 了基本 思想 ，一是 找
到不 同风速 下的最优 转速 。作 为参考值 ，控制发 电机 的转速跟踪最优转速，以保证风 力机获得最大功
率 ； 二 是 通 过 找 到 不 同 风速 下 的 最 大 机 械 能 Ｐ 埘 作
ＰＯＡ（ ［ ３ ｍ． 等） ＝ｐ ） ５
／ 、
（ ３ ）
一
、
直驱风 力发 电系统数学模型
直 驱 永 磁 同步 风 力 发 电系 统 （ ｉ ｅ ｔ Ｙ Ｄ ｉ ｅ Ｄ ｒ ｃ ｌ ｒ ｖ Ｄ
… … ０ 、 叶 － 一 ： ｉ
…
ｊ
、
０ ，
…
最优参考转速的算法流程 图如图４ 所示 ，Ｔ 表示尖
速 比，ａ ｇ ｅ ｎ ｌ表示桨距 角，Ｃ 表示风能利用系数 。 ｐ
ｊ
～
： 一 ０
：
ａ
为参考值，将发 电机输 出功率 作为反馈量跟踪最大机 械能，从而达到风能最大跟踪的 目的。
一
ｈ
：
＜
二 、不可控模型转速控 制最大 功率跟踪算法
基于风 力发 电的最 大功率跟踪控制研究
沈加 敏 王 晓 忠
（ 苏联 合 职 业技 术 学 院 ， 苏 无 锡 ２ ４ ２ 江 江 １ ０ ８）
摘要 ： 文章 以 直驱 永磁 同步 风 力发 电机 组 为 对 象 ，建 立 了 包括 风 力机 模 型 、传 动 系统模 型 和 发 电机模 型 的 Ｄ Ｐ Ｇ数 学模 型 ，提 出 了风 力发 电机 转速 控 制 最 大 功 率追 踪 算 法 和 桨距 角控 制 策略 。 运 用 Ｐ Ｃ Ｄ／ — ＭＳ ＳＡ Ｅ ＤＣ 建立 Ｄ— ＭＳ ＭＴ Ｐ Ｇ仿 真模 型 ，对风 速 阶跃 变化 时机组 运行 情 况进 行 了仿 真 ，结果验 证 了该模 型 的合 理
叶尖 速 比 ， ，才 能使 Ｃ达 到 最 大 利 用 系 数 Ｃ ， 获 ｐ ｐ
直 流环 节 （ Ｃ ｌ ｎ ）和 网侧逆 变器 （ ｒ ｄ Ｓ ｄ Ｄ ～ ｋ ｉ Ｇ ｉ－ ｉｅ
Ｉｖ ｒ ｅ ，Ｇ Ｉ 。直 驱 永 磁 同步 风 力 发 电系 统 结构 ｎ ｅｔ ｒ Ｓ ） 图如 图 １ 示 ： 所
＝＝ ＝ ＝
（
） ㈩
（ ） ５
一
（ ）
图 １ 直 驱 永 磁 同步 风 力发 电 系统 结 构 图
其中，ｋ ＝ ． Ａ ｅ ， ０ ｐ Ｃ一 ￣ ５ ，
下 面介 绍一 下风力 机 的运 行特 性 和功率 调节 特 性。风力机输 出机械功率表达式分别为：
：
wenku.baidu.com
在最大输出功率情况下的最优转速表达式为 ：
机 侧 整 流 器 （ ｅ ｅ ａ ｏ — ｉ ｅ ｅ ｔ ｆ ｅ ，Ｇ Ｒ 、 Ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ Ｓ ｄ Ｒ ｃ ｉ ｉ ｒ Ｓ ）
图 ２ 风力机功率特性
在 ｐ、 Ａ、 Ｖ不变 的情 况下 ， 由式 （ ）知 风力 １ 机获 得的机械 能 为 的函数 ，而 又 是五、 的函 数 ，由此可见 ，对变化的风速在确定 的浆距角 的情况 下需要有变化的 相对应 ，才能保证 总是保持最佳
、
Ｗｉ Ｔ ｎｄ ｕｒｂｉ ｗｉｔ Ｐｅ ｎｅ ｈ ｒｍａｎ ｅｎｔ Ｓ ｙｎｃ ｈｒｏ ｎｏｕＳ
、＼ ｌ ｌ ¨
．
Ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ －Ｍ Ｇ ｅ ｅ ａ ｏ ，Ｄ Ｐ Ｓ ）主 要包括变 桨距 控制 的风力 机、永磁 同步发 电机 （Ｍ Ｇ Ｐ Ｓ ）、全功率变换器 以及控 制系统等四大 部分。其 中全功率变换器 又可以分为 ：
，… ：
得最 大机械能 尸 ｍ
一
一
，
此 时的 为最佳转矩
。
一
风
Ｍ侧变流器
：
’
力机最大输 出功率和最优转矩表达式为：
， ～
７
一 》
’ ： ／
一
／
～－
／
一‘
‘
ｊ
－ｏ－ ｓ
ｌ
、
＝
一
Ｊ ：
；
；
÷
Ａ＝ ｖ ＼ （） ／ ２
的高度 重视 。为满足 经济 高速增 长对 电力供 应 的需 求 ，我 国发改委制定 了中长期能源 战略规划 ，力争到 ２ ２ 年 ，风 电装机容量达 ￣３ ０ 万ｋ 将替代２ ０ 万吨 ００ ００ Ｗ ２０ 标准煤 ，同时使我 国的风 电设计 、制造和管理技术达
÷
Ｖ ３
（） １
Ｗ ｍ
一 盲
＝ Ｖ
ｗ
（） ６
式 中 表 示为 风速 （ ／ ）； Ｐ为 空气 密 度 ， ｍＳ 单 位 为 （ ｍ ）； Ｒ为 风轮 的扫风 半 径 ，单 位 为 堙／
４ Ｏ 中闯 新 术 ６ 高 技 ２ １ ｛ ０｛２
由图２ 示 的 功率 特 性可 以看 出在 不 同的 风速 所
基 于风能的充分利用 ，从分析风力机运行特性 出 发 ，针对变速恒频风力发电系统 的特 点，研究叶尖速 比控制 、功率信号反馈法 ［］ ４ 的最大风 能捕 获方法 ， 总结其优缺点，本文采 用转速控制风 能跟踪算法 。转 速控 制法 结合 了尖速 比控 制法 和功率控 制 法两种 控 制思想 ，在风速变化 的情况下 以保持最优尖速 比为 目 的，根据 ｃ 一 特性关系求得 指定桨距角下 的参考 转 速 指令 ，通过 ｄ — ｃ ｃ ｄ 变换器利用 参考转速指令控制 发 电机输出功率 ，使得发 电机转速跟踪参考转速运行 。
性 及控 制策略 的正确 性和 可行性 。 ‘
关键词 ： 力发 电 ； 风 直驱 永磁 同步风 力发 电机 圣（ — ＭＳ ； 速控制 ； 且 Ｄ Ｐ Ｇ） 转 桨距 角控制 ； 大功 率跟踪控 制 最 中图分 类号 ： Ｍ６ ４ Ｔ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ９ ３ ４（ ０ １ ３ — ０ ６ ０ １ ０ —２ ７ ２ １ ） ４ ０ ４ — ３ 风 能 作 为 一种 清 洁 可 再 生 能 源 ，受 到 了世 界 各 国 （ ） ； Ｃ 表 示风 能 利用 系 数 。 ｍ ｐ 叶尖 速 比 的表 达式 为 ：
到 国际 先 进 水 平 。因 此 发 展风 电 已经 是 不 可 逆 转 的潮
根据风力机不 同风速下控制策略和空气 动力学特
性 可 知 风 力 机 最大 功率 跟 踪 控 制 过 程 在 切 入 风 速 到 额
定风速之间，将叶尖比表达式代入 （ ）式得： １
流 ，投 资风 电产业的企业 目前应 做的就是坚定信心， 立足长运 ，充分研究 ，精心策划 ，积蓄力量准备迎接 风电发展的高潮到来。
下，功 率曲线上有唯一的转速对应唯一的一个最 大功
率点 ，这对最大功率的跟踪提 供 了基本 思想 ，一是 找
到不 同风速 下的最优 转速 。作 为参考值 ，控制发 电机 的转速跟踪最优转速，以保证风 力机获得最大功
率 ； 二 是 通 过 找 到 不 同 风速 下 的 最 大 机 械 能 Ｐ 埘 作
ＰＯＡ（ ［ ３ ｍ． 等） ＝ｐ ） ５
／ 、
（ ３ ）
一
、
直驱风 力发 电系统数学模型
直 驱 永 磁 同步 风 力 发 电系 统 （ ｉ ｅ ｔ Ｙ Ｄ ｉ ｅ Ｄ ｒ ｃ ｌ ｒ ｖ Ｄ
… … ０ 、 叶 － 一 ： ｉ
…
ｊ
、
０ ，
…
最优参考转速的算法流程 图如图４ 所示 ，Ｔ 表示尖
速 比，ａ ｇ ｅ ｎ ｌ表示桨距 角，Ｃ 表示风能利用系数 。 ｐ
ｊ
～
： 一 ０
：
ａ
为参考值，将发 电机输 出功率 作为反馈量跟踪最大机 械能，从而达到风能最大跟踪的 目的。
一
ｈ
：
＜
二 、不可控模型转速控 制最大 功率跟踪算法
基于风 力发 电的最 大功率跟踪控制研究
沈加 敏 王 晓 忠
（ 苏联 合 职 业技 术 学 院 ， 苏 无 锡 ２ ４ ２ 江 江 １ ０ ８）
摘要 ： 文章 以 直驱 永磁 同步 风 力发 电机 组 为 对 象 ，建 立 了 包括 风 力机 模 型 、传 动 系统模 型 和 发 电机模 型 的 Ｄ Ｐ Ｇ数 学模 型 ，提 出 了风 力发 电机 转速 控 制 最 大 功 率追 踪 算 法 和 桨距 角控 制 策略 。 运 用 Ｐ Ｃ Ｄ／ — ＭＳ ＳＡ Ｅ ＤＣ 建立 Ｄ— ＭＳ ＭＴ Ｐ Ｇ仿 真模 型 ，对风 速 阶跃 变化 时机组 运行 情 况进 行 了仿 真 ，结果验 证 了该模 型 的合 理
叶尖 速 比 ， ，才 能使 Ｃ达 到 最 大 利 用 系 数 Ｃ ， 获 ｐ ｐ
直 流环 节 （ Ｃ ｌ ｎ ）和 网侧逆 变器 （ ｒ ｄ Ｓ ｄ Ｄ ～ ｋ ｉ Ｇ ｉ－ ｉｅ
Ｉｖ ｒ ｅ ，Ｇ Ｉ 。直 驱 永 磁 同步 风 力 发 电系 统 结构 ｎ ｅｔ ｒ Ｓ ） 图如 图 １ 示 ： 所
＝＝ ＝ ＝
（
） ㈩
（ ） ５
一
（ ）
图 １ 直 驱 永 磁 同步 风 力发 电 系统 结 构 图
其中，ｋ ＝ ． Ａ ｅ ， ０ ｐ Ｃ一 ￣ ５ ，
下 面介 绍一 下风力 机 的运 行特 性 和功率 调节 特 性。风力机输 出机械功率表达式分别为：
：
wenku.baidu.com
在最大输出功率情况下的最优转速表达式为 ：
机 侧 整 流 器 （ ｅ ｅ ａ ｏ — ｉ ｅ ｅ ｔ ｆ ｅ ，Ｇ Ｒ 、 Ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ Ｓ ｄ Ｒ ｃ ｉ ｉ ｒ Ｓ ）
图 ２ 风力机功率特性
在 ｐ、 Ａ、 Ｖ不变 的情 况下 ， 由式 （ ）知 风力 １ 机获 得的机械 能 为 的函数 ，而 又 是五、 的函 数 ，由此可见 ，对变化的风速在确定 的浆距角 的情况 下需要有变化的 相对应 ，才能保证 总是保持最佳
、
Ｗｉ Ｔ ｎｄ ｕｒｂｉ ｗｉｔ Ｐｅ ｎｅ ｈ ｒｍａｎ ｅｎｔ Ｓ ｙｎｃ ｈｒｏ ｎｏｕＳ
、＼ ｌ ｌ ¨
．
Ｇ ｎ ｒ ｔ ｒ －Ｍ Ｇ ｅ ｅ ａ ｏ ，Ｄ Ｐ Ｓ ）主 要包括变 桨距 控制 的风力 机、永磁 同步发 电机 （Ｍ Ｇ Ｐ Ｓ ）、全功率变换器 以及控 制系统等四大 部分。其 中全功率变换器 又可以分为 ：