变速风力机的最大风能捕获控制策略研究

Fig. 3 Curves of Cp and Cm
根据风力机的动力学方程式 ( 12 ) , 如果按照 ( 式 14) 控制发电机的输出转矩 Tg , 则忽略摩擦 后 , 当且仅当式 ( 15 ) 、 式 ( 16 ) 成立时 , 风力机才能 稳定运行 , 结合图 3 , 有两个不同的λ可以使 Cm = 3 Cm 成立 , 但只有当 λ=λ opt 时 , 系统才能稳定 。由 于叶轮和发电机运行转速的限制 , 风力发电机组 无法在全风速范围内按照最佳叶尖速比运行 。假 设叶轮 转 速 的 最 大 值 和 最 小 值 分 别 为 ω rmin 和 ω rmax , 则当风速 v < ω rmin R/λ opt 时 , 风力机只有在 ω rmin 运行才能使λ最接近λ opt , 同理 , 当 v > ω max R/ λ opt 时 , 风力机应该在最大转速 ω rmax 处运行 。由 此 , 可以得到风力机的 3 阶段运行控制策略 :最小 转速处的恒转速控制 , 最大转速处的恒转速控制 和最佳叶尖速比运行控制 。 考虑到摩擦 , 式 ( 14) 改为 2 ( 17) Tg = Koptω r - Ktω r 其中
摘要 : 对风力机 、 传动链和发电机的数学模型进行了简化处理 ,得到了系统运动方程 ,结合风力机的转矩 特性 ,提出了一种新的分段控制策略 。这种方法不需要检测风速和功率信号 ,只根据叶轮转速来控制发电机 的电磁转矩 ,便可实现风力机的最佳叶尖速比运行 ,从而最大限度地捕获风能 。Matlab/ Simulink 仿真结果验 证了算法的稳定性和有效性 。 关键词 : 变速风力机 ; 分段控制 ; 最佳叶尖速比 ; 最大风能捕获 中图分类号 : TM614 文献标识码 :A
电气传动 2009 年 第 39 卷 第6期
赵佩宏 ,等 : 变速风力机的最大风能捕获控制策略研究
的函数[ 15 ] :
) = 0 . 22 ( Cp (λ,β
116
λ i
β- 5) ・ - 0. 4 e-
12. 5 λ i
3 系统模型的建立与简化
( 2)
其中
1 1 0 . 035 = 3 λ λ+ 0 . 08 ・ β- β i +1 ωR λ= r
1 ρ 5 3 Cm πR ω r 2 1 2 πR5ω Cmρ r 2
( 5) ( 6)
Fig. 2 Drive t rain 2ed model of wind power system
式中 : Cm 为 风 力 机 的 机 械 特 性 参 数 , Cm = 3 ) /λ Cp (λ,β 。 式 ( 5) 和式 ( 6) 分别从功率和转矩角度描述了 风力机的机械特性 , 按照给定的参数 : 额定功率
Research on Maximum Power Capture Control Strategy of Variable Wind Turbine
ZHAO Pei2hong1 ,2 ,L I Jian2lin1 , E Chun2liang1
( 1 . Institute of Elect rical Engineering Chinese A cademy of Science , Bei j i ng 100190 , China;
2
不考虑发电机具体的电气过程 , 可视其为一
图1 风力机的机械特性
Fig. 1 Mechanical characteristics of wind t urbine
阶滞后环节 [ 12 ] :
Tem = Tem ( 1 - e
3
- τt
)
( 13 )
4
赵佩宏 ,等 : 变速风力机的最大风能捕获控制策略研究
v ( 3) ( 4)
风电机组传动系统经过抽象以后 , 其二阶模 型如图 2 所示 。
在额定风速以下 , 为了最大限度地捕获风能 , 桨距角一般取恒定值 0° 。将式 ( 4 ) 代入式 ( 1 ) , 可 以得到功率及转矩与叶轮转速之间的关系 :
Pm = Ta =
图2 风电机组传动系统的二阶模型
。因此 , 目前变速风力机得到迅速
发展 ,并有逐渐取代恒速风力机的趋势 ,变速风力 机的控制也已经成为风力发电领域的研究热 点[ 2 ] 。 提高效率和减小载荷是变速风力机控制的两 个主要目标 ,本文以提高效率为主要目标 。目前 , 风力机最大风能捕获的控制方法主要有最佳叶尖 速比查表法 [ 3 ,4 ] 、 爬山搜索法[ 5～8 ] 、 模糊控制和自 适应控制法 [ 9～14 ] 等 。其中查表法要求有准确的 风速信号 ,但风速难以准确测量 ; 爬山搜索法需要 对转速进行连续试探性的调节 , 容易产生转矩高
J rω r = Ta - Tls - Krω r ( 7)
转动惯量 6. 2e5 kg ・ m2 ,发电机的转动惯量 586. 8
kg ・ m2 , 低速轴的等效刚度 8. 4e7 Nm/ rad , 低速
轴的等效阻尼 6. 7e5 N m ・ s/ rad ,绘制该风力机机 械特性曲线如图 1 所示 。由图 1 可见 , 各风速下 风力机捕获的风功率和气动转矩都是随转速的增 大而先增大后减小 。不同风速时 , 在不同转速处 存在最大功率点 , 其中 Pmax 是各风速下最大功率 点的连线 , 为了实现最大风能捕获 , 当风速变化 时 , 必须实时调节发电机的转速 。
2 . Graduate Universit y of t he Chinese A cademy of Sciences , Bei j ing 100049 , China) Abstract : The system kinematical equation was derived f rom t he simplified mat hematical model of wind t urbine , drive t rain and generator. A novel grading cont rol st rategy was p ropo sed based o n t he to rque charac2 teristics of wind t urbine. The new co ntroller regulates generator′ s elect romagnetic torque wit ho ut wind speed or elect rical power measurement . In t he new cont rol scheme , wind t urbine can operate at optimal tip2speed ra2 tio and capt ure maximum wind power. Matlab/ Simulink simulatio n result s show t he stability and effectiveness of t he p resented cont rol algorit hms. Key words :variable speed wind t urbine ;grading co nt rol ;optimal tip2speed ratio ; maximum power capt ure
1. 5 M W ,叶轮直径 76. 5 m , 叶轮转速 9. 6 ～ 19. 3 r/ min ,额定风速 12. 5 m/ s ,齿轮箱变比 104 ,叶轮
图Hale Waihona Puke Baidu2 中 , Ta 为气动转矩 ,ω r 为风力机风轮转 子的转动角速度 , J r 为风轮转子的转动惯量 , Tls 是低速轴的反转矩 , Kr 为风轮转子外部阻尼 , B ls 为低速轴的等效刚度 , Kls 为低速轴的等效阻尼 , Ths 为高速轴的转矩 , J g 为发电机的转动惯量 , Kg 为发电 机 转 子 外 部 阻 尼 , Tem 为 发 电 机 的 电 磁 转矩 。 风轮转子受气动转矩 Ta 驱动 , 在反转矩 Tls 作用下产生转速 ω r , 其动态模型为
低速轴的反转矩 Tls 由轴转矩和摩擦产生 : θ Tls = B ls ( r -θ ls ) + Kls (ω r - ω ls )
( 8)
发电机受高速轴转矩 Ths 驱动 , 受到电磁转 矩 Tem 反作用 , 其动态模型为
J gω g = T hs - Kgω g - Tem ( 9)
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τ为时间常数 。 式中 :
4 风力机的分段控制策略
风力机的风能利用系数 Cp 和机械特性参数
Cm 都是叶尖速比的函数 , 其典型的关系曲线如图
根据上述分析 , 按照式 ( 17 ) 控制风力发电机 的电磁转矩便可实现风力机的最佳叶尖速比运 行 。最大转速和最小转速处的恒转速运行可以采 用 PI 控制 。3 阶段控制策略的稳定性可以用风 力机和发电机的转矩特性说明 , 如图 4 所示 。在 正常的运行范围内 , 风力机的转矩和发电机的转 矩之间满足拖动系统的稳定性条件式 ( 19 ) , 所以 按照 3 阶段控制策略控制发电机 , 系统是可以稳 定运行的 。
) 为风能利用系数 。 Cp (λ,β
由式 ( 1) 可知 , 在风速给定的情况下 , 风力机捕获 的风功率取决于风能利用系数 Cp , 而 Cp 是 λ和β
作者简介 : 赵佩宏 (1982 - ) ,男 ,硕士研究生 , Email :zhaop h @mail . iee. ac. cn
3
齿轮箱的变比为 ng , 则
ng = Tls ω g = T hs ω ls ( 10 )
把发电机的动态特性等效到低速轴上 , 由式 ( 9) 和式 ( 10) 可得 :
2 2 ng J gω g = Tls - ( ng Kg ) ω g - ng Tem
( 11 )
假设低速轴是刚性的 , 则可以得到系统的简 化模型 :
EL EC TRIC DRIV E 2009 Vol. 39 No . 6
电气传动 2009 年 第 39 卷 第6期
变速风力机的最大风能捕获控制策略研究
赵佩宏1 ,2 ,李建林1 ,鄂春良1 ( 1. 中国科学院 电工研究所 ,北京 100190 ;2. 中国科学院 研究生院 ,北京 100049)
1 引言
现代并网运行的水平轴风力机 , 从转速控制 角度可分为两种基本类型 : 定转速风力机和变转 速风力机 。与定转速风力机相比 , 变速风力机具 有风能利用效率高 , 可以减小传动链的疲劳载荷 等诸多优势
[1 ]
频脉动 ,增加传动链的疲劳载荷 ; 模糊控制和自适 应控制方法 ,算法较为复杂 ,对控制器的设计要求 较高 。针对以上不足 , 本文根据系统的运动方程 和风力机的转矩特性 , 提出了一种新的分段控制 策略 , 并在 Matlab/ Simulink 中建立了全系统的 仿真模型 ,给出了不同风速下的仿真结果 。
J tω r = Ta - Ktω r - Tg ( 12 )
2 g
式中 : J t 为风力机等效转动惯量 , J t = J r + n J g ; Kt 为风力机风轮转子等效转动阻尼 , Kt = Kr +
ng Kg ; Tg 为 低 速 轴 上 的 等 效 电 磁 转 矩 , Tg = ng Tem 。
基金项目 : 中国科学院所长基金项目 (0710141CS1)
2 风力机的功率特性与转矩特性
根据风力机的空气动力学特性 [ 5 ] , 其捕获的 风功率为
Pa =
1 )ρ πR2 v3 Cp (λ,β 2
( 1)
ρ为空气密度 , kg/ m3 ; R 为风力机的叶轮半 式中 : 径 , m ; v 为风速 , m/ s ;λ为叶尖速比 ;β为桨距角 ;
Cm = Cm =
3
Cpmax
3 λ opt
( 16)
图4 分段控制下的风力机和发电机的转矩特性
Fig. 4 Torque characteristics of t he wind t urbine and generator in grading cont rol
5 仿真
图3 风力机的风能利用系数和机械特性参数曲线
3 所示 。当λ=λ opt 时 , Cp 取得最大值 Cpmax , 相应的
Cm 取得
3 Cm
,且
3 Cm
= Cpmax /λ 。为了最大限度地
3 opt
捕获风能 , 风力机应尽可能地在最佳叶尖速比运 行 , 从而使 Cp 取得最大值 Cpmax 。 1 3 5 2 ( 14) Tg = CmπR ω r 2 1 3 5 2 ( 15) Ta = Tg = CmπR ω r 2