【正文】 令2 0dPdv? ，解方程得 2113vv? ，將其帶入 P 的表達(dá)式，得到最大功率為 3max 1827P sv?? () 將上式除以氣流通過掃掠面 s 時(shí)風(fēng)所具有的動(dòng)能，可推得風(fēng)力機(jī)的理論最大效率 (或稱理論風(fēng)能利用系數(shù) )為 31m a xm a x 331181627 0 .5 9 311 2722svPsv sv????? ? ? ? () 這就是貝茲理論的極限值，它說明風(fēng)力 機(jī)從自然風(fēng)中獲取的能量是有限的，其功率損失部分可以解釋為在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。葉尖速比 ? 是為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風(fēng)速之比來表示。 風(fēng)力機(jī)特性 風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能是個(gè)復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)過程，要精確地對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行建模，必須用基于空氣動(dòng) 力學(xué)中槳葉的基本理論。變槳距風(fēng)力機(jī)的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)的曲線來表示，如圖 。 、 15。 )，如圖 。 圖 ? =0。介紹了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域 中的 幾個(gè)基礎(chǔ)概念和理論，包括葉尖速比，風(fēng)能計(jì)算和風(fēng)能的貝茲理論，并且重點(diǎn)了解了風(fēng)力機(jī)特性，為后 面 建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型和仿真打下基礎(chǔ)。在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)，要求風(fēng)電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即頻率保持恒定。 對(duì)于任意一臺(tái)風(fēng)力機(jī)來說，葉片的設(shè)計(jì)使得風(fēng)能利用系數(shù) pC 和尖速比 ? 、槳距角 ?呈一定關(guān)系，在某一特定 槳 距角 ? 下，都存在唯一的一條 pC 和 ? 的對(duì)應(yīng)曲線，這條曲線常被稱為 pC 曲線。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)就是使得風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)速時(shí)都運(yùn)行在最佳葉尖 速比狀態(tài)下，使風(fēng)機(jī)獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，從而最大限度的捕獲風(fēng)能。目前常用的最大風(fēng)能跟蹤控 20 制主要有最佳葉 尖速比控制法、功率反饋法和爬山搜索法。但由于該方法是最大風(fēng)能跟蹤的最直接實(shí)現(xiàn)思想，在風(fēng)速測(cè)量精確的前提下，具有很好的準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度 。傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)上會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗所以最后得到的電功率還要乘以一個(gè)效率，由于功率損耗和輸出功率相比較很小，本文暫時(shí)不考慮功率損耗，假定電功率 eP 等于風(fēng)力機(jī)輸出功率 [13]。將上述兩組曲線繪在同一幅圖中： 圖 不同風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速 功率曲線和最佳功率曲線 22 由上圖可以看出，最佳功率曲線是在每一個(gè)風(fēng)速下輸出最大功率點(diǎn)的連線，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為每一特定風(fēng)速下為獲得最大風(fēng)能而對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。 爬山搜索法 爬山搜索算法是為了克服前兩種算法的缺點(diǎn)而提出來的，它無需測(cè)量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)輪機(jī)的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過測(cè)量功率的變化來自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，這種最大功率跟蹤具有以下的缺點(diǎn)。最后將當(dāng)前的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)值和上個(gè)周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。 風(fēng) 力 機(jī) 發(fā) 電 機(jī)控 制 器最 佳 功 率 計(jì) 算轉(zhuǎn) 速 測(cè) 量功 率 測(cè) 量PP r e f+w功 率 輸 出 圖 最佳功率曲線控制原理圖 該方法無需測(cè)量風(fēng)速，但需測(cè)量轉(zhuǎn)速，還需知道風(fēng)力機(jī)固有的最 佳 功率曲線。 ? =0時(shí)由式 ()、式 ()和式 ()可以求得 1160 . 1 1 ( 5 )ieiP R v e ??? ? ??? () 其中 111 0. 03 5 0. 03 5i vR? ?????? () 由式 ()和式 ()可以得到不同風(fēng)速下的電功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。 功率反饋法 功率反饋法的基本思想當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，首先測(cè)量得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)風(fēng)力機(jī) 固 有的最 佳功率曲線計(jì)算此時(shí)的發(fā)電機(jī)輸出參考功率，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最 佳 功率曲線上實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。用風(fēng)速計(jì)直接測(cè)出風(fēng)速信號(hào)， 由 最佳葉尖速比 opt? 和式 ()求得對(duì)應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速ref? ， 將它與測(cè)得的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電功率輸出，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速而變化 ，即始終運(yùn)行在最佳葉尖速比的情況下。 最大風(fēng)能跟蹤的算法 最大風(fēng)能跟蹤 (MPPT)是風(fēng)力發(fā)電的核心問題，但風(fēng)能的跟蹤的特性是由風(fēng)力機(jī)決定的。一條典型的 pC 曲線如圖 ： 由 pC 曲線可以看到，一個(gè) ? 值對(duì)應(yīng)唯一的一個(gè) pC 值。而在 保持恒頻的 同時(shí)需要最大限度的吸收風(fēng)能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能，則需要控制風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。風(fēng)速的變化會(huì)引起風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，如果沒有必要的機(jī)械或者電氣控制，則由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將隨之改變。 時(shí)的最大風(fēng)能利用系數(shù) maxpC 最大，約為 ，對(duì)應(yīng)的最佳葉尖速比 opt? 約為 。本文采用槳葉節(jié)距角 ? 為 0。從圖 中可以看到，當(dāng)槳葉節(jié)距角 ? 逐漸增大時(shí)， ()pC? 曲線將顯著縮小。 、 5。 為了避免這些問題，人們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的模型來描述風(fēng)力機(jī)，它反映了風(fēng)速與從風(fēng)中獲得的能量的關(guān)系，氣 動(dòng) 方程為： 3 2 31122ppP sv C R v C? ???? () 1113116( , ) ( 5 )11 1pCe?? ? ???? ? ???? ? ???????? ????? () 其中 P ：通過風(fēng)輪掃掠面積 的 風(fēng)的功率，單位為 W ? ：空氣密度，單位為 3/kgm R ：風(fēng)輪半徑，單位為 m v ：實(shí)際風(fēng)速，單位為 /ms pC ：風(fēng)力機(jī)的實(shí)際功率系數(shù) 風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù) pC 反映了風(fēng)力機(jī)吸收利用風(fēng)能的效率，它隨風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)如功角、槳距角等而變化 [9]。定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角在安裝時(shí)固定，不能變化。應(yīng)此，風(fēng)力機(jī)實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù) maxpC ?? ，目前的技術(shù)水平下，風(fēng)力機(jī)能達(dá)到的風(fēng)能利用系數(shù)大都在 ~。 設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 1v ， v 為實(shí)際通過風(fēng)輪的風(fēng)速， 2v 為葉片掃掠后的風(fēng)速，通過風(fēng)輪葉片前的風(fēng)速面積為 1s ，葉片掃掠后的風(fēng)速面積為 2s ，風(fēng)吹到葉片上所作的功 是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能，則必須 1v 2v ， 1s 2s 。本文所研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用的就是永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。美國(guó)通用電器公司研制的一臺(tái) 150kVA、切向磁化結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機(jī)，在 1200rpm狀態(tài)滿載運(yùn)行時(shí)，效率仍可保持在 ％。 永磁同步發(fā)電機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)：由于省去了勵(lì)磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，加工和裝配費(fèi)用減少，運(yùn)行更為可靠。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運(yùn)行可靠、效率高、控制及 供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個(gè)重要組成部分。其中定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：槳葉與輪彀的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，將葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)裝置在地面或低空，便于維護(hù)，而且不需要迎風(fēng)裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。但是立軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)極大地克服了平軸 機(jī)結(jié)構(gòu)上固有的缺陷。 在目前風(fēng)力機(jī)主要是以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的機(jī)組為主。本文只介紹風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)。 10 11 第二章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。 第三章重點(diǎn)研究了風(fēng)力機(jī)的最大功率跟蹤控制方法，分析比較了采用尖速比控制、采用功率曲線控制和爬 山搜索算法這三種常見的最大功率跟蹤控制算法。為便 于浮吊的施工，海上風(fēng)電場(chǎng)一般建在水深為 3～ 8m處，同容量裝機(jī)，海上比陸上成本增加 60％(海上基礎(chǔ)占 23％、線路占 20％；陸上僅各占 5％左右 )，電量增加 50％以上。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。同時(shí)，隨著全功率變流技術(shù)正在興起，無齒輪箱系統(tǒng)的市場(chǎng)份額也在迅速擴(kuò)大，其取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機(jī)軸直接連接到風(fēng)機(jī)軸上，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)過置于地面的大功率電力電子變換器，將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網(wǎng)同頻率交流電輸出。 風(fēng)電界普遍認(rèn)為，風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑或掃風(fēng)面積比額定容量更能反映風(fēng)電機(jī)組的特性，而風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪直徑與額定容量并不是一一對(duì)應(yīng)的?，F(xiàn)有的大部分風(fēng)機(jī)都具有 3葉片，只有極少數(shù)風(fēng)機(jī)還只有 2個(gè)葉片的類型，而且這種風(fēng)機(jī)的數(shù)量還在進(jìn)一步減少之中。而且，隨著風(fēng)機(jī)容量的增大，其中必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。作為提高風(fēng)能利用率和發(fā)電效益的有效途徑 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷向火型化發(fā)展。本文主要討論永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[5]。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制主要通過兩個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。這對(duì)于功率輸出完全依靠槳葉氣動(dòng)性能的定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來蛻，具有明顯的優(yōu)越性。因?yàn)檫@時(shí)隨著風(fēng)速的升高，功率上升已趨緩，而過了額定點(diǎn)后，槳葉己開始失速，風(fēng)速 升高，功率 反而 有所下降。因此，近年來設(shè)計(jì)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除了對(duì)槳葉進(jìn)行節(jié)距控制以外，還通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電源來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速的變化，以吸收瞬變的風(fēng)能，使輸出的功率曲線更加平穩(wěn)。 附近，不作變化，可認(rèn)為等同于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)的功率根據(jù)葉片的氣動(dòng)性能隨風(fēng)速的變化而變化。為了解決上述問題，槳葉制造商首先在 20世紀(jì) 70年代用玻璃鋼復(fù)合材料研制成功了失速性能良好的風(fēng)力機(jī)槳葉，解決了定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在大風(fēng)時(shí)的功率控制問題： 20世紀(jì) 80年代又將葉尖擾流器成功地應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，解決了在突甩負(fù)載情況下的安全停機(jī)問題，使定槳距 (失速型 )風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在近 20年的風(fēng)能開發(fā)利用中始終占據(jù)主導(dǎo)地位，直到最新推出的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍有機(jī)形采用該項(xiàng)技術(shù)。一是當(dāng)風(fēng)速高于風(fēng)輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)風(fēng)速即定額風(fēng)速時(shí)，槳葉必須能夠自動(dòng)地將功率限制在額定值附近，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)上所有材料的物理性能是有限度的。 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)涉及空氣動(dòng)力學(xué)、機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制、力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的綜合性高技術(shù)系統(tǒng)工程。按此規(guī)劃計(jì)算，從 2020～ 2020年平均每年裝機(jī)約 190萬 kW，投資約 152億元人民幣，其中購(gòu)買風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投資約 95億元人民幣。 截止 2020年 12月 31日，我國(guó)除臺(tái)灣省累計(jì)風(fēng)電機(jī)組 1846臺(tái)，裝機(jī)容量 1260MW，共有風(fēng)電場(chǎng) 62個(gè)。 中國(guó)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的開發(fā)利用起源于 20世紀(jì) 70年代初，而大容量風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用起始于 80年代，其商業(yè)化發(fā)展則是 90年代初期。亞洲風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的主要主導(dǎo)仍是印度。 2020 年，美國(guó)裝機(jī)容量大幅度增加，其裝機(jī)容量占當(dāng)前世界風(fēng)能容量的 17%(10036MW)，其中 98%的裝機(jī)容量被安裝在北美。目前德國(guó)的風(fēng)電利用規(guī)模處于絕對(duì)的世界領(lǐng)先地位，其裝機(jī)容量多年全球位列 4 第一。丹麥一流的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)培育了具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的專業(yè)的風(fēng)電企業(yè)，丹麥有世界領(lǐng)先的風(fēng)機(jī)制造業(yè)以及國(guó)內(nèi)和國(guó)際經(jīng)銷商，大型 商業(yè)化風(fēng)力機(jī)制造廠家有 vestas、Bonus、 NEG Micon 等，丹麥企業(yè)制造的風(fēng)機(jī)約占 50%的世界市場(chǎng)份額。 2020 年歐洲在總裝機(jī)容量 (40932MW)及新增裝機(jī)容量 (6174MW)仍然保持世界領(lǐng)先地位。目前風(fēng)力發(fā)電占全球電量的 1%，部分國(guó)家及地區(qū)己達(dá) 20%甚至更多。風(fēng)能產(chǎn)業(yè)己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展的高科技產(chǎn)業(yè)，其從業(yè)人數(shù)己超過 萬人。據(jù)理論計(jì)算全球大氣中風(fēng)能總的能量是 1017kW，而且是可再生的，估計(jì)大約有 的蘊(yùn)藏風(fēng)能可以被開發(fā)利用，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。風(fēng)是地球上的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射引起的。可再生能源屬于本地資源，通過一定的工藝技術(shù)，不僅可轉(zhuǎn)換為電力，還可以直接、間接地轉(zhuǎn)換為液體燃料，為各種移動(dòng)設(shè)備提供能源，緩解能源供應(yīng)問題 [1,2]。同時(shí)，我國(guó)還有 700 萬戶無電人口，無法用常規(guī)電網(wǎng)延伸解決用電。第一，我國(guó)能源系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。盡管經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織國(guó)家對(duì)一次能源的絕對(duì)需求量將有很大的增加，但這些國(guó)家 2020 年前對(duì)能源需求的增長(zhǎng)率卻相當(dāng)緩慢。 1995 年至 2020 年期間，全世界對(duì)一次能源需求量的增長(zhǎng)，將比 20 世紀(jì) 80 年代緩慢。用來發(fā)電的可再生能源主要有風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮艿龋鶎?duì)應(yīng)的發(fā)電技術(shù)有風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)和地?zé)岚l(fā)電技術(shù)。隨著化石能源的日趨枯竭及人類生 存 環(huán)境的逐漸惡化，新的無污染接替能源 —— 可再生能源已引起了世界各國(guó)的高度重 視。 關(guān)鍵詞 ： 風(fēng)力發(fā)電 ； 最大功率點(diǎn)跟蹤 ； 風(fēng)力機(jī)模擬 ； 仿真 － V－ Analysis and Simulation on Maximum Power Point Tracking Control Method of Wind Power Abstract The environment and energy are urgent problems of survival and development of human .Mainly, Conventiona