【文章內容簡介】 ，不能變化。而變槳距風力機的槳距角可以隨著風速變化而變化，以限制功率的增加。 風力發(fā)電機的組成結構風力發(fā)電系統(tǒng)由風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機艙、電控系統(tǒng)、整流逆變系統(tǒng)、塔架等部件組成。結構如圖22所示：圖22 風力發(fā)電機結構圖(1)風輪：由葉片和輪轂組成，是風力發(fā)電機組獲得風能的關鍵部件，將捕獲的風能轉變?yōu)闄C械能。(2)傳動系統(tǒng)：將風輪捕獲的機械能傳遞到發(fā)電機。傳動系統(tǒng)包括主軸、主軸承、增速箱、剎車機構等部件。(3)發(fā)電機：將機械能轉變?yōu)殡娔堋?4)機艙：由底盤和機艙罩組成。(5)偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)根據(jù)風向標接受的信息，由控制系統(tǒng)自動執(zhí)行機艙的偏轉，使風輪始終處于迎風狀態(tài)。偏航系統(tǒng)主要包括以下三個部分：偏航檢測和控制、偏航驅動和偏航制動。(6)液壓系統(tǒng)：完成偏航制動、主軸制動和主軸潤滑。(7)塔體和基礎：塔架是支撐機艙的結構部件，它使風力機風輪處在較為理想的高度上運轉，也是安裝維護人員上下機艙的通道。(8)電控系統(tǒng)：完成整個發(fā)電機組的控制、電壓并網和遠程通訊等控制功能。主要由主控制器、調槳控制器、機艙控制器組成。(9)整流和逆變系統(tǒng)：完成電力變換。 風力機的分類及功率控制方法按照并不并入電網，風力機可分為并網型和離網型。并網型發(fā)電機組功率較大，直接并入電網。離網型主要用于電網到達不了的偏遠地區(qū)如牧區(qū)、海島、高山等場所，離網型風力發(fā)電機組的功率較小，通常不超過10KΩ。按照主軸相對于地平面的方向，分為水平軸和垂直軸兩種型號?，F(xiàn)在大多數(shù)的風力發(fā)電機都是水平軸三葉片的風機，垂直軸的風機由于葉片固定，功率不易控制，商業(yè)應用很少。目前的水平軸風力發(fā)電機按照轉速和功率調節(jié)方式的不同可以分為以下幾種：(1)定槳距失速調節(jié)型定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當風速高于額定風速時，氣流的攻角增大到失速條件，使槳葉的表面產生渦流，效率降低，來限制發(fā)電機的功率輸出為了提高風電機組在低風速時的效率，通常采用雙速發(fā)電機(即大／小,發(fā)電機)。在低風速段運行時，采用小電機使槳葉具有較高的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。失速調節(jié)型的優(yōu)點是失速調節(jié)簡單可靠，風速變化引起的輸出功率變化只通過槳葉的被動失速調節(jié)而控制系統(tǒng)不作任何控制，使控制系統(tǒng)大為減化。其缺點是與變槳距風機相比葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。(2)變槳距調節(jié)型變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制改變其槳距角的大小。調節(jié)方法為：當風電機組達到運行條件時，控制系統(tǒng)命令調節(jié)槳距角調到45176。，以獲得最大的起動力矩。當轉速達到一定時，再調節(jié)到0176。直到風力機達到額定轉速并網發(fā)電；在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持為0176。位置不變，不作任何調節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。輸出功率小于額定功率狀態(tài)時，變槳距風力發(fā)電機組一般采用最大功率跟蹤控制技術，即根據(jù)風速大小調整風輪轉速，使其盡量運行在最佳葉尖速比，優(yōu)化輸出功率。變槳距調節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。槳距角可以隨風速大小進行自動調節(jié)，因此能夠盡可能多的吸收風能轉化為電能，同時在高風速段保持功率平穩(wěn)輸出。缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。(3)主動失速調節(jié)型風力發(fā)電機組將被動失速和變槳距調節(jié)兩種風力發(fā)電機組的優(yōu)點相結合，槳葉采用失速特性，調節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調節(jié)。在低風速時，將槳葉節(jié)距調節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調整優(yōu)化機組功率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調節(jié)，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化，槳葉僅需要微調維持失速狀態(tài)。制動剎車時，調節(jié)槳葉相當于氣動剎車，很大程度上減少了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊。主動失速調節(jié)型的優(yōu)點是具備了定槳距失速型的特點，并在此基礎上進行變槳距調節(jié)，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊，控制較為容易，輸出功率較平穩(wěn)。(4)變速恒頻風力發(fā)電機組風力機產生的功率與風速和發(fā)電機轉速密切相關，而且在一個特定風速下存在一個最優(yōu)轉速，使得風力機獲得的功率最大。因此對于風能系統(tǒng)而言，如果可以根據(jù)風速的變化對發(fā)電機轉速進行控制以使風輪捕獲到最大的風能，會對風能系統(tǒng)的整體效率有相當大的提升。另一方面，通過及時調整風輪轉速可以吸引強烈陣風帶來的風能擾動，將擾動能量暫時儲存到轉子慣量上作為緩沖，相當于增加了風機的“彈性，因此可以減少傳動系統(tǒng)所承受的沖擊應力。變速恒頻是指在風力發(fā)電的過程中發(fā)電機的轉速可以跟蹤風速變化，由于轉速發(fā)生變化必然導致發(fā)電機頻率的變化，必須采用適當?shù)目刂剖侄?ACDCAC或ACAC變頻器)來保證與電網同頻率后并入電網。在額定風速以下時主要調節(jié)發(fā)電機反力轉矩使轉速跟隨風速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風能；變速恒頻的優(yōu)點是大范圍內調節(jié)運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度吸收風能，因而效率較高，但控制系統(tǒng)較為復雜。據(jù)統(tǒng)計，采用變速恒頻風力系統(tǒng)，在風輪直徑和風能資源相同的條件下，年發(fā)電量比恒速恒頻系統(tǒng)可增加20％30％。，因此目前的大型風力發(fā)電機都采用此種方式。變速恒頻通常結合變槳距實現(xiàn)額定風速以下和額定風速以上兩個階段的功率控制。在額定風速以下槳距角設置為0176。，調節(jié)風輪轉速，使轉速跟隨風速變化，獲得最大的風能；在額定風速以上，由于傳動系統(tǒng)負荷增加，調節(jié)范圍窄，因此主要依靠變槳距調節(jié)來改變葉片的角度，從而改變風能利用系數(shù)的值，將功率調整在額定功率，保證功率平穩(wěn)輸出。目前的變速恒頻風電系統(tǒng)，按照勵磁方式不同，最常見的兩種是雙饋感應風力發(fā)電機和永磁同步風力發(fā)電機。雙饋式系統(tǒng)采用電勵磁，研究比較早，技術也比較成熟，但是由于使用的是異步發(fā)電機，要求較高的轉子轉速，而風輪轉速很低，直接用風輪帶動雙饋電機轉子滿足不了雙饋發(fā)電機對轉子轉速的要求，必須引入增速齒輪箱升速后，再同雙饋發(fā)電機轉子連接進行風力發(fā)電。齒輪箱隨著發(fā)電機組功率等級升高，成本變的很高，且很容易出現(xiàn)故障，需要經常維護，可靠性差，加入齒輪箱也影響了傳動系統(tǒng)的效率，同時齒輪箱也是風力發(fā)電系統(tǒng)產生噪聲污染的一個主要因素。在大力開展風能利用的今天，風力發(fā)電機組的發(fā)電量正在不斷增加，對風力發(fā)電機組可靠性和效率要求也在不斷提高，齒輪箱的存在嚴重限制了風力發(fā)電機的發(fā)展。直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)就是在這種情況下出現(xiàn)的。應用于風力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機采取特殊的設計方案，其較多的極對數(shù)使得在轉子轉速較低時，發(fā)電機仍然可以工作，因而在直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中使風輪機與永磁同步發(fā)電機轉子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機的維護工作，并且降低了噪音。另外直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)轉子采用永磁體，不需要電勵磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性好的優(yōu)點。本課題就變速恒頻、永磁直驅風力發(fā)電機進行研究分析。 本章小結本章介紹了風力發(fā)電的理論基礎，包括空氣動力學方面的基本理論、風力機的幾個重要特性參數(shù)和風力機的組成結構，分析比較了風力機常見的類型及功率控制方式。重點介紹了永磁直驅式風力發(fā)電機和變速恒頻的功率控制方法。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第3章 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設計 最大功率點跟蹤算法的分類變速風力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤控制算法近年來成為了一個熱門的研究課題，盡管這些算法是基于不同的功率變換器拓撲結構，但根據(jù)它們的控制原理可以大致分為三類：葉尖速比控制算法、功率信號反饋算法、登山搜索算法。 葉尖速比控制算法TipSpeed—Ratio(TSR)Control葉尖速比(TSR)控制算法是要維持風力機的葉尖速比力在最佳值丸。，處(TSR的最佳值一般是通過計算或實驗獲得)，這樣在任何風速下風力機對風能的利用率都最大，從而達到對風力機最大功率點跟蹤的目的。圖31所示為TSR的控制原理框圖，將風速v和風力機轉速ω的測量值作為控制系統(tǒng)的輸入信號，通過計算得出風力機此時的實際葉尖速比λ，然后與風力機的最佳值，相比較，所得誤差值用來對風力機的轉速進行控制，直到風力機運行在最佳葉尖速比上。圖31 TSR控制原理圖該控制算法的優(yōu)點是控制原理比較簡單，容易實現(xiàn)，一個PI控制器即可滿足風力機的控制要求。缺點是需要預先得到風力機的最佳葉尖速比需要測量風速v和風力機風輪角速度ω。TSR的最佳值在不同的風力發(fā)電系統(tǒng)中也不相同，它與風力機和發(fā)電機的特性以及所采用的變頻器拓撲結構相關，因此該算法的移植比較困難。同時實時測量風速會增加系統(tǒng)的成本和實際執(zhí)行的難度，其測量精度也難以保證。而且由于風速的隨機性和不確定性，該控制算法會引起風力機輸出功率的劇烈波動。 功率信號反饋算法Power Signal Feedback(PSF)Control功率信號反饋(PSF)控制原理：測量出風力機的轉速ω，并根據(jù)風力機的最大功率曲線計算出與該轉速所對應的風力機的最大輸出功率P，并將它作為風力機的輸出功率給定值，對風力機進行控制，以實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。圖3—2為在功率信號反饋算法的控制下風力機運行狀態(tài)點的變化圖。如果只是當前風速下風力機的最大功率輸出點，ω1是此時風力機實際的風輪轉速，PSF控制算法將由該轉速ω1，根據(jù)最大功率曲線計算出相應的最大輸出功率，并將它作為風力機輸出功率的給定值；由于風力機此時的輸出功率只小于風力機實際捕獲的機械功率，風力機的轉速ω將從逐漸增加到ω0，隨著轉速ω的增加風力發(fā)電系統(tǒng)在PSF的控制下最終將運行在最大功率點P0上。圖32 風力機運行狀態(tài)點變化圖同樣，在風速為v2時，如果當前的風輪實際轉速為ω2，則在PSF算法的控制下，風力機將會減速，即從ω2逐漸降低到ω0，同樣最終會運行在最大功率點上。圖33即為PSF算法的控制原理框圖圖33 PSF控制原理圖該控制算法的優(yōu)點是能夠有效地避免風力機輸出功率的波動，控制原理比較簡單。缺點是對于不同的風力機，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得，這會增加實際應用的成本；同時隨著使用年限的增加，風力機特性的變化，其控制精度也難以保證。 登山搜索算法Hi llclimb Searching(HCS)Control登山搜索算法原理：給風力機施加人為的轉速擾動，然后通過測量風力機輸出功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉速點。圖3—4為風力機輸出功率與轉速的關系圖。圖34 風力機輸出功率與轉速關系假設風力機轉速的增加引起風力機輸出功率的增加，HCS控制使風機轉速沿著上升的區(qū)域接近最大功率點，反之，將減速使風力機沿著下降區(qū)域接近最大功率點。觀察圖3—5風力發(fā)電系統(tǒng)以速度ω為橫坐標在不同風速下的風力機輸出功率P的特性曲線，每一條曲線都有一個最大點，最優(yōu)轉速ω隨著風速v的增加而增加。每條曲線的形狀就像一座小山，有了這種關系，我們就不需要知道任何P(ω)曲線的細節(jié)，也不需要知道實際的風速v，只需要檢測風力機的轉速ω和輸出功率P的改變，根據(jù)登山搜索算法來搜索最佳的參考速度，在該速度下風力機的輸出功率最大，即為山坡的頂點。在風速恒定的情況下，工作點將沿著圖3—5中的某條P(ω)曲線向上或向下移動直到獲得最大功率輸出點為止。如果風力機速度保持恒定而風速發(fā)生變化，工作點將會沿著圖3—5中垂直軸線移到另一條P(ω)曲線上。根據(jù)這些考慮，在下列情況下輸出參考速度設置增加：(1)輸出功率P增加，風力機速度恒定或者增加；(2)輸出功率P和風力機轉速都減小。相反，在下列情況下，參考速度設置必須減?。?1)輸出功率P減小，風力機速度恒定或者增加：(2)輸出功率P增加而轉速減小。登山搜索算法包括以下幾個步驟：(1)選擇初始的參考轉速和步長并測量風力機的輸出功率：(2)通過某一步長來增加或減小參考轉速并再次測量風力機的輸出功率：(3)計算Sign(△P)和Sign(△ω)(4) (n)= (n1)+Sign(△P)Sign(△ω) (5)從步驟三開始重復直到搜索到最優(yōu)的運行點。圖35 登山搜索示意圖在圖3—5中，假設風速發(fā)電機運行在A點，即風機運行在Pω特征曲線的(ωA,PA)處。同時假設風力機轉速按步長ωstep增加到新的速度ωB，則新的運行點位(ωB,PB)，則： △P= PB PA 0,sign(△P)=1 (31)△ω=ωB ωA 0,Sign(△ω)=1 (32)由式4．1和式4．2可得ωstep= ωB +ωstep經過第一次反復，新的運行點變?yōu)?ωc,Pc)。重復這個過程直到系統(tǒng)運行點為(ω1,P1)， 這時即為風速下的最大功率點。假如風速由變成，新的最優(yōu)運行點將會從(ωD,PD)點開始搜索，則：△P= PD –P10,Sign(△P)=l (33)△ω=ωDω10,Sign(△ω)=1 (34)由式33和式34可得ωref=ω1+ωstep下一個運行點將會是()，然后與上面的情況類似，風機最后會運行到最大功率點(ω3,P3)?，F(xiàn)在，假如風速變化為v2，運行點將會移到(ωF,PF)，則：△P =PFP3 0 ,Sign(△P)=1 (35)△ω=ωFω3=0 ,Sign(△ω)=1 (36) ωref=ω3ωref在這種情況下，轉速將會降低，風機運行點為(ωG,pG)。接著：△P =PGPF0,Sign(△P)=1 (37)△ω =ωGωF0,Sign(△ω)=1 (38) ωref=ω3ωref不斷的重復這個過程直到參考轉速運行到風速的最大功率點(ω2,p2)為止。以上所述即為登山搜索算法對風力機的最大功率點的跟蹤過程。HCS能夠成功地應用于無慣性的太陽能變換系統(tǒng)中和慣性很小的小型風力發(fā)電系統(tǒng)。但是對于慣性較大的大型風力機系統(tǒng)，由于風力機具有較大的轉動慣量，系統(tǒng)的時間常數(shù)較長，因此登山搜索算法對整個風電系統(tǒng)無法進行有效的控制。登山搜索算法的優(yōu)