【導讀】師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位。印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。能源、環(huán)境是當今人類生存和發(fā)展所需要解決的緊迫問題。天然氣等，不僅資源有限，而且其應(yīng)用時造成了嚴重的環(huán)境問題。而風能最為一種清潔。開發(fā)和利用已經(jīng)受到了世界各國的高度重視。本文以直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)為。中的一種方法為例進行了仿真驗證。

　　

【正文】 () 令 PE?? ，可以得到 122vvv ?? ()因此，風作用在風輪葉片上的力 F 和風輪輸出功率 P 分別為 15 22121 ()2F s v v??? () 221 2 1 21 ( ) ( )4P s v v v v?? ? ? () 風速 1v 是給定的， P 的大小取決于 2v ， P 是 2v 的函數(shù)，對 P 微分求最大值，得 221 1 2 221 ( 2 3 )4dP s v v v vdv ?? ? ? () 令2 0dPdv? ，解方程得 2113vv? ，將其帶入 P 的表達式，得到最大功率為 3max 1827P sv?? () 將上式除以氣流通過掃掠面 s 時風所具有的動能，可推得風力機的理論最大效率 (或稱理論風能利用系數(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，它說明風力 機從自然風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)動能。能量的轉(zhuǎn)換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異。應(yīng)此，風力機實際風能利用系數(shù) maxpC ?? ，目前的技術(shù)水平下，風力機能達到的風能利用系數(shù)大都在 ~。 風輪實際能得到的有用功率輸出為 312 pP sv C?? () 葉尖速比 除了風能利用系數(shù) pC 外，風力發(fā)電機還有兩個非常重要的參數(shù)：葉尖速比 ? 和槳距角 ? 。葉尖速比 ? 是為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示。 Rv??? () 其中 ? ：風輪的轉(zhuǎn)速 R ：風輪的半徑 16 v ：風速 槳距角 ? 是指風輪葉片上某一點的弦線與葉片旋轉(zhuǎn)平面間的夾角。定槳距風力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定，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 [8]。 風力機特性 風力機把風能轉(zhuǎn)化為機械能是個復雜的空氣動力學過程，要精確地對風力機進行建模，必須用基于空氣動 力學中槳葉的基本理論。但是，如果用槳葉的基本理論建模，將不可避免要解決風力機風輪幾何學問題、復雜冗長的計算問題等困難，此外，還要同時處理一系列的風速信號，而不是只有一個風速信號 [10,11]。 為了避免這些問題，人們設(shè)計了一種簡易的模型來描述風力機，它反映了風速與從風中獲得的能量的關(guān)系，氣 動 方程為： 3 2 31122ppP sv C R v C? ???? () 1113116( , ) ( 5 )11 1pCe?? ? ???? ? ???? ? ???????? ????? () 其中 P ：通過風輪掃掠面積 的 風的功率，單位為 W ? ：空氣密度，單位為 3/kgm R ：風輪半徑，單位為 m v ：實際風速，單位為 /ms pC ：風力機的實際功率系數(shù) 風力機的功率系數(shù) pC 反映了風力機吸收利用風能的效率，它隨風速、風力機轉(zhuǎn)速以及風力機葉片參數(shù)如功角、槳距角等而變化 [9]。 風力機可分為變槳距和定槳距兩種。變槳距風力機的特性通常由一簇風能利用系數(shù)的曲線來表示，如圖 。 17 圖 ? 為 0。 、 5。 、 10。 、 15。 時的 pC 曲線 風能利用系數(shù) pC 是葉尖速比 ? 的函數(shù) (表示為 ()pC? )，同時也是槳葉節(jié)距角 ? 的函數(shù) (表示為 ()pC? )，綜合起來可表示為 ( , )pC ?? 。從圖 中可以看到，當槳葉節(jié)距角 ? 逐漸增大時， ()pC? 曲線將顯著縮小。 如果保持槳葉節(jié)距角 ? 不變，風能利用系數(shù) pC 只與葉尖速比有關(guān)系，則可用一條曲線描述 ()pC? 特性，這就是定槳距風力機的性能曲線 (? =0。 )，如圖 。變槳距風力機是定槳距風力機的改進和發(fā)展，而定槳距風力機特性是變槳距風力機特性的基本情況，具有代表意義，是討論最大風能追蹤的依據(jù)，因此定槳距風力機及其特性是本文研究的重點。本文采用槳葉節(jié)距角 ? 為 0。 。 圖 ? =0。 時 pC 曲線 18 由圖中可以看出，相同尖速比時槳距角為 0。 時的最大風能利用系數(shù) maxpC 最大，約為 ，對應(yīng)的最佳葉尖速比 opt? 約為 。 本章小結(jié) 本章 首先 宏觀介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成，然后具體介紹了本文將用到的風力機和直驅(qū)式永磁發(fā)電機。介紹了風力發(fā)電領(lǐng)域 中的 幾個基礎(chǔ)概念和理論，包括葉尖速比，風能計算和風能的貝茲理論，并且重點了解了風力機特性，為后 面 建立風力發(fā)電系統(tǒng)模型和仿真打下基礎(chǔ)。 19 第三章 風力發(fā)電系統(tǒng)最大風能跟蹤控制方法分析 最大風能跟蹤的理論基礎(chǔ) 風能是一種具有隨機性、爆發(fā)性、能 量密度低、不穩(wěn)定特性的能源。風速的變化會引起風力機轉(zhuǎn)速的變化，如果沒有必要的機械或者電氣控制，則由風力機驅(qū)動的交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也將隨之改變。因而發(fā)電機的輸出電壓及頻率都將不恒定。在風力發(fā)電中，當風力發(fā)電機與電網(wǎng)并網(wǎng)時，要求風電的頻率與電網(wǎng)的頻率保持一致，即頻率保持恒定。恒速恒頻 ， 即為在風力發(fā)電過程中保持風力機轉(zhuǎn)速 (也就是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速 )不變，從而得到 頻率恒定 的電能。而在 保持恒頻的 同時需要最大限度的吸收風能進而轉(zhuǎn)換為電能，則需要控制風力機實現(xiàn)最大風能跟蹤。 風力機的最大功率跟蹤是指在額定風速以下，通過調(diào)節(jié)風輪轉(zhuǎn) 速，使其隨著風速的變化而變化，從而使風力機保持在 最佳葉 尖速比狀態(tài)，將風能利用系數(shù)保持在最大值，獲得最大功率輸出的方法。 對于任意一臺風力機來說，葉片的設(shè)計使得風能利用系數(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 ? 的對應(yīng)曲線，這條曲線常被稱為 pC 曲線。風力機的 pC 曲線一般由葉片生產(chǎn)廠家提供，由于設(shè)計的不同，不同葉片的 pC 曲線是有區(qū)別的，但其大概形式是相同的。一條典型的 pC 曲線如圖 ： 由 pC 曲線可以看到，一個 ? 值對應(yīng)唯一的一個 pC 值。而且存在一個最佳的葉尖速比 opt? ，使得在此葉尖速比下的風能利用系數(shù) maxpC 為最大，此時的 opt? 和 maxpC 分別稱為最佳葉尖速比和最大風能利用系數(shù)。風力機轉(zhuǎn)速控制的目標就是使得風機在不同風速時都運行在最佳葉尖 速比狀態(tài)下，使風機獲得最大風能利用系數(shù)，從而最大限度的捕獲風能。由尖速比計算公式 式 ()知，最佳葉尖速比的值已知時，對于每一個特定風速都可以得到一個最佳的轉(zhuǎn)速值 [12]。 最大風能跟蹤的算法 最大風能跟蹤 (MPPT)是風力發(fā)電的核心問題，但風能的跟蹤的特性是由風力機決定的。因此無論是那種風力機，其風能跟蹤的思想是相通的。目前常用的最大風能跟蹤控 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。 最佳葉尖速比法 最佳葉尖速比法的基本思想是當風速變化時，通過測量風速和風力機固有特性計算出此時的最佳轉(zhuǎn)速， 并適時調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速始終運行于該最佳轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)最大風能跟蹤。用風速計直接測出風速信號， 由 最佳葉尖速比 opt? 和式 ()求得對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速ref? ， 將它與測得的風力機轉(zhuǎn)速信號進行比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由轉(zhuǎn)速誤差信號調(diào)節(jié)發(fā)電機的電功率輸出，進而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風力機轉(zhuǎn)速正比于風速而變化 ，即始終運行在最佳葉尖速比的情況下。 風 力 機 發(fā) 電 機控 制 器最 佳 轉(zhuǎn) 速 計 算轉(zhuǎn) 速 測 量ww r e f風 速 信 號功 率 輸 出+ 圖 最佳葉尖速比控制法原理圖 該方法需要測量風速、轉(zhuǎn)速，還需要知道風力機固有的葉尖速比曲線，由于風速的實時準確測量較為困難，因此該方法在實際應(yīng)用中存在一些問題。但由于該方法是最大風能跟蹤的最直接實現(xiàn)思想，在風速測量精確的前提下，具有很好的準確性和反應(yīng)速度 。因此該方法仍然獲得了一定應(yīng)用 ， 本文 即 采用該方法進行控制。 功率反饋法 功率反饋法的基本思想當風速變化時，首先測量得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)風力機 固 有的最 佳功率曲線計算此時的發(fā)電機輸出參考功率，對發(fā)電機進行功率調(diào)節(jié)保證風力發(fā)電機運行在最 佳 功率曲線上實現(xiàn)最大風能跟蹤。 由式 ()知風力機獲得的功率： 312 pP sv C?? 風力機的機械功率測量需要轉(zhuǎn)矩測量裝置，實現(xiàn)起來比較困難，所以可以通過測量發(fā)電 21 機輸出電功率代替機械功率用于控制過程計算。傳動系統(tǒng)和發(fā)電機上會產(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效率，由于功率損耗和輸出功率相比較很小，本文暫時不考慮功率損耗，假定電功率 eP 等于風力機輸出功率 [13]。即： 312epP P sv C??? () 由式 ()和式 ()計算得到： 5332 pe RCP ?? ??? () 額定風速以下為獲得最大功率輸出，設(shè)置槳距角 ? ，在不同的風速下通過控制風輪的轉(zhuǎn)速，使得風力機運行在 最佳葉尖速比條件下，從而使得風力機獲得最大的風能利用系數(shù)。 ? =0時由式 ()、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 ()可以得到不同風速下的電功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。將由第二章得到的最佳風能利用系數(shù) maxpC = opt? = ()，并且，取風力機半徑 R=35m，空氣密度 ? = 3/kgm 此時式 ()對應(yīng)的電功率和轉(zhuǎn)速的曲線就是最佳電功率曲線。將上述兩組曲線繪在同一幅圖中： 圖 不同風速下的轉(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風速下輸出最大功率點的連線，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為每一特定風速下為獲得最大風能而對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。這樣，系統(tǒng)實時測量轉(zhuǎn)速和功率，在不同轉(zhuǎn)速下，將對應(yīng)的最佳功率和風力機的輸出功率進行比較，以比較得到的誤差信號來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出功率，使風力機沿著最佳轉(zhuǎn)速 —功率曲線運行，即可使風機運行在最佳轉(zhuǎn)速，最大限度的捕獲風能。 風 力 機 發(fā) 電 機控 制 器最 佳 功 率 計 算轉(zhuǎn) 速 測 量功 率 測 量PP r e f+w功 率 輸 出 圖 最佳功率曲線控制原理圖 該方法無需測量風速，但需測量轉(zhuǎn)速，還需知道風力機固有的最 佳 功率曲線。相比葉尖速比 控制，該方法省去了風速測量 ， 具有較好的效果和更好的實用價值，但對于不同的風力機，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得，這會增加功率反饋控制難度和實際應(yīng)用的成本。 爬山搜索法 爬山搜索算法是為了克服前兩種算法的缺點而提出來的，它無需測量風速，也不需要事先知道具體風輪機的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點。其追蹤最大風能的 原理如圖 ：計算當前風 力機的功率 ()Pn，并和上個控制周期的風 力機 功率 ( 1)Pn? 比較，如果功率下降，那么將轉(zhuǎn)速指令的擾動值 ()n?? 反號，否則，保持其符號不變。最后將當前的轉(zhuǎn)速擾動值和上個周期的轉(zhuǎn)速指令相加就得到新的轉(zhuǎn)速指令值。也就是說，當風車的功率一直增加時，保持轉(zhuǎn)速指令增加 (或減小 )的方向不變，當風車的功率減小時，原來轉(zhuǎn)速指令在增加的就要變成減小，原來轉(zhuǎn)速指令減小 的就要變成增加，即將轉(zhuǎn)速指令的擾動 ()n?? 反號。 在風力發(fā)電系統(tǒng)中，這種最大功率跟蹤具有以下的缺點。 (1)固定的速度步長導致了旋轉(zhuǎn)速度波動，風速快速變化時跟蹤較慢； (2)逆變器死區(qū)時間引起轉(zhuǎn)矩電流脈動，這會 23 影響最大功率跟蹤算法中的功率比較； (3)固定轉(zhuǎn)速擾動產(chǎn)生的階梯狀變化的風力機轉(zhuǎn)速指令值使得風力機的轉(zhuǎn)速很不平穩(wěn)； (4)擾動步長過大時，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點附近振蕩的現(xiàn)象，導致跟蹤的最大功率點與實際值相差很 大 ，降低了風能轉(zhuǎn)換效率