【正文】 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。最后將當(dāng)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。 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(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)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。 風(fēng) 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(fēng)速，但需測量轉(zhuǎn)速，還需知道風(fēng)力機固有的最 佳 功率曲線。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風(fēng)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(fēng)速下為獲得最大風(fēng)能而對應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速。 ? =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(fēng)速下的電功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線。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(fēng)力機輸出功率 [13]。 功率反饋法 功率反饋法的基本思想當(dāng)風(fēng)速變化時，首先測量得到轉(zhuǎn)速，根據(jù)風(fēng)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(jìn)行功率調(diào)節(jié)保證風(fēng)力發(fā)電機運行在最 佳 功率曲線上實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。但由于該方法是最大風(fēng)能跟蹤的最直接實現(xiàn)思想，在風(fēng)速測量精確的前提下，具有很好的準(zhǔn)確性和反應(yīng)速度 。用風(fēng)速計直接測出風(fēng)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(fēng)力機轉(zhuǎn)速信號進(jìn)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(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，使風(fēng)力機轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速而變化 ，即始終運行在最佳葉尖速比的情況下。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。 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)力機決定的。風(fēng)力機轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)就是使得風(fēng)機在不同風(fēng)速時都運行在最佳葉尖 速比狀態(tài)下，使風(fēng)機獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，從而最大限度的捕獲風(fēng)能。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。 對于任意一臺風(fēng)力機來說，葉片的設(shè)計使得風(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 ? 的對應(yīng)曲線，這條曲線常被稱為 pC 曲線。而在 保持恒頻的 同時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)力機實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。在風(fēng)力發(fā)電中，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并網(wǎng)時，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。風(fēng)速的變化會引起風(fēng)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(fēng)力機驅(qū)動的交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也將隨之改變。介紹了風(fēng)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(fēng)能計算和風(fēng)能的貝茲理論，并且重點了解了風(fēng)力機特性，為后 面 建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型和仿真打下基礎(chǔ)。 時的最大風(fēng)能利用系數(shù) maxpC 最大，約為 ，對應(yīng)的最佳葉尖速比 opt? 約為 。 圖 ? =0。本文采用槳葉節(jié)距角 ? 為 0。 )，如圖 。從圖 中可以看到，當(dāng)槳葉節(jié)距角 ? 逐漸增大時， ()pC? 曲線將顯著縮小。 、 15。 、 5。變槳距風(fēng)力機的特性通常由一簇風(fēng)能利用系數(shù)的曲線來表示，如圖 。 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(fēng)力機，它反映了風(fēng)速與從風(fēng)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(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 ：實際風(fēng)速，單位為 /ms pC ：風(fēng)力機的實際功率系數(shù) 風(fēng)力機的功率系數(shù) pC 反映了風(fēng)力機吸收利用風(fēng)能的效率，它隨風(fēng)速、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力機葉片參數(shù)如功角、槳距角等而變化 [9]。 風(fēng)力機特性 風(fēng)力機把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能是個復(fù)雜的空氣動力學(xué)過程，要精確地對風(fēng)力機進(jìn)行建模，必須用基于空氣動 力學(xué)中槳葉的基本理論。定槳距風(fēng)力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定，不能變化。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。應(yīng)此，風(fēng)力機實際風(fēng)能利用系數(shù) maxpC ?? ，目前的技術(shù)水平下，風(fēng)力機能達(dá)到的風(fēng)能利用系數(shù)大都在 ~。從上游至下游動能的變化為 22121 ()2E sv v v?? ? ? () 令 PE?? ，可以得到 122vvv ?? ()因此，風(fēng)作用在風(fēng)輪葉片上的力 F 和風(fēng)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(fēng)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(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 時風(fēng)所具有的動能，可推得風(fēng)力機的理論最大效率 (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)動能。 設(shè)風(fēng)輪前方的風(fēng)速為 1v ， v 為實際通過風(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)的動能轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動的機械能，則必須 1v 2v ， 1s 2s 。 風(fēng)能的貝茲理論 貝茲理論是在假定風(fēng)輪是 “理想 ”的基礎(chǔ)上建立的，這種 “理想 ”的風(fēng)輪全部接收風(fēng)能，葉片無限多，對空氣流沒有阻力。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。這是因為常規(guī)的繞線式同步發(fā)電機當(dāng)負(fù)載增大時，阻抗壓降和電樞反應(yīng)的影響大，端電壓下降厲害，為保持發(fā)電機端電壓恒定，只能增加勵磁電流來提高氣息磁密，這樣就使得鐵損耗和勵磁損耗明顯增大，而稀土永磁發(fā)電機由于稀土永磁體高內(nèi)稟矯頑力的特點，使得電樞反應(yīng)的影響很小，負(fù)載變化時，氣隙磁密變化很小，鐵耗可以當(dāng)作不變參數(shù)來看 [6]。美國通用電器公司研制的一臺 150kVA、切向磁化結(jié)構(gòu)的永磁發(fā)電機，在 1200rpm狀態(tài)滿載運行時，效率仍可保持在 ％。 13 永磁同步發(fā)電機沒有勵磁損耗和電刷滑環(huán)間的摩擦、接觸損耗。 永磁同步發(fā)電機具有許多優(yōu)點：由于省去了勵磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)較為簡單，加工和裝配費用減少，運行更為可靠。其中交流發(fā)電機主要分為同步發(fā)電機、異步發(fā)電機 (或稱為感應(yīng)發(fā)電機 )和永磁式發(fā)電機 3種機型。因此，研制和選用適合于風(fēng)電轉(zhuǎn)換用的運行可靠、效率高、控制及 供電性能良好的發(fā)電機系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個重要組成部分。 發(fā)電機 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機及其控制系統(tǒng)承擔(dān)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換任務(wù)。其中定槳距風(fēng)力發(fā)電機組的主要結(jié)構(gòu)特點是：槳葉與輪彀的連接是固定的，即當(dāng)風(fēng)速變化時，將葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。垂直軸風(fēng)力機葉片的尖速比要小得多，低轉(zhuǎn)速基本上不產(chǎn)生氣動噪音，垂直軸風(fēng)力發(fā) 電機可以應(yīng)用在以前因為噪音問題不能應(yīng)用水平軸風(fēng)力發(fā)電機的場臺 (如城市公共設(shè)施、民宅等 )。和水平軸風(fēng)力發(fā)電機組相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的傳動機構(gòu)和控制機構(gòu)裝置在地面或低空，便于維護(hù)，而且不需要迎風(fēng)裝置，簡化了結(jié)構(gòu)。水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪圍繞一個水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向垂直。但是立軸風(fēng)力發(fā)電機極大地克服了平軸 機結(jié)構(gòu)上固有的缺陷。本文主要研究的是采用 定 槳距，變轉(zhuǎn)速發(fā)電機的變速風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)。 在目前風(fēng)力機主要是以水平軸、上風(fēng)向、三葉片的機組為主。所以它不僅決 定了整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有效功率的輸出，還直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。本文只介紹風(fēng)力機和發(fā)電機。風(fēng)輪是吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化成機械能的部件，風(fēng)以一定的速度和功角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能，進(jìn)而直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機發(fā)電機。 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)電機組的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。 第四章中為驗證風(fēng)力機的最大功率跟蹤控制方法，在 MATLAB／ SIMULINK 中搭建了包括風(fēng)輪氣動系統(tǒng)模型、發(fā)電機模型和控制系統(tǒng)模型在內(nèi)的 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的模型，通過仿真驗證了控制效果。 第三章重點研究了風(fēng)力機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。簡單介紹風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展。為便 于浮吊的施工，海上風(fēng)電場一般建在水深為 3～ 8m處，同容量裝機，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。丹麥、德國、西班牙、瑞典等國都在計劃較大的海上風(fēng)電場項目。這是一種很有發(fā)展前途的技術(shù)。試驗表明，在平均風(fēng)速 ，變速風(fēng)電機要比恒速風(fēng)電機多捕獲 15％的風(fēng)能。同時，隨著全功率變流技術(shù)正在興起，無齒輪箱系統(tǒng)的市場份額也在迅速擴(kuò)大，其取消了沉重的增速齒輪箱，發(fā)電機軸直接連接到風(fēng)機軸上，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。在地處平坦地帶的風(fēng) 機，在 50m高度捕捉的風(fēng)能要比 30m高處多 20%。 風(fēng)電界普遍認(rèn)為，風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑或掃風(fēng)面積比額定容量更能反映風(fēng)電機組的特性，而風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑與額定容量并不是一一對應(yīng)的。槳葉材料由玻璃纖維增強樹脂發(fā)展為強度高、質(zhì)量輕的碳纖維?，F(xiàn)有的大部分風(fēng)機都具有 3葉片，只有極少數(shù)風(fēng)機還只有 2個葉片的類型，而且這種風(fēng)機的數(shù)量還在進(jìn)一步減少之中。 (2)風(fēng)機槳葉的變化 單機容量不斷增大，槳葉的長度也不斷增長，目前 2MW風(fēng)機葉輪掃風(fēng)直徑己經(jīng)達(dá)72m。而且，隨著風(fēng)機容量的增大，其中必然要采用一些新的復(fù)合材料和新的技術(shù)。美國己經(jīng)研制成功 7MW風(fēng)力機，而英國 IF在研制 10MW的巨型風(fēng)力機。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)電機單機容量不斷向火型化發(fā)展。隨著技術(shù)逐漸成熟，多樣化的設(shè)計概念也逐漸走向統(tǒng)一。本文主要討論永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組[5]。在高于額定風(fēng)速時，主要通過變槳距系統(tǒng)改變槳 葉節(jié)距來限制風(fēng)力機獲取能量，使風(fēng)力發(fā)電機組保持在額定值下發(fā)電，并使系統(tǒng)失速負(fù)荷最小化。 變速風(fēng)力發(fā)電機組的控制主要通過兩個階段來實現(xiàn)。與恒速風(fēng)力發(fā)電機組相比，變速風(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)越性在于：低風(fēng)速時它能夠根據(jù)風(fēng)速變化，在運行中保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；高風(fēng)速時利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使功率輸出更加平穩(wěn)。這對于功率輸出完全依靠槳葉氣動性能的定槳距風(fēng)力發(fā)電機組來蛻，具有明顯的優(yōu)越性。由于變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的槳葉節(jié)距角是根據(jù)發(fā)電機輸出功率的反饋信號來控制的，它不受氣流密度變化的影響。因為這時隨著風(fēng)速的升高，功率上升已趨緩，而過了額定點后，槳葉己開始失速，風(fēng)速 升高，功率 反而 有所下降。對于定槳距風(fēng)力發(fā)電機組，一般在低風(fēng)速段的