【正文】 3. 最優(yōu)控制定槳矩風(fēng)力發(fā)電機組中的應(yīng)用設(shè)計變速風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制器時，必須考慮湍流引起的非線性動態(tài)系統(tǒng)共振問題，尤其對于輕質(zhì)、柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。此類 MIMO 方案可獲得更平穩(wěn)的槳距調(diào)整過程，在硬件兼容的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)方案也是可行的。應(yīng)用最優(yōu)和傳統(tǒng)控制器在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，重點是為一階傳動鏈模式提供阻尼，控制中使用了槳距控制環(huán)和發(fā)電機勵磁電壓控制環(huán)：傳統(tǒng)控制器包括一個電功率的 PI 環(huán)及一個軸速度的 P 環(huán)，發(fā)電機使用傳統(tǒng)的 AVR。通過模擬結(jié)構(gòu)性負載，應(yīng)力確實減少，且改善了靜態(tài)輸出功率和功率品質(zhì)。抑制塔身側(cè)彎及槳葉的震顫。最常見的兩種功率控制方法是槳距調(diào)節(jié)和發(fā)電機的電磁制動轉(zhuǎn)矩控制?？刂品椒ú煌?，塔頭在不同方向上的運動模式也不同。 風(fēng)力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性控制1. 偏航控制抑制塔身扭矩和震顫通過偏航機構(gòu)的連續(xù)控制，可有效降低結(jié)構(gòu)性動態(tài)負載振蕩。在獲取希望的控制性能時，環(huán)與環(huán)之間的相互作用會產(chǎn)生很多困難。試驗結(jié)果證明了控制策略的可行性。對于永磁電機風(fēng)電系統(tǒng)，以槳距角和葉尖速比為自變量，采用適于非線性尋優(yōu)的單純形加速法給定不同風(fēng)速下的最佳風(fēng)輪轉(zhuǎn)速_，控制反饋到電網(wǎng)的電流來控制直流側(cè)電壓，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。針對非最佳葉尖速比時的兩種模態(tài)采用不同控制策略，設(shè)計出不依賴于具體風(fēng)電系統(tǒng)特性的最大風(fēng)能捕獲控制器，可用于多種類型的風(fēng)能系統(tǒng)。2. 控制風(fēng)力機槳距角實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制在一臺可變槳距、可偏航、可控負載的小型試驗風(fēng)機中應(yīng)用兩個最優(yōu)控制器：一個在額定風(fēng)速以下時起作用，調(diào)節(jié)風(fēng)機獲得最大風(fēng)能；另一個在額定風(fēng)速以上時控制功率或轉(zhuǎn)矩恒定。轉(zhuǎn)子回路中接有兩個背靠背的變頻器，目的是通過最小化電氣損耗獲得系統(tǒng)全局最大效率，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的最佳速度跟蹤，電機功率因數(shù)可在177?？紤]到磁路的飽和問題，給出相應(yīng)電流控制方法，導(dǎo)出最優(yōu)鐵損耗的狀態(tài)方程，仿真表明此方法可使低風(fēng)速時風(fēng)能捕獲效率提高6％。異步發(fā)電機磁場定向控制，可實現(xiàn)電機的有功與無功功率的解耦、轉(zhuǎn)矩與功率因數(shù)的解耦，使電機功率因數(shù)可調(diào)。從目前的國內(nèi)外研究來看，雙饋或無刷雙饋發(fā)電機是一個較為理想的選擇．這類電機不僅可使功率變換器的容量降低為機組額定容量的20％ ～50％ ，而且對一個固定的功率或速度運行點，可調(diào)節(jié)電機上功率繞組和控制繞組間的功率流向，降低損耗。 最大風(fēng)能捕獲控制1. 控制發(fā)電機轉(zhuǎn)距實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲控制(Maximum Power PointTracking，簡稱MPPT)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須實行變速運行，使系統(tǒng)能夠在不同風(fēng)速下都能獲得一個最佳葉尖速比；變速方法分為兩大類：一為主動變速，即通過改變風(fēng)輪的槳距角，改變風(fēng)電系統(tǒng)的總的輸入氣動轉(zhuǎn)矩；另一為被動變速，即根據(jù)測量風(fēng)速，調(diào)節(jié)與發(fā)電機部分相聯(lián)的逆變器的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。在最優(yōu)控制中，性能指標的選取直接表明了設(shè)計者的控制目的．若選時間，則為時間最優(yōu)；若選狀態(tài)，則為狀態(tài)最優(yōu)；若選擇控制，則為能量最優(yōu)；若選擇諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制。對二次性能指標，如何選擇權(quán)矩陣是一項較困難的工作，如選擇不同的，那么其最優(yōu)控制則是針對由該所確定的性能指標而言的。性能指標： （）其中：為終端時間；為終端狀態(tài)；由此最優(yōu)控制問題可表述為：求一允許控制使：系統(tǒng)由初始狀態(tài))出發(fā)在時間間隔內(nèi)，到達目標集，并使性能指標為最小。線性最優(yōu)控制是目前諸多現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用最多、最成熟的一個分支，已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、交流傳動、電力電子等領(lǐng)域。風(fēng)力發(fā)電機組控制目標通常有很多項，控制方法多種多樣，但目前亟待解決的兩個核心問題是：風(fēng)能的最大捕獲以提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率以及改善電能質(zhì)量問題為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力機有三種典型的運行狀態(tài)：1) 低風(fēng)速段實行變速運行，可保持一個恒定的風(fēng)能利用系數(shù)值，根據(jù)風(fēng)速變化控制風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，使葉尖速比不變，直到轉(zhuǎn)速達到極限；2) 轉(zhuǎn)速達到極限后，風(fēng)速進一步加大時．按恒定轉(zhuǎn)速控制風(fēng)力機運行，直到輸出最大功率，此時的風(fēng)能利用系數(shù) 不一定是最大值；3) 超過額定風(fēng)速時，輸出功率達到極限，按恒功率輸出調(diào)節(jié)風(fēng)力機。如果當風(fēng)速變化的時候，通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使得為某一個特定值不變，從而能保持最大的，即能最大限度的利用風(fēng)能。 風(fēng)力機最佳運行原理一臺風(fēng)輪半徑為的風(fēng)力機，在風(fēng)速下運行時，它所產(chǎn)生的機械功率： （）式中 ——空氣密度， ——風(fēng)力機的輸出功率系數(shù)（一般Cp=1/3～2/5，最大可達16/27=）——風(fēng)力機的掃掠面積，——風(fēng)速， 從(1)式可以看出在一定的風(fēng)速下， 值越大，風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的效率就越高。因此，額定風(fēng)速以下運行是變速恒頻發(fā)電運行的主要工作方式，也是經(jīng)濟高效的運行方式，這種情況下變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標就是追蹤與捕獲最大風(fēng)能。另外，在有的方案中發(fā)電機的全部功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換，而有的方案只有部分功率通過變頻器進行轉(zhuǎn)換。5) 變壓器通過變壓器以及一些開關(guān)設(shè)備和保護設(shè)備，把電能變?yōu)楦邏航涣麟姡ㄈ?1kV或33kV等）。3) 直流環(huán)節(jié)一般直流環(huán)節(jié)的電壓控制為恒定。其主要組成環(huán)節(jié)及作用如下：1) 發(fā)電機把風(fēng)力機輸出的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋？紤]到風(fēng)力發(fā)電機組的特殊性，按重要性的順序，控制器應(yīng)依次滿足以下要求：1) 風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是穩(wěn)定的；2) 運行過程中，在各種不確定的的因素如陣風(fēng)、剪切風(fēng)、負載變化作用下具有魯棒性；3) 控制代價小．即對不同輸入信號的幅值有一定限制，如調(diào)向的時問等；4) 最大限度地將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，即在額定風(fēng)速以下，可能使發(fā)電機在每一種風(fēng)速時，輸出的電功率達到最大，額定風(fēng)速以上時則保持輸出電功率為常量；5) 風(fēng)力發(fā)電機輸出的電功率保持恒壓恒頻，有較高的電能品質(zhì)質(zhì)量。所以本系統(tǒng)采用超導(dǎo)儲能單元,可以提高整個系統(tǒng)的輸出。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 SMES 系統(tǒng)方框圖 （） （） （） （）由()、（）、（）、（） 式和（）可知超導(dǎo)儲能(SMES) 控制單元以異步發(fā)電機滑差的變化Δs 和發(fā)電機出口電壓的變化| Δ| 作為輸入信號, 使輸出到母線上的有功功率和無功功率發(fā)生變化，從而影響風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出或吸收有功功率和無功功率。在并網(wǎng)型供電形式中應(yīng)用超導(dǎo)儲能SMES 技術(shù)。到90年代已被應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),然而迄今為止僅用于孤島型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。超導(dǎo)儲能單元的儲能容量大,響應(yīng)速度快,在電力系統(tǒng)中已經(jīng)有不少應(yīng)用,如解決次同步振蕩、多機系統(tǒng)穩(wěn)定等問題,其應(yīng)用前景非常光明。強制換向變換器是基于晶閘管的半導(dǎo)體開關(guān),能使超導(dǎo)儲能（SMES）單元發(fā)出或吸收有功和無功功率。超導(dǎo)儲能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種。鋰離子電池：工作電壓高，比能量大，充電速度快等優(yōu)點，安全性好，循環(huán)壽命長，但價格按貴。 采用電池儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)蓄電池優(yōu)缺點的比較：鉛蓄電池：電壓穩(wěn)定，供電可靠，原料豐富，造價低廉，電氣性能良好。研究表明系統(tǒng)參數(shù)中受風(fēng)速變化影響的依次是發(fā)電機電流、整流器電流、電池電流。根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)速條件計算出發(fā)電機電流、整流器電流、負荷電流、電池充電電流及電池電壓。 儲能裝置一般的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可采用電池儲能裝置給風(fēng)力發(fā)電機儲能，系統(tǒng)()所示。實際中可以選擇輸入輸出隔離的電路結(jié)構(gòu)形式，也可以選擇不隔離的電路結(jié)構(gòu)形式。3) 高頻升壓后接逆變器逆變出交流220V電壓這種方法不但控制簡單，而且也避免了使用工頻變壓器。另外，目前采用高頻鏈逆變技術(shù)的逆變器只能用于低功率范疇。2) 高頻鏈逆變技術(shù)逆變出交流220V電壓這種方法因為使用高頻變壓器，因此體積小、重量輕、成本也低。另外，逆變時由于輸入電壓低，造成電流大，功率管的選擇比較困難。3. 逆變電路的選擇策略1) 直接逆變后用工頻變壓器升壓至交流220V這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，控制也比較容易。從輸出取樣，經(jīng)放大、反饋至逆變器，控制它的工作，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。直流變換器是指直流電壓供電，經(jīng)開關(guān)電路，將直流變成交流，因與整流作用相反，因此通常稱為逆變器。直流變換器不都是隔離型開關(guān)穩(wěn)壓器，因為直流變換器中，將輸入的直流變成交變電壓的逆變器不都是工作在開關(guān)狀態(tài)，如正弦波振蕩狀態(tài)，還有不少直流變換器沒有穩(wěn)壓功能。調(diào)整開關(guān)濾波脈沖控制電路ＵｉＵ０ 　斬波型開關(guān)穩(wěn)壓器方框圖3) 所謂隔離型開關(guān)電源，是指輸出回路與逆變電路之間，經(jīng)過高頻變壓器，由磁場的變化實現(xiàn)能量傳遞，沒有電流之間的直接流通。這種穩(wěn)壓電源的開關(guān)元件常由晶體三極管擔(dān)任。在可工作的半波內(nèi)，截去正弦曲線的前一部分，這部分所占角度稱為截止角，導(dǎo)通的正弦曲線的后一部分稱為導(dǎo)通角，靠調(diào)導(dǎo)通角的大小，達到調(diào)整輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓的目的。從上述各種整流電路的優(yōu)缺點的比較及根據(jù)本文研究的風(fēng)力發(fā)電機輸出的電的要求，本系統(tǒng)采用電容濾波的單相不可控整流電路2. 穩(wěn)壓電路的選擇策略開關(guān)穩(wěn)壓電源發(fā)展迅速，種類繁多，從工作方式上，可分為可控整流型、斬波型和隔離型三大類。電路簡化。從上述比較考慮，單相全波電路適宜于在低輸出電壓的場合應(yīng)用。單相全波可控整流電路中只用2個晶閘管，比單相全控橋式可控整流電路少2個，相應(yīng)地，晶閘管的門極驅(qū)動電路也少2個；但是在單相全波可控整流電路中，晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋式整流電路的2倍。b) 單相橋式全控整流電路與單相全波二者的區(qū)別在于：單相全波可控整流電路中變壓器的二次繞組帶中心抽頭，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。2) 各種整流電路優(yōu)缺點的比較a) 單相半波可控整流電路的特點是：簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。 整流裝置1. 整流電路的選擇策略[20]1) 整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式多種多樣，各具特色。另外，直流側(cè)的整流電壓與逆變電勢的瞬時值不相等，還會引起逆變器的提前短路，形成環(huán)流。另外，應(yīng)當指出的是，由于在轉(zhuǎn)子回路中采用了直流耦合變換器，在轉(zhuǎn)子和定子中都會引起諧波電流，從而產(chǎn)生諧波轉(zhuǎn)矩和增加機械損耗，對雙輸出異步發(fā)電機的特性帶來了一些影響。4. 效率隨速度的變化在額定速度之上時，雙輸出異步發(fā)電的效率比普通異步發(fā)電機的效率高，這是因為在超同步運行時，由于發(fā)電機額定輸出轉(zhuǎn)矩不變而轉(zhuǎn)速提高，所以電機的輸出功率提高，同時因為銅耗、鐵耗基本保持不變，所以電機的效率也得到提高。和同步電機過激時的情況類似，增加轉(zhuǎn)子側(cè)的激磁電流，可以使定子減少滯后的無功功率，提高電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。換言之，就是建立氣隙磁通的激磁電流，部分或全部由轉(zhuǎn)子電壓產(chǎn)生。3. 無功功率和功率因數(shù)隨速度的變化普通異步發(fā)電機的無功功率比雙輸出異步發(fā)電機的高得多。有功功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流隨轉(zhuǎn)子速度的變化轉(zhuǎn)子速度增加時，異步發(fā)電機發(fā)出的有功功率也增加，直到它達到最大值為止，然后再下降（也就是電機失步）。實驗時，將定子端電壓減少到165V（額定電壓220V時）。但由于SCR的應(yīng)用的衰退，也由于網(wǎng)側(cè)諧波嚴重，SCR交交變頻電路將被逆變電路所取代；而且，轉(zhuǎn)子側(cè)接交交變頻器時，檢測、控制轉(zhuǎn)差頻率的電流存在一定的困難，采用上述串級系統(tǒng)就可以解決這個問題。這實際上是異步電機的串級調(diào)速在風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的實際應(yīng)用。控制逆變器的逆變角，就可以改變逆變器的電壓。這種能量既可以由定子、也可以由轉(zhuǎn)子送到交流電網(wǎng)中，故稱雙輸出異步發(fā)電機。這個特征在速度高于電機額定轉(zhuǎn)速時損失了風(fēng)能，也就是說，該系統(tǒng)是作為恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，雙輸出異步發(fā)電機產(chǎn)生的有功功率、功率因數(shù)和效率都較普通感應(yīng)發(fā)電機的高，也就是說它比普通感應(yīng)發(fā)電機具有很大的優(yōu)越性。利用兩臺發(fā)電機無疑會增加風(fēng)力發(fā)電機組的年發(fā)電量，但同時也會增加主電氣設(shè)備的成本，增加折舊的運行費用。為此在風(fēng)力發(fā)電機組的機電變換器線路中利用不同極對數(shù)和不同額定功率值的兩臺異步發(fā)電機的方法，可以達到增加輸出的目的。第三，電壓和頻率的動態(tài)控制使電機勵磁能跟蹤風(fēng)速變化，因此可以降低機械傳動的能量損耗。而且，變速運行的風(fēng)力發(fā)電機能捕捉更多的風(fēng)能，這可從三個方面來說明：當風(fēng)速低于用來發(fā)出與電網(wǎng)同頻率電能所需的速度時，仍能利用此時的風(fēng)能。本系統(tǒng)選用雙輸出異步發(fā)電機,其性能及優(yōu)越性如下：異步發(fā)電機一直是風(fēng)能系統(tǒng)中常用的能量轉(zhuǎn)換器，因為把異步發(fā)電機并入電網(wǎng)的手續(xù)極為簡單，只要將轉(zhuǎn)子帶動到盡可能接近同步轉(zhuǎn)速，并注意轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向一致，即可并入電網(wǎng)。但飛輪的使用受場地限制,且飛輪必須與柴油機配套使用。 齒輪箱 齒輪箱是風(fēng)輪機和風(fēng)力發(fā)電機之間的傳動機構(gòu),屬于機械部分,它的作用是風(fēng)能機轉(zhuǎn)動通過齒輪箱的傳動而使發(fā)電機轉(zhuǎn)動起來。一般的, 對水平軸風(fēng)輪機而言, = 0. 2～ 0. 5, 而且高速風(fēng)輪(少葉片風(fēng)輪屬于高速風(fēng)輪) 的大于低速風(fēng)輪的, 同時考慮到在風(fēng)場中風(fēng)輪機會受到風(fēng)速與風(fēng)向波動的影響, 左右, 。為了闡明充分利用風(fēng)輪機獲取風(fēng)能、使發(fā)電機與風(fēng)輪機達到最佳配合的方法,下面對風(fēng)能機的功率特性做簡要的分析說明。風(fēng)輪機的設(shè)計及其空氣動力特性的分析一直是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)的一個重要方向。還有該系統(tǒng)中的換向操作簡單容易，換向損耗小，系統(tǒng)效率較高。它的另一個優(yōu)點是可以使風(fēng)力機在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行，提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，且簡化風(fēng)力機的調(diào)速機構(gòu)，只需采取適當?shù)南匏俅胧┘纯?，并且在限速運行區(qū)仍可允許轉(zhuǎn)速有一定范圍的波動，從而可降低風(fēng)力機機械部分的造價，并能提高運行可靠性。發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位僅取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速無關(guān)。通過并聯(lián)橋式整流器整流，然后