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低于额定风速下的转速控制方法
摘要
通过对风力发电原理与最大风能捕获机理分析，陈述了叶尖速比控制方法和总结出两种简单精确的在低于额定风速时的风轮转速控制方法，第一种方法是通过运用粗调、细调相结合的方法来控制转速，简单而有效地实现了系统的最大风能捕获。
第二种方法是通过检测转速和输出功率来判断风力发电系统运行在风能曲线的那一侧，从而决定下一步转速的变化。
关键词:
转速控制；最大风能捕获；额定风速
Abstract
ByanalyzingPrincipleofwindpowerandgreatestwindenergycapture，summedupthetwokindsofsimpleandaccurateinbelowratedwindspeedofwindspeedcontrolmethod.Thefirstmethodisusingthecombinedmethodofcoarse-tuningandfine-tuningtocontroltherotationspeed.Thesimpleandeffectiverealizationofthesystemmaximumwindenergycapture.Thesecondwayisthroughthedetectionspeedandjudgingtheoutputpowerofwindpowersystemtoruninthesideofthewindpowercurve,soastodeterminethespeedofchange,makethewindturbineintherealizationofmaximumwindenergycapturebelowratedwindspeed,
Keywords:
Speedcontrol;greatestwindenergycapture;Theratedwindspeed
目录
引言············································1
第一章风力发机最大风能捕获机理·················2
第二章额定风速下的转速控制方法·················5
2.1尖速比（TSR）控制··························5
2.2爬山搜索（Hcs）控制·······················6
结论·········································8
参考文献·······································9
引言
随着常规能源的不断衰竭，作为新能源的典型代表，风能的开发和利用越来越受到世界各国的重视。
风力发电是新能源中技术最成熟、最具开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。
最近几年来风电呈现出一种迅猛发展的趋势。
在这种需求的驱动下，风力发电控制技术也就成了各科研机构的研究热点。
好的控制技术不仅可以提高风能捕获能力，同时还可以获得较好的电能质量和并网时对电网具有较小的冲击。
在风力发电技术中，双馈型变速恒频风力发电技术是当前国内、外研究的热点，该技术控制灵活，运行效率高，能在较宽的风速范围内实现最大风能捕获，大大提高了风能的利用率。
怎样在额定风速以下通过控制风轮转速来实现最大风能捕获更是研究的重点。
本文总结了目前控制精度最高的两种在低于额定风速以下的风轮转速控制方法。
通过这两种方法可以实现发电机转速的调节，最终实现风能最大程度地利用。
第一章风力发电机最大风能捕获机理
一个典型的双馈风力发电系统是由风力机捕捉风能，转化为旋转的机械能，通过传动机构（增速齿轮箱）带动发电机发电，发电机（双馈发电机）直接或通过变流装置输出电能到负载（电网）。
根据贝茨理论，风力机只能将风能中的一部分风能转化为机械能提供给发电机，所以如何最大限度地利用风能成了风力发电控制技术的关键。
根据贝兹理论，风力机捕获的机械功率为:
式中:
ρ———空气密度;
v———风速;
Sw———风力机掠过的面积;
Cp———风力机的功率利用系数，它是叶尖速比λ和浆叶节距角β的函数，λ=ωmR/v;
ωm———风力机机械角速度;
R———风轮半径。
对于同一台风力机，在不同β时总有一个最佳叶尖速比λopt对应最佳功率系数Cpmax此时风力机的捕捉效率最高。
概言之，对于一个特定的风速v，风力机只有运行在一个特定的转速ωw下才能最大限度地捕获风能。
图2是一组在不同风速（v1>v2>v3）下定浆距风力机的功率-转速曲线，Popt曲线是各风速下最大输出功率点的连接线，称为最佳功率曲线，风力机运行在Popt曲线上将输出最大功率Pmax，其值为
其中:
k=0.5ρ
Sw
——发电机机械角速度;
N——齿轮箱增速比。
最大风能捕获过程可由图1说明:
当风速为v1时，风力机稳定运行于Popt曲线A点，此时风力机输出功率与发电机输入功率平衡，均为PA，风力机稳定运行在转速w1上。
某时刻风速升高至v2，风力机运行点就会由A点跳至B点，其输出功率由PA突变至PB。
由于惯性作用和调节过程的滞后，发电机仍暂时运行在A点，其输入功率大于输出功率，功率的失衡导致转速上升。
在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着BC和AC段上升，在C点功率重新达到平衡，风力机再次稳定运行于Popt曲线C点，转速稳定在w2，w2为在v2风速下的最佳转速。
图1-2功率—转速曲线图
由图2可知，欲使风力机输出最佳功率，必须在风速变化时实时调整电机转速，保持最佳叶尖速比λopt，进而追踪Popt曲线。
在忽略定子铁耗、机械损耗和转子变频器损耗的前提下，双馈发电机（DFIG）的功率关系可表示为:
式中:
Ps，Pe———分别为定子输出有功功率和电磁功率;
———定子铜耗;
Pm———发电机从风力机端吸收的净功率。
为实现最大风能追踪控制，使风力机运行在最佳功率曲线Popt上，令式（3）中的Pm等于风力机输出的最大机械功率Pmax，由式
（2）、（3）可知，定子有功功率最佳给定值为:
通过实时检测发电机机械角速度ωG，依据Popt曲线计算出最佳功率P*s。
系统以P*s为直接控制目标来控制电机的电磁阻转矩，从而间接控制发电机的转速，使风力机运行在最佳转速上，实现最大风能捕获控制。
第二章额定风速下的风轮转速控制方法
风轮是风电系统中的关键部件,对风轮转速的控制决定捕获风能的大小，一个好的风力发电系统首先要保证风能能够最大限度第转化为电能"获得最大功率的控制方法主要有三种:
叶尖速比（TSR）控制,功率信号反馈（PSF）控制以及爬山搜索（Hcs）控制，本文主要介绍叶尖速比（TSR）控制，爬山搜索（Hcs）控制和一种较简单的控制方法。
2.1尖速比（TSR）控制
在理想情况下,将任一给定时刻所需要的最佳发电机转速设置为风速的函数。
这种方法可以通过测量风速,然后从风力发电机组的功率特性推算出发电机所需的最佳速度。
但是这种方法要求测量的风速与作用在桨叶上的风速有良好的关联特性。
但是,风速必须在到达桨叶之前就测出,而且风速在整个桨叶扫掠面积上是不一致的,所以做到这一点非常困难。
基于尖速比（TSR）控制下的直接转速控制原理图如下图2-1
图2-1直接转速控制原理图
从图2一1中可以看出,直接转速控制策略是通过转速的平衡和转矩的平衡来共同控制风轮输出转速的。
由于风力机的转速控制实际上是一个转速跟踪的问题,则对应最大风能捕获的最优转速值将作为系统的假定输入。
运用转矩观测器来预测风力发电机组的机械传动转矩,通过计算出发电机转速的期望值,然后与实际输出转速进行比较,偏差信号经过控制器调节之后得到的发电机电磁转矩再与风轮输出的机械转矩进行比较,其偏差经过传动系统的动态特性之后对转速作进一步调节。
2.2爬山搜索（Hcs）控制
通过检测转速和输出功率，来判断风力发电系统运行在风能曲线的那一侧，从而决定下一步转速的变化，其实该方法与模糊控制方法非常相近。
判断条件：
①转速减小，功率减小，增加转速；
②转速恒定，功率增加，增加转速；
③转速增加，功率增加，增加转速：
④转速减小，功率增加，减小转速；
⑤转速恒定，功率减小，减小转速：
⑧转速增加，功率减小，减小转速：
鉴于从风速测量到功率给定值的计算需要一定的时间和从风力机捕获的风能到发电机输出的电能之间还有一定的损耗，本文给出第一种种简单而实用的额定风速下的风轮转速控制方法来实现最大风能捕获。
。
图1-2是风力机吸收的风能和转速的关系，同时也可以看成是发电机输出功率和转速的关系图，所以前面分析的风能和转速的关系同样适用于输出电功率和转速的关系。
可以得到以下风轮转速控制方法。
（1）以风速测量计算得到的转速值w作为发电系统转速的粗调值;
（2）以一定步长增大系统的转速w，考察发电机输出功率的变化，如功率增大，则继续增大转速，一直寻找到dP/dw=0的点;如功率减小，则转速应沿反方向变化寻找dP/dw=0的点。
图2-1为最大风能捕获控制程序流程图，图中:
PB表示偏导数为正且偏大;NM表示偏导数为负且偏小;OK表示偏导数变化较小，可视为已经找到最大功
图2-1MPPT流程图
率跟踪点。
可见，当风速有变化时，可以首先得到一个粗调值w，但这与实际的最大功率跟踪点有一定的误差。
所以可以进一步按照步骤
（2）的寻找到最佳转速点。
这样粗调、细调相结合，可以大大提高跟踪的快速性和准确性。
结论
对风电机组控制的目的是要使风机捕获的风能最大,而对风轮的运行特性的研究是关键，所以本文通过对风力发电原理与最大风能捕获机理分析，给出一种理论研究常用的尖速比（TSR）控制方法和两种简单精确的在低于额定风速时的风轮转速控制方法，一种是通过运用粗调、细调相结合的方法来控制转速，简单而有效地实现了系统的最大风能捕获。
另一种是通过检测转速和输出功率来判断风力发电系统运行在风能曲线的那一侧，从而决定下一步转速的变化，使风力机在低于额定风速时实现最大风能捕获。
参考文献
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