变速风力发电机组

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1、第四编!风力发电机的控制与供电质量技术#######################################第六章!变速风力发电机组变速风力发电机组于"#世纪的最后几年加入到大型风力发电机组主流机型的行列中。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组的优越性在于：低风速时它能够根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能；高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳（其功率曲线如图$%&所示）。因而在更大容量上，变速风力发电机组有可能取代恒速风力发电机组而成为风力

2、发电的主力机型。图$%&!变速力发电机组的功率曲线变速风力发电机组的控制主要通过两个阶段来实现。在额定风速以下时，主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比因此可作为跟踪问题来处理。在高于额定风速时，主要通过变桨距系统改、变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风力发电机组保持在额定值下发电，并使系统失速负荷最小化。可以将风力发电机组作为一个连续的随机的非线性多变量系统来考虑。采用带输出反馈的线性二次最佳控制技术，根据已知系统的有效模型，设计出满足变速风力发电机组运行要求的控制器。一台变速风力发电机组通常需

3、要两个控制器，一个通过电力电子装置控制发电机的反力矩，另一个通过伺服系统控制桨叶节距。由于风力机可获取的能量随风速的三次方增加，因此在输入量大幅度地、快速地变化时，要求控制增益也随之改变，通常用工业标准’()型控制系统作为风力发电机组的控制器。在变速风力发电机组的研究中，也有采用适应性控制技术的方案，比较成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型参考适应性控制器的应用。由于适应性控制·$#*·第四编#风力发电机的控制与供电质量技术#######################################算法需要在每

4、一步比简单!"控制器多得多的计算工作量，因此用户需要增加额外的设备及开发费用，其实用性仍在进一步探讨中。近年来，由于模糊逻辑控制技术在工业控制领域的巨大成功，基于模糊逻辑控制的智能控制技术也引入变速风力发电机组控制系统的研究并取得了成效。从本章开始，我们介绍变速风力发电机组的控制技术与控制策略，力求使读者对变速风力发电机组的控制技术有一个全面的了解。第一节#风力发电机组的基本特性一、风力机的特性风力机的特性通常由一簇功率系数$%的无因次性能曲线来表示，功率系数是风力机叶尖速比!的函数：如图&’(!)所示。图&’(#风力

5、机性能曲线$（%!）曲线是桨叶节距角的函数。从图上可以看到$（%!）曲线对桨叶节距角的变化规律；当桨叶节距角逐渐增大时$（%!）曲线将显著地缩小。如果保持节距角不变，我们用一条曲线就能描述出它作为!的函数的性能和表示从风能中获取的最大功率。图&’*是一条典型的$（%!）曲线。,"-#.叶尖速比可以表示为##!++（&’/）##式中#"-———风力机风轮角速度（-0123），⋯⋯,———叶片半径（4）；#———主导风速（423）；#.———叶尖线速度（423）。对于恒速风力发电机组，发电机转速的变化只比同步转速高百分之几

6、，但风速的变化范围可以很宽。按式（&’/），叶尖速比可以在很宽范围内变化，因此它只有很小的机会运行在$%405点。根据第二章，风力机从风中捕获的机械功率为·&76·第四编$风力发电机的控制与供电质量技术#######################################图!"#$定桨距风力机的性能曲线(#%&’!*+,"（!")）)由上式可见，在风速给定的情况下，风轮获得的功率将取决于功率系数。如果在任何风速下，风力机都能在+%&-.点运行，便可增加其输出功率。根据图!"#，在任何风速下，只要使得风轮的叶尖速

7、比#’#/,0，就可维持风力机在+%&-.下运行。因此，风速变化时，只要调节风轮转速，使其叶尖速度与风速之比保持不变，就可获得最佳的功率系数。这就是变速风力发电机组进行转速控制的基本目标。根据数学计算，获得最佳功率系数的条件是#’#/,0’1（!"#）这时，+%’+%&-.’234#，而从风能中获取的机械功率为#%&’5+%&-."（!"4）式中$5———常系数，是：(6)!*。设"7*为同步转速下的叶尖线速度，即87*’)$9:;（!"<）式中$:;———在发电机同步转速下的风轮转速。对于任何其他转速:=，有"7:=

8、’’(";（!"!）"7*:;根据式（!"(）、式（!"#）和式（!"!），我们可以建立给定风速"与最佳转差率<（最佳转差率是指在该转差率下，发电机转速使得风力机运行在最佳的功率系数+%&-.的关系式(";(";"’’（!">）#/,01这样3对于给定风速的相应转差率可由式（!">）来计算。但是由于风速测量的不可靠性，很难建立转速