风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计论文分解

摘要风力发电是一种清洁能源，通过对风能的利用有利于优化未来的能源利用模式。本 文介绍了风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计，主要目的是实现风力发电系统的最 大功率点跟踪。论文的开始介绍了国内外风力发电的概况，为本文奠定了写作背景。接着文章阐述 了风力发电系统的基本原理，着重介绍了风力机的结构与组成和贝茨理论，这是本文的 基础。紧接着，文章分析了最大功率点跟踪控制算法的基本原理，以及最佳叶尖速比控 制的特点，为控制系统的设计做好了准备。然后针对最佳叶尖速比控制定步长算法的特 点，设计出了相应的控制算法和PI控制器，通过选取合适的PI参数，得到了较为理想的 追踪效果，从而实现控制所要求的目标。最后就是本文的重点，Matlab环境下的仿真。 首先我建立了风力发电系统的仿真模型，然后在Matlab环境下实现了最佳叶尖速比控制 算法并对控制算法仿真结果进行了分析。总之，通过分别对风力发电系统的设计和仿真，实现了对风能转换系统最佳叶尖速 比控制算法设计。关键词：风能转换系统；叶尖速比；最大功率点跟踪；PI控制器AbstractWind power is a kind of clean energy, through use of wind energy is beneficial to optimize the mode of energy use in the future. This paper introduces the wind energy conversion system optimal tip speed ratio control algorithm is designed, main purpose is to achieve maximum power point tracking of wind power system .The beginning of the paper introduces the general situation of wind power at home and abroad, laid the writing background for this article. Then the article expounds the basic principle of wind power generation system, emphatically introduces the structure and composition and Bates theory of wind turbine, which is the basis of this article. Then, this paper analyzes the basic principle of the maximum power point tracking control algorithm, and the characteristics of the optimal tip speed ratio control, ready for the design of control system. Then aiming at optimal tip speed ratio control characteristics of fixed step length algorithm, designed the corresponding control algorithm and PI controller, by choosing the right PI parameters, obtained the ideal track effect, so as to realize the goal of control required. The last is the focus of this article, the simulation of Matlab environment. First, I established the simulation model of wind power system, and then realized in Matlab environment the optimal tip speed ratio control algorithm and the control algorithm simulation results are analyzed.In a word, through the design and simulation of wind power generation system, implements the optimal tip speed ratio control algorithm design of wind energy conversion system.Key words: wind energy conversion system; tip-speed ratio;the maximum power point tracking; PI controller武汉科技大学本科毕业设计目录1 绪论 11.1 引言 11.2 研究的目的和意义 11.3 世界风力发电发展概况 11.3.1 世界风力发电装机容量迅速扩大 11.3.2 风力发电机组的单机容量不断增大 21.3.3 风力发电的经济性日益提高 21.4 我国风力发电发展概况 21.4.1 我国风电利用的特点 21.4.2 我国风电的发展与现状 32 风力发电系统的基本原理 52.1 风力发电机的结构与组成 52.1.1 风力发电机的分类 52.1.2 水平轴风力发电机的结构 52.2 风力发电的基本原理 82.2.1 贝茨（Betz）理论82.2.2 风力发电机的特性系数 102.3 本章小结 113 最大功率点跟踪算法的基本原理 123.1 最大功率点跟踪算法123.1.1 风力发电系统的运行区域 123.1.2 最大风能捕获原理 123.2 最佳叶尖速比控制的特点 143.3 本章小结 144 基于叶尖速比 PI 控制的风力发电系统仿真 154.1 风力发电系统的仿真模型154.1.1 风速模型的建立 154.1.2 风力发电系统的模型 164.1.3 输出功率追踪控制模型的建立 174.1.3 追踪仿真 184.2 本章小结 205 结束语 21参考文献 22致谢 231 绪论1.1 引言能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天 然气为主，它不仅资源有限而且造成了严重的大气污染。随着世界工业化进程的不断加 快，使得能源消耗逐渐增加，全球工业有害物质的排放量与日俱增，从而造成气候异常、 灾害增多、恶性疾病的多发，因此，能源和环境问题成为当今世界所面临的两大重要课 题。由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生 能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。因此，对可再生能源的开发利用特别是 风能的开发利用，已经受到世界各国的高度重视。风力发电起源于 20 世纪70 年代，技术成熟于80 年代，自90 年代以来风力发电进 入了大发展阶段。随着风力发电容量的不断增大，控制方式从基本单一的定桨距失速控 制向全桨叶变距控制和变速控制发展。前人在风轮机的空气动力学原理和能量转换原理 的基础上,系统分析了定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组、变速风力发电机组 的基本控制要求和控制策略，并对并网型风力发电机组的变桨距控制技术进行了一定的 研究。变桨距风力发电机组的主要控制是在起动时对风轮转速的控制和并网后对输入功 率的控制。通过变距控制可以根据风速来调整桨叶节距角，以满足发电机起动与系统输 出功率稳定的双重要求。但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能 满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。1.2 研究的目的和意义风力发电是一种清洁能源，通过对风能的利用有利于优化未来的能源利用模式。同 时，通过对风力发电的研究还可以帮助我们了解这项新的技术。在21世纪这个科学技术 飞速发展的时代，无论是工业，科技都在不断进步，随之而来对能源的需求量也不断增 大，风力发电作为可再生清洁能源能够很好的满足这一需求，因此也具有很大的发展空 间和发展前景。1.3 世界风力发电发展概况1.3.1 世界风力发电装机容量迅速扩大1981年全世界风力发电装机容量不超过1.5万kw, 1990年底增至196万kw,到 1998年底已达到956万kw,其中德国287.5万kw,美国182万kw,丹麦144.8万kw， 印度96.8万kw。世界风电装机容量的增长，20世纪80年代主要集中在美国，但从1986 年起，美国过早地停止了对发展风电的优惠政策，而 90 年代初，欧洲一些国家却建立 了较全面的支持可再生能源政策，因而 90 年代世界风电装机容量的增长主要在欧洲。 另外，在发展中国家，印度的风力发电也得到了迅速发展，目前其装机容量已属于世界 第 4 位。1.3.2 风力发电机组的单机容量不断增大20世纪80年代初，商品化风电机组的单机容量以55kw （风轮直径1516m）为主， 80年代中期到90年代初发展到以100450kw为主，90年代中后期则以500kw1Mw为主。 目前大中型机组并网发电，已成为世界风能利用的主要形式。为降低单位千瓦造价，节 省风电场使用面积，加快风电场建设速度，提高风电的经济效益，不少国家和公司相继 提高单机容量，制造出风轮直径大于40m的商品机组。这些机型投向市场，标志着商品 机组正在向大型化发展。1.3.3 风力发电的经济性日益提高由于风电市场的扩大、风电机组产量和单机容量的增加以及技术上的进步，使风电 机组每千瓦的生产成本在过去近 20年中稳定下降。 80年代初期，每千瓦的造价约为 30004000美元。而现在，按1997年国际上的批量（30台以上）售价，定桨距失速调节 型300kw机组约为925美元/kw，600kw机组约为730美元/kw （含塔架及其基础件，不包 括运输费用）。风电场的建设成本每千瓦装机容量约为10001300美元。另一方面，由于风电机组设计和工艺的改进（如叶片翼型改进等），性能和可靠性 提高，加上塔架高度增加以及风场选址评估方法的改进等，使风电机组的发电能力有相 当大的增长，每平方米风轮扫掠面积的年发电量从80年代初期的400kw500kwh提高到 目前的1000kwh以上。一台标准的600kw风力发电机，当各种条件都是最佳状态时，每 年可发电约200万kwh，即每平方米风轮扫掠面积的年发电量可达14001500kwh。目前 风电场的容量系数（即一年的实际发电量除以装机额定功率与一年8760小时的乘积一般 约为0.250.35）。综合上述情况以及风电场的风力资源、规模、运行维护成本和融资因素（如贷款利 率、偿还期等），目前在较好的风场，风力发电的成本约为5美分/kwh左右，已具备与 火电竞争的能力。当然，独立运行的非并网型风电系统，由于需要蓄电池和逆变器等，同时容量系数 较小，所以发电成本比并网型机组要高。1.4 我国风力发电发展概况1.4.1 我国风电利用的特点我国风能资源比较丰富，近十几年来，对风能资源状况作了较深入的勘测调查，全 国可开发利用的风能资源总量约2.5亿kw。东南沿海和山东、辽宁沿海及其岛屿，内蒙 古北部，甘肃、新疆北部以及松花江下游等地区均属风能资源丰富区，年平均风速三 6m/s，有效风能密度200w/m2，有很好的开发利用条件。这些地区中很多地方常规能 源贫乏，无电或严重缺电，尤其是新疆、内蒙古的大部分草原牧区以及沿海几千个岛屿， 人口分散，电网难以通达，或无电力供应，或采用很贵的柴油发电。在上述地区，利用 风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，具有重要的现实意义。另 一方面，这几年我国的交通条件得到很大的改善，电网覆盖程度有了很大的提高，不少 风能资源丰富地区已置于电网覆盖之下，这也为建设大型风电场提供了有利的条件。上 述情况决定了我国发展风电的特点是：在风力资源丰富或较丰富的边远无电、缺电地区， 以发展小型或中型独立运行的风电系统（包括风力 /柴油联合发电和风/光联合发电等） 为主，利用风力发电解决边远地区的生活用电和部分生产用电；在风力资源丰富、电网 通达的地区，风力发电则作为一种清洁的可再生能源，补充和逐步替代部分常规能源， 缓解电力供应紧张的矛盾，提高当地的环境质量，所以应以发展大型风电场为主。 1.4.2 我国风电的发展与现状我国风能利用历史悠久，但现代风力发电事业基本上开始于20世纪70年代，从80年 代初开始，原国家科委和国家计委将新能源利用列入国家科技攻关计划，其中包括风力 发电的科技攻关项目，全国先后共研制出从50w到200kw机型40多种。根据我国的具体 情况，为解决地处边远、居住分散、电网难以到达地区的农牧民群众的用电问题，重点 推广了户用微型风力发电机，目前全国约为14万台百瓦级风电机组在运行，主要分布在 内蒙古地区，收到了很好的成效，对解决牧民的生活用电起到了积极作用。几十千瓦到 百千瓦级风力/ 柴油联合发电系统以及几千瓦到几十千瓦级风 /光联合发电系统也开展 了一些示范应用，但尚未形成规模。风力发电场的建设是使风能成为真正的补充替代能源和发挥规模效益的主要方式。 20世纪80年代中期，我国开始进行并网型风力发电技术的试验和示范，经过十多年的努 力，逐步走向规模开发。到1998年底，在全国风能资源丰富的10个省（自治区）已经建 设了19个风电场，共安装单机容量从55kw到600kw的风电机组530台，总装机容量达到 22.35万kw。其中最大的新疆达坂城风电二场装机3.61万kw,其次是内蒙古的辉腾锡勒 风电场，装机3.61万kw。目前我国风电场建设的基本情况和特点是：1）尽管近几年我国风电场建设取得了可喜的进展，步入了一个新的发展阶段，但 到1997年底，我国风电场总装机容量仅占全国电网总容量0.07%，所以目前还远不能说 风力发电已成为我国电力的一支重要力量。它有巨大的发展潜力，需要进一步加速开发 和建设。2）目前我国并网型风力发电机组绝大部分是国外机组，其中丹麦占 67%，德国占 21%，美国占11%。国产机组仅占约1%，而且由于质量方面的原因，年利用率较低，说 明我国中大型并网风电机组的研究开发和生产大大落后于国外，也落后于我国风电场的 建设步伐，必须尽快加速大型风电机组国产化的进程。“九五”期间，我国采取技贸结 合的形式，与国外组建合资生产企业，在建设风电场的同时，引进技术，通过消化吸收， 达到具备自主开发、自行设计和制造大型风电机组的能力。当前重点是解决 300kw、 600kw机组的国产化问题。3）我国风电场单位容量的综合投资约为1万元/kw，目前我国风力发电的成本约为 0.40.6元/kwh。虽然就0.4元/kwh而言，已接近新建火电的价位，但总的来说，尚不具备 完全商业化生产的条件，仍需要政策上的大力扶持，如保证优惠的上网电价、减免增值 税等。风能是清洁的、免费的可再生能源，减免增值税是完全有理由的，这些政策的制 定，必将大大推动我国可再生能源利用产业的发展。风力发电是一个新的产业，虽然目前同常规发电相比，规模还很小，但发展风电是 改善我国能源结构、减少污染物排放、保护环境的需求，从长远利益出发是保证可持续 发展的战略举措。图 2.1 风力发电机的结构2 风力发电系统的基本原理2.1 风力发电机的结构与组成2.1.1 风力发电机的分类风力发电机组是将风能转化为电能的装置，按其容量分可分为：小型（10kw以下）、 中型（10100kw）和大型（100kw以上）风力发电机组。按主轴与地面相对位置又可 分为：水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组。水平轴风力发电机是目前世界各国 风力发电机最为成功的一种形式，主要优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而 减少了由于地面扰动对风轮动态特性的影响。它的主要机械部件都在机舱中，如主轴、 齿轮箱、发电机、液压系统及调向装置等。而生产垂直轴风力发电机的国家很少，主要 原因是垂直轴风力发电机效率低，需启动设备，同时还有些技术问题尚待解决。在本文 中以后不做特殊说明时所指的风力发电机组即为大中型的水平轴风力发电机组。2.1.2 水平轴风力发电机的结构大中型风力发电机组是由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱机座回转体制动器等）组成的。（1）机舱机舱包含着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等。（2）风轮叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂、主轴等。风轮是风力发电机接受 风能的部件。叶片是风力发电机组最关键的部件，现代风力发电机上每个转子叶片的测量长度大 约为20米叶片数通常为2枚或3枚，大部分转子叶片用玻璃纤维强化塑料（GRP）制 造。叶片可分为变浆距和定浆距两种叶片，其作用都是为了调速，当风力达到风力发电 机组设计的额定风速时，在风轮上就要采取措施，以保证风力发电机的输出功率不会超 过允许值。轮毂是连接叶片和主轴的零部件。轮毂一般由铸钢或钢板焊接而成，其中不允许有 夹渣、砂眼、裂纹等缺陷，并按桨叶可承受的最大离心力载荷来设计。主轴也称低速轴，将转子轴心与齿轮箱连接在一起，由于承受的扭矩较大，其转速 一般小于50r/min，般由40Cr或其他高强度合金钢制成。（ 3）增速器增速器就是齿轮箱，是风力发电机组关键部件之一。由于风轮机工作在低转速下， 而发电机工作在高转速下，为实现匹配采用增速齿轮箱。使用齿轮箱可以将风电机转子 上的较低转速、较高转矩转换为用于发电机上的较高转速、较低转矩。（ 4）联轴器增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计 在一起。（5）制动器制动器是使风力发电机停止转动的装置，也称刹车。（ 6 ）发电机 发电机是风力发电机组中最关键的部件，是将风能最终转变成电能的设备。发电机 的性能好坏直接影响整机效率和可靠性。大型风电机（ 100-150 千瓦）通常产生 690 伏 特的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至 1-3 万 伏，这取决于当地电网的标准。风力发电机上常用的发电机有以下几种： 直流发电机，常用在微、小型风力发电机上。 永磁发电机，常用在小型风力发电机上。现在我国已经发明了交流电压440/240V 的高效永磁交流发电机，可以做成多对极低转速的，特别适合风力发电机。 同步或异步交流发电机，它的电枢磁场与主磁场不同步旋转，其转速比同步转 速略低，当并网时转速应提高。塔架是支撑风力发电机的支架。塔架有型钢架结构的，有圆锥型钢管和钢筋混凝土 的等三种形式，风电机塔载有机舱及转子。（8）调速装置风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。为了使风轮运转所需要额定 转速下的装置称为调速装置，调速装置只在额定风速以上时调速。目前世界各国所采用 的调速装置主要有以下几种：可变浆距的调速装置；定浆距叶尖失速控制的调速装置；3 离心飞球调速装置；4 空气动力调速装置；5 扭头、仰头调速装置。（9）调向（偏航）装置调向装置就是使风轮正常运转时一直使风轮对准风向的装置。借助电动机转动机舱 以使转子正对着风。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风 向。通常在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。（10）风力发电机微机控制系统风力发电机的微机控制属于离散型控制，是将风向标、风速计、风轮转速、发电机 电压、频率、电流、发电机温升、增速器温升、机舱振动、塔架振动、电缆过缠绕、电 网电压、电流、频率等传感器的信号经 A/D 转换，输送给单片机再按设计程序给出各种 指令实现自动启动、自动调向、自动调速、自动并网、自动解列、运行中机组故障的自 动停机、自动电缆解绕、过振动停机、过大风停机等的自动控制。自我故障诊断及微机 终端故障输出需维修的故障，由维修人员维修后给微机以指令，微机再执行自动控制程 序。风电场的机组群可以实现联网管理、互相通信，出现故障的风机会在微机总站的微 机终端和显示器上读出、调出程序和修改程序等，使现代风力发电机真正实现了现场无 人职守的自动控制。（11）电缆扭缆计数器电缆是用来将电流从风电机运载到塔下的重要装置。但是当风电机偶然沿一个方向 偏转太长时间时，电缆将越来越扭曲，导致电缆扭断或出现其他故障。因此风力发电机 配备有电缆扭曲计数器，用于提醒操作员应该将电缆解开了。风力发电机还会配备有拉 动开关在电缆扭曲太厉害时被激发，断开装置或刹车停机，然后解缆。2.2 风力发电的基本原理2.2.1贝茨(Betz)理论刃叶片前的风速；幵咚过叶片时的速度；驱幣过叶片后的速度;.紬叶片前的凤速的面积召3.凤经过叶片时的面稱 迈凤经过叶片后的面图2.2贝茨(Betz)理论计算简图世界上第一个关于风轮机风轮叶片接受风能的比较完整的理论是1919年由A 贝 茨(Betz)建立的。贝茨理论的建立依据的假设条件是假定风轮是理想的，能全部接受风能并且没有轮毂，叶片是无限多，对气流没有任何阻力。而空气流是连续的，不可压缩 的，叶片扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向不论在叶片前或流经叶片后都是垂 直叶片扫掠面的(或称为是平行风轮轴线的)，满足以上条件的风轮称为“理想风轮”。如图 2.2 所示，我们分析一个放置在移动的空气中的“理想风轮”叶片上所受到的 力及移动的空气对风轮叶片所做的功。风吹到叶片上所做的功是将风的动能转化为叶片 转动的机械能，则有V S。2 1 2 1如果假设空气是不可压缩的，由连续条件可得S V 二 SV 二 S V 二 V(2.1)1 1 2 2 由流体力学可知气流的动能为T 二 0.5mv2(2.2)设单位时间内气流流过载面积为s的气体的体积为V,则V = sv。如果以p表示空气密度，该体积的空气质量m = psv，此时气体所具有的动能为 1T 二一psv3(2.3)2p的单位是kg/m3； V的单位是m3； v的单位是m/s； T的单位是W。 从风能公式可以看出风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度成正 比，其中p和v随地理位置、海拔、地形等因素而变。风作用在叶片上的力由欧拉定理求得F = p sv(v - v ) = m(v - v )1 2 1 2 式中 p 空气当时的密度风轮所接受的功率为P= Fv= psv2(v -v )所以经过风轮叶片的风的动能转化1211AT = 2p 叫2-叨=2 叫2-v2)(2.4)(2.5)(2.6)式中 p sv 空气质量P = A T(2.7)因此，风作用在风轮叶片上的力F和风轮输出的功率P分别为1F = ps(v 2 一 v 2)2121P = p s(v 2 一 v 2)(v + v )4 1 2 1 2风速V是给定的，P的大小取决于V，P是V的函数，对P微分求最大值得1 2 2dP = - p s (v 2 - 2v v - 3v 2)4 1 1 2 2dv2令其等于 0，求解方程得Pmax8=psv271627吧316/27=0593， C 称作贝茨功率系数PPm axsv3C1P1而2 p叫正是风速为讥的风能故P = TCmax p(2.8)(2.9)(2.10)(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)C =0.593，说明风吹在叶片上，叶片上所能获得的最大功率 P 为风吹过叶片扫掠 P max面积S的风能的59.3 %。贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是 59.3。通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59.3，一般根据叶片的数量、叶 片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。2.2.2 风力发电机的特性系数 贝茨理论提供了风能的基本理论，但在讨论风轮机的能量转换与控制时有几个特性 系数具有特别重要的意义。(1)风能利用系数CP风轮机从自然风能中吸到能量的大小和程度可以用风能利用率系数C表示PPC =(2.16)p1p V 3 S2 i2)叶尖速比九 为了表示风轮在不同的风速中的状态用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量称为叶尖速比九2 兀Rn wR九=(2.1vv低速风轮九取较小值；高速风轮九取较大值。(3)转矩系数C和推力系数CTF为了便于把气流作用下的风轮机产生的转矩和推力进行比较常以九为变量作成转矩和推力的变化曲线，因此转矩和推力也要无因次化。2pv2sr2Tpv 2 SRpv 2 S22 FPV 2 S(2.18)(2.19)2.3 本章小结本章阐述了风力发电系统的基本原理，着重介绍了风力机的结构与组成和贝茨理 论，为后文的写作奠定了理论基础。3 最大功率点跟踪算法的基本原理3.1 最大功率点跟踪算法3.1.1 风力发电系统的运行区域根据风力机的理论，当风速由小变大时，风力机分别运行在最大风能捕获区、恒转速区和恒功率区，如图3.3所示。其中，汽k为风力机额定输出功率；区域1为风力机 在最大风能捕获时的工作区域；区域2为风力机的恒转速区；区域3为其恒功率区。这里， 用线段0A表示此时风力机处于定桨距的状态。一般情况，当桨距角为0时，风力机的输 出功率只与发电机的转速有关，因此只要对发电机转速进行控制，找到发电机的一个最23.1.2最大风能捕获原理根据贝兹理论，风力机从风中捕获的功率为，就可追踪捕获最大风能，进而达到使发电机输出功率最大的目的。P momB3.1 凤力机运疔区域曲觸其中P表示空气密度，卩表示桨距角, 轮的半径，v表示风速，九表示叶尖速比,， R 是风，为风力机的角频率(rad/s)。风能利pt由上图可见，用系数与叶尖速比之间的关系如图3.2所示。二：；.，3：=二斗:.即为风能利用系数的最大值。而叶尖速比:.=兰,在风速变化时，相应 地调节风轮的转速就可以将叶尖速比维持在九=齐:处，此时风能利用系数为最大值 ：,.汀，风力机对风能的捕获量最大，即运行在最大功率点上。在不同的风速下，风力机的输出功率与风轮转速的关系，如图3.3所示，其中，P表 示风力机的输出功率，表示风轮的转速，心:、:七、：七分别为风力机在风速为、匸、 厂时相应于最大输出功率二、三的风轮转速。由图3.3可以看出，在风速一定的情况 下，输出功率随着风轮转速的变化而变化，其中存在着一个与最大功率点相对应的叶尖 速比一“，此时的风能利用系数为最大值。在风速发生变化时，风力机最大功率点所对应的风轮转速也不同。把不同风速下的风力机输出最大功率点相连，将得到一条曲 线即为风力机的最大功率曲线。为了提高风力机的效率，在风速发生改变时，就必须对 风力机实行变速控制，使其始终运行在最大功率曲线上。在风速变化时，通过调节风力 机的转速，将叶尖速比维持在一处，以确保风力机运行在最大功率曲线上，即为对风 力机最大功率点的跟踪控制原理。，风力机图3.4为风速变化时，变速风力机对最大功率点的跟踪过程。在风 运行于A点，为了追踪最大功率点B，需要增加风力机风轮的转速。当z:时，风力机运行于B点，A-B的变化过程即为变速风力机在风速下，对 最大功率点B的追踪过程。当风速从增加至门时，风力机的运行状态将从B点跳变到C 点，同样为追踪该风速下的风力机的最大功率点，需要增加风力机转速，当=七时， 风力机运行于对应风速门下的最大功率点D点，C-D的变化过程即为变速风力机在风速 下，对最大功率点D的追踪过程。同理，当风速从下降到匸时，风力机的运行状态 从D点跳变到E点，而E点位于风速为匸时的风力机的最大功率点F点的右侧，所以应该 减小风力机的转速直到3=七，此时风力机运行在最大功率点F点。EF的变化过程是 风力机在风速为匸时，对最大功率点的追踪过程。以上即为变速风力机在风速发生变化 时对最大功率点的跟踪过程。通过上述分析我们知道，在风力发电系统中，发电机的输出功率是随着风力机输出 功率的变化而变化的，因此，为了能够使风力发电系统在风速变化的过程中始终保持在 最大功率输出状态，就需要我们对风力机和发电机进行适当的调节或控制，依据它们的 工作特性，使它们能够跟踪风速的变化，达到输出最大功率的目的。3.2 最佳叶尖速比控制的特点最优叶尖速比法是当风速变化时要维持风力机的叶尖速比九始终保持在最佳值; 处厂一般是通过计算或实验获得，这样在任何风速下风力机对风能的利用率都大。图 3.5为其控制原理框图，它将风速v和风力机转速3的测量值作为控制系统的输入信号， 通过计算得出此时的实际叶尖速比九，然后与最优叶尖速比;相比较，所得误差值送入 控制器，控制器控制逆变器的输出来调节风机转速，从而保证叶尖速比最优。图 3.5 最佳叶尖速比控制算法原理框图此法优点:它是MPPT最直接实现思想,物理概念明确，原理简单，只要1个PI控制器即可满足控制要求，容易实现;在风速测量精确的前提下，具有很好的准确性和反应速度。此法缺点:需要测量风速、转速，而风速难以准确测得，影响控制精度;还需要知道风力 机最佳叶尖速比曲线， 而最佳叶尖速比由风机厂家的实验数据求得 ，它与风力机和发电 机的特性以及所采用的变频器拓扑结构等境因素有关，算法的移植比较困难;由于风速的 随机性和不确定性，会引起风力机输出功率的剧烈波动;需要知道风力机特性和需要安装 风速测量装置，导致成本增加，系统可靠性降低。3.3 本章小结本章分析了最大功率点跟踪控制算法的基本原理，以及最佳叶尖速比控制的特点， 为控制系统的设计做好了准备。4基于叶尖速比PI控制的风力发电系统仿真4.1 风力发电系统的仿真模型pi控制器具有比例调节作用和积分调节作用，其中比例调节作用是指按比例来反映 系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差；积分调节 作用是指消除系统的稳态误差，提高无差度。本文中的控制器采用pi控制技术，用实际 输出功率来追踪参考输出功率，对它们之间的误差进行仿真。通过选取合适的pi参数， 可以得到较为理想的追踪效果，从而实现控制所要求的目标。仿真模型的参数为：叶片长度：R=2.5m互感：L =0.1397Hm多级传动比： i=6.25定子电感： Ls=0.1452HS低速轴惯量：J=3.6kgm2转子电感： Lr=0.1452Hr效率：n=0.95定子频率：=100n rad/ss极对数：P=2传动链最大转矩：rG =40NmGmax定子的绕线电阻：R =1.2650S定子电压： Vs=200vs转子的绕线电阻： Rr=1.43m0r4.1.1风速模型的建立图4.1 风速模型图图4.2 风速波形图4.1.2 风力发电系统的模型 风力发电系统模型主要由空气动力模型、传动链、发电机模型构成。下面将分别介 绍各个部分的功能。空气动力模型的作用是将有效的风能转换为有用的机械能；传动链 的作用是将风轮的旋转运动传递至发电机，其采用一定增速比例的齿轮箱作为机械传动 结构，通过这种方法，将会增加转速，可将风轮转速增至适合驱动发电机的转速，便于 发电机正常运行；发电机模型的作用是产生电能，目的在于将传动链传送过来的机械能 转换为电能；发电机的电力终端与公共电网相连，便于将电能输送至电网。整个风力发 电系统是一个有机整体，需要各个子部分有较高的兼容性，才能实现风能的高效转换。 风力发电系统模型如图4.3所示。4.1.3 输出功率追踪控制模型的建立输出功率控制模型采用PI控制技术来设计，输入量为参考转速n,参考功率亠,与 参考转速匚乂的关系如下式：為韦工(4.1)上血opt式中匚为最大风能利用系数，本文二：为0.476；二为空气密度，通过式(4.1)可得参考 功率三乂。因为式(4.1)中的叶尖速比为最佳叶尖速比，亦可知此参考功率即为最佳输出 功率。然后通过PI控制、滤波来调节，输出量为参考功率和实际功率，可以观察功率的 追踪效果。输出功率控制器仿真模型如图所示。set_spdlim/TiAornghlimKpwindset emTspeed reference conditioningwind velocity measure & filteringspeed measurecontrol input1/Ti图 4.4 控制器仿真模型图4.1.3 追踪仿真对以上所建立的风力发电系统模型进行仿真，仿真时间为120s。叶尖速比波形如图4.5所示，由图可知，最佳叶尖速比保持在7左右，根据叶尖速比和风能利用系数之间的 关系，此最佳叶尖速比可得最大风能利用系数，由此得到最大的输出功率。图 4.5 叶尖速比波形图转速波形如图4.6所示，由于风速是一个动态的过程，随机性很强，会随着时间的变 化而变化，故要想得到最大的输出功率，风机转速需跟随着风速的动态变化而变化，由 此来保证在每个时刻都能捕获到最大的风能，由图可看出本文的风机转速是符合要求的。图 4.6转速波形图风能利用系数波形如图4.7所示，风能利用系数与输出功率成比例关系，能够直接反 映输出功率的大小。风能利用系数与叶尖速比关系紧密，当叶尖速比为最佳叶尖速比时， 风能利用系数即为最大风能利用系数，本文中的最大风能利用系数为0.476。图 4.7 风能利用系数波形图对输出功率进行仿真，黑色曲线表示的是参考输出功率，绿色曲线表示的是实际输 出功率，仿真波形如图4.8所示。由图4.8知，在整个仿真过程中，实际输出功率可以十 分准确地跟踪参考输出功率，有很好的追踪效果，从而可以获得最佳的输出功率，大大 提高风力发电机组的实际效率。图 4.8 功率追踪波形图4.2 本章小结本章针对最佳叶尖速比控制定步长算法的特点，设计出了相应的控制算法和PI控制 器，通过选取合适的PI参数，从而实现控制所要求的目标。然后建立了风力发电系统的 仿真模型，在Matlab环境下实现了最佳叶尖速比控制算法并对控制算法仿真结果进行了 分析，得到了较为理想的追踪效果。5 结束语本文利用Matlab / Simulink仿真软件，建立了风力发电系统仿真模型，采用PI控制 技术对输出功率进行追踪仿真。通过合理调整控制器的参数，可以得到很好的追踪效果， 由此说明本文建立的各个模型是有效可行的。作为风电研究的重要基础，风力发电机组 的建模仿真也日益成为未来研究的热点，本文的仿真结果可为风力发电机组的效率分析 提供一定的参考。参考文献1 叶杭冶.风力发电机组的控制技术M.北京：机械工业出版社，2002.2 张小莲, 李群, 一种引入停止机制的改进爬山算法, 中国电机工程学报, Vo1.32,No.14, 128-134, 2012。黄锦成，杨苹一种小型风电机组的优化最大功率点跟踪控制算法J电机与控制 应用， 2011， 38(3)： 44-484 Lulian Munteanu, Antoneta luliana Bratcu, Nicolaos-Antonio Cutuluis, 风力发电系统优化控制, 机械工业出版社， 2010.95 Abdullah M.A.a, Yatim A.H.M. etc. A review of maximum power point trackingalgorithms for wind energy systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews vol.16, 3220-3227,20126 Eftichios Koutroulis, Kostas Kalaitzakis, Design of a Maximum Power Tracking Systemfor Wind-Energy-Conversion Applications,IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.53, NO.2, 486-494, 20067 Leithead， W.E， Connor ， B.Control of variable speed wind turbines ： designtaskJ.International Journal of Control， 2000,73(13)， 1189-1212.8 Tony Burton， David Sharpe， Nick Jenkins， Ervin Bossanyi.WIND ENERGY HAND BOOKM.England， John Wiley &Sons Ltd， Baffins Lane， Chichester， 2001.致谢在本文完成之际，谨向我的指导老师陈林老师表示衷心的感谢。在做论文期间，无 论在选题、找资料和论文修改过程中，我都得到了陈老师的精心指导。最后，特别感谢我的父母和亲友，在漫长的求学生涯中，我得到了他们的不断关心 和鼓励。可以这么说，本文的完成，凝聚了他们的智慧，再一次对所有帮助过我、关心过我的朋友和师长表示由衷的感谢！