云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 賈蒙蒙

基于功率信號反饋法捕獲最大風(fēng)能的原理研究

云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 賈蒙蒙

根據(jù)風(fēng)力機的特性曲線，推導(dǎo)出風(fēng)能和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，利用功率信號反饋控制的方法調(diào)節(jié)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，從而得到最佳轉(zhuǎn)速捕獲最大風(fēng)能。

風(fēng)力機；功率信號反饋法；最大風(fēng)能捕獲

1.風(fēng)力機模型

風(fēng)力機發(fā)出的機械功率利用貝茲理論計算可得［1］：

在公式中空氣的密度用r表示；葉片掃略面積用S表示；風(fēng)速用v表示；

風(fēng)能利用系數(shù)用Cp表示；葉尖速比λ和葉片槳距角β控制著風(fēng)能利用系數(shù)Cp的大小。

葉尖速比λ的表示方法為：

式中ω——風(fēng)力機的機械角速度；R——風(fēng)輪葉片的半徑。

假設(shè)已知風(fēng)力機的型號，那么r為常數(shù)，S為固定值，在風(fēng)速一定的情況下，風(fēng)能利用系數(shù)Cp的大小決定了風(fēng)力機輸出的機械功率，Cp與λ之間的關(guān)系式可以表示為：

式中λi滿足：

如圖1所示。

圖1　風(fēng)力機的特性曲線

當(dāng)槳葉節(jié)距角為確定值時，利用圖1的一條曲線就可以表示Cp與λ之間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)貝茲理論，假設(shè)風(fēng)力風(fēng)力機風(fēng)參數(shù)相同而且風(fēng)速一定，那么在同樣的環(huán)境中，風(fēng)力機獲得的功率大小與風(fēng)能利用系數(shù)Cp大小相關(guān)。只要想獲得最大輸入功率（當(dāng)前風(fēng)速小于最低額定風(fēng)速），使風(fēng)力機運行在Cpmax點是非常必要的。根據(jù)圖1風(fēng)力機的特性曲線，在槳距角固定且風(fēng)力機運行的風(fēng)速小于額定風(fēng)速的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速使得λ=λopt，那么風(fēng)力機就能夠輸出最大的機械功率。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生改變時，要想風(fēng)力機的葉尖速比仍舊保持在最佳葉尖速比上，只需要繼續(xù)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，當(dāng)風(fēng)力機處于最佳葉尖速比同時也得到了最大風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax，從而最大的輸入機械功率也就獲得了。

在槳距角一定的情況下，在風(fēng)力機的控制系統(tǒng)中將檢測到的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的輸入量的原因是：風(fēng)機對風(fēng)速存在這依賴關(guān)系，但是檢測風(fēng)速具有不穩(wěn)定性。工廠制造出風(fēng)力機的同時能夠得到風(fēng)力機的最大風(fēng)能系數(shù)Cpmax和最佳葉尖速比λopt，最大風(fēng)功率就是依據(jù)已知的Cpmax和λopt推算得到的。由于風(fēng)速的不確定性，可以將風(fēng)速與風(fēng)功率的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速與風(fēng)功率的函數(shù)關(guān)系，通過修改功率表達(dá)式，那么式（1）就可以用式（4）來進(jìn)行表示：

其中：

2.功率信號反饋控制

功率信號反饋控制的控制原理框圖可見圖2。

圖2　功率信號反饋控制原理框圖

在此控制方法中，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速和最大功率的函數(shù)關(guān)系是通過查表得到的。假定P0是風(fēng)電系統(tǒng)在某一風(fēng)速下的最大功率輸出值，w1為測量出來的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速值，輸出功率可為在最大功率曲線上隨機選擇的P1，過P1、P0、P2的那條曲線即為最大功率曲線。因為P1比風(fēng)力機某風(fēng)速下的機械功率小，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速將從w1加速到W0，通過查表可以得到w0對應(yīng)最大功率點P0，系統(tǒng)是否處于最有狀態(tài)就是通過這條曲線反映出來的，同理，當(dāng)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速為w2時，通過功率信號反饋控制，其轉(zhuǎn)速將降低并到達(dá)w0?？刂圃砣鐖D3所示。

圖3　功率信號反饋控制原理

［1］葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機組的控制技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.