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        基于功率信號反饋法捕獲最大風(fēng)能的原理研究

        2016-11-17 02:21:38云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系賈蒙蒙
        電子世界 2016年20期
        關(guān)鍵詞:速比葉尖利用系數(shù)

        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.

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