关键字 |
| 风力涡轮机，俯仰角，DFIG, HCS。 |
介绍 |
| 近年来，风能已成为最重要和最有前途的可再生能源之一，这需要额外的传输能力和更好的维持系统可靠性的手段。风能是一种无污染、安全的可再生能源。与风力系统工业相关的技术的发展导致了一代变速风力涡轮机的发展，与固定速度风力涡轮机相比，变速风力涡轮机具有许多优点。从风能系统中回收的功率取决于最大功率点跟踪所跟踪的功率设定点。 |
| 风力机的机械功率受风力机叶尖速比(TSR)的影响。定义为涡轮转子叶尖速度与风速之比。在最优TSR条件下，给定风速下风力机效率达到最大值。为了保持最佳的TSR，涡轮机的转子转速需要随着风速的变化而变化。同时，从风力中提取最大的能量。TSR计算需要风速实测值和涡轮转速数据。风速测量不仅增加了系统成本，而且也带来了实际操作上的困难。TSR的最优值因系统而异。 |
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| 功率信号反馈(PSF)需要风电机组最大功率曲线的详细信息。该曲线由控制机制跟踪。该曲线是通过对每台风力机的模拟或试验得出的。参考功率是使用记录的最大功率曲线或使用风力涡轮机的机械功率方程产生的，这里可以使用风速或转子转速作为输入。这种控制方法增加了实施成本，难度较大。图2。显示了电源信号反馈控制的逻辑。 |
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| 爬山搜索(HCS)方法克服了TSR和PSF控制方法的缺点。HCS控制算法不断搜索风力机的峰值功率。它可以克服通常与其他两种方法相关的一些常见问题。跟踪算法根据工作点的位置以及功率和速度变化之间的关系，计算出所需的最佳信号，以驱动系统达到最大功率。 |
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| 该算法根据有功功率的变化幅度和方向动态修改速度指令，以达到峰值功率点。即以实际功率为输入，生成最优指令(转速)信号，并送入电网侧变换器控制的转速控制回路。计算与Pm成比例的信号，并与之前的值进行比较。如果结果是肯定的，则以较低的速度重复该过程。在此基础上，需要提高或降低发电机转速。对于工作点的每一个变化，控制器继续通过循环运行来扰动自己。输出功率增加，直到满足dPo/ ω=0。 |
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双馈感应发电机 |
| 本文研究的系统是一个基于双馈感应发电机(DFIG)的变速风力发电系统。发电机的定子直接连接到电网，而转子通过背靠背转换器连接，该转换器的尺寸仅为发电机额定功率的一小部分。DFIG技术允许通过优化涡轮机速度从低风速中提取最大能量，同时在阵风期间最大限度地减少涡轮机的机械应力。 |
| 在给定的风速下，产生最大机械能的最佳涡轮机转速与风速成正比。DFIG技术的另一个优点是电力电子变流器能够产生或吸收无功功率，从而消除了像鼠笼式感应发电机那样安装电容器组的需要。AC/DC/AC变换器基本上是一个PWM变换器，它使用正弦PWM技术来减少风电驱动DFIG系统中存在的谐波。其中Crotor为转子侧变换器，Cgrid为电网侧变换器，Vr为转子电压，Vgc为电网侧电压。要控制风力发电机的转速，可以采用齿轮箱或电子控制。 |
功率流 |
| 并网双馈感应发电机是最可靠的风力发电系统。由于DFIG利用了机器的匝数比，所以变换器不需要为机器的全部额定功率额定。转子侧变流器(RSC)控制机器的有功和无功功率，而电网侧变流器(GSC)保持恒定的直流电压。GSC的无功发电不像RSC那样独立使用。但是，在稳态和低压阶段，GSC被控制参与无功发电。GSC快速提供无功电流，而RSC在电流通过机器时导致延迟。这些变流器可以暂时过载，以便在短路期间，DFIG可以对电网电压做出更好的贡献。 |
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| 转子的功率流是双向的。当ωr <ωs时，转子向电网输送能量;当ωr <ωs时，转子从电网吸收能量。转子和电网之间的电力电子变流器调节转子电压的频率和幅值。转子电压的控制允许系统以变速运行，同时仍然产生恒频电力。机械功率和定子输出功率计算公式如下: |
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采用模糊逻辑控制器控制俯仰角 |
| 风力涡轮机由三片叶片、一个伺服电机、一个控制器、转子旋转传感器、一个发电机和一些机械部件组成。叶片是基于NACA(国家航空咨询委员会)开发的。伺服电机用于控制叶片的俯仰角。采用旋转编码器测量风力发电机转子转速。图5为低额定风速下使用模糊逻辑控制器(FLC)控制风力机俯仰角的框图。控制叶片的俯仰角，使风力机的转速最大化，从而使风力机的输出机械功率最大化。从图5，风力发电机转子测量转速转速从旋转编码器与期望转速进行比较。FLC分别处理误差、delta误差和风速数据，单位为m/s。风力机的机械功率(P)达到最大。 |
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| 换句话说，为了使风力机的机械功率最大化，通过控制叶片的俯仰角来优化风力机的功率系数。俯仰角(β)是风的方向和垂直于叶片平面的方向之间的夹角。风力机机械功率(P)可表示为 |
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| 哪里是空气密度 |
| 叶片扫过的区域 |
| V—风速 |
| CP(λ， β) -风力机叶尖速比λ和叶片俯仰角β时的系数。 |
模拟 |
| 一个9兆瓦的风电场由6个1.5兆瓦的风力涡轮机组成，连接到一个25千伏的配电系统。在对DFIG进行性能分析时，考虑了风速变化和供电频率变化的影响。开发并演示了基于俯仰角模糊逻辑控制和可变低额定风速HCS控制的风力机。模糊输入、规则和输出如下所示。并通过对机组无功功率需求的变化进行了分析。利用MATLAB软件对示波器的仿真结果进行了性能分析。 |
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仿真结果 |
| 产生的有功功率开始平稳增加(与涡轮机转速一起)，达到额定值。在这段时间内，涡轮机的速度也会增加。最初，涡轮叶片的俯仰角为零度。然后从0度开始增加俯仰角，以限制机械功率。我们还观察了电压和产生的无功功率。 |
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| 研制并演示了基于俯仰角模糊逻辑控制的变低额定风速风力机。采用基于俯仰角模糊逻辑的控制与固定俯仰角控制或不控制相比，可以提高风力机的机械功率响应性能。 |
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| 使用HCS方法，它显示微调和值范围在1度左右。采用基于俯仰角模糊逻辑的HCS控制与固定俯仰角控制或不控制相比，可以提高风力机的机械功率响应性能。 |
结论 |
| 风力涡轮机的机械效率取决于功率系数。功率系数取决于叶尖速比和俯仰角。可调速提高了系统效率，因为涡轮机的转速可以作为风速的函数来调节，以最大限度地提高输出功率。利用DFIG，可以开发出可调的速度。俯仰角控制是控制风力机转子气动功率的常用方法。俯仰角控制可以通过使用不同的控制变量来实现。模糊逻辑俯仰角控制不知道风力机的动态特性，但在风力机存在较强非线性的情况下支持模糊逻辑俯仰角控制。HCS控制方法适用于风力机惯性很小的场合。正是在这个瞬间，涡轮机的速度对风速作出反应。对于大惯量风力机，其输出功率与风力机的机械功率和机械蓄能变化率密切相关。 This leads to the ineffectiveness of HCS method. |
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