基于功率信號反饋法捕獲最大風能的原理研究

云南機電職業技術學院電氣工程系 賈蒙蒙

基于功率信號反饋法捕獲最大風能的原理研究

云南機電職業技術學院電氣工程系 賈蒙蒙

根據風力機的特性曲線，推導出風能和轉速之間的關系，利用功率信號反饋控制的方法調節風力機的轉速，從而得到最佳轉速捕獲最大風能。

風力機；功率信號反饋法；最大風能捕獲

1.風力機模型

風力機發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；風速用v表示；

風能利用系數用Cp表示；葉尖速比λ和葉片槳距角β控制著風能利用系數Cp的大小。

葉尖速比λ的表示方法為：

式中ω——風力機的機械角速度；R——風輪葉片的半徑。

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

式中λi滿足：

如圖1所示。

圖1　風力機的特性曲線

當槳葉節距角為確定值時，利用圖1的一條曲線就可以表示Cp與λ之間的函數關系，根據貝茲理論，假設風力風力機風參數相同而且風速一定，那么在同樣的環境中，風力機獲得的功率大小與風能利用系數Cp大小相關。只要想獲得最大輸入功率（當前風速小于最低額定風速），使風力機運行在Cpmax點是非常必要的。根據圖1風力機的特性曲線，在槳距角固定且風力機運行的風速小于額定風速的狀態下，調節風輪轉速使得λ=λopt，那么風力機就能夠輸出最大的機械功率。當風速發生改變時，要想風力機的葉尖速比仍舊保持在最佳葉尖速比上，只需要繼續調節電機轉速，當風力機處于最佳葉尖速比同時也得到了最大風能利用系數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，在風力機的控制系統中將檢測到的風輪轉速作為系統的輸入量的原因是：風機對風速存在這依賴關系，但是檢測風速具有不穩定性。工廠制造出風力機的同時能夠得到風力機的最大風能系數Cpmax和最佳葉尖速比λopt，最大風功率就是依據已知的Cpmax和λopt推算得到的。由于風速的不確定性，可以將風速與風功率的函數關系轉化為轉速與風功率的函數關系，通過修改功率表達式，那么式（1）就可以用式（4）來進行表示：

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，風力機轉速和最大功率的函數關系是通過查表得到的。假定P0是風電系統在某一風速下的最大功率輸出值，w1為測量出來的風力機轉速值，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比風力機某風速下的機械功率小，風力機轉速將從w1加速到W0，通過查表可以得到w0對應最大功率點P0，系統是否處于最有狀態就是通過這條曲線反映出來的，同理，當風力機轉速為w2時，通過功率信號反饋控制，其轉速將降低并到達w0。控制原理如圖3所示。

圖3　功率信號反饋控制原理

［1］葉杭冶.風力發電機組的控制技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.