基于功率信号反馈法捕获最大风能的原理研究

云南机电职业技术学院电气工程系 贾蒙蒙

基于功率信号反馈法捕获最大风能的原理研究

云南机电职业技术学院电气工程系 贾蒙蒙

根据风力机的特性曲线，推导出风能和转速之间的关系，利用功率信号反馈控制的方法调节风力机的转速，从而得到最佳转速捕获最大风能。

风力机；功率信号反馈法；最大风能捕获

1.风力机模型

风力机发出的机械功率利用贝兹理论计算可得［1］：

在公式中空气的密度用r表示；叶片扫略面积用S表示；风速用v表示；

风能利用系数用Cp表示；叶尖速比λ和叶片桨距角β控制着风能利用系数Cp的大小。

叶尖速比λ的表示方法为：

式中ω——风力机的机械角速度；R——风轮叶片的半径。

假设已知风力机的型号，那么r为常数，S为固定值，在风速一定的情况下，风能利用系数Cp的大小决定了风力机输出的机械功率，Cp与λ之间的关系式可以表示为：

式中λi满足：

如图1所示。

图1　风力机的特性曲线

当桨叶节距角为确定值时，利用图1的一条曲线就可以表示Cp与λ之间的函数关系，根据贝兹理论，假设风力风力机风参数相同而且风速一定，那么在同样的环境中，风力机获得的功率大小与风能利用系数Cp大小相关。只要想获得最大输入功率（当前风速小于最低额定风速），使风力机运行在Cpmax点是非常必要的。根据图1风力机的特性曲线，在桨距角固定且风力机运行的风速小于额定风速的状态下，调节风轮转速使得λ=λopt，那么风力机就能够输出最大的机械功率。当风速发生改变时，要想风力机的叶尖速比仍旧保持在最佳叶尖速比上，只需要继续调节电机转速，当风力机处于最佳叶尖速比同时也得到了最大风能利用系数Cpmax，从而最大的输入机械功率也就获得了。

在桨距角一定的情况下，在风力机的控制系统中将检测到的风轮转速作为系统的输入量的原因是：风机对风速存在这依赖关系，但是检测风速具有不稳定性。工厂制造出风力机的同时能够得到风力机的最大风能系数Cpmax和最佳叶尖速比λopt，最大风功率就是依据已知的Cpmax和λopt推算得到的。由于风速的不确定性，可以将风速与风功率的函数关系转化为转速与风功率的函数关系，通过修改功率表达式，那么式（1）就可以用式（4）来进行表示：

其中：

2.功率信号反馈控制

功率信号反馈控制的控制原理框图可见图2。

图2　功率信号反馈控制原理框图

在此控制方法中，风力机转速和最大功率的函数关系是通过查表得到的。假定P0是风电系统在某一风速下的最大功率输出值，w1为测量出来的风力机转速值，输出功率可为在最大功率曲线上随机选择的P1，过P1、P0、P2的那条曲线即为最大功率曲线。因为P1比风力机某风速下的机械功率小，风力机转速将从w1加速到W0，通过查表可以得到w0对应最大功率点P0，系统是否处于最有状态就是通过这条曲线反映出来的，同理，当风力机转速为w2时，通过功率信号反馈控制，其转速将降低并到达w0。控制原理如图3所示。

图3　功率信号反馈控制原理

［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，2006.