風力發(fā)電技術(shù)試驗說明書

1、風力發(fā)電技術(shù)實驗指導(dǎo)書指導(dǎo)老師:卜京南京市玄武區(qū)孝陵衛(wèi)200號自動化學(xué)院5樓（5062）聯(lián)系方式:137-7031-9720E_mail:510190700風力發(fā)電技術(shù)實驗指導(dǎo)書概 述本文詳述了介紹了風力發(fā)電技術(shù)的基本原理與實驗內(nèi)容。包括湍流風速建模、風速估計、最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制、葉尖速比控制、變槳控制、限功率控制等?；陲L力機模擬器硬件實驗平臺，在LabVIEW上位機軟件編寫控制算法，并將其應(yīng)用到實驗平臺。小組成員姓 名:學(xué) 號：姓 名:學(xué) 號：姓 名:學(xué) 號：姓 名:學(xué) 號：姓 名:學(xué) 號：日 期：2016年9月23日預(yù)備知識-實驗平臺基本結(jié)構(gòu)風力機模擬實驗平臺結(jié)構(gòu)圖上圖所示，硬件主要包括：1）

2、電機對拖機組電機對拖機組完成風力機傳動鏈的動態(tài)模擬，其中不同類型風力機可選不同對拖形式，包括齒輪箱可選，高速/中速/低速可選，容量（5kW500kW）可選。其中原動機的選擇交/直流電機可選（推薦使用感應(yīng)電機），發(fā)電機可選擇永磁或雙饋電機。2） 原動機驅(qū)動器及整流/逆變變流設(shè)備本模擬試驗系統(tǒng)統(tǒng)一采用技術(shù)成熟、可靠穩(wěn)定的VACON工業(yè)變頻器，功能上，該實驗平臺中的變流設(shè)備接受上層PLC控制器的運行指令（轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩/電壓）完成發(fā)電機與電動機的伺服控制（閉環(huán)轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制）。3） 主控PLC主控PLC作為整個系統(tǒng)的主控器進行實時的狀態(tài)監(jiān)測與運行控制，本模擬實驗系統(tǒng)采用BECKHOFF高性能工業(yè)PC。功

3、能上，主控PLC完成風力機模型及控制算法的嵌入與實時模擬，計算實時指令的下達與運行狀態(tài)信息的接收，同時對各個節(jié)點進行狀態(tài)監(jiān)測與保護。4） 上位機系統(tǒng)完成PC調(diào)試功能，包含基于文本的數(shù)據(jù)保存功能與系統(tǒng)調(diào)試。以文本形式保存的所有運行數(shù)據(jù)可以通過MATLAB進行數(shù)據(jù)后處理，模擬實驗平臺提供對應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理函數(shù)庫。另外，可通過LabVIEW，TwinCAT或高級語言進行人機界面的編程實現(xiàn)。實驗一 組合風速模型的生成1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）在進行風力發(fā)電實驗室模擬時，風速模擬的逼真性直接影響整個發(fā)電系統(tǒng)的性能研究與測試，在研究并網(wǎng)風電場運行、規(guī)劃及動態(tài)特性等有關(guān)問題時就需要建立與之相適應(yīng)的風速

4、模型，從而能夠?qū)︼L速的變化進行模擬，研究在一定風速條件下系統(tǒng)的性能。因此，較準確地模擬實際風況是風力發(fā)電系統(tǒng)模擬中的首要問題。組合風速模型是為了實現(xiàn)對風速的模擬，使得到的模擬風速能夠較精確地反映風速的實際突變性、漸變性及隨機性等特點。能夠全面地檢驗風力發(fā)電系統(tǒng)的性能，尤其是在風速突變時，整個系統(tǒng)的抗干擾性。適用于風力發(fā)電系統(tǒng)的模擬研究工作。（#正文宋體小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）（1）了解組合風速的四個構(gòu)成部分，并能夠在LabVIEW中輸入構(gòu)成部分的表達式，實現(xiàn)各個組成部分模擬；（2）用LabVIEW中的信號圖形用plot畫出來；（3）分析仿真結(jié)果，與實際風速進行比較

5、，總結(jié)出仿真結(jié)論。3實驗內(nèi)容（#一級標題，宋體小三）組合風速模型由4種風（基本風、陣風、漸進風、隨機風）的分量組合而成，來模擬現(xiàn)場的風速。I 基本風基本風描述的是風電場平均風速的變化情況。它存在于風輪機運行的整個過程，對風力發(fā)電機向系統(tǒng)輸送額定功率起著決定性作用。一般可以認為基本風風速是作用在風輪機上的平均風速，所以基本風速是一個具體的常數(shù)值：, (為常數(shù)）(1-7)II 陣風 陣風反應(yīng)風速的突變性，其數(shù)學(xué)模型為(1-8)式中，為陣風開始時間，為陣風持續(xù)時間,為陣風的最大值。III 漸變風漸變風風速反應(yīng)風速的緩慢變化特性，其數(shù)學(xué)模型為(1-9)式中，為漸變風開始時間，為漸變風停止時間，為漸變風

6、最大值。IV 隨機風隨機風速反應(yīng)風速變化的隨機性，用隨機噪聲風速來模擬，即simulink Library BrowserSourcesBand-limited White Noise模塊來代替。綜合上述四種風速成分，可建立模擬風速的模型為(1-10)式中為作用在風輪機上的組合風速，單位為。4實驗步驟（#一級標題，宋體小三）這部分主要說明在LabVIEW中如何構(gòu)建出來上述四種風。即按matlab中所示結(jié)果為例，應(yīng)詳細說明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的組合風速。圖 1 風力機模擬器結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居中，10號）5實驗結(jié)果（#一級標題，宋體小三）6實驗心得（#一級標題，宋體小三）實

7、驗二 風速觀測1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）最優(yōu)葉尖速比法利用風速計等設(shè)備測量風速，計算得到在該風速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，然后直接根據(jù)轉(zhuǎn)速計算值與測量值的誤差進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使之達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速；而功率曲線法是檢測當前轉(zhuǎn)速，并假定此轉(zhuǎn)速為最優(yōu)葉尖速比對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風機轉(zhuǎn)速功率曲線獲得對應(yīng)于當前轉(zhuǎn)速的功率值，進而計算電磁轉(zhuǎn)矩給定，間接進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。綜上，可以看出直接轉(zhuǎn)速控制明確，原理簡單，動態(tài)性能更好；但直接轉(zhuǎn)速控制還要獲得實時風速信息來參與計算，而間接轉(zhuǎn)速控制則不必。實時風速需要通過風速計來測量，但是風速計測到的只是一點或者幾點的風速，并不完全反應(yīng)作用在風機葉片上的風速，并且風速計自身存在慣性本身也有

8、測量誤差和延遲，正是因為實際測量風速存在上述諸多問題，所以要采用風速估計獲得較準確的風速信息。（#正文宋體小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）了解風速估計的若干種方法原理，理解風機的機械動態(tài)過程和風力機曲線氣動模型，搭建基于LabVIEW的風速估計模塊。3實驗內(nèi)容（#一級標題，宋體小三）為了獲得有效風速，把風力發(fā)電機組當作風速儀對有效風速進行估計，因此需要建立有效風速估計方法。風速估計方法主要由兩部分組成：氣動轉(zhuǎn)矩的估計和風速估計值的計算。首先利用轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩估計氣動轉(zhuǎn)矩，再利用氣動轉(zhuǎn)矩估計值進行風速估計值的計算。1）估計算法A.氣動轉(zhuǎn)矩的估計：方法一：功率平衡估計法(PB

9、E)1由風機轉(zhuǎn)速方程： (5-10)其中，是風輪轉(zhuǎn)動慣量，是轉(zhuǎn)速的加速度，是氣動轉(zhuǎn)矩，是電磁轉(zhuǎn)矩。可得到氣動轉(zhuǎn)矩的表達式： (5-11)其中，是前后兩次測量轉(zhuǎn)速差，是兩次測量時間間隔。方法二：卡爾曼濾波法(KF)2-3卡爾曼濾波算法是一種基于狀態(tài)方程對狀態(tài)變量進行估計的有效方法，它可以給出系統(tǒng)在真實環(huán)境中的最優(yōu)狀態(tài)估計。首先將簡化風機模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程的形式： (5-12)其中，是氣動轉(zhuǎn)矩的時間常數(shù)；，。對狀態(tài)方程進行離散化，即可得到相應(yīng)的卡爾曼離散模型。 (5-13)其中，是采樣時間。具體算法過程如表5.1：表5.1 卡爾曼濾波算法階段 算法預(yù)測階段 卡爾曼增益 修正階段 其中，P為狀態(tài)變量

10、X對應(yīng)的協(xié)方差矩陣，Q和R分別為系統(tǒng)噪聲的協(xié)方差矩陣和測量噪聲的協(xié)方差矩。編程時可設(shè)P初始值10I，Q=1，R=1。本實驗中利用KF法得到的氣動轉(zhuǎn)矩估計值符號與實際相反，需要加負號取反。B.風速估計方法一：牛頓-拉夫遜算法4風機氣動轉(zhuǎn)矩為：(5-14)由氣動轉(zhuǎn)矩公式，令。根據(jù)牛頓拉夫遜算法得到以下迭代公式：(5-15)(5-16)解出的近似解后，由求得當前估計風速。4實驗步驟（#一級標題，宋體小三）這部分主要說明在LabVIEW中如何構(gòu)建出來風速估計模塊。即按matlab中所示結(jié)果為例，應(yīng)詳細說明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的風速估計模塊。圖 2 風力機模擬器結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居

11、中，10號）5實驗結(jié)果（#一級標題，宋體小三）6實驗心得（#一級標題，宋體小三）實驗三 最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）最開始，被開發(fā)和使用的風力發(fā)電機是恒速恒頻式，風輪的轉(zhuǎn)速固定不變。而實際運行發(fā)現(xiàn)，其運行效率并不理想，是因為轉(zhuǎn)速也會影響風力機的風能捕獲效率。當轉(zhuǎn)速與來流風速成一定比值時，風力機的效率達到最大值（該比值由風力機的結(jié)構(gòu)設(shè)計決定）。因此，為了提高風力機的運行效率，變速恒頻風力發(fā)電機替代了恒速恒頻式，并根據(jù)風力機的運行特性，提出了最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制策略，控制風力機的轉(zhuǎn)速跟隨風速的變化。當風速低于額定

12、風速時，目前的MPPT控制方法主要包括功率曲線法、葉尖速比法和爬山法三大類。功率曲線法作為其中一種控制方法，由于不需要獲取實時風速信息，以其簡單易行且控制效果優(yōu)秀的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計和各容量風力機實際投運中。之后介紹功率曲線法。（#正文宋體小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）了解傳統(tǒng)功率法的控制原理；根據(jù)風力機參數(shù)設(shè)計功率曲線控制方法；編譯基于LabVIEW的控制器，并仿真驗證控制器的正確性。3實驗內(nèi)容（#一級標題，宋體小三）功率曲線法，也稱最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法或者功率信號反饋法，其控制原理圖如圖1所示。根據(jù)事先制定好的功率曲線，采集實時風力機轉(zhuǎn)速信號，從而計算發(fā)電機的電磁功率或

13、轉(zhuǎn)矩控制信號。功率曲線如圖2所示，是每個轉(zhuǎn)速點對應(yīng)的最大風能捕獲功率，即 (5-1)其中，是空氣密度，為風輪葉片長度，是風能利用系數(shù)的最大值，是最優(yōu)葉尖比，是發(fā)電機轉(zhuǎn)速。圖1. 功率曲線法控制原理圖圖2. 風力機功率曲線模型選為NERL提供的CART3 600kW風力機，空氣密度為，風輪半徑為20，最大風能捕獲系數(shù)為0.46，最佳葉尖速比為5.8。因此 (5-2)則功率曲線法的控制率可以表示為 (5-3)4實驗步驟（#一級標題，宋體小三）這部分主要說明在LabVIEW中如何構(gòu)建出來最優(yōu)轉(zhuǎn)矩模塊。即按matlab中所示結(jié)果為例，應(yīng)詳細說明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩模塊

14、。圖 3 風力機模擬器結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居中，10號）5實驗結(jié)果（#一級標題，宋體小三）6實驗心得（#一級標題，宋體小三）實驗四 葉尖速比控制1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）葉尖速比法利用風速計等設(shè)備測量風速，計算得到在該風速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，然后直接根據(jù)轉(zhuǎn)速計算值與測量值的誤差進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使之達到最優(yōu)轉(zhuǎn)速。NSSFC即非線性靜態(tài)反饋控制，表示在忽略外部干擾時，令轉(zhuǎn)速的計算值（參考值）與測量值（實際值）兩者的誤差滿足非線性方程，然后根據(jù)該非線性方程導(dǎo)出所需的電磁轉(zhuǎn)矩。為了使該方程穩(wěn)定，該非線性方程的系數(shù)需要滿足勞斯判據(jù)（#正文宋體小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）理解基于非線

15、性靜態(tài)反饋控制的單質(zhì)量塊的葉尖速比法，了解電磁轉(zhuǎn)矩的導(dǎo)出過程，搭建基于LabVIEW的NSSFC模塊，并結(jié)合之前的單質(zhì)量塊模型進行仿真。3實驗內(nèi)容（#一級標題，宋體小三）圖 4 基于葉尖速比的控制結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居中，10號）A、 需要觀測的量發(fā)電機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)速加速度（可以通過加速度觀測實現(xiàn)，也可以直接對轉(zhuǎn)速進行差分）B、 氣動估計首先估計氣動轉(zhuǎn)矩 其中為常值干擾（或轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)受到的常值阻力）之后使用Newton-Raphson法根據(jù)下式估計等效風速 C、 控制算法參考轉(zhuǎn)矩信號由如下公式計算得到 其中，D、 濾波器在控制流程中，除風速估計需要用到，其余仍至少需要使用兩個低通濾波器

16、：第一個為從到，使其變成一個低頻的跟蹤目標；第二個是對進行濾波，得到一個較為平滑的轉(zhuǎn)矩信號。具體濾波器形式仍需視具體情況而定。E、 整體流程采集A中所需測量的狀態(tài)量；根據(jù)B所述，獲得風速估計值和轉(zhuǎn)矩估計值，并根據(jù)獲得目標轉(zhuǎn)速；對目標轉(zhuǎn)速進行濾波，得到參考轉(zhuǎn)速；按照C所示，計算參考轉(zhuǎn)矩；對進行濾波，并將濾波后的轉(zhuǎn)矩信號施加到發(fā)電機上。4實驗步驟（#一級標題，宋體小三）這部分主要說明在LabVIEW中如何構(gòu)建出來NSFFC模塊。即按matlab中所示結(jié)果為例，應(yīng)詳細說明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的NSFFC模塊。圖 5 風力機模擬器結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居中，10號）5實驗結(jié)果（#一級

17、標題，宋體小三）6實驗心得（#一級標題，宋體小三）實驗五 變槳控制1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）變速恒頻變槳距風力機己經(jīng)成為當今國際風力機生產(chǎn)的主流方向，隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大和風力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟，在滿足了風機可靠運行的情況下，人們對更高的風能利用系數(shù)和更加平穩(wěn)的功率輸出的要求更加迫切。變獎距是指安裝在輪轂上的葉片通過控制可以改變其槳距角的大小。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在00位置不變，不作任何調(diào)節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。此時控制系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制。（#正文宋體

18、小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）了解變槳控制的若干方法原理，設(shè)計風力機變槳與轉(zhuǎn)速控制器，并在LabVIEW中搭建風力機控制模塊，實現(xiàn)風機變槳控制。3實驗內(nèi)容（#一級標題，宋體小三）1 工作原理如下圖所示的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，運行軌跡按照A-B1-C1-E。其中B1-C1為MPPT控制，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，C1-E為恒速變轉(zhuǎn)矩控制，其中的轉(zhuǎn)矩指令是通過PI調(diào)節(jié)的。而當工作點大于E之后，風機通過變槳控制使得輸出恒定的功率。圖1 變速風力機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線而變槳控制其實就改變槳距角來改變氣動的大小，由以上的分析可知風力機的特性通常由一簇功率系數(shù)的無因次性能曲線來表示，風能利用系

19、數(shù)是風力機葉尖速比和節(jié)距角的函數(shù)，即。如下圖所示的風力機曲線特性。圖2 變槳風機的特性曲線從圖中可歸納以下兩點：a對于某一固定槳葉節(jié)距角下，存在唯一的風能利用系數(shù)最大值。b對于任意的尖速比，槳葉節(jié)距角。下的風能利用系數(shù)，相對最大。隨著槳葉節(jié)距角增大，風能利用系數(shù)，明顯減小。以上兩點為變速恒頻變槳距控制提供了理論基礎(chǔ)：在風速低于額定風速時，槳葉節(jié)距角，通過變速恒頻裝置，隨風速變化改變發(fā)電機轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)速使風能利用系數(shù)恒定在，捕獲最大風能，并輸出電能頻率不變：在風速高于額定風速時，調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角從而改變發(fā)電機輸出功率，使輸出功率穩(wěn)定在額定功率附近。2 控制策略在風速低于額定轉(zhuǎn)速時，槳距角為常數(shù)，通過改變

20、電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)風電機組的最大功率點運行。當高于額定轉(zhuǎn)速時，但未達到額定功率時，風電機組通過輸入誤差為轉(zhuǎn)速輸出為轉(zhuǎn)矩的PI控制器來控制轉(zhuǎn)矩，當高于額定功率時，則給定轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，并且通過PI控制槳距角實現(xiàn)轉(zhuǎn)速恒定，達到恒功率輸出的目的?？刂撇呗匀缦聢D所示：圖3 風力機的協(xié)調(diào)控制策略槳距角的執(zhí)行機構(gòu)，通過一個一階慣性環(huán)節(jié)，通過文獻參考，按每秒不超過10O的變化率來確定。圖4 變槳風機的槳距角執(zhí)行機構(gòu)4實驗步驟（#一級標題，宋體小三）這部分主要說明在LabVIEW中如何構(gòu)建出來變槳控制模塊。即按matlab中所示結(jié)果為例，應(yīng)詳細說明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的變槳控制模塊。圖 6 風力機模擬器結(jié)構(gòu)圖（#黑體，居中，10號）5實驗結(jié)果（#一級標題，宋體小三）6實驗心得（#一級標題，宋體小三）實驗六 限功率控制1實驗?zāi)康模?一級標題，宋體小三）隨著風電場大量并入電網(wǎng)，如風力機仍采用常規(guī)MPPT控制，會使得風機輸出功率隨著風速變化而劇烈波動，影響風機輸出電能質(zhì)量，嚴重時還會影響電網(wǎng)運行穩(wěn)定性。為此，在電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度下，研究風力機的限功率控制策略，對實現(xiàn)風電場有功期望下的安全穩(wěn)定輸出具有現(xiàn)實意義。（#正文宋體小四，1.5倍行距）2實驗要求（#一級標題，宋體小三）了解不同風速區(qū)風力機限功率輸出的工作原理，設(shè)計風力機變槳與轉(zhuǎn)速控制器，并在Lab