風(fēng)力發(fā)電中的最大風(fēng)能跟蹤課件

風(fēng)力發(fā)電中的最大風(fēng)能跟蹤風(fēng)力發(fā)電中的最大風(fēng)能跟蹤一、風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)二、風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性三、風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能跟蹤技術(shù)簡(jiǎn)介一、風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)二、風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性三、風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能跟蹤技一、風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，其性能的好壞對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率及穩(wěn)定運(yùn)行有著重大的影響。如果從風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸方向上劃分可以分為垂直軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)兩種類型。垂直軸風(fēng)力機(jī)

垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向，現(xiàn)主要有Darrieus的Φ型，Δ型，Y型，H型和其他一些型號(hào)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能從任意方向獲得風(fēng)能，無(wú)需對(duì)風(fēng)機(jī)構(gòu)，無(wú)對(duì)風(fēng)損失，噪音小，而且隨著科技的發(fā)展逐步克服了其葉尖速比低，啟動(dòng)性能差等缺點(diǎn)，但在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用不多。DarrieusH型一、風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)DarrieusΦ型quietrevolution——能夠獲取風(fēng)速低或風(fēng)向比較紊亂的風(fēng)能DarrieusΦ型quietrevolution——能夠雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖水平軸風(fēng)力機(jī)

水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與風(fēng)向平行，有2~3片槳葉，啟動(dòng)能力好，技術(shù)成熟，在各個(gè)功率等級(jí)都有成熟的產(chǎn)品。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖水平軸風(fēng)力機(jī)水平軸風(fēng)由空氣動(dòng)力學(xué)理論可知風(fēng)機(jī)的輸入功率（即通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能）為：其中：為空氣密度，一般為1.25kg/m3

；為風(fēng)機(jī)葉片迎風(fēng)掃掠面積；為空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)掃掠面以前的風(fēng)速。

考慮到風(fēng)機(jī)的輸入功率并不能被完全轉(zhuǎn)化為主軸上的機(jī)械功率，引入風(fēng)能利用系數(shù)：它是一個(gè)與風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速和槳葉節(jié)距角有關(guān)的量，所謂的風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能的跟蹤就是指在風(fēng)速變化的時(shí)候保持為最大的值。二、風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性一些基本概念由空氣動(dòng)力學(xué)理論可知風(fēng)機(jī)的輸入功率（即通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)能）

我們已知是葉尖速比和槳葉節(jié)距角的函數(shù)，即：在固定的風(fēng)速下，得到下面的風(fēng)機(jī)特性曲線：其中：為葉片的半徑，為葉片旋轉(zhuǎn)的角速度，為葉片旋轉(zhuǎn)的速度。定義葉尖速比：葉片的葉尖線速度與風(fēng)速之比。即：我們已知是葉尖速比和槳葉節(jié)距角的函數(shù)，即：

根據(jù)槳距角是否可調(diào)，風(fēng)機(jī)又可分為定槳距和變槳距風(fēng)機(jī)兩種，在定槳距風(fēng)機(jī)中，是不可變的，在風(fēng)速一定的情況下，與成單一的函數(shù)關(guān)系，這樣就可以簡(jiǎn)化我們的控制。根據(jù)槳距角是否可調(diào)，風(fēng)機(jī)又可分為定槳距和變槳距風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域：各運(yùn)行區(qū)域風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率PO各區(qū)域發(fā)電機(jī)的輸出功率Pe啟動(dòng)區(qū)：

在切入風(fēng)速之前系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，可調(diào)節(jié)槳距角使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速恒定，當(dāng)達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)控制。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行區(qū)域：各運(yùn)行區(qū)域風(fēng)機(jī)輸出的機(jī)械功率PO各區(qū)最大風(fēng)能跟蹤區(qū)：

一般采用定槳距控制，通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)的控制，使風(fēng)機(jī)獲得的風(fēng)能量最大。也可以對(duì)風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)子系統(tǒng)進(jìn)行配合控制。恒轉(zhuǎn)速區(qū)：

此時(shí)風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，但風(fēng)力機(jī)的輸出功率沒(méi)有達(dá)到額定輸出功率，為了保護(hù)機(jī)組不受損壞，不再進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤控制，而是通過(guò)風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)調(diào)節(jié)槳葉節(jié)距角將機(jī)組轉(zhuǎn)速限制到最大允許轉(zhuǎn)速上繼續(xù)發(fā)電運(yùn)行。恒功率區(qū)：

隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械功率不斷增大，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)將達(dá)到其功率極限，因此必須控制機(jī)組的功率小于其功率極限。由風(fēng)力機(jī)控制子系統(tǒng)通過(guò)變槳距控制實(shí)現(xiàn)機(jī)組的恒功率控制的。最大風(fēng)能跟蹤區(qū)：一般采用定槳距控制，通過(guò)對(duì)發(fā)在定槳距情況下，與在不同的風(fēng)速下成如下圖所示的關(guān)系：從圖上可以看出，在定槳距情況下最大風(fēng)能跟蹤實(shí)質(zhì)上就是控制發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。在定槳距情況下，與在不同的風(fēng)速下成如下圖所示1.最佳葉尖速比法

當(dāng)風(fēng)速可測(cè)時(shí)，可以采用最佳葉尖速比法。根據(jù)風(fēng)輪機(jī)功率特性，可以事先確定每一風(fēng)速下的最佳的葉尖速比λ*，然后實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)際風(fēng)速和機(jī)組轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持實(shí)際的λ等于λ*，從而獲得最大風(fēng)能。但是由于風(fēng)速的隨機(jī)性和不確定性，實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速會(huì)增加系統(tǒng)的成本和實(shí)際執(zhí)行的難度，其精度也難以保證。其控制框圖如下所示：三、風(fēng)力發(fā)電最大風(fēng)能跟蹤技術(shù)簡(jiǎn)介1.最佳葉尖速比法當(dāng)風(fēng)速可測(cè)時(shí)，可以采用最佳2.功率反饋法

該方法省去了風(fēng)速檢測(cè)裝置，運(yùn)用了能量平衡的原理，根據(jù)風(fēng)機(jī)的最大功率曲線控制發(fā)電機(jī)的功率輸出，逐步實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤。對(duì)于不同的風(fēng)輪機(jī)，最大功率曲線需要事先通過(guò)仿真或試驗(yàn)測(cè)得，這會(huì)增加功率反饋控制難度和實(shí)際應(yīng)用的成本。通過(guò)前面的推導(dǎo)，我們可得電機(jī)轉(zhuǎn)速和最大風(fēng)能之間的關(guān)系如下：2.功率反饋法該方法省去了風(fēng)速檢測(cè)裝置，運(yùn)3.爬山法

爬山法是為了克服前兩種算法的缺點(diǎn)而提出來(lái)的，它無(wú)需測(cè)量風(fēng)速，也不需要事先知道具體風(fēng)輪機(jī)的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動(dòng)，然后通過(guò)測(cè)量功率的變化來(lái)自動(dòng)搜索發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)且高效。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3.爬山法爬山法是為了克服前兩種算法的缺點(diǎn)而提

傳統(tǒng)的爬山法采用固定步長(zhǎng)，當(dāng)風(fēng)速變化較快時(shí)，轉(zhuǎn)速不能快速地響應(yīng)風(fēng)速的變化；而風(fēng)速