风力发电机组控制系统设计-—最大功率点跟踪控制

课程设计说明书

风力发电机组控制系统设计-最大功率点跟踪控制

专业新能源科学与工程

学生姓名喻绸绢

班级能源121

学号1210604122

指导教师薛迎成

完成日期2015年12月14日

1。控制功能设计要求 0

1.1任务 0

2。设计 (2)

2。1 介绍对象（风力发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究)2 2。2控制系统方案 (2)

2.2.1风力机最大功率点跟踪原理 (2)

2.2.2风力机发电系统 (5)

2。2。3风速变化时的系统跟踪过程 (10)

3。硬件设计 (12)

4。软件设计 (15)

5.仿真或调试 (16)

参考文献 (18)

1.控制功能设计要求

1.1任务

能源与环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题而传统能源已被过度消耗，因此,可再生能源的开发利用越来越受到重视和关注，其中风能具有分布广、储量大、利用方便、无污染等优点是最具大规模开发利用前景的新能源之一。

目前，变速恒频风力发电系统已经广泛用于实际风机中,在低于额定风速的情况下根据风速变化的情况调节风机转速,使其运行于最优功率点，从而捕获最大风能；在高于额定风速时,通过对桨距角的调节，使风机以额定功率输出。常用最大功率捕获方法主要有功率反馈法、模糊控制法、混合控制法等。为了充分利用风能,提高风电机组的发电总量，本文分析风机特性及最大功率点跟踪（maximum pow er point tracking MPPT）工作原理。众多的MPPT实现方法各有千秋,对于不同的应用场所各有所长，对于多种方案,需要进行大量细致的实验工作和数据分析。

风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源,风能的获取不仅与风力发电机的机械特性有关，还与其采用的控制方法有关。在某一风机转速情况下，风速越大时风力机的输出功率越大，而对某一风速而言，总有一最大功率点存在。只有当风力发电机工作在最佳叶尖速比时，才能输出最大功率.好的控制方法可使风轮的转速迅速跟踪风速变化，使风力发电机始终保持在最佳叶尖速比上运行，从而最大限度地

获得风能.要保证最大限度地将捕获到的风能转化为电能,目前一般采用最大功率点追踪控制（MPPT)控制策略。最大功率点跟踪(MPPT）是在可变风速条件下提高风力机能量转换效率的有效方法. 变速风电系统目前一般采用最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking,MPPT）的控制策略.

2.设计

2。1 介绍对象（风力发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究）双馈风力发电系统最大功率点跟踪通常基于实验测定的最佳风速．功率一转速曲线,但在长期运行中系统参数的变化会使实际最大功率点偏离原曲线，影响最大功率跟踪效果。在分析风力机特性、双馈风力发电机数学模型及功率关系的基础上，提出了一种以向电网输出电能最大为目标、不依赖最佳风速．功率．转速曲线的最大功率点跟踪策略，实现了定子输出有功、无功解耦控制。仿真和实验证明，基于该方法，双馈风力发电系统在风速变化过程中能自动寻找并跟随最大功率点,且控制相对简单，运行可靠，有较高的实用价值。

2.2控制系统方案

2。2。1风力机最大功率点跟踪原理

根据贝茨理论，风力机从风中捕获的功率为

其中ρ表示空气密度，β表示桨距角，表示风力机的风能利用系数，R 是风轮的半径，ν表示风速，λ表示叶尖速比，ω为风力机的角频率（rad/s）。

风能利用系数与叶尖速比之间的关系如图 2—1 所示。

图2—1

由上图可见，风能利用系数随着叶尖速比λ的变化而变化。当时，即为风能利用系数的最大值。而叶尖速比，在风速变化时,相应地调节风轮的转速就可以将叶尖速比维持在处，此时风能利用系数为最大值，风力机对风能的捕获量最大，即运行在最大功率点上.

在不同的风速下，风力机的输出功率与风轮转速的关系,如图 2—2 所示，其中，P 表示风力机的输出功率，ω表示风轮的转速，ω1 、ω2 、ω3 分别为风力机在风速为υ1 、υ2 、υ3 时相应于最大输出功率P1 、P 2、P3的风轮转速.由图 2-4 可以看出，在风速一定的情况下,输出功率随着风轮转速的变化而变化，其中存在着一个与最大功率点相对应的叶尖速比，此时的风能利用系数为最大值。在风速发生变化时，风力机最大功率点所对应的风轮转速也不同。把不同风速下的风力机输出最大功率点相连,将得到一条曲线即为风力机的最大功率曲线。为了提高风力机的效率，在风速发生改变时,就必须对风力机实行变速控制，使其始终运行在最大功率曲线上。在风速变化时，通过调节风力机的转速,将叶尖速比维持在处,以确保风力机运行在最大功率曲线上,即为对风力机最大功率点的跟踪控制原理.

图2—2 风力机输出功率与转速的关系

图 2-3 为风速变化时，变速风力机对最大功率点的跟踪过程。在风速为

ν1 时，风力机运行于 A 点,为了追踪最大功率点 B，需要增加风力机风轮的转速ω。

图2—3 风力机工作点的变化

当ω = ω1时,风力机运行于 B 点，A→B 的变化过程即为变速风力机在风速ν1 下，对最大功率点 B 的追踪过程。当风速从ν1 增加到ν3 时，风力机的运行状态将从 B 点跳变到 C 点，同样为追踪该风速下的风力机的最大功率点，需要增加风力机转速ω，当ω =ω3时，风力机运行于对应风速ν3下的最大功率点 D 点,C→D 的变化过程即为变速风力机在风速ν3 下,对最大功率点 D 的追踪过程。同理,当风速从ν3 下降到ν2 时，风力机的运行状态从 D 点跳变到E 点，而 E 点位于风速为ν2 时的风力机的最大功率点 F 点的右

侧，所以应该减小风力机的转速ω直到ω = ω2，此时风力机运行在最大功率点 F 点.E→F的变化过程是风力机在风速为ν2 时，对最大功率点的追踪过程。以上即为变速风力机在风速发生变化时对最大功率点的跟踪过程。

2。2。2风力机发电系统

双馈风力发电机数学模型及能量关系

同步旋转坐标系下的DFIG矢量方程

双馈电机在三相静止ABC坐标系是一个多变量、强耦合、非线性高阶系统。经过三相静止到两相旋转坐标变换后，同步旋转坐标系下的DFIG矢量模型如式（3）和式（4）所示。

u3=R s i s+pψs+jω1ψs u r=R r i r+pψr+jω3ψr （3）

Ψr= Lmis+Lrir ψs=Lsis+Lmir （4)

式中 u s, u r——定转子端电压矢量；

i s, i r—-定转子绕组中的电流矢量；

ψs, ψs—-定转子绕组中的磁链矢量;

ω1-—发电机的同步角速度；

ωs——转差角速度；

L ms-—定子互感;

L ls——定子漏感

L1r-—转子漏感。

且 Lm=1。5Lms;Ls=Lls+Lm；Lr=Llr+Lm。

根据式（1)和式(2)可得矢量形式的等效电路如图1所示。

图1 DFIG矢量形式的等效电路

由于定子电压受到电网钳制，频率、幅值、相位基本不变，因此可忽略定子磁链动态变化过程, 将电压方程式（4）降阶为式（6）。

U s=R s i s+jω1ψs u r=R r i r+pψr+jωsψr （6）

式(6)可作为变速恒频双馈电机风力发电矢量控制依据,按照不同的定向方式可以得到不同的控制方案。

DFIG 运行时的功率分析

双馈电机由励磁电源和电网两边向电机供电，由图 4 和式(4）可得绕线式双馈电机输入总有功功率为

P=P s+P r

=Re［u s i*s］+Re[u r i*r］

=R S｜i s|2+R r|I r|2+Re[Pψs i＊s+Pψr i*r]+Re[jw1ψs i＊s+jw1ψr i*r]

=P cu+P f+P e （8)

式中P s——定子输入功率;

P r——转子输入功率;

P cu--定转子总的铜耗；

P f-—磁场变化引起的功率变化；

P e——电磁功率。

而电磁功率P e由定子电磁功率P es和转子电磁功率组成，将其展开为 dq 轴形式，可得

P e=P es+P er

=Re［jw1ψs i＊s+jw1ψr i*r]

=w1L m（i rd i sq-i rq i sd)-w s L m(i rd i sq-i rq i sd）

=n p w r L m(i rd i sq—i rq i sd）（9）

将式（8）代入式（9）可得

P mech=n pωr L m(i rq i sd−i rd i sq）（10）

系统次同步和超同步状态下的功率流动关系如图 4 所示。

图4 双馈电机的功率流动关系

P es:P er：P mech=(1/（1-s)):(s/（1—s))：1

式中s—-转差率。

由上式可见，在输入机械功率保持恒定时，转速的变化将直接改变定、转子输入的能量大小和流向。降低转速，定子输出功率一定增大，但同时转子也吸收更多的功率；提升转速，定子输出能力下降，但是转子吸收功率也相应减少甚至向电网馈送能量。因此双馈风力发电系统最大功率点追踪，就是要在一定风速下使定子与交流励磁电源总输出功率P out最大.P out与P mech关系如下：

P out=P mech—P cus-P cur—P loss=P mech-R s(i sd2+i sq2）−R r′(i rd

2)(12）

2+i

式中p loss——变频器损耗；

R r′——变频器损耗折合到转子侧后总的转子等效电阻。

所以在某一风速下须跟踪的最佳转速点并不是风能最大点对应的转速ωa,而是总输出功率最大点对应的转速ωb.且由于铜耗是电流的函数，因此总输出功率的大小及其对应的最佳转速不仅与有功电流有关而且与定子对电网进行无功补偿时输出无功功率的大小也有关系，但其单峰特性不变。输入机械功率P mech扣除损耗后，可得到如图 5 所示的输出电功率P out曲线，其中Q out=0。

由图 3 和式（4）可得绕线式双馈电机输入无功功率关系

Q s+Q r=Im（jω1ψs i s*)+Im(jωsψr i r＊)

可化简得

sQ s+Q r=w s L s|i s｜2+w s L r｜i r｜2

=2w s L m｜i s｜｜i r|cosθ（13)

式中θ——定、转子矢量的夹角。

图 5 机械功率与 DFIG 输出总功率关系图

由式（13)可见,定、转子共同向电机提供无功功率，其大小与定、转子电流及电机电感量有关。当定子单位功率因数发电时,电机所需的无功功率全部由转子电源提供；当定子向电网补偿容性无功时，转子不但要提供电机的无功功率而且需要提供额外的无功给定子作为补偿输出.但是转子变换器由于直流环节的存在,其电机侧无功Q r和网侧的无功Q g是解耦的，因此仍能保证输送到电网总的无功功率为零或者作容性补偿,其最大补偿量由转子励磁电源容量决定.

综上所述，可以设计系统转速外环和无功功率外环,再结合所设计的转子内环控制器,可以实现转速与定子无功功率解耦控制，系统整体结构如图 6 所示。

图6 双馈电机定子电压定向最大功率点跟踪控制结构框图

2。2.3风速变化时的系统跟踪过程

在实现了转速、无功解耦控制的基础上，再利用输出总功率特性曲线的单峰特性，实现最大功率点跟踪。具体算法如下：系统从进入追踪状态时刻的初始转速开始工作，然后每个循环主动地增大或减小一个指令步长。如果本次输出总功率大于上次功率，则继续保持调节方向;否则就改变调节方向。以图7为例说明风速变化时系统工作状态。在双馈风力发电系统柔性并网后，并不向电网输出功率，所以起始工作点为A。然后切换到最大功率点跟踪策略，转速降低且功率增大,工作点自动调节到B附近。当风速突然减小时，由于风力机转动惯量较大，转速不会突变,工作点从B下降到C而功率突减。此时系统会主动调节转速,自动寻找功率增大的方向，并最终逐渐运行到D 点。反之，当风速增大时，工作点由D上升到E，转速不变功率突增，然后系统再追踪功率增大的方向，运行到F,稳定在最大功率点附

近。

图7在风速变化时的系统跟踪过程

3.硬件设计

如图所示的拓扑结构中采用三相不控二极管整流桥,由于缺乏励磁控制，永磁电机产生与电机转轴速度成比例的电动势。因此为了得到最佳的空气动力学上的效率，风力机转速要与风速成正比变化.而永磁电机和二极管整流器系统是完全不可控的，所以要通过 Sepic 变换器或者逆变器控制永磁电机发出的电能来实现对电磁转矩的控制，以得到理想的运行速度。本节主要研究 Sepic 变换器的特性。

图8为双重 Sepic 变换器的拓扑结构电路图.双重 Sepic 变换器是由两个结构和参数相同的单重 Sepic 变换器（见图8）并联组成。

（a）

（b）

图 8 变换器的拓扑结构

首先分析单重 Sepic 变换器输入电压U1 和输出电压U0 的关系：

如图 8所示：在该电路中稳态时电感 L1和 L2的电压在一个周期内都为零。

在开关管 V 处于通态的时间ton,有： UA =0; UB =−UC1 .

在开关管 V 处于断态的时间toff，有： UA= UC1+U0； UB=U0。

因此,A 点在一个开关周期内的平均电压为：

又因为电感 L1的电压在一个周期内为零，所以

B 点在一个开关周期内的平均电压为

又因为电感 L2的电压在一个周期内为零，所以

可得:

式中, ton为开关管处于通态的时间； toff为开关管处于断态

的时间； T 为开关周期; α为导通占空比,变化范围为［0,1］。由式 3。6 可知：在U0 不变的条件下，调节 PWM 触发脉冲的占空比α大小，就可以控制U1 的大小,进而调节发电机的转速以及风力机的转速，实现风力机的变速运行。

双重 Sepic 变换器输入电压U 1和输出电压U0 的关系与单重 Sepic 变换器输入电压U1 和输出电压U0 的关系相同.双重Sepic 变换器是由两个触发脉冲互差 1/2 开关周期的单重 Sepic 变换器并联组成,当两个单重 Sepic 变换器的输入电流相叠加后，电流值峰谷相错而合成较平滑的输入总电流,此电流的平均值是每个单重 Sepic 变换器电流平均值的 2 倍，电流谐波频率也是单重 Sepic 变换器的 2 倍,然而电流脉动幅值却降低到单重 Sepic 变换器的1/2 倍。由此可见，变换器的双重化可以有效地减小电流的谐波、降低电机的转矩脉动，从而可以在稳定状态时，减小风力机输出功率的波动量(对此后面将给出仿真结果予以证实);同时并联的两个 Sepic 变换器可互为备用,若其中的一个

变换器发生故障,另一个可以继续运行，使得整体的可靠性得以提高.

4.软件设计

5.仿真或调试

为了验证控制策略的有效性，分别进行了仿真和实验研究，使用参数为：双馈电机额定功率P=3kW,定子连接方式Y接,电阻1.35Ω，漏感9.04mH；转子连接方式Y接，电阻1。45Ω,漏感9.04mH；励磁电感258.5mH;参数均折算到定子侧。 5.1 仿真结果

为验证最大功率点追踪性能，系统在1400r/min时并网，然后进行最大功率点追踪,最后稳定在720r/min左右略有波动，总输出功率达到最大1200W，如图8a所示.为了考察在不同转速下的有功功率分配情况，在并网后使电机在2000~500r/min范围内连续调速,无功给定为零。图8 b上图为转速曲线，中间为总损耗曲线，下图虚线为Pmech，实线为Pout.可以看出Pmech和Pout之间存在差值，即损耗功率,且呈二次曲线扩大。如果采用Pmech最大为追踪目标，则系统对应速度为1000r/min,实际输出功率为1550W，而直接以Pout最大为追踪目标，系统对应速度为1100r/min，输出功率为1670W。如果增大系统功率，则两者差值也会相应增大。该仿真验证了以总输出功率Pout 作为最大功率点跟踪目标的正确性。图8c为转速给定从1300r/min 变化到1100r/min时的转速响应曲线。仿真结果表明，该系统具有良好的动态性能和静态控制精度。

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力发电系统进行结构优化设计。本项目研究成果将为风电机组的安全稳定运行提供理论依据，并为实现风电机组的高效稳定运行提供理论依据。 2.2变速恒频风力发电技术优势风力发电技术在风力发电中的应用具有明显的优势。在风力发电的过程中，使用变速恒频的风力发电技术，能够从最大功率的角度来确保发电系统的平稳运转，不仅能够在某种程度上增加风电系统的发电量，还能够提升风电系统的运行效率。风电机组的寿命与风电机组的技术有很大关系，通过变转速、恒频率的风电机组，可以将机组的损伤降到最低，提高机组的使用寿命，降低机组的运营费用。此外，采用变频调速技术，对噪音的压制效果更好。通过对电力系统的分析，提出了一种基于微机的电力系统的电力系统设计方法。 3风力发电系统最大风能追踪控制方式 3.1最大风能追踪控制原理 “最大风能跟踪控制”要求在满足实际风力的前提下，对发电机组的实时运行状况进行持续的调节，最好的情况是：当前的风力足够将风力发电机的叶片的转速提升到额定值，将风力发电的效率提升到最大的额定值。不过，这个时候，就需要对“风能捕获”的控制了。如果没有这一点，叶片的速度就会变得更快，甚至有可能失去控制。总的来说，风力发电机的出力是在叶片速度到达一定程度后，才能达到最大的。这个数值被称作“最佳转速”，当它达到时，风力发电机的“叶尖速比”将达到最大，风力发电效率也将提升至最高。这样就可以最大限度地捕捉风力了。总之，风电机组在“变化”的情况下，需要按照特定的风速值，不停地调节机组的速度。若能让风力发电机的旋转速度与“最优功率曲线”保持一致，则可获得最大的风力发电效率。在风力发电系统的实际运行过程中，因为双馈风力发电机具有变速齿轮，所以它的作用是：可以将发电机的转速最高提高到风力机转速的N倍（这里的N并不是随机常数，而是一个定值，也就是变速齿轮的增速比）。所以，通过对发电机的旋转速度的有效控制，就可以实现“不管风力大小怎样，风力发电机组的旋转速度都可以达到最优旋转速度，从而得到最优的叶顶速比和最大的输出功率”的目标。但是，以上的理论都只是在实验中提

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直驱式永磁同步风力发电机最大功率跟踪的基本控制方法一、最大风能捕获控制的基本原理风能作用在风轮上，风能只有一部分可以被风轮吸收。风力机从风能中捕获的功率P w 可表示为式中P w ——风力机从风能中捕获的风功率； ρ——空气密度； A——风力机扫风面积； v——风速； C p ——风力机的风能利用系数。在桨距角一定的情况下，C p 是叶尖速比λ的函数，λ为式中ω w ——风力机机械角速度； R tur ——风轮半径； v——风速。在实际应用中常用风能利用系数C p 对叶尖速比λ的变化曲线表示该风轮的空气动力特性，如图7-4和图7-5所示。图7-4 风轮气动特性（C p- λ）曲线

图7-5 永磁同步发电机不同转速从短路状态到开路状态的全特性曲线时就可以获得最大风能利当桨距角一定时，风力机运行于最佳叶尖速比λ opt ，此时风力机的转换效率最高，即用系数C pmax 式中ω ——风力机的最优机械角速度； opt λ ——最佳叶尖速比。 opt 成比例调节，以保持λ总在最优。上式要求风轮机组的转速ω可以随风速v 1 在直驱式永磁同步风力发电系统中，风力发电机与风力机直接相连，风力发电机组的动态特性可以用一个简单的数学模型描述为 ——风力发电机组的转动惯量；式中J tur ——风力机的气动转矩； T tur T ——风力发电机电磁转矩。 em 为风力机气动转矩T tur 其中

式中ρ——空气密度； β——桨距角； C T ——风力机转矩系数； C p ——风能利用系数。稳态时，当风力机运行在一个最佳叶尖速比λ opt 时，有一个最佳功率系数C popt 与之对应，且转矩系数C T =C popt /λ opt =C Topt 也为常数，此时捕获的风能为最大，为式中S——风轮扫风面积。稳态时，当忽略摩擦阻力转矩，发电机的电磁转矩应该与风力机气动转矩相等，即式（7-7）是在稳态条件下推导出来的发电机电磁转矩与转速之间的关系，它可以作为用于控制电机转矩的给定值，是发电机转速的函数。即当风速在额定风速以下时，发电机的电磁转矩按照式（7-12）的关系控制，整个系统就能够实现最大风能的捕获，这就是额定风速以下最大风能捕获的基本原理。因此，对于某一特定风速，风力发电机应在一个特定的转速下运行才能实现对风能的最大捕获。在一定风速下，风力发电机的功率曲线上有一最优转速和最大功率点，将不同风速下的最大功率点连接起来可得到最佳功率曲线。实现最大风能跟踪的要求是在风速变化时及时调整风力发电机转速，使其始终保持最佳叶尖速比运行，从而保证系统运行于最佳功率曲线上。对风力机转速的控制可通过风力机变桨调节，也可通过控制发电机输出功率进行调节。二最大风能捕获控制的基本策略实现最大风能捕获的关键是提高风能利用系数。这就需要根据风速的变化及时调整风力机的转速，时刻保持叶尖速比为最佳值，实现风力发电机组在变速运行时的最大风能捕获。目前最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）的控制策略已经被广泛应用。根据各种不同MPPT控制策略的特点，把它们划分为以下三种。

风力发电机组控制系统设计-—最大功率点跟踪控制

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直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制策略探究摘要:在直驱式永磁同步风力发电系统运行的过程中，对其最大功率进行追踪控制是掌握其实时状态的重要工作。本文将对直驱式永磁同步风力发电系统最大功率进行分析，并探讨其追踪控制的策略。关键词:直驱式永磁同步风力发电最大功率追踪一、最大功率的追踪原理（一）风力机的输出特性风力机叶片的半径用r表示，ρ则代表着空气的密度，v是实际测得的风速。则能用以下的函数关系来表示风力机轴上的机械功率输出：式（4）中风力机输出的机械功率与转速之间的关系称为最佳功率曲线，而在式（5）中机械转矩与转速呈现出的函数变化关系则是最佳转矩曲线。在风速保持不变的情况下风力机保持最大功率的稳定运行，叶尖线边缘瞬时速度将能与风速保持式（3）的函数关系，也就是说此时的风力机叶尖速比处于最佳，而最佳功率曲线和最佳转矩曲线分别在此时满足式（4）和式（5）。在风力机运行时风速不稳定的状况下，风力机所提供的机械功率输出、机械转矩和最佳功率、最佳转矩曲线可以用图2来表示（二）最大功率追踪原理及具体实现方案在图2（b）所表示的函数中，通过人为的办法对发电机的运行状态进行调节，使转矩和转速在一定条件下跟式（5）中的函数关系保持一致，系统将能在风力机转矩特性与发电机机械特性的交点处达到平衡。图2（b）中的A、B、C、D四个点分别代表不同风速下风力机的最大输出功率，而风力机在这时的叶尖速比处于最佳，并且这四个平衡点处于稳定状态，满足以下公式：对功率进行控制。由于实际操作不能准确地测定发电机能从轴上得到多少能量，所以一般会以并网条件下的有功功率作为这个值，并通过控制有功功率来完成对发电机的功率控制。而在发电机工作的过程中，会因为自身克服阻力而产生能量的损耗，而这些损耗很难计算却又不能忽略不计，所以实际测定会出现较大偏差。对转矩进行控制。在实际的操作中，不论是对功率进行控制还是对转速进行控制，都要通过改变转矩来完成。所以控制转矩的方法是最大功率追踪的最佳方法。以最佳转矩减和空载转矩之间的差作为电磁转矩，用以下公式进行表达：其中空载转矩是指在电机工作过程中各种损耗之和。对转矩进行控制是实现发电机功率追踪的最佳办法，而在永磁同步发电机中，对电磁转矩的有效控制则需要采用矢量控制的方式来完成。三、最大功率的追踪控制（一）最大功率的追踪对于永磁同步发电机而言，进行最大功率追踪控制实际上就是对发电机电磁转矩进行控制。而根据实际研究的结果可以知道，对电磁转矩的控制实际上就是要控制发电机的转矩分量。

风力发电系统最大功率追踪控制设计

风力发电系统最大功率追踪控制设计摘要风力发电系统是一种绿色、清洁的能源系统，具有深远的社会和经济意义。为了提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性，本文基于最大功率追踪控制理论，设计了一种基于模糊控制的风力发电系统最大功率追踪控制策略，研究表明该控制策略具有较好的控制效果。关键词：风力发电系统；最大功率追踪控制；模糊控制 Abstract Wind power generation system is a green and clean energy system with profound social and economic significance. In order to improve the energy conversion efficiency and stability of wind power generation system, this paper designs a maximum power point tracking control strategy based on fuzzy control theory, which has better control effect according to the research. Keywords: Wind Power Generation System; Maximum Power Point Tracking Control; Fuzzy Control 1. 引言随着能源危机不断加剧和环境问题日益突出，可再生能源得到了广泛的关注和研究。风力发电是一种绿色、清洁的能源，具有广泛的应用前景和巨大的经济效益。然而，由于风力发电机的风速、转速和负载变化等因素的影响，风力发电系统在实际运行中会出现能量损失和不稳定等问题，因此，提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性，是当前研究的热点和难点问题[1]。 2. 风力发电系统最大功率追踪控制风力发电系统最大功率追踪控制是指在一定的风速和负载情况下，将风力发电机中的最大功率转化为输出功率的控制过程[2]。最大功率追踪控制可以有效地提高风力发电系统的能量转换效率和稳定性。最

风力发电系统控制与优化技术研究

风力发电系统控制与优化技术研究近年来，由于能源需求的不断增长和环保意识的提高，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式受到了广泛关注和应用。风力发电系统的控制与优化技术研究，对于提高风电的发电效率、降低成本、保障电网的稳定运行具有重要意义。本文将从风力发电系统的控制策略、风机控制技术以及优化算法等方面进行详细阐述。首先，风力发电系统的控制策略是提高风电系统运行效率的关键。常见的控制策略包括最大功率点跟踪控制、风电场的协调控制以及故障检测与诊断等。最大功率点跟踪控制是目前应用较为广泛的一种控制策略，通过不断调整风机叶片角度和转速等参数，使得风机在不同风速下都能够工作在最大功率点，从而最大限度地提高发电效率。而风电场的协调控制则是通过集中控制风电场中的多台风机，实现对风电场的整体功率和频率的调节，保证风电系统与电网的协调运行。另外，故障检测与诊断技术的研究能够实现对风力发电系统故障的快速定位和诊断，提高风电系统的可靠性和可维护性。其次，风机控制技术是风力发电系统控制与优化技术研究的重要内容之一。风机控制策略的优化可以提高风能的捕获率、减少机械载荷和振动，从而延长风机的寿命。风机控制技术主要包括变桨控制、变速控制以及响应控制等。变桨控制通过调整叶片角度，使得风机在不同风速下能够获得最大的捕获风能，实现最大功率点跟踪。变速控制则是根据风速的变化，调整风机的转速，使得发电机一直工作在最佳转速范围，提高风电系统的发电效率。响应控制则是通过对风机节点的数据进行实时监测和控制，在风机叶片受到风速变化冲击时，实现快速的响应，减少风机叶片的损伤。最后，优化算法在风力发电系统控制与优化技术研究中起到了至关重要的作用。优化算法的应用可以帮助寻找最佳的控制参数组合，提高风电系统的发电效率。常见的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。遗传算法通过模拟生物进化的过程，从初始群体中筛选出最佳个体，不断迭代优化控制参数，以达到最优控制效果。粒子群算法则通过模拟鸟群寻找食物的过程，不断调整粒子速度与位置，寻找全局最优解。模拟退火算法则模拟金属退火时的过程，通过温度的不断降低，从而搜索全局最优解。综上所述，风力发电系统的控制与优化技术研究对于提高风电系统的发电效率、降低成本、保障电网的稳定运行具有重要意义。通过优化风力发电系统的控制策略、风机控制技术以及应用优化算法，可以提高风电系统的发电效率，并降低对电网的影响。随着科技的不断进步，相信风力发电系统的

风力发电机最大功率控制方法的研究

摘要：风力发电是一种十分清洁的新型产能方式，具有可不断再生、无污染、设备安装便利的特点，因此，受到世界各国的普遍重视。虽然风力发电有很多优点，但也存在一个重大的问题，由于风力发电的能量来源取决于风，无法人为控制风速大小及能量强弱，因此在发电过程中，扇叶的转速也十分不稳定，虽然很多专家学者进行了相关研究，实现了风机相对稳定的产能结构，但是还是无法确保发电机的高效和稳定输出。在这种情况下，一些学者提出了最大功率点跟踪技术，并迅速在风电研究中获得了快速推广。关键词：风力发电机;最大功率;控制方法; 引言调节变桨距的风力机功率时主要依靠叶片自身特有的气动特点，与此同时还可以针对叶片桨的距角进行相应的调整也可以达到调节的目的。在风电机组的额定的风速下，有效的对桨距的角度控制在零度较小的标准范围中，进而其达到一台定桨距的风力机，而发电机所输出的相应功率则依据叶片自身的气动性伴随风速的变化；如果实际的功率高于额定的标准功率时，变桨距会对叶片的桨距角进行相应的调整，进而确保发电机所输出的功率被局限于额定标准范围的附近，由此最终达到以恒定功率的运行状态。 1 国内风力发电的现状就技术层面而言，国内的风力发电主要分成了三步走的策略，首先引进国外先进的技术，其次对国外的先进技术进行消化吸收和转化，最后实现自我技术的提升与创新。目前我国传统的电力设备逐渐退出市场，而当前的电力设备进行了更新与换代，我国当前的风力发电的设备也在蓬勃的发展，其组设置也在逐渐提高，就发电行业而言，我国设备和关键零件都能够满足我国当前风力发电的需求。所以加强风力发电装备设置的技术创新，促进自主创新能力的提高，能够有效地推动风力发电系统的完善与进步，风力发电的关键技术也是推动风力发电，甚至我国电力行业进步的重要内容，其中控制系统是其关键的内容，为了推动该行业的发展，需要有效地提高控制系统的效率。 2 风电系统性能分析 2.1风力发电结构分析在我国一般把50W～10kW的风力发电机定义为小型风力发电系统。小型风力发电系统一般都可分为产能、发电、储能三个部分：产能部由风轮和风机控制装置组成，负责收集风能；发电部分由发电机、功率控制器等部件组成，负责将风能转变为电能；储能部分由蓄电

风电场风电机群最大功率跟踪控制技术研究

风电场风电机群最大功率跟踪控制技术研究随着全球对可再生能源的需求增加，风能发电作为一种清洁且可再生的能源得到了广泛的关注和应用。风电场是将多台风力发电机集成在一起，形成一组风电机群并联输出电能。其中，风电机群最大功率跟踪（MPPT）控制技术对于提高风电发电效率和经济效益具有重要意义，因此成为研究的热点之一。本文就风电机群最大功率跟踪控制技术进行系统地探讨。一、风电场发电原理及结构风电场是由多个风力发电机组成的一种可再生能源发电系统。它是以风力驱动风力发电机转动，使发电机产生变化的磁场，从而在发电机中产生感应电动势，最终转换成电能输出给电网。风电场的发电组件主要包括：风力机、传动系统、电气设备和电网接口等。风力机是风电场最基本的发电单元。常见的风力机有水平轴风力机和竖轴风力机两种，其中水平轴风力机占有主导地位。水平轴风力机通过传动系统将风轮的旋转转速提高到同步发电机的转速，最终将机械能转换成电能输出到电网。二、风电机群最大功率跟踪问题当多台风力发电机并联共同发电时，由于外界环境的变化，例如风速和风向的变化等，每一个风力机的输出功率会产生波动，这就会影响整个风电场的发电效率和经济性。因此，需要寻找一种合适的控制方法来解决这个问题。风电机群最大功率跟踪即是指当多台风力机并联运行时，通过采集实时风速、转速等数据，计算出最佳发电功率，然后通过控制系统调节各发电机的输出功率，以达到风电机群最大功率输出。三、风电机群最大功率跟踪控制技术

实现风电机群最大功率跟踪需要运用一些控制策略和技术手段。下面分别介绍几种常用的控制技术。 1、PID控制 PID控制是目前最常用的一种控制技术。 PID控制器主要由比例、积分、微分三部分组成，通过调节参数来实现风电机群的最大功率跟踪，它的优点是实现简单、易于理解。 2、模糊PID控制模糊PID控制是将模糊控制理论与PID控制相结合而产生的一种控制技术。它通过模糊化输入数据与输出数据，来控制控制系统的输出，使之更加精确和稳定。 3、最大功率点跟踪（P&O）控制最大功率点跟踪控制是一种简单而有效的控制技术。它通过测量输出电压和电流产生一个代表着风电机的工作状态的信号，然后根据该信号调整发电机的输出功率。它的特点是响应速度快，但针对不同的工作状态需要重新调整参数。四、结论风电机群最大功率跟踪技术的研究可以提高风电场的发电效率和经济性，对于可持续发展来说具有重要意义。本文探讨了风电机群最大功率跟踪的原理、问题和常见的控制技术，作为一种新型的清洁能源，风能的研究和应用仍有很大的发展空间。

风力发电系统控制策略研究

风力发电系统控制策略研究随着全球能源需求不断增长，石油等化石燃料资源的枯竭也逐渐显现。对于可再生能源的需求越来越高，其中风力发电逐渐受到了人们的关注和青睐。然而，由于其天气条件的变化和风轮转动速度的不稳定，风力发电也存在一些问题，如何进行控制和优化风力发电已经成为目前亟需解决的问题。风力发电可以提供清洁、可再生的电能，使其成为我们生活中的重要组成部分。随着技术的不断进步，风力发电的效率和性能也在不断提高。然而，风力发电系统控制策略问题是目前需要优先解决的。风力发电系统包含风能转换系统、变压器和输电系统等组成，其控制策略主要有以下几种： 1.最大功率点跟踪控制策略（MPPT）最大功率点跟踪控制策略是指在风力发电机组输出功率最大的工作状态，即最大功率点附近调整风力机转速和桨角，保持风轮叶片始终处于最佳状态，实现发电系统效率最大化。 MPPT控制策略的目标是稳定风机输出功率，提高风机的发电效率，减少功率损耗。最大功率点跟踪控制策略已经被广泛应用到风力发电系统中,对于提高整个系统的效率起到了积极的作用。 2.暂态功率控制策略（TPC）暂态功率控制策略是指在风能转换系统出现变化时，如风速发生变化、传动机构出现故障等情况，通过调整风机转矩或桨角，使得风机输出功率保持在稳定值附近，控制能够更好地适应不同的外部环境变化。 3.场励控制策略（FEC）

场励控制策略是指通过调节风机的发电机转速，间接改变风机输出功率的控制策略，对于控制系统的稳定性和抗干扰性有很好的保障作用，在风速较低的情况下能够提高风机输出功率。除了上述的控制策略之外，还有其他一些控制策略，如基于模型预测控制的策略、建立时域模型等。这些策略都有其独特的优势和适用场景，在实际应用中需要根据具体的市场和技术需求进行选择和调整。然而，风力发电系统也存在着一些问题，如怎样利用多个风力发电机组的协同发电，以及如何提高系统效率，让风力发电在成本和经济效益上更具竞争力。对于这些问题的解决，需要在控制策略的基础上进行进一步研究和优化。总之，风力发电技术的取得是解决全球能源需求问题和减轻环境问题的重要途径。但是，要想实现风力发电技术的普及，需要不断研究和发展相关的控制策略，提高风力发电系统的效率和可靠性，使其在更广泛的应用环境中具有更高的商业竞争力和经济效益。

风力发电机组控制策略的优化研究

风力发电机组控制策略的优化研究随着科技的不断发展，可再生能源逐渐被广泛应用于电力行业。其中，风力发电作为在可再生能源领域中最为成熟的能源，不断地被人们所关注。然而，近年来随着风力发电的建设规模不断增大，风力发电站的管理和运维成为了一个复杂而重要的问题。如何通过控制策略优化风力发电机组的工作效率和性能，已成为风力发电站管理和优化的重点之一。一、风力发电机组的控制策略种类风力发电机组控制策略种类繁多，按照控制原理的不同分类，其控制策略可分为以下几类：（一）常规控制策略常规控制策略是传统的风力发电机组控制方法，主要包括三种： 1. 常规PID控制策略：该方法常用于风量小且较为稳定的场景，其机组功率的输出与叶片转速成正比。 2. 最大功率跟踪控制策略：该控制策略可通过不断调整叶片转速，使得风力发电机组输出的功率与风速成正比。其实质是在保证系统安全的前提下，让风力发电机组能够输出最大功率。 3. 性能控制策略：该控制策略是PID控制策略与最大功率跟踪控制策略的结合体，旨在通过灵活调整控制参数，以期在不同工况下实现最佳性能。（二）先进控制策略随着自动控制与智能控制技术的发展，风力发电机组控制策略逐渐向着先进控制策略发展。其中主要包括以下几类：

1. 模糊控制策略：该控制策略以人工神经网络为基础，模糊处理风力发电机组控制信号，并逐步修正控制参数，实现系统的最佳性能。 2. 自适应控制策略：该控制策略以自适应神经网络为基础，通过不断学习与调整网络权值，实现风力发电机组输出功率最大化。 3. 预测控制策略：该控制策略通过对气象数据等变量的预测与分析，合理预测风速和功率的变化趋势，从而实现更为精确的风力发电机组控制。二、风力发电机组控制策略的优化研究随着风力发电技术的不断进步，越来越多的学者们开始关注风力发电机组的控制策略研究。其中，优化设计是风力发电站控制策略研究的主要内容之一。目前，涉及到风力发电机组控制策略优化的研究方向较为广泛，具体包括以下几个方面：（一）控制策略优化设计控制策略优化设计方面除了常规控制策略外，另一个重要的研究方向是改进现有的先进控制策略。目前，已有学者提出了基于深度强化学习、人工神经网络等计算方法的优化控制策略，且取得了一定的优化效果。（二）控制策略性能评价控制策略性能评价是研究风力发电站最实用的功效评估方法之一。目前，涉及控制策略性能评价的研究方向主要包括建立性能评价指标，评价控制策略针对不同场景的适应性、精确性和灵活性。（三）控制策略被动安全研究控制策略被动安全研究，是指在确保风力发电机组输出有效功率的前提下，尽可能减小风力发电机组发生事故的概率。目前，涉及控制策略被动安全研究的方向有涡轮速度保护、多方式保护等。三、结论

PMSM风电系统最大功率点跟踪的无源控制

PMSM风电系统最大功率点跟踪的无源控制摘要:分析直驱永磁风力发电系统各组成部分的关系，建立永磁同步电机风力发电系统各组成部分的数学模型;基于最佳叶尖速比的最大功率点跟踪策略和非线性无源控制理论，设计基于无源控制的最大功率点跟踪方案;在Simulink中搭建PMSM风电系统各组成部分和控制系统的仿真模型并进行仿真试验。结果表明:非线性无源控制控制器能够实现最大风能功率的跟踪;控制效果良好，风能利用系数Cp稳定运行在0.48左右。这验证了所提方案的可行性和有效性。关键词:永磁同步电机;风力发电系统;无源控制;风能利用系数引言新能源的开发利用是当今世界各国普遍关注的研究热点。在众多新能源中，风能是一种可再生能源而且资源丰富，具有开发利用方便、技术较为成熟、成本低、可靠性高等优势，所以风力发电发展迅速，成为众多学者研究的热点［1-2］。与其他风力发电机组相比，直驱永磁风力发电机组维护成本低、噪声小，具有较好的低电压穿越能力，广泛应用于低转速、大功率的风场［3-5］。 1 PMSM风力发电系统模型风力发电机组的控制目标是风能的利用效率达到最高，即动态地追踪风电系统的最大功率点。最佳叶尖速比法算法简单、易于实现，是风电系统最大功率跟踪常用的控制方法之一。传统的风力发电机组控制理论有矢量控制、直接转矩控制，虽然可以获得良好的动、静态性能，但是矢量控制的计算复杂，且参数变化时影响控制性能，使系统的鲁棒性降低，而直接转矩在控制发电机启动和低速运行时波动比较大。随着控制理论的不断发展和完善，许多非线性控制方法被应用到PMSM风力发电系统中，例如增益调度控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、智能控制、无源控制等。其中无源控制器具有结构设计容易、算法易于编写以及较强的鲁棒特性，被广泛应用在永磁风力发电机组中。本文基于能量储存、配置互联和阻尼矩阵的非线性无源控制算法，建立PMSM风电系统受控端口Hamilton系统模型，即PMSM风电系统的PCH模型。提出一种基于最佳叶尖速比和无源控制的PMSM风电系统 MPPT(maximumpowerpointtracking)控制策略，并利用Simulink平台对所提出的控制策略进行仿真，验证其有效性和可行性。 1.1风力机和传动链模型自然风吹动风力机使其产生旋转机械能，风机获得的机械能为：由图1可知，采用最佳叶尖速比法的MPPT控制器算出的最佳发电机转速 ω*e与发电机实际转速ωe通过PI调节输出期望的i*q，再将id=0、i*q、ω*e、 ωe作为无源控制器的输入，生成d-q轴的两个电压分量ud、uq，最后采用SVPWM调制出变流器需要的脉冲。 3仿真与分析为了验证最佳叶尖速比的无源控制策略的有效性和可行性，在 MATLAB/Simulink中搭建系统仿真模型，如图2所示。风速波形在0.5～0.6s和1.9～2.1s模拟渐变风;在1s和1.5s模拟阵风。发电

风力发电系统最大功率追踪控制研究

风力发电系统最大功率追踪控制控制研究本设计风力发电机的最大功率追踪控制（MPPT）系统，通过分析几种MPPT控制策略的特点，选取合适的算法，获得最大功率输出。本文首先介绍了课题的研究背景及其意义。其次为了方便实验室研究，开展了模拟风速，以及用直流电动机模拟风力机特性的研究工作。本文介绍了几种最大功率的控制方法：功率信号反馈法、叶尖转速比控制法、三点比较法、爬山搜索法，重点介绍了爬山搜索法，然后又对比分析了三种爬山搜索。通过仿真研究，得出改进的变步长爬山搜索法具有跟踪稳定、效率更高的结论。目录风力发电系统最大功率追踪控制控制研究 (1) 1引言 (2) 1.1 课题的背景 (2) 1.2 风力发电发展情况 (2) 1.2.1国外风力发电发展情况 (2) 1.2.2 国内风力发电发展情况 (3) 1.3 风力发电技术发展状况 (3) 1.3.1恒速恒频发电系统 (4) 1.3.2变速恒频发电系统 (4) 1.4 本文的研究内容及研究意义 (4) 1.4.1 本文的研究内容 (4) 1.4.2 本文的研究意义 (4) 2 风力发电系统的分析与模拟 (5) 2.1 风力发电的基本原理 (5) 2.1.1 风力发电的基本原理 (5) 2.1.2贝茨(Betz)理论[6] (6) 2.2 对风速的模拟与仿真 (7) 2.3 对风力机的模拟与仿真 (9) 2.3.1 风力发电机的空气动力学特性 (9) 2.3.2 对风力发电机的模拟与仿真 (10) 2.4 直驱永磁同步发电机的模拟与仿真 (13) 2.4.1 直驱永磁同步发电机的模拟 (13) 2.4.2直驱永磁同步发电机的仿真 (15) 2.5 风力发电系统主电路拓扑 (16) 2.6 本章总结 (17) 3 风力发电系统最大功率追踪方法及仿真研究 (17)

风力发电系统中的最大功率跟踪与优化控制

风力发电系统中的最大功率跟踪与优化控制随着环境保护意识的增强和对可再生能源的需求不断增加，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。风力发电系统的核心是风力发电机组，其效率和稳定性对整个发电系统的运行起着至关重要的作用。在风力发电系统中，最大功率跟踪与优化控制是提高风能利用效率的关键技术之一。最大功率跟踪是指风力发电机组通过调整叶片角度、发电机转速等参数，以确保风力发电机组从风能中获取到尽可能多的功率。最大功率点通常发生在风速的特定范围内，此时发电机的输出功率最大。通过最大功率跟踪技术，可以提高风力发电系统的能量转换效率，从而提高风能的利用率。为了实现最大功率跟踪，需要采用合适的控制策略。常用的控制策略包括传统的PID控制、模糊控制、神经网络控制等。PID控制是一种经典的控制方法，通过调节维持调节器中的比例、积分和微分参数，可以实现风力发电机组的最大功率跟踪。模糊控制是一种基于经验的控制方法，通过将模糊数学理论应用于控制系统中，可以实现对风能的最大利用。神经网络控制则是一种基于人工神经网络理论的控制方法，通过神经网络的学习和适应能力，可以实现对风力发电机组的最大功率跟踪。

除了最大功率跟踪，优化控制也是提高风力发电系统效能的重要技术。优化控制通过分析和优化风力发电系统中的各个环节参数，使得整个系统的发电效率最大化。优化控制可以从多个角度入手，如控制风力发电机组的叶片角度、转速、控制整个风力发电系统中的发电机组数量和布局等。通过合理的优化控制，可以提高风力发电系统的整体效率，降低能源的损失。在风力发电系统中，最大功率跟踪与优化控制有助于提高风能的利用率，并降低发电成本。最大功率跟踪能够确保风能的尽可能高效利用，优化控制则可以从整体上提高风力发电系统的效率。这将不仅对环境保护产生积极作用，也对电力供应系统的可靠性和可持续性产生重要影响。然而，要实现风力发电系统中的最大功率跟踪与优化控制，并不是一件容易的事情。首先，风能的变化具有不确定性和不稳定性，需要采用先进的控制算法来适应不同的风速变化。其次，在实际运行中，风力发电系统面临着复杂多变的环境条件，如风向、风速、天气等，这些因素的变化对风力发电系统的性能产生着重要影响。此外，风力发电机组的复杂动态响应和受外界干扰的情况也需要合理的控制算法来应对。因此，为了实现风力发电系统中的最大功率跟踪与优化控制，需要综合运用先进的控制算法、嵌入式系统和智能化技术。利用先进的控制算法，如模糊控制、PID控制、神经网络控制等，可以实现风力发电机组的最大功率跟踪。嵌入式系统则可以提供稳定可靠的硬件支持，

风力发电机组控制系统设计及运行优化

风力发电机组控制系统设计及运行优化一、介绍随着对可再生能源的重视和需求增加，风力发电成为了广泛应用的环境友好型发电方式之一。而风力发电机组控制系统的设计及运行优化是提高风力发电机组效率和可靠性的关键因素之一。本文将探讨风力发电机组控制系统的设计原理、相关技术和运行优化方法。二、风力发电机组控制系统设计原理 1. 控制系统结构风力发电机组控制系统主要由控制器、传感器、执行器和通信系统等组成。控制器作为控制系统的核心，负责从传感器中获取风速、转速等数据，并通过控制算法对发电机组的转速、转矩和叶片角度等进行控制。执行器则根据控制器的指令调整叶片角度和发电机转速，以实现最佳的发电效果。 2. 控制策略风力发电机组控制系统的核心任务是在不同风速和环境条件下实现最佳的发电效率。常见的控制策略包括最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）、风速控制和故障检测与保护等。MPPT控制策略通过实时跟踪风力发电机组的最大功率点，调整发电机组的工作状态以最大程度地提高发电效率。风速控制策略则通过调整叶片角度和转速来使风力发电机组在不同风速下保持稳定的工作状态。故障检测与保护策略负责监测风力发电机组的各个部件状态，并在发现异常情况时执行相应的保护措施，以防止损坏和延长发电机组的寿命。三、风力发电机组控制系统相关技术 1. 传感器技术

风力发电机组控制系统中的传感器主要用于实时采集环境参数和机组状态参数。常见的传感器包括风速传感器、温度传感器、转速传感器和振动传感器等。传感器的准确性和响应速度对控制系统的稳定性和效率至关重要。 2. 控制算法控制算法是风力发电机组控制系统的智能核心，直接影响着风力发电机组的发电效率和运行稳定性。常见的控制算法包括PID调节算法、模型预测控制算法和模糊控制算法等。PID调节算法通过调整控制器的比例、积分和微分系数，使得系统输出信号与期望值尽可能接近。模型预测控制算法则通过建立发电机组的数学模型，预测未来一段时间内的发电功率，并根据预测结果调整控制器的输出量。模糊控制算法则根据风速、转速等数据进行模糊推理，生成模糊规则然后调整控制器的输出量。 3. 通信系统风力发电机组通常会有多个风力发电机组组成风电场，因此控制系统需要实现机组之间的信息交流和协调控制。常见的通信系统包括以太网、CAN总线和无线通信等。通信系统的性能和可靠性直接影响着风电场的整体控制效果和机组之间的各个部分的协调配合。四、风力发电机组控制系统运行优化 1. 功率曲线优化根据风力发电机组的功率曲线，可以对风电机组的工作状态进行优化。通过合理调整叶片角度和转速，使得风电机组在不同风速下都能够稳定工作，并且在最大功率点附近工作。 2. 风速预测优化

自动控制系统中的风力发电控制与优化

自动控制系统中的风力发电控制与优化风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，越来越受到人们的关注和应用。而在实际的风力发电系统中，自动控制系统发挥着至关重要的作用，能够提高风力发电的效率和可靠性。本文将从风力发电控制的基本原理、风力发电系统的自动控制策略、风力发电系统的优化以及未来发展方向等方面进行论述。一、风力发电控制的基本原理风力发电控制的基本原理是通过对风力发电机组和风力发电系统进行监测和调节，保持发电机组的工作状态在最佳工作点，以提高发电效率。主要包括对风轮转速、转矩、偏航控制等方面的调节。风轮转速的控制是风力发电控制的核心。当风速变化时，风轮的转速也需要相应地调整，使得风轮的转速始终保持在最佳工作点。通过风速传感器实时监测风速，并根据预先设定的转速曲线调节发电机组的转速，可以有效提高风力发电的效率。同时，风力发电控制还需要对发电机组的转矩进行调节。当风速较低时，需要提高转矩，使得发电机组能够在较低的风速下开始发电。而当风速较高时，需要降低转矩，以保护发电机组不受损坏。此外，偏航控制也是风力发电控制中不可忽视的一环。通过对风轮的偏航角度进行调节，可以使风轮始终面向风向，最大限度地利用风能。这需要借助风向传感器实时监测风向，并通过控制机构调整风轮的偏航角度。

二、风力发电系统的自动控制策略为了实现风力发电的自动化控制，需要制定一套合理的控制策略。这些策略主要包括最大功率跟踪控制、风速和风向监测控制、安全保护控制等。最大功率跟踪控制是风力发电系统控制的核心。该控制策略通过实时监测风速和转速，根据最佳工作点曲线调节风轮的转速和转矩，以使风力发电机组始终工作在最大功率点。这需要借助微处理器或PLC 等设备进行数据处理和控制。同时，风力发电系统还需要风速和风向监测控制。风速和风向传感器实时监测环境中的风速和风向，并将数据反馈给控制系统。控制系统根据风速和风向的变化，调节风轮的偏航角度和转速，以使风力发电机组始终面向风向，并充分利用风能。安全保护控制是风力发电系统中不可或缺的一部分。当风速过高或其它异常情况发生时，风力发电控制系统将采取相应的保护措施，以避免发电机组受损或操作人员的安全受到威胁。这需要对系统进行多重安全检测和保护装置的设置。三、风力发电系统的优化为了进一步提高风力发电的效率和可靠性，可以通过优化控制策略、改进风力发电设备以及提高风力发电系统的可视化管理等方面进行优化。

SRG风力发电系统最大功率跟踪控制研究

SRG风力发电系统最大功率跟踪控制研究黄曌;程江洲;万钧力【摘要】以8/6极开关磁阻发电机(SRG)为例,基于电机的非线性特性提出一种基于模糊PI控制器的改进型转速反馈最大功率跟踪策略:通过SRG转速及其变化率,确定模糊规则自行整定PI参数,调节励磁电流,控制电机输出功率,使系统运行于最佳工作点.在Matlab平台上搭建基于最大功率跟踪策略的SRG系统仿真模型,仿真结果表明:外界风速稳定时,SRG转速和输出功率均可平稳保持在理论最佳值;风速变化时,SRG系统可快速实现自寻优,具备良好的动静态性能,验证了SRG仿真模型的正确性和控制策略的可靠性. 【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)001 【总页数】4页(P162-165) 【关键词】开关磁阻发电机;最大功率跟踪;励磁电流;转速反馈【作者】黄曌;程江洲;万钧力【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002 【正文语种】中文【中图分类】TM614 随着风能的开发和利用，风力发电相关技术也取得了显著的进步，并逐渐成为能源技术中的一个重要分支[1-2]。风力发电面临的主要问题之一是风力机机械功率的

不确定性，随外界风速变化而变化，因此系统必须包括风力机最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)的控制部分，从而在实时工况下达到所希望的最优值，提高发电效率。由于开关磁阻发电机(SRG)优良的调速性能、较强的容错能力与自励能力等优势，在风力发电领域具有很大的发展潜力和研究价值[3-4]。SRG风力发电系统结构如图1所示，其中，控制系统作为风力发电系统的核心部分，主要实现两大功能，一是SRG的发电运行控制：通过检测SRG电流、电压及转子位置信号，控制功率变换器中主开关器件的通断；二是MPPT控制，通过合适的自寻优算法，完成SRG与风轮机的功率匹配，从而实现最大功率跟踪。近年来，最大风能跟踪的控制策略主要有风速跟踪控制、转速反馈控制和功率扰动控制[5-6]。其中风速跟踪控制需要测量风速，功率扰动控制则需要较长的调节时间，均会降低系统可靠性，相比较而言，转速反馈控制简单易行，在小功率的风力发电场合得到广泛的关注，但其单一的PI调节不能良好地适应SRG本身的非线性特性[7]。综合考虑以上三种控制方法的优缺点，针对风力发电系统的需求，本文在传统转速反馈控制的基础上加以改进，提出模糊PI控制方案，通过SRG实时转速反馈与给定值比较，并结合转速的变化情况，调节励磁电流，驱使SRG输出功率不断跟踪匹配值，从而改变电机的电磁转矩和转速，最终系统达到平衡，并稳定运行于最佳工作点。完整的仿真研究验证了控制策略的可行性与有效性。 1.1 风力机最大功率捕获机理设ρ为空气密度，v为风速，R为风力机半径，风机扫掠面积A=πR2，λ为叶尖速比，β为桨叶节距角，由贝兹定理风机得输出机械功率Pm[8-9]：式中：叶尖速比λ=ωmR/v，ωm为风力机机械角速度，Cp为风能利用系数，由λ，β决定其值。当桨叶节距角β恒定时，Cp随λ变化，且有一个确定的最佳叶尖速比λopt对应最大的风能利用系数Cpmax，此时风力机运行在最大输出功率点Pmax处。