最佳叶尖速比控制

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制发布时间：2021-01-27T02:31:36.116Z 来源：《中国电业》（发电）》2020年第24期作者：王斌[导读] 文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。

甘肃龙源风力发电有限公司兰州 737000摘要：随着科技进步，社会不断发展，同时伴随着环境污染的严重，不可再生能源的减少，政府开始实行并坚持可持续发展战略，有效利用清洁能源，重点发展对可持续能源的利用，例如风能，水能，太阳能等。

伴随着风力发电的盛行，全面提升风力发电机组的运行可靠性和稳定性成为风力发电技术研究的热点问题，最大风能追踪控制成为研究的重点。

文以变速恒频风力风电机组为例，对其最大风能追踪的总控制与矢量控制过程进行了分析。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制；可再生能源一、变速恒频风电机组1.1变速恒频风电机组风能已成为电力系统增长最快的绿色能源和全球发展最快的可再生能源。

变速恒频风电作为20世纪逐渐发展起来的全新的发电形式，其最大风能追踪控制成为了现在众多学者研究探讨的重要对象。

同时，在现代，变速恒频风电机组已经成为了主流的风力发电机组。

当风速处于额定风速以下时，对于变速恒频风电机组而言，尽可能的提高能量转换效率是主要的目标，这主要通过发电机转矩的控制，使机组变速运行来实现。

变速恒频风电系统的矢量控制图如图一所示。

目前，变速恒频风电机组作为主流的风力发电机组，风电机组有不同于通常机械系统的特性：风电机组的动力源是不可测的自然风能，其发电系统最大风能追踪控制成为了核心问题，同时也是最难解决的问题，是众多学者讨论研究的热点，也是本文要阐述的核心问题。

图1 变速恒频风电系统的矢量控制图1.1.1简介交流励磁变速恒频发电在风力﹑水力等可再生能源的开发利用中发挥作用巨大，得到了极大的重用，尤其在风力发电中得到了广泛的应用。

与恒速恒频发电技术相比，变速恒频风力发电技术具有显著的优越性，首先极大的提高了风能转换效率，显著降低了由风施加到风力机上的机械应力，减少了能源的损耗；其次通过对发电机输出的有功功率得控制来合理调整电磁转矩与转速，使电机转速改变，从而在风速变动的情况下确保最佳叶尖速比的恒定，实现了变速下的恒频运行，通过矢量变换控制还能实现输出有功和无功功率的解耦控制，提高电力系统调节的灵活性和动﹑静态稳定性。

摘要风力发电是一种清洁能源，通过对风能的利用有利于优化未来的能源利用模式。

本文介绍了风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计，主要目的是实现风力发电系统的最大功率点跟踪。

论文的开始介绍了国内外风力发电的概况，为本文奠定了写作背景。

接着文章阐述了风力发电系统的基本原理，着重介绍了风力机的结构与组成和贝茨理论，这是本文的基础。

紧接着，文章分析了最大功率点跟踪控制算法的基本原理，以及最佳叶尖速比控制的特点，为控制系统的设计做好了准备。

然后针对最佳叶尖速比控制定步长算法的特点，设计出了相应的控制算法和PI控制器，通过选取合适的PI参数，得到了较为理想的追踪效果，从而实现控制所要求的目标。

最后就是本文的重点，Matlab环境下的仿真。

首先我建立了风力发电系统的仿真模型，然后在Matlab环境下实现了最佳叶尖速比控制算法并对控制算法仿真结果进行了分析。

总之，通过分别对风力发电系统的设计和仿真，实现了对风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计。

关键词：风能转换系统；叶尖速比；最大功率点跟踪；PI控制器AbstractWind power is a kind of clean energy, through use of wind energy is beneficial to optimize the mode of energy use in the future. This paper introduces the wind energy conversion system optimal tip speed ratio control algorithm is designed, main purpose is to achieve maximum power point tracking of wind power system .The beginning of the paper introduces the general situation of wind power at home and abroad, laid the writing background for this article. Then the article expounds the basic principle of wind power generation system, emphatically introduces the structure and composition and Bates theory of wind turbine, which is the basis of this article. Then, this paper analyzes the basic principle of the maximum power point tracking control algorithm, and the characteristics of the optimal tip speed ratio control, ready for the design of control system. Then aiming at optimal tip speed ratio control characteristics of fixed step length algorithm, designed the corresponding control algorithm and PI controller, by choosing the right PI parameters, obtained the ideal track effect, so as to realize the goal of control required. The last is the focus of this article, the simulation of Matlab environment. First, I established the simulation model of wind power system, and then realized in Matlab environment the optimal tip speed ratio control algorithm and the control algorithm simulation results are analyzed.In a word, through the design and simulation of wind power generation system, implements the optimal tip speed ratio control algorithm design of wind energy conversion system.Key words:wind energy conversion system;tip-speed ratio;the maximum power point tracking; PI controller目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 研究的目的和意义 (1)1.3 世界风力发电发展概况 (1)1.3.1 世界风力发电装机容量迅速扩大 (1)1.3.2 风力发电机组的单机容量不断增大 (2)1.3.3 风力发电的经济性日益提高 (2)1.4 我国风力发电发展概况 (2)1.4.1 我国风电利用的特点 (2)1.4.2 我国风电的发展与现状 (3)2 风力发电系统的基本原理 (5)2.1 风力发电机的结构与组成 (5)2.1.1 风力发电机的分类 (5)2.1.2 水平轴风力发电机的结构 (5)2.2 风力发电的基本原理 (8)2.2.1 贝茨（Betz）理论 (8)2.2.2 风力发电机的特性系数 (10)2.3 本章小结 (11)3 最大功率点跟踪算法的基本原理 (12)3.1 最大功率点跟踪算法 (12)3.1.1 风力发电系统的运行区域 (12)3.1.2 最大风能捕获原理 (12)3.2 最佳叶尖速比控制的特点 (14)3.3 本章小结 (14)4 基于叶尖速比PI控制的风力发电系统仿真 (15)4.1 风力发电系统的仿真模型 (15)4.1.1 风速模型的建立 (15)4.1.2 风力发电系统的模型 (16)4.1.3 输出功率追踪控制模型的建立 (17)4.1.3 追踪仿真 (18)4.2 本章小结 (20)5 结束语 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1 绪论1.1 引言能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。

垂直轴风力机叶尖速比垂直轴风力机（Vertical Axis Wind Turbine，简称VAWT）是一种以垂直方向旋转的风力发电装置。

与传统的水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有独特的优势，其中之一便是叶尖速比的概念。

什么是叶尖速比呢？简单来说，叶尖速比是垂直轴风力机叶片尖端速度与风速之比。

这一参数对于风力机的性能和发电效率影响重大。

因此，研究和优化叶尖速比成为垂直轴风力机领域的热门话题。

首先，我们来看一下叶尖速比的作用。

叶尖速比可以告诉我们风力机的叶片在不同风速下的运行状态。

较高的叶尖速比可以提高风力机的发电效率，因为这意味着叶片能够更好地抓住风能。

而较低的叶尖速比可能导致能量损失，影响风力机的性能。

其次，了解叶尖速比的影响因素也非常重要。

风速是影响叶尖速比的关键因素之一。

当风速增加时，叶尖速比也会相应增加。

另外，叶片的设计和形状也会影响叶尖速比。

优化叶片的形状可以改变叶尖速比的大小，进而提高风力机的性能。

进一步地，如何优化叶尖速比也是一个需要探讨的问题。

在设计风力机时，可以采用不同的叶片数目和叶片形状来实现叶尖速比的优化。

研究表明，在一定范围内增加叶片数目可以提高叶尖速比。

此外，还可以通过调整叶片的扭矩和倾斜角度等参数，进一步优化叶尖速比并提高风力机的发电效率。

最后，要注意的是，优化叶尖速比不仅仅是一个科学问题，也需要考虑实际应用的可行性。

在设计垂直轴风力机时，必须综合考虑风况、用电需求等因素，以实现最佳的发电效果。

因此，需要进行大量的实验研究和理论分析，以寻找最适合不同应用场景的叶尖速比。

总之，叶尖速比是垂直轴风力机领域的重要参数之一。

了解叶尖速比的概念和影响因素，研究和优化叶尖速比对于提高风力机的性能和发电效率至关重要。

在未来的发展中，我们应该进一步深入研究叶尖速比，并通过实验和理论分析来不断优化这一参数，以实现更高效、可靠的垂直轴风力发电系统。

风力发电机组控制策略优化分析王剑彬;付小林;孔朝志【摘要】针对李汉梁风电场有功出力不佳的情况,根据风电场实际工况,对影响风力发电机组功率曲线的相关因素——风速及空气密度进行了修正.修正后的功率曲线测试结果表明:在4～18 m/s风速范围内,实际功率曲线都能很好地跟踪到理论功率曲线.之后对全场风机控制策略进行优化,在额定风速以下,动态调整最优模态增益值；额定风速以上,将控制方式改为恒功率控制.从优化前、后的测试结果可以看出,全场发电量同比增加约8％,解决了在额定风速以上风电机组不能满发的问题.【期刊名称】《内蒙古电力技术》【年(卷),期】2013(031)004【总页数】4页(P47-50)【关键词】风力发电机组;功率曲线;参数修正;风速;空气密度;控制策略【作者】王剑彬;付小林;孔朝志【作者单位】华能呼和浩特风力发电有限公司,内蒙古呼和浩特010020;成都阜特科技股份有限公司,四川成都611731;成都阜特科技股份有限公司,四川成都611731【正文语种】中文【中图分类】TM6141 问题的提出华能呼和浩特风力发电有限公司武川李汉梁风电场一、二期风电项目总装机容量为99 MW，共安装了66台单机容量为1.5 MW风力发电机组，选用的是东方汽轮机有限公司生产的FD77B-1500型风电机组，并配备有成都阜特科技股份有限公司提供的FA001-FD型主控系统。

该风电项目首台风电机组于2009-11-08并网风电，截至2010年2月，所有机组均通过了240 h试运行。

但是，直到2010年年底，机组实际运行功率曲线仍未能达到设计功率曲线要求。

在平均风速为13 m/s时，风电场有功出力最高只能达到84 MW，且波动较大，对风电场发电量产生了较大影响。

李汉梁风电场地处阴山山脉北麓，属丘陵型地区风电场，气候条件相对比较特殊，主风向为西风和西北风，地形特点为南高北低。

因此，本文根据李汉梁风电场的实际风况条件，进行功率曲线测试，并调整风电机组控制策略，以达到提高风电场风电机组有功出力的目的。

独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制文 摘：介绍了采用抓极无刷自励发电机的5KW 风电机组的性能特点，采用最佳叶速比控制和稳压控制相结合的控制方法，使风力机在额定风速以下及蓄电池没有充满时按最佳效率运行。

当蓄电池接近充满时，控制风电系统稳压运行，保证蓄电池安全可靠充电。

该风电机组及其控制已实际应用。

1、风机特性大风时通过离心力控制限速弹簧调节叶片角度限制风轮转速风力机的参数：额定功率、启动风速、额定风速、风轮直径、风轮额定转速、齿轮箱增速比、蓄电池标称电压。

风机发电的电气特点：1.1若发电机为异步发电机，其结构简单，控制方便，但需加电容器励磁。

发电机输出的三相交流电压为线电压380V ，要给120V 标称电压的蓄电池组供电，需加变压器降压后，再经整流器整流成直流输出，供蓄电池充电。

整个发电系统环节多，降低了总的运行效率。

1.2原机组采用异步发电机基本恒速运行，在大多数风速情况下不是运行在最佳效率状态。

1.3原风电机组当蓄电池电压达到设定的最高充电电压值时，切断发电机的输出，这一方面使叶片和风轮在切断瞬间承受很大的冲击，容易损坏机组；另一方面在断开发电机输出时蓄电池不一定充满，充电电源已经断开，这样就使蓄电池经常处于充不满状态，缩短其使用寿命。

二、改进后风力发电机2.1风力机最佳运行原理一台风轮半径为R 的风力机，在风速V 下运行时，它所产生的机械功率Pm 为式中p 为空气密度，3V 2A ρ为单位时间穿过风轮扫掠面积的风的能量；Cp 称为风力机的功率系数，实质上也就是风力机将风能转换为机械能的效率。

对于已经设计定型的风力机，Cp 是风轮叶尖线速度与风速之比λ的函数。

λ通常称为叶尖速比。

Cp 与λ的关系曲线是风力机的基本性能之一，且只有λ为某一特定值λm 时，Cp 达到其最大值Cpmax ，所以λm 称为最佳叶尖速比。

为了使风力机产生最大的机械功率，应使Cp 达到其最大值Cpmax 不变，为此，当风速变化时就必须使风力机的转速随风速正比变化，并保持一个恒定的最佳叶尖速比，即：在此条件下，风力机输出最大机械效率，并与风速的三次方成正比，即也即与转速的三次方成正比。

1、风力发电机的最佳控制是维持最佳叶尖速比。

（√）2、对于野外作业必须保证3人以上，携带合适的通讯工具，保持通讯畅通。

（×）3、变压器中性点接地属于工作接地。

（√）4、变压器温度升高时绝缘电阻值不变。

（×）5、所有的PT二次绕组出口均应装设熔断器或自动开关。

（×）6、保护接零的作用是：电器设备的绝缘一旦击穿，会形成很大的短路回路，产生很小的短路电流，促使熔体在允许的时间内切断故障电路，以免发生触电伤亡事故。

（×）7、送电线路分为架空线路和电缆线路两大类。

（√）8、线路停电时，必须按照断路器、母线侧隔离开关、负荷侧隔离开关的顺序操作。

（×）9、所有电流互感器和电压互感器的二次绕组应有一点且仅有一点永久性的、可靠的保护接地。

（√）10、对工作前的准备，现场工作的安全、质量、进度和工作结束后的交接负全部责任者是工作负责人。

（√）11、风能的功率与风速的平方成正比。

（×）112、风力发电机的风轮不必有防雷措施。

（×）13、电压表应并联接入线路中。

（√）14、铜母线接头表面搪锡是为了防止铜在高温下迅速氧化或电化腐蚀以及避免接触电阻的增加。

（√）15、变压器差动保护对主变绕组匝间短路没有保护作用。

（×）16、断路器失灵保护的延时应与其他保护的时限相配合。

（×）17、低压配电线路一般有短路保护、过负荷保护、接地故障保护、中性线断线故障保护。

（√）18、持线路工作票进入变电站进行架空线路、电缆等工作，应得到变电站工作负责人许可后方可开始工作。

（×）19、泡沫灭火器可用于带电灭火。

（×）20、工作票签发人可以兼任该项工作的工作负责人。

（×）21、对起重机具、登高用具、安全工器具，尤其是防坠落滑块进行定期检测、试验工作，保证其合格。

（√）22、风力发电机的功率曲线是表示风力发电机的净电输出功率和轮毂高度处风速的函数关系。

风电场风电机组运行性能评估方法摘要：本文拟构建风电机组理想模型，通过对历史运行数据进行正向分析，与理想模型进行对比分析，以及各机组图表数据横向分析的方法，对风电机组的性能进行评估，降低评估的难度和成本，缓和业主和设备供应商的矛盾，同时为风电场控制策略的优化提供指导方向。

关键词：风电机组性能评估理想模型横向对比近年来，随着3060碳达峰碳中和的提出，新能源行业再次赢来了黄金发展期。

风力发电在国内扶持政策的支持下，从2006开始得到了飞速的发展，经过十多年的技术发展，截止到2022年12月底，风电累计装机容量已达约3.7亿千瓦。

风电场风电机组运行性能的好坏直接关系到风电场的收益，如何评价风电机组的运行性能成为业主单位和行业关注的重点。

本文从风电场运行历史数据统计分析角度探讨风电机组运行性能评估的方法。

1 现有风电机组性能评估方法及优劣目前国内外对于单台机组功率特性评估主要参考IEC 61400-12标准，IEC 61400-12-1标准给出了测试（新增测风塔测量风资源）单台机组功率特性的程序和方法，IEC 61400-12-2给出了利用机舱风速计测试机组功率特性的程序和方法。

评估标准有详细的规则说明和计算公式，技术理论成熟。

由于风流体受到地形、气温、气压、湿度、大气稳定度、尾流、扰动等多因素的影响，在不同的机位点的风特性差异较大，针对每一个机位点功率特性评估新增一座测风塔，成本太高；若采用机舱风速计进行评估，因风受到叶轮扰动和尾流的影响导致失真，评估精准度较差。

国内外有研究采用移动式激光测风雷达进行评估的方法，激光测风设备价格较高，且采用激光测风雷达对全场机组进行评估周期较长，目前暂未得到推广。

另一种替代方法是，在机舱上安装激光测风仪代替现有风速风向仪，通过激光测风仪探测机舱叶轮正前方200m的风速风向信息，此方法理论上可行性较高，但目前依然存在价格较高的问题，尚处于研究阶段，未能进入商业运营。

2 基于历史运行数据的风机性能评估新方法风力发电机组是通过风机将风能转化为电能的设备，目前国内外主流机型均为变桨变速型。

利用blade风力发电机组功率曲线计算方法以及流程目录1、概述 (1)2. 特性取得定方法 (1)2.1 空气动力参数确定 (1)2.2 整机摩擦系数 (2)2.3 齿轮箱效率曲线 (2)2.4 发电机效率曲线 (3)2.5 变流器效率曲线 (3)3. 生成功率曲线 (3)3.1 仿真计算风机功率曲线 (4)3.1.1 风机叶片数据包 (4)3.1.2 风机未并网用电量 (4)3.1.3 风机工作点损耗 (4)3.1.4 确定最佳控制系数Kopt (4)3.2 计算功率曲线 (7)3.3 现场测试 (9)4. 功率曲线数据提供管理 (9)1、概述风机风功率曲线由风机的特性决定。

主要有下列特性确定：●风机叶片空气动力特性●整机机械摩擦●齿轮箱效率●发电机效率●变流器效率等在没有对风机进行风功率测试及认证的情况下，需要通过仿真的方法对风机分功率曲线进行仿真计算，得出风机的功率曲线，以便提供客户风机功率曲线。

2. 特性取得定方法通过仿真确定风机的功率特性主要采取仿真与工厂测量相结合的方法。

对于在制造工厂及现场可以测量的特性数据，可以在制造工厂或在现场实地测量来确定，2.1 空气动力参数确定空气动力参数由叶片生产厂家提供叶片空气动力参数数据包确定。

对于参数的确定要求与厂家有书面和电子文档的方法进行。

叶片生产厂家需要提供书面的空气动力参数，主要包括：●叶片数据的功率值；●对应的Cp值；●转速值；●推力系数；提供的电子数据位Bladed 仿真软件可利用的数据文件。

主要内容包括：●叶片型号●数据包主版本号●数据包分版本号●数据包生成日期●数据包制作人及审批人2.2 整机摩擦系数整机摩擦系数可以通过实际测量的方法来实现。

具体测量方法如下：当风机在现场运行时，将风机调整至调试方式。

对风机在一组风速下运行时的转速进行测量，再通过计算得出风机的整机在各风速情况下的摩擦系数曲线值。

1)确定风速小于5 m/s；2)设定风机为调试方式，即不并网运行；3)设定风机转速对于双馈风力发电机，设定风机转速为0.5ωn，测量风速，风轮转速及变桨角度的 3 min 平均值；4)分别测量0.6ωn，0.7ωn，0.8ωn，0.9ωn，1.0ωn及1.1ωn的风速，风轮转速及变桨角度值；5)通过数学模型计算风机的摩擦系数曲线；详细说明见附件二。

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日目录1。

控制功能设计要求 01。

1任务 02.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）22.2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。

一、风光储能系统的智能能量管理控制技术研究风光互补储能系统,就是按照一定的配置关系,将风力机和光伏组件和蓄电池进行组合,综合考虑系统配置的性能和储能成本,得出最佳的系统配置。

在风光储能系统的容量配比中,需要从所在地区自然资源条件、负载情况以与综合成本几个方面考虑,以下是基本的配置原则：1）在用电负荷相同时,由于太阳能电池板的费用较高。

为降低系统投资,在保证用电安全和自然资源条件允许时,应尽量降低太阳能在发电系统中的能源比率；2）水平轴风机的启动风速高、需较高风速才能发电、能量转化效率低；垂直轴风机在较低的风速时即可发电。

在同样的用电需求时,所用水平轴风机功率一般要大于垂直轴风机,导致水平轴风机费用较高；但对于同样功率的风力发电机,垂直轴风机费用高于水平轴风机,但其体积、重量和所需运行空间均小于水平轴风机,且具有运行稳定、噪音低、无对风要求等优点；3）储能系统中,蓄电池的费用较高且寿命较短〔一般5～10年〕,设计时应认真分析所在区域的资源条件和用电设备情况,合理地确定储能时间,以减少蓄电池用量、降低系统投资；虽然风能的成本低于风光互补,但风光互补系统利用了两种自然资源,能较好地避免蓄电池过放电,延长电池寿命,虽一次性投资稍高,但供电的安全性、稳定性高于风能系统。

风光互补储能系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、智能能量控制与管理、电池管理与蓄电池、安全控制与远程维护、逆变器、交流直流负载等部分组成。

<1>风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能,通过风力发电机将机械能转换为电能,再通过控制器对蓄电池充电,经过逆变器对负载供电；(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能,然后对蓄电池充电,通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；智能能量控制管理部分是保证电源系统正常运行的重要核心设备。

一方面根据日照强度、风力大小以与瞬态储能系统和储能电池组的状态,实时调整暂态储能设备和储能电池组之间的能量分配,达到对风光发电不确定性的平滑和储能能量匹配；另一方面实时监控负载的变化,不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：或者把调整后的电能直接送往直流或交流负载,或者把多余的电能送往蓄电池组存储。