变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制

风力发电中的变速恒频技术综述1引言风力发电技术是一种利用风能驱动风机浆叶。

进而带动发电机组发电的能源技术。

由于风能储量丰富、用之不竭、无污染等特点，被各国广泛重视，纷纷投入大量的人力物力财力来发展风力发电技术。

第一次世界大战后，丹麦首开先河，制造了仿螺旋桨高速风力发电机组。

随后美国、法国、前西德等国先后制造出了风力发电机组并投入运行。

前西德在风机桨叶制造上首次使用了质地轻、强度高的复合材料。

到20世纪60年代，由于石油廉价和内燃机的广泛运用，风力发电成本高的问题显得突出，和以内燃机为动力的发电技术相比失去竞争力，发展几近停止。

但1973年全世界的石油危机以及燃料发电带来的环境污染问题，使得风力发电技术重新受到重视。

风力发电又进入迅速发展阶段。

先后有美国研制的1000kW大型风力发电机、前西德的3000kW大型风力发电机、英国加拿大的3800kW大型风力发电机投入运行，自动控制技术日益成熟，并形成了能并网运行的风力发电机群(见图1)。

2002年，世界各国风电装机总量达到近40000MW，并且每年增长率达20％，发展势头强劲。

我国现代风力发电技术始于20世纪70年代。

2002年底，我国风力发电装机容量达473MW，遍布新疆、内蒙古、广东、辽宁、浙江等地[1]。

图1风力发电机群最近世界风力发电技术的发展取得很大进步，主要表现为以下几点：（1）风力发电机单机容量稳步变大。

现在单机容量已达到兆瓦级；（2）变桨距调节成为气动功率调节的主流方式。

目前，绝大多数的风力发电机采用这种技术；（3）变速恒频发电系统迅速取代恒速恒频发电系统，风能利用更加有效；（4）无齿轮箱风力发电系统市场份额增长迅速。

这主要是由于没有齿轮箱系统效率显著提高[2]。

2 风力发电机的气动功率调节方式气动功率调节是风力发电的关键技术之一。

风力发电机组在超过额定风速以后，由于桨叶、塔架等的机械强度、发电机变频器等的容量限制，必须降低风机吸收功率，使其在接近额定功率下运行，同时减少桨叶承受的载荷冲击，使其不致受到损坏。

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。

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)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。

风力发电系统运行控制技术研究【摘要】风力发电作为一种清洁的新能源具有重要的意义，风力发电系统的运行控制策略直接关系到风力发电，电力供应的安全性和质量的效率。

本文对风力发电系统的运行控制的两个主要方面，即最大风力跟踪控制和恒功率控制进行了研究和总结。

【关键词】风力发电系统；最大风能跟踪（mppt）；恒功率控制0 引言在提倡可持续发展的今天，风能的开发利用具有积极的战略意义。

特别是在能源供求日趋紧张的情况下，风能作为一种替代能源的意义就更加突出。

风力发电系统根据运行方式和控制技术的不同可以分为恒速恒频系统和变速恒频系统，其中变速恒频风力发电系统能够更高效地利用风能。

并网型变速恒频风力发电系统一般由风轮、齿轮箱（在直驱方式中已略去齿轮箱）、发电机和变流设备组成，如图1风力发电系统框国所示。

风轮的作用是捕捉风能，并将之转化为机械能；发电机则将机械能转化为电能；变流设备将发电机发出的频率幅值随风速波动的交流电转化为与电网电压同频同幅的交流电，然后馈送至电网。

图1 风力发电系统框图风力发电系统主要包括2种运行状态：1）最大风能追踪状态。

当风速低于额定风速时，风轮的转速会随着风速的波动而不断变化，以维持最佳叶尖速比及最大风能利用系数，从而有效提高风机的输出功率。

2）额定功率运行状态，当风速高于额定风速时，通过调节叶片桨距角和抑制风轮转速，降低风轮的风能捕获效率，保证风机运行在额定工作点附近。

可见，风力发电机组的运行控制在不同的运行状态有不同的控制策略：1）最大功率点跟踪控制（mppt控制）：当实际风速低于额定风速时，对风力发电机组进行控制，保证机组运行在最大风能追踪状态下，最大限度地捕获风能。

2）恒功率控制：当实际风速高于额定风速时，受机械强度、发电机容量和变频器容量等限制，必须降低风轮捕获的能量，使功率保持在额定值附近。

实际的风电机组常通过电气功率调节和叶片技术2种手段实现上述控制目标。

前者是通过调节发电机和变流设备的电气功率来改变风轮的转速，进而间接改变风轮转化风能的效率；后者主要利用叶片的空气动力学特性，如变桨距技术和失速状态，来直接改变风轮的捕风效率。

变速恒频风力发电系统运行与控制研究一、本文概述随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在全球范围内得到了广泛的关注和应用。

变速恒频风力发电系统作为风力发电的一种重要形式，其运行与控制策略的研究对于提高风力发电的效率和稳定性具有重要意义。

本文旨在深入研究变速恒频风力发电系统的运行与控制技术，探讨其在实际应用中的性能表现和优化策略。

文章首先介绍了变速恒频风力发电系统的基本原理和组成结构，包括风力发电机组、变速恒频控制器、并网逆变器等关键部分。

然后，文章重点分析了变速恒频风力发电系统的运行特性，包括风速变化对系统运行的影响、最大功率跟踪策略的实现等。

在控制策略方面，文章详细探讨了变速恒频风力发电系统的控制技术，包括变速恒频控制、最大功率跟踪控制、并网控制等。

文章还分析了现有控制策略的优缺点，并在此基础上提出了一种优化的控制策略，以提高系统的运行效率和稳定性。

文章通过仿真实验和现场测试验证了所提控制策略的有效性和可行性，为变速恒频风力发电系统的实际应用提供了理论支持和技术指导。

本文的研究对于推动风力发电技术的发展，提高风力发电系统的运行效率和稳定性具有重要意义。

二、变速恒频风力发电系统基本原理变速恒频风力发电系统（Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generation System, VSCF-WPGS）是一种新型的风力发电技术，其核心在于通过变速运行的风力发电机组，实现电网频率的恒定输出。

这一系统相较于传统的恒速恒频风力发电系统，具有更高的风能利用率和更好的电网适应性。

VSCF-WPGS的基本原理主要基于风力机、发电机以及控制系统的相互作用。

风力机通过风轮捕获风能，并将其转换为机械能。

由于风速的自然变化，风轮的转速也会相应变化，这就是所谓的“变速”特性。

接着，这种变化的机械能传递给发电机，通过电磁转换过程，将机械能进一步转换为电能。

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制摘要：风力发电系统的形成是我国近年来注重电力体制改革背景下，强调可持续发展战略下所兴起的清洁能源发电模式。

风能是一种随机性强、爆发性高、不稳定的能源，因此在并网过程中风力发电输出功率易存在波动的现象，造成电网功率与负荷不匹配，引发停电事故。

此外，由于新型电力系统中具有大量的电力电子器件，因此对于电网的频率振荡较为敏感，这就对风力发电机的输出频率提出了更高的要求。

本文主要对变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制进行论述，详情如下。

关键词：变速恒频；风力发电；风能追踪引言随着传统化石能源如石油、天然气等的逐步枯竭，风能、太阳能、核能等清洁能源已逐步发展为当今世界不可或缺的新能源，风能更是成为位居前列的开发能源。

目前，我国已在甘肃、新疆、内蒙古以及舟山群岛等区域成功建设大型风电场，助力我国西电东送国家战略和长三角地区经济增长。

但大量的风力发电也给大电网的安全运行带来了挑战。

风力发电具有间歇性、不确定性等特征，当风电并网后若无有效的控制措施干预，将干扰火电、水电等构成的传统大电网的稳定性。

1风力发电系统原理风力发电系统由风力机、发电机、传动链、控制装置等构成，其作用是将清洁的风能转换为电能，再通过风电并网将电能传输至千家万户。

风力发电的控制装置用于应对风能的极度不确定性，是将不可控能量向可控能量传递的关键设备。

风力机是我们对风力发电系统认知的宏观产物，通常由三片桨叶组成的风轮、塔架等构成。

根据安装地点的不同，分为水平面安装的风力机和垂直面安装的风力机两种；按照控制策略不同，还可以将风力机分为定距失速、变距失速和主动失速三种类型。

发电机是连接风力机产生的机械能和电能的桥梁，风电并网有极其严苛的条件，不仅要保证并网点电压幅值相同，还需要做到并网频率相同。

风力发电机有恒速运行和变速运行两种结构，而变速运行需要与变流器组合使用才能实现。

变流器物理结构由二极管、IGBT等功率电子器件组成，通过采用先进的高性能控制算法，可以实现任何频率和幅值的风力发电与大电网相连。

一． 交流励磁发电机变速恒频运行原理1.风力机最大风能捕获运行机理风力是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性﹑爆发性﹑不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集﹑高效利用的问题。

由空气动力学原理，通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分，可用风能利用系数C p 来描述：C p =P m / P w （Ⅰ—1）其中：P m 为风力机吸收且输出的机械功率；P w 为通过浆叶输入风力机的功率。

故系数C p 反映了风力机吸收利用风能的效率。

风力机的风能利用系数C p 与风力机的一个重要运行参数叶尖速比λ密切相关，如图Ⅰ—1所示。

叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即λ=R Ω/V=R2πn/(60V) （Ⅰ—2）式中R 为叶轮的半径，Ω为叶轮旋转的角速度，n 为叶轮的转速，V 为风速。

风力机的风能利用系数C p 与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图Ⅰ—1所示。

从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比λm 下，风能利用系数才能达最大值C pmax ，即获得最大风能利用（捕获）。

风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为：p m C SV P 321ρ=（Ⅰ—3） 式中ρ为空气密度，S 为风力机叶轮的扫掠面积， V 为风速。

对于一个确定的风力机，从不同的风速和转速查得对应的C p 值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机输出功率和风力机轴转速之间的关系曲线，如图Ⅰ—2所示。

可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点P max ，对应于图Ⅰ—1的最大风能利用系数C pmax 。

将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线P opt ，运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率输出P max式中n 为风力机轴转速，ωm 为风力机机械角速度。

由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。

变速恒频风力发电关键技术研究1、本文概述随着全球对可再生能源需求的不断增加，风力发电作为一种清洁可再生的能源形式正受到越来越多的关注。

变速恒频风力发电技术作为风力发电领域的一项重要技术，具有显著的优势和应用前景。

本文旨在对变速恒频风力发电的关键技术进行深入研究，为推动风力发电技术的可持续发展和优化提供理论支撑和实践指导。

本文将首先介绍变速恒频风力发电技术的基本原理，包括其概念、特点以及在风力发电中的应用。

随后，本文将重点分析变速恒频风力发电系统中的关键技术，如风力涡轮机控制策略、最大功率跟踪控制、能量转换和并网技术等。

通过对这些关键技术的深入研究，本文旨在揭示变速恒频风电发电技术的核心机理，并探索其在实际应用中的优化策略。

本文还将对变速恒频风力发电技术的发展趋势进行展望，分析该技术目前面临的挑战和未来的发展方向。

本文将对研究成果进行总结，并对变速恒频风力发电技术提出进一步的研究和改进建议，为风力发电领域的技术创新和应用推广提供参考。

2、变速恒频风力发电技术的理论基础变速恒频风力发电技术是一种先进的风力发电技术，其核心在于在风速变化的情况下调整风力涡轮机的速度以保持恒定的输出频率。

该技术的理论基础主要涉及风机特性、发电机控制理论和电力电子技术。

风力发电机的特性是变速恒频风力发电技术的重要基础。

风力涡轮机在不同风速下的功率输出特性是非线性的，受到空气密度、叶片角度、叶片形状等多种因素的影响。

为了充分利用风能，实现变速恒频发电，有必要对风力涡轮机的特性进行深入的研究和优化。

这包括通过控制叶片角度来调节风力涡轮机的速度和功率输出，以及通过优化叶片形状来提高风能转换效率。

发电机控制理论是变速恒频风力发电技术的核心。

发电机是风力发电系统中的关键设备，其控制策略直接影响系统的性能。

在变速恒频风力发电技术中，发电机需要能够根据风速的变化调整转速，以保持输出电能的频率不变。

这需要通过先进的控制算法来实现，如最大风能跟踪控制、功率控制等。