风能转换系统最佳叶尖速比控制算法设计论文

尖速比对风力发电机发电效率的影响摘要：本文采用实验和数值分析相结合的方法，针对影响风力发电机输出性能的尖速比因素进行研究，通过尖速比的变化对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数的影响分析，找到了尖速比对风力发电机的输出功率、电流、电压以及风能利用系数影响程度，为设计或制造提供参考。

关键词：风力发电机；尖速比；发电效率；影响The influence of tip speed ratio on the wind turbine power generation efficiencyGaoFeng，Inner Mongolia Energy Investment Group New Energy Co.，Ltd，010020AbstractThis paper adopts the method of combining experimental and numerical analysis，conducts the research in view of tip speed ratio influence factors of the wind generator output performance，by changing the tip speed ratio of wind turbine output power，current，voltage and the influence coefficient of utilization of wind energy analysis，found the tip speed ratio of wind generator output power，current and voltage and the wind energy utilization coefficient influence，provides the reference for the design and manufacturing.Key words：wind power generator；tip speed ratio；power efficiency；influence引言风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。

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。

叶尖速比在风力机气动设计中的作用及能准确控制最佳叶尖速
比的设计方法
阮志坤
【期刊名称】《风力发电》
【年(卷),期】1989(000)002
【总页数】8页(P6-13)
【作者】阮志坤
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TK83
【相关文献】
1.垂直轴风力机叶尖速比分析研究 [J], 陈忠维
2.相同叶尖速比不同转速的垂直轴风力机气动性能分析 [J], 黄鹏;王宏光
3.基于最佳叶尖速比的最大风能跟踪在永磁直驱风力发电系统中的实现 [J], 王波;宋金梅;方蒽;刘玮
4.最佳叶尖速比的最大功率自抗扰跟踪控制 [J], 李娟;张克兆;李生权;刘超
5.浅析水平轴风力机叶片设计叶尖速比的选择 [J], 钟贤和;赵萍;曾明伍;李杰
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提高MITA系统风电机组发电量的优化改进措施分析杨雄杰;刘刚【摘要】目前，东汽在线运行MITA系统风电机组1000多台，一般一个50MW 的风场年发电量在10000万千瓦时左右。

如果优化改进MITA系统参数能提高1%的发电量，一个50MW的风电场年发电量可以提高100万千瓦时。

本文以MITA 主控为例，分析提出了查表算法功率控制系统风电机组发电量的优化改进措施，对提高和改善额定风速下风电机组发电量具有实际的指导意义。

%Currently, the wind turbines with MITA system operating in DongQi are more than 1000 units, generally the generating capacity of a 50 MW wind farm is about100 million KWh, if MITA systems can be optimized, the generating capacity will increase 10 million KWh. Taking MITA master as an example, this paper analyzed optimization improvement measures of generating capacity, which has practical guiding signifcance on enhancing and improving wind power generation in the condition of rated wind speed.【期刊名称】《风能》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P108-111)【关键词】MITA系统;风能利用系数;叶尖速比;转速-力矩表【作者】杨雄杰;刘刚【作者单位】东方汽轮机有限公司，德阳618000;东方汽轮机有限公司，德阳618000【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言MITA 3100主控是90年代风电机组主控器，受制于当时的芯片技术，CPU的运算速度及存储器容量有限。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2013.08.14C N 103244350 A (21)申请号 201310158045.7(22)申请日 2013.05.02F03D 7/00(2006.01)(71)申请人国电南瑞科技股份有限公司地址210061 江苏省南京市高新区高新路20号(72)发明人邬昌明 邵宜祥 王长宝 王文卓胡丽萍 曾雨竹 蔡国洋(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙) 32204代理人张弛(54)发明名称一种风力发电机组最佳叶尖速比跟踪控制方法(57)摘要本发明涉及风机在低风速如何能够调节使风机运行在最佳叶尖速比条件下，同时对最佳叶尖速比值进行定期的自动校正的方法，属源网协调技术领域。

本发明包括以下步骤：通过反馈转矩和转速计算出确切的发电机功率值，通过功率和最佳叶尖速比对应的功率因素计算出风速。

转速能够调节的情况下调节转速使风机运行在最佳叶尖速比状态，转速不能调节的情况下调节桨距角，使风机运行在最佳叶尖速比状态。

采用统计平均爬山法，对最小变桨角度对应的最佳叶尖速比值进行校正。

采用本发明的方法，解决了既有方法存在的问题。

(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图3页(10)申请公布号CN 103244350 A*CN103244350A*1/1页1.一种风力发电机组最佳叶尖速比跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）、通过反馈转矩和转速计算出确切的发电机功率值，通过功率和最佳叶尖速比对应的功率因素计算出风速；（2）、转速能够调节的情况下调节转速使风机运行在最佳叶尖速比状态，转速不能调节的情况下调节桨距角，使风机运行在最佳叶尖速比状态；（3）、采用统计平均爬山法，对最小变桨角度对应的最佳叶尖速比值进行校正，通过统计平均爬山法校正最小叶片角度β对应最佳叶尖速比值的方法为：在风机运行过程中，对规定好采样范围内的计算风速和相应叶尖速比所对应的值进行统计，采样统计达到预计的规模后进行平均计算；第一次统计完成后对进行扰动，重复统计过程并计算后与前面的统计值进行比较，选取更优的值。

风力机叶尖速比风，那无形而又无处不在的力量，自古以来就是人类敬畏与渴望掌控的对象。

在现代能源科技中，风力机作为将风的动能转化为电能的关键设备，其叶尖速比（Tip Speed Ratio，简称TSR）的优化设计成为了提高风力机发电效率的研究焦点。

在风力机实验室里，李工程师正站在操作台前，目光紧盯着屏幕上不断跳动的数据。

他的助手小王在一旁翻看着厚厚的资料，不时地提问。

“李工，您看这份数据，叶尖速比在3.2时，风力机的输出功率达到了最大值，但风切变对TSR的影响我们该如何处理呢？”小王问道。

李工程师眉头微皱，沉吟片刻，回答道：“风切变确实是个难题，它会导致风速在叶片截面上的分布不均匀，进而影响TSR。

我们得从叶片的空气动力学特性入手，通过优化叶片形状和角度，减少风切变对TSR的影响。

”说着，李工程师拿起一支笔，在草稿纸上勾勒出叶片的轮廓，一边画一边解释：“你看，这样的设计可以使叶片在风切变区域保持较低的TSR，而在其他区域保持较高的TSR，从而平衡风切变的影响。

”就在这时，实验室的门被推开了，老张走了进来。

他是公司风机制造部的负责人，对风力机的性能有着深厚的理解。

“李工，我听说了您的研究进展，叶尖速比对风力机的性能确实至关重要。

不过，我觉得我们还可以从控制系统的角度来考虑，比如采用自适应控制系统，实时调整TSR，以适应不同的风况。

”老张提出了自己的观点。

李工程师点头赞同：“张经理说得对，自适应控制系统是个好办法。

我们可以结合气象数据和风力机的运行状态，设计出一种能够自动调整TSR的算法。

”小王在一旁听得入了神，不禁插话道：“那这样的系统对计算资源的要求会不会很高？”老张微笑着回答：“这也是我们需要考虑的问题。

我们可以通过优化算法，减少计算量，同时提高系统的响应速度。

”随着研究的深入，李工程师和小王的团队逐渐解决了风切变对叶尖速比的影响，并成功设计出了自适应控制系统。

在一次次的实验验证中，风力机的发电效率不断提高。

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。

变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制摘要：风力发电是一种可再生能源，因此，对它的开发和利用显得尤为重要。

由于其实用、高效的特点，变速恒频风电技术在许多方面都具有很大的应用前景，并且伴随着风电技术的持续发展，它已经成为了国内外众多专家学者关注的焦点。

安全、低成本、高效的风电技术是风电技术发展的重点，而对其短时有效风速进行精确预测是实现风电系统平稳运行的关键与基础。

风电机组在运转过程中，其风场呈现出一种三维时变特性，由于各测点在风轮表面上得到的风速各不相同，因此，利用风速仪对其进行短时的风速预报并不可行。

为改善风电机组的调速性能，需对风电机组的短时风速预报进行深入的分析与研究。

关键词：变速恒频；风力发电系统；最大风能追踪控制1变速恒频风力发电概述本文介绍了一种新型的变频调速发电机的结构，并对其性能进行了分析。

双馈发电机的定子线圈与电网相连，转子线圈为三相交流变频驱动，一般采用交流-交流变换或交流-直-交变换来驱动。

双馈发电机可以在各种工况下工作，并且可以根据风速的改变来调节其旋转速度，从而保证风机始终处于最优的工作状态，提高了风力资源的利用效率。

当电机负荷或速度改变时，调整馈入转子绕组电流，就可以使定子的输出电压和频率不变，也可以调整发电机的功率因子。

2变速恒频风力发电技术重要性及其优势2.1变速恒频风力发电技术的重要性风力发电机是一种以风力为动力的风力发电机。

在整个风力发电过程中，发电系统占有相当的比重。

通常情况下，当风力发电系统的单位装机容量不断增加时，就可以从一个侧面说明风力发电机的结构存在一定的问题。

为此，需要对风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。

风能转换系统优化控制及实现方式分析摘要：本文主要分析了风能转换系统优化的概况，阐述了风能转换系统的优化控制办法，最后总结了风能转换系统优化控制的积极作用和优势，旨在采取良好的优化控制方法，让风能转换系统在安全稳定运行的前提下，获取最大风能。

关键词：风能转换系统；优化控制；实现方法一、风能转换系统的优化的概况（一）风能转换系统原理及结构风能转换系统主要由电磁、电网连接以及气动传动三个子系统构成，气动传动子系统的功能是由气动子系统获取风能，然后转化为机械能，再利用风轮机的转动，由传动子系统将机械能传递到发电机中；电磁子系统的功能是将传递到发电机中的机械能转化电能，然后通过电网连接系统整体并入电网中。

（二）风能转换系统的优化控制问题风能转换系统中，当风速比既定风速小时，风能转换系统所吸收到的风能远比发电机的额定功率小，叶片的气动性能会受到风速的影响，风速变化，其气动性能也发生改变，进而改变发电机的功率。

另外，发电机中的电磁转矩是风轮机转速的一大影响因素，所以对最优的功率曲线的跟踪主要通过电磁转矩的控制来实现，从而使得得到的风能最大化。

二、风能转换系统的优化控制办法（一）单目标优化控制方法1.跟踪最大功率点跟踪最大功率点的原理是让风能转换系统在最大功率点周围运行，从而实现最大风能的捕获。

这种方法主要建立在“登山法”的基础上，对风轮转速和风能功率进行微分计算，然后根据跟踪最大功率点的控制逻辑找到最佳功率点并运行。

但是这种方法同样存在一些不足之处，风速和高速风轮机的惯量不固定，因此测量的风速存在一定的误差，故需要预估风速。

此外，如果功率出现频繁的波动，则会给系统的稳定性带来一定的影响，这种情况可以通过模糊控制的方法来解决。

2.模糊控制这是一种相对而言较为灵活的方式，其目的为在同样的建模基础上，进一步实现风能利用率的提高，是对跟踪最大功率点的补充和延伸。

其原理是让风能转换系统的运行保持在最佳状态。

如果风能转换系统处于稳定运行状态，但不是最佳运行点，则需要调节控制器，让运行点靠近最佳点。