兆瓦级风力发电机组变桨距控制系统研究

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        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可再生能源。随着能源消耗日益增长,环境进一步恶化,世界各国都把发展可再生的“绿色”能源作为本国能源战略的重点。风力发电是风能利用的主要方式,近年来我国在风电技术和风电产业方面都取得了长足进步,但是在兆瓦级风力发电机组的设计技术和制造技术方面都还处于起步阶段,自主创新能力还很薄弱实践经验积累不足,控制技术与国外先进技术有较大差别。
        变桨距控制系统作为兆瓦级风力发电机组控制系统的核心部分之一,对机组安全、稳定、高效的运行具有十分重要的作用。稳定的变桨距控制已成为当前兆瓦级风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一。因此,有必要对兆瓦级风力发电机组的变桨距控制系统进行详细对比分析和研究。本文结合国外兆瓦级风力发电机组的发展现状,对风力发电机组变桨距系统控制的结构和控制原理进行分析。并利用PID控制方法对模型进行简要的仿真,以验证模型的正确性。


    1 风力机空气动力学特性分析
        在外界风力的作用下,风轮旋转产生机械能,带动发电机输出电能。但实际上风力机不能将风轮扫及面上的全部风能转换为旋转的机械能,存在风能利用系数Cp:

     式中:Pin一风轮扫及面内的全部风能;Pout一风轮吸收的机械能;ρ一空气密度;A一风轮扫及面积;v—风轮上游风速。
        变桨距风力机的风能利用系数Cp与尖速比λ和桨叶的节距角β成非线性关系。尖速比即为桨叶尖部的线速度与风速之比:

    式中:n——风轮的转速;ω一风轮转动角速度;R一风轮半径。
        据有关资料的记载和研究,风力机部分的风能利用系数Cp可近似用以下公式表示:

    在上式的基础上可以,通过Mat1ab进行计算可以得到大致的风轮变桨距的叶尖速比与风能利用率之比:

    从图1中可以得到以下结论:
        1)在某一个特定的桨距角β下,不管叶尖速比如何变化,仅存在唯一的风能利用系数最大值Cpmax,且仅有0.5左右;

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