CN104879273A - 一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：1)对风力发电机组理论模型进行分析，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线；2)对风力发电机组的理论Cp-λ曲线簇进行分析，得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角；3)在风力发电机组运行的过程中，通过所测得风速或者功率控制风力发电机组的桨距角，实现风力发电机组风能捕获的最优。本发明提供了一种有效避免出现在失速现象、恒速段的风能利用效率较高、风能捕获效率较高的提高风力发电机组风能捕获的控制方法。

Description

一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电机组控制技术领域，具体涉及风力发电机组通过变桨控制来实现提高风力发电机组的风能捕获。
背景技术
随着传统能源的枯竭以及环境污染越来越严重，风能作为一种绿色无污染可再生的新能源得到了各国政府的重视。因此风力发电技术得到了迅猛的发展，风力发电机组的单机容量和叶轮直径都在快速增大。随着风力发电机组装机容量的不断增加，风电场的开发正在向低风速和高原地区拓展。空气密度随着海拔的增高而降低，当风速达到额定风速附近时由于空气密度的降低，风力发电机组很难达到额定功率，因此在高海拔地区的风力发电机组很容易出现失速现象。由于失速现象影响风力发电机组的风能利用效率，而降低了风电场的发电量，降低了风电场的经济效益。而且传统的风力发电机组运行在恒转速阶段时，桨距角是恒定不变的，只有在达到额定功率以后才进行变桨动作，这样风力发电机组在恒速段的风能利用效率也不是最优的，也会对风力发电机组的发电了产生影响。
发明内容
为了克服已有风力发电机组控制方式的存在失速现象、在恒速段的风能利用效率较低、风能捕获效率较低的不足，本发明提供了一种有效避免出现在失速现象、恒速段的风能利用效率较高、风能捕获效率较高的提高风力发电机组风能捕获的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)对风力发电机组理论模型进行分析，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线，Cp为功率系数，λ为叶尖速比；
2)对风力发电机组的理论Cp-λ曲线簇进行分析，得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角；
3)在风力发电机组运行的过程中，通过所测得风速或者功率控制风力发电机组的桨距角，实现风力发电机组风能捕获的最优。
进一步，所述步骤1)中，叶尖速比λ的定义为叶尖线速度和风速的比值，即ω为叶轮转速，r为叶轮半径，v为风速。在固定风速v下，叶尖速比λ与叶轮转速ω成线性变化，根据叶素动量理论，计算出固定风速、固定桨距角和固定转速条件下叶轮捕获的功率P，根据功率系数CP的定义计算得到功率系数CP，ρ为空气密度，S为叶轮扫风面积，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线。
再进一步，所述步骤2)中，根据步骤1)中所得到Cp-λ曲线簇，为了使风力发电机组的风能效率最高，需要每个叶尖速比所对应的功率系数CP最大，得到不同叶尖速比λ所对应的能使功率系数CP最大的桨距角；
在恒速段风力发电机组的转速是恒定的，根据叶尖速比的定义可以得到不同风速所对应的能使功率系数CP最大的桨距角。
风速和风力发电机组的功率也是一一对应的关系，因此在得到不同风速所对应的使功率系数CP最大的桨距角的同时，也可以得到不同功率所对应的能使功率系数CP最大的桨距角。
本发明的技术构思为：传统的风力发电机组主要运行在恒转速(并网转速)、变速段(追踪最优风能捕获)、恒转速(额定转速)和恒功率(变桨控制)。其中在恒转速(并网转速)、变速段(追踪最优风能捕获)、恒转速(额定转速)三个阶段中桨距角是恒定不变的，为了提高恒转速下风力发电机组的风能捕获效率以及解决风力发电机组出现失速现象的问题，本发明采用提前变桨的控制策略即在风力发电机组在还没有达到额定功率之前就进行变桨控制从而实现避免高原型机组出现失速以及提高恒转速段的风电机组的风能捕获效率。
通过对风力发电机组理论模型的分析，可以得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线，通过对风力发电机组的理论Cp-λ曲线簇的分析，可以得到不同风速下(或者不同功率下)使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角，在风力发电机组运行的过程中，通过所测得风速(或者功率)控制风力发电机组的桨距角，来实现风力发电机组风能捕获的最优。
本发明的有益效果主要表现在：有效避免出现在失速现象，在恒速段的风能利用效率较高、风能捕获效率较高。
附图说明
图1是风力发电机组传统控制的功率、转速、桨距角与风速之见的关系图。
图2是风力发电机组某一变桨角度下的Cp-λ曲线图。
图3是风力发电机组不同桨距角下的Cp-λ曲线簇图。
图4是风力发电机组采用提前变桨控制的功率、转速、桨距角与风速之见的关系图。
图5是贵州某风场采用提前变桨和未采用提前变桨的功率曲线比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
1)对风力发电机组理论模型进行分析，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线，Cp为功率系数，λ为叶尖速比；
2)对风力发电机组的理论Cp-λ曲线簇进行分析，得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角；
3)在风力发电机组运行的过程中，通过所测得风速或者功率控制风力发电机组的桨距角，实现风力发电机组风能捕获的最优。
进一步，所述步骤1)中，叶尖速比λ的定义为叶尖线速度和风速的比值，即ω为叶轮转速，r为叶轮半径，v为风速。在固定风速v下，叶尖速比λ与叶轮转速ω成线性变化，根据叶素动量理论，计算出固定风速、固定桨距角和固定转速条件下叶轮捕获的功率P，根据功率系数Cp的定义计算得到功率系数Cp，ρ为空气密度，S为叶轮扫风面积，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线。
再进一步，所述步骤2)中，根据步骤1)中所得到Cp-λ曲线簇，为了使风力发电机组的风能效率最高，要求每个叶尖速比所对应的功率系数CP最大，得到不同叶尖速比λ所对应的能使功率系数Cp最大的桨距角；
在恒速段风力发电机组的转速是恒定的，根据叶尖速比的定义得到不同风速或功率所对应的能使功率系数CP最大的桨距角。
风速和风力发电机组的功率也是一一对应的关系，因此在得到不 同风速所对应的使功率系数CP最大的桨距角的同时，也可以得到不同功率所对应的能使功率系数CP最大的桨距角。
传统的风电机组的控制策略如图1所示，AB段为恒转速运行阶段，BC段为变速运行段追踪最优CP(风能捕获系数)，CD段恒转速运行阶段，DE段为恒功率运行阶段。在AB段风力发电机组通过转矩环节的PI控制使风力发电机组运行在并网转速附近；在BC段风力发电机组运行在变速段，通过转矩控制T＝Koptω2来实现追踪最优风能捕获的目的，其中为空气密度，Cp为最优风能捕获系数，R为风机的叶轮半径，λopt为最优叶尖速比，G为齿箱速比，ω为电机转速；在CD段风力发电机组通过转矩环节的PI控制使风电机组运行在额定转速附近；在DE段风力发电机组通过变桨控制来实现恒功率控制。在风力发电机组达到额定功率之前桨距角是恒定的，只有在达到额定功率以后才通过变桨条件来实现恒功率控制。
图2为固定桨距角下风力发电机组的Cp-λ曲线，风力发电机组从切入风速到额定风速的叶尖速比λ是从大到小变化的，在变速段通过控制风力发电机组的转速变化来追踪最优叶尖速比λopt，使得风能捕获系数Cp最大。在高原地区由于空气密度的降低，使得风力发电机组的实际额定风速比理论额定风速高很多，这样就会使得机组的叶尖速比λ变的更小，通过附图2可以看出，在额定风速附近，随着叶尖速比λ的变小，风能捕获系数Cp变小，而且达到某一叶尖速比λ以后风能捕获系数Cp的下降非常的明显，从而导致风力发电机组的失速现象。
图3为不同桨距角下风力发电机组的Cp-λ曲线，很明显可以看出风能捕获系数Cp最大时所对应的桨距角下的Cp，只是在某一段叶尖速比λ保持最大，并不能在风力发电机组的整个运行范围内维持风能捕获系数Cp最大，即在恒速段时如果保持桨距角不变，并不一定使机组运行 在最优风能捕获，因此提出在风力发电机组在额定功率之前也进行变桨，通过桨距角的控制来实现追踪最优风能捕获系数Cp。当风机运行在恒转速时(并网转速)，在叶尖速比由λ5→λ4时，桨距角应分别为2°→1°→0°时能维持风力发电机组的风能捕获系数Cp最大，当叶尖速比由λ4→λ3时，桨距角为0°时能维持风力发电机组的风能捕获系数Cp最大；当风力发电机组运行在变速段时，桨距角为0°时能维持风力发电机组的风能捕获系数Cp最大，叶尖速比维持在λ3附近。当风力发电机组运行在恒转速(额定转速)，在叶尖速比由λ3→λ2时，桨距角为0°时能维持风力发电机组的风能捕获系数Cp最大，在叶尖速比由λ2→λ1时，桨距角应分别为0°→1°→2°时能维持风力发电机组的风能捕获系数Cp最大。
根据上述分析，可以得到不同叶尖速比λ时所对应的最优桨距角，通过换算就可以得到风速或功率和最优桨距角之间的关系，在风力发电机组上的实现是通过测量得到的风速或者功率来进行提前变桨控制，来实现提高风力发电机组恒风速段风能利用效率和解决风力发电机组出现失速现象。
图4为在风力发电机组恒速段时采用变桨控制的功率、转速和桨距角与风速之见的关系，在V1与V2、和V3与V4之见的恒速段进行了桨距角控制。
图5是在贵州某风场对两台临近的风力发电机组的功率曲线进行了比较，其中蓝色的是采用提前变桨控制的风力发电机组的功率曲线，红色是采用常规控制策略的风力发电机组的功率曲线。由于测试样机所在的贵州地区海拔较高，空气密度在0.9kg/m3左右,因此在额定功率到达之前采用常规控制策略的风力发电机组出现失速现象，而采用提前变桨的控制的风力发电机组能够有效的避免风力发电机组出现失速现象。

Claims (3)

1.一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
1)对风力发电机组理论模型进行分析，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线，Cp为功率系数，λ为叶尖速比；
2)对风力发电机组的理论Cp-λ曲线簇进行分析，得到不同风速下或者不同功率下使得风力发电机组理论Cp-λ最大的桨距角；
3)在风力发电机组运行的过程中，通过所测得风速或者功率控制风力发电机组的桨距角，实现风力发电机组风能捕获的最优。
2.如权利要求1所述的一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，其特征在于：所述步骤1)中，叶尖速比λ的定义为叶尖线速度和风速的比值，即ω为叶轮转速，r为叶轮半径，v为风速，在固定风速v下，叶尖速比λ与叶轮转速ω成线性变化，根据叶素动量理论，计算出在固定风速、固定桨距角和固定转速条件下叶轮捕获的功率P，根据功率系数Cp的定义计算得到功率系数Cp，ρ为空气密度，S为叶轮扫风面积，得到不同桨距角下风力发电机组的理论Cp-λ曲线。
3.如权利要求2所述的一种提高风力发电机组风能捕获的控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，根据步骤1)中所得到Cp-λ曲线簇，为了使风力发电机组的风能效率最高，要求每个叶尖速比所对应的功率系数Cp最大，得到不同叶尖速比λ所对应的能使功率系数Cp最大的桨距角；
在恒速段风力发电机组的转速是恒定的，根据叶尖速比的定义得到不同风速或功率所对应的使功率系数Cp最大的桨距角。
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