變速定槳風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制與載荷抑制技術(shù).pdf

1、風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源發(fā)電中發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，因其資源豐富和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究和發(fā)展的重點(diǎn)。除了發(fā)展大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組外，還需要發(fā)展中小功率等級(jí)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以改善偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶(hù)用電困難的現(xiàn)狀以及滿足分布式發(fā)電、智能微電網(wǎng)的發(fā)展。中小功率等級(jí)機(jī)組的研究目標(biāo)為增加機(jī)組捕獲的功率，提高機(jī)組的可靠性、延長(zhǎng)使用壽命，最大限度地降低機(jī)組單位發(fā)電功率所需的成本。然而，由于中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常采用定槳距結(jié)構(gòu)，槳距角固定不可調(diào)節(jié)，機(jī)組在高

2、風(fēng)速區(qū)運(yùn)行時(shí)限功率實(shí)現(xiàn)困難，容易發(fā)生過(guò)載損壞;且機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中還承受了由風(fēng)剪、塔影效應(yīng)以及湍流風(fēng)等引起的動(dòng)態(tài)載荷，機(jī)組傳動(dòng)鏈易疲勞損壞。因此，本文圍繞機(jī)組的全風(fēng)速范圍功率控制和載荷抑制策略展開(kāi)了深入的研究。
　　本文首先討論了所采用的機(jī)組結(jié)構(gòu)，并將其等效為兩質(zhì)量塊進(jìn)行了建模。通過(guò)對(duì)模型的分析，掌握了機(jī)組在全風(fēng)速范圍內(nèi)的工作特性，為后文研究功率控制策略中調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。此外，通過(guò)模型分析找到了機(jī)組的固有諧振頻率點(diǎn)，為后

3、文對(duì)機(jī)組進(jìn)行阻尼設(shè)計(jì)提供了理論支撐。
　　接著，為了提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量，保證機(jī)組在全風(fēng)速范圍內(nèi)安全運(yùn)行，針對(duì)目前常用的最大功率跟蹤(MPPT)控制策略存在通用性差且跟蹤速度隨著風(fēng)速的交化而變化等問(wèn)題，先后提出了一種具有較強(qiáng)通用性的MPPT控制方法和維持MPPT控制帶寬恒定的方法，大大優(yōu)化了機(jī)組的MPPT運(yùn)行性能;其次，針對(duì)定槳距機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)恒功率控制實(shí)現(xiàn)困難的問(wèn)題，提出了恒功率控制策略，并針對(duì)機(jī)組在高風(fēng)速區(qū)運(yùn)行時(shí)存在穩(wěn)定

4、性差的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。運(yùn)用本文所提出的功率控制策略，可在全風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)對(duì)機(jī)組實(shí)施功率優(yōu)化控制。
　　隨后，針對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)承受動(dòng)態(tài)載荷大而影響其壽命的問(wèn)題，本文對(duì)傳動(dòng)鏈載荷產(chǎn)生的源頭展開(kāi)了分析，詳細(xì)地探討了各類(lèi)載荷的抑制策略:針對(duì)由機(jī)組跟蹤轉(zhuǎn)速指令引起的瞬態(tài)載荷，提出了跟蹤帶寬的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，達(dá)到了機(jī)組捕獲能量和承受載荷的合理平衡;針對(duì)風(fēng)輪葉片對(duì)三維風(fēng)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)采樣引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提出了阻尼注入的控制方法，有效地抑制了機(jī)組

5、的氣動(dòng)載荷;針對(duì)過(guò)渡載荷，提出了軟失速控制方法，使機(jī)組承受的過(guò)渡載荷較常規(guī)失速下降了近80％;而對(duì)于采用二極管不控整流的微型、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，提出了一種低成本的高頻載荷抑制策略，使高頻載荷得到了大大的衰減。
　　最后，建立了一臺(tái)10kW的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對(duì)本文提出的功率控制和載荷抑制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)離網(wǎng)系統(tǒng)中存在的能量管理問(wèn)題，提出了一種簡(jiǎn)單的能量管理策略，不僅實(shí)現(xiàn)了向用戶(hù)不間斷供電，而且使系統(tǒng)中蓄電池的充