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，已成為當前國內(nèi)外研究和發(fā)展的重點。除了發(fā)展大型風(fēng)力發(fā)電機組外，還需要發(fā)展中小功率等級風(fēng)力發(fā)電技術(shù)以改善偏遠地區(qū)用戶用電困難的現(xiàn)狀以及滿足分布式發(fā)電、智能微電網(wǎng)的發(fā)展。中小功率等級機組的研究目標為增加機組捕獲的功率，提高機組的可靠性、延長使用壽命，最大限度地降低機組單位發(fā)電功率所需的成本。然而，由于中小型風(fēng)力發(fā)電機組通常采用定槳距結(jié)構(gòu)，槳距角固定不可調(diào)節(jié)，機組在高

2、風(fēng)速區(qū)運行時限功率實現(xiàn)困難，容易發(fā)生過載損壞;且機組在運行過程中還承受了由風(fēng)剪、塔影效應(yīng)以及湍流風(fēng)等引起的動態(tài)載荷，機組傳動鏈易疲勞損壞。因此，本文圍繞機組的全風(fēng)速范圍功率控制和載荷抑制策略展開了深入的研究。
　　本文首先討論了所采用的機組結(jié)構(gòu)，并將其等效為兩質(zhì)量塊進行了建模。通過對模型的分析，掌握了機組在全風(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)計奠定了理論基礎(chǔ)。此外，通過模型分析找到了機組的固有諧振頻率點，為后

3、文對機組進行阻尼設(shè)計提供了理論支撐。
　　接著，為了提高風(fēng)力發(fā)電機組的年發(fā)電量，保證機組在全風(fēng)速范圍內(nèi)安全運行，針對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題，先后提出了一種具有較強通用性的MPPT控制方法和維持MPPT控制帶寬恒定的方法，大大優(yōu)化了機組的MPPT運行性能;其次，針對定槳距機組在高風(fēng)速區(qū)恒功率控制實現(xiàn)困難的問題，提出了恒功率控制策略，并針對機組在高風(fēng)速區(qū)運行時存在穩(wěn)定

4、性差的問題提出了相應(yīng)的解決方案。運用本文所提出的功率控制策略，可在全風(fēng)速運行范圍內(nèi)對機組實施功率優(yōu)化控制。
　　隨后，針對機組運行時承受動態(tài)載荷大而影響其壽命的問題，本文對傳動鏈載荷產(chǎn)生的源頭展開了分析，詳細地探討了各類載荷的抑制策略:針對由機組跟蹤轉(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)計原則，達到了機組捕獲能量和承受載荷的合理平衡;針對風(fēng)輪葉片對三維風(fēng)場的旋轉(zhuǎn)采樣引起的轉(zhuǎn)矩脈動，提出了阻尼注入的控制方法，有效地抑制了機組

5、的氣動載荷;針對過渡載荷，提出了軟失速控制方法，使機組承受的過渡載荷較常規(guī)失速下降了近80％;而對于采用二極管不控整流的微型、小型風(fēng)力發(fā)電機組，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10kW的離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)對本文提出的功率控制和載荷抑制策略進行了實驗驗證。針對離網(wǎng)系統(tǒng)中存在的能量管理問題，提出了一種簡單的能量管理策略，不僅實現(xiàn)了向用戶不間斷供電，而且使系統(tǒng)中蓄電池的充