最佳葉尖速比控制

1、獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的最佳葉尖速比控制文摘：介紹了采用抓極無(wú)刷自勵(lì)發(fā)電機(jī)的5KW風(fēng)電機(jī)組的性能特點(diǎn)，采用最佳葉速比控制和穩(wěn)壓控制相結(jié)合的控制方法，使風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速以下及蓄電池沒(méi)有充滿時(shí)按最佳效率運(yùn)行。當(dāng)蓄電池接近充滿時(shí)，控制風(fēng)電系統(tǒng)穩(wěn)壓運(yùn)行，保證蓄電池安全可靠充電。該風(fēng)電機(jī)組及其控制已實(shí)際應(yīng)用。1、風(fēng)機(jī)特性大風(fēng)時(shí)通過(guò)離心力控制限速?gòu)椈烧{(diào)節(jié)葉片角度限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速風(fēng)力機(jī)的參數(shù)：額定功率、啟動(dòng)風(fēng)速、額定風(fēng)速、風(fēng)輪直徑、風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速、齒輪箱增速比、蓄電池標(biāo)稱電壓。風(fēng)機(jī)發(fā)電的電氣特點(diǎn)：若發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)，具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但需加電容器勵(lì)磁。發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電壓為線電壓380V,要給120V標(biāo)稱電壓

2、的蓄電池組供電，需加變壓器降壓后，再經(jīng)整流器整流成直流輸出，供蓄電池充電。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，降低了總的運(yùn)行效率。原機(jī)組采用異步發(fā)電機(jī)基本恒速運(yùn)行，在大多數(shù)風(fēng)速情況下不是運(yùn)行在最佳效率狀態(tài)。原風(fēng)電機(jī)組當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定的最高充電電壓值時(shí)，切斷發(fā)電機(jī)的輸出，這一方面使葉片和風(fēng)輪在切斷瞬間承受很大的沖擊，容易損壞機(jī)組；另一方面在斷開(kāi)發(fā)電機(jī)輸出時(shí)蓄電池不一定充滿，充電電源已經(jīng)斷開(kāi)，這樣就使蓄電池經(jīng)常處于充不滿狀態(tài)，縮短其使用壽命。二、改進(jìn)后風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理一臺(tái)風(fēng)輪半徑為R的風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速V下運(yùn)行時(shí)，它所產(chǎn)生的機(jī)械功率Pm為fm=1/Prw-CpV1(1)式中p為空氣密度，£a

3、v3為單位時(shí)間穿過(guò)風(fēng)輪掃掠面積的風(fēng)的能量；Cp稱2為風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)，實(shí)質(zhì)上也就是風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率。對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)定型的風(fēng)力機(jī)，Cp是風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比九的函數(shù)。九通常稱為葉尖速比。Cp與九的關(guān)系曲線是風(fēng)力機(jī)的基本性能之一，且只有九為某一特定值九m時(shí)，Cp達(dá)到其最大值Cpmax,所以九m稱為最佳葉尖速比。為了使風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生最大的機(jī)械功率，應(yīng)使Cp達(dá)到其最大值Cpmax不變，為此，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)就必須使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速正比變化，并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比，即：3o/(nw>(v=k-.v在此條件下，風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械效率，并與風(fēng)速的三次方成正比，即也即與轉(zhuǎn)速的三次方成正比

4、。根據(jù)葉尖轉(zhuǎn)速比與Cp的關(guān)系及Cp與輸出功率之間關(guān)系，我們可以知道在風(fēng)速固定時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速即對(duì)應(yīng)不同的葉尖轉(zhuǎn)速比，也即對(duì)應(yīng)不同的Cp值，也即對(duì)應(yīng)不同的輸出功率，這樣如果設(shè)定不同的風(fēng)速，就可以得到哦啊風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如下圖所示：LOO15CZflOZ5G3的m/rEiinr”從上圖可以看出在某一種風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的不同而變化，其中有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速。在該轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)輸出最大的機(jī)械功率。它與風(fēng)速的關(guān)系是最佳葉尖速比關(guān)系。在不同風(fēng)速下均有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率。從而得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，處于這條曲線上的任何點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最

5、佳葉尖速比關(guān)系。綜上所述：只有在最佳葉尖速比情況下運(yùn)行，風(fēng)力機(jī)才能輸出最大機(jī)械功率。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果要使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率，則必須使其按最佳葉尖速比關(guān)系運(yùn)行。在上述運(yùn)行情況下，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比關(guān)系。在上述運(yùn)行情況下，風(fēng)力機(jī)的最大輸出機(jī)械功率與風(fēng)速的三次方或轉(zhuǎn)速的三次方成正比。因此，在按最佳葉尖速比或按最大輸出功率運(yùn)行的情況下，風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)在各種風(fēng)速下均保持為Cpmax不變，以下關(guān)系必定成立：口=fclVPmst=it2/1=tiV風(fēng)力機(jī)最佳運(yùn)行原理：采用風(fēng)速信號(hào)控制測(cè)出風(fēng)速信號(hào)，用它與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)相比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來(lái)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電功率輸出，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)

6、速而變化。其簡(jiǎn)單的控制框圖如下圖所示：風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速棒-0-凌電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)j耳w型!里4國(guó)J采用風(fēng)速和臂速信號(hào)的控制方案當(dāng)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系偏離設(shè)定的比例時(shí)，則產(chǎn)生誤差信號(hào)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和電功率輸出，直到滿足設(shè)定的比例關(guān)系為止，從而實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比控制運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)本方案的主要困難在于難以取得準(zhǔn)確的風(fēng)速信號(hào)。由于風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，使周圍空氣產(chǎn)生很大的擾動(dòng)。因此風(fēng)速傳感器必須裝在遠(yuǎn)離風(fēng)力機(jī)的地方，這樣測(cè)得的風(fēng)速與風(fēng)力機(jī)安裝處的風(fēng)速就有一定的誤差。此外從風(fēng)速傳感器取得的風(fēng)速信號(hào)還必須恩那個(gè)反映風(fēng)力機(jī)跟蹤風(fēng)向的偏差，否則又會(huì)造成誤差。所以這種方案看似簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻有相當(dāng)?shù)睦щy。由于在最佳葉尖速比運(yùn)行條件下，

7、風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比例，如果我們用風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)三次方相比較，以比較所得的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出，就可使風(fēng)力機(jī)按最大功率運(yùn)行，也即按最佳葉尖轉(zhuǎn)速比運(yùn)行。其控制框圖如下：*V立方電路換墟功率1普.叁g帽速傳惑器阿力好卜二5增強(qiáng)幅Q-圖5采用機(jī)械功率信號(hào)和轉(zhuǎn)速立方信號(hào)的控制方案由于要取得風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率信號(hào)比較困難，因此我們?cè)趯?shí)際電路中可以以發(fā)電機(jī)的輸出電功率來(lái)代替，應(yīng)該指出，這個(gè)方案并不能保證風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速一下的整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)均能按最佳葉尖速比或最大功率運(yùn)行。因?yàn)檫@個(gè)控制方案所得到哦啊的結(jié)果是發(fā)電機(jī)的電功率輸出與轉(zhuǎn)速的三次方成比例關(guān)系，而發(fā)電機(jī)的電功率為：Pm4Q式中，一個(gè)為增速箱效率，一個(gè)為發(fā)電機(jī)效率，只有在額定風(fēng)速以上的整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速范圍內(nèi)，二者都保持很定不變，功率與