风力机偏航时的控制方法讨论

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1、空气动力学（2010—2011学年第二学期）专业：电气工程及其自动化题目：风力机偏航时的控制方法讨论班级:电气08-1班姓名：田武涛学号：20082101043时间：2011年5月指导教师：张新燕新疆大学电气工程学院风力机偏航时的控制方法讨论内容摘要：风能是一种永不枯竭的清洁能源。相对于其它新型清洁能源，风力发电技术较为成熟，具有商业化推广模式，因此在世界范围内得到快速发展，成为当今世界增长速度最快的能源。为提高风能的利用效率，增加风力发电机的寿命，降低风力发电的成本，很多国家都对风电技术进行了深入的研究，在很多方面都取得了进步，但偏航控制

2、未能取得有效的发展。针对这种情况，本论文对风力发电机的偏航系统展开了深入的研究。风力发电机的种类很多，对应的偏航装置也多种多样，本文的研究对象是目前应用最为广泛的大功率水平轴风力发电机。偏航控制系统的作用就是保持机舱与风向一致，使风力发电机尽可能多的获取风能。偏航系统的滞后性和风向的频繁变化，使得机舱很难精确的对风。风向频繁变化也会导致偏航机构频繁动作，影响偏航机构的寿命。目前广泛采用的仍是带有偏航容许误差的偏航控制方法，即允许风向在偏航容许误差角内变化，当风向变化超过范围时，风力发电机才进行偏航调整。根据偏航比要求(偏航运行时间与风机运行

3、时间的比值)，改进了传统的偏航控制算法，新算法能在保证风力发电机寿命的前提下，提高了风力发电机利用风能的效率。一、风力发电机组控制策略的发展风能是一种能量密度低、稳定性较差的能源，由于风速、风向的随机性变化，导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风力机的空气动力效率及输入到传动链的功率发生变化，影响了风电系统的发电效率并引起转矩传动链的振荡，会对电能质量及接入的电网产生影响，对于小电网甚至会影响其稳定性。风力发电机组通常采用柔l生部件，这有助于减小内部的机械应力，但同时也会使风电系统的动态特性复杂化，且转矩传动模块会有很大振荡。

4、目前，风力发电机的控制策略研究根据控制器类型的不同可分为两大类基于数学模型的传统控制方法和现代控制方法。现代控制方法主要包括变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等。1．传统控制方法当风速变化时，通过调节发电机电磁转矩或叶片节距角，使叶尖速比保持最优值，从而实现风能的最大捕获。它采用线

5、生控制方法，控制是基于线性模型的基础上。缺点是对于快速变化的风速，调节相对滞后。同时基于某工作点的线性化模型的方法，对于工作范围较宽、随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统并不适用，它只能保证在线性化工作点附近的控制效果。2．现代控制方法(1)变

6、结构控制风力发电机经常工作于正常与失速两种模态，滑模变结构控制因具有快速响应、对系统参数变化不敏感、设计简单和易于实现等优点而在风电系统中得到广泛应用。(2)鲁棒控制鲁棒控制具有处理多变量问题的能力，对于具有建模误差、参数不准确和干扰位置系统的控制问题，在强稳定性的鲁棒控制中可得到直接解决。(3)自适应控制在自适应控制器中，通过测量系统的输入输出值，实时估计出控制过程中的参数，因此控制器的增益是可调节的。在遇到干扰和电网不稳定时自适应控制器比PI控制器多许多优点，但实时参数的难以估计是一个主要的缺点，因为它要耗费大量的计算时间。(4)模糊控

7、制模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛用于自然科学和社会科学的许多领域，其最大的特点是将专家的知识和经验表示为语言规则用于控制，不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素的影响，对被调节对象有较强的鲁棒性。由于风力发电机的精确数学模型难以建立，模糊控制非常适合于风力发电机组的控制，越来越受到风电研究人员的重视。一、偏航系统的装置水平轴风力机一般都需要偏航装置也叫调向装置，以确保风轮能够追踪风向。根据风轮与风向的位置，可以分为上风向式和下风向式。下风向偏航风轮背对风向，风通过塔架后吹到风轮上，风轮能自然的对准风向，一般不需要偏航装置

8、。但塔架干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔影效应，使性能有所降低。上风向偏航风轮直接对着风向，必须使用偏航装置。目前风机一般都为上风向式，常用的有以下几种。风力发电机偏航控制系统的研究(1)尾舵调向尾舵调向的风力发电机机结构如图,1所示。尾舵调向主要用于小型风力发电机，它的优点是能自然地对准风向，不需要特殊的控制。缺点是结构笨重，调向频繁。图1尾舵调向(2)侧风轮调向侧风轮调向装置采用l个或2个小风轮安装在机舱的侧面。如图2所示。其旋转轴与风轮主轴垂直。如果主风轮没有对准风向，则侧风轮会被风吹动，产生偏向力，通过蜗轮蜗杆机构使机舱绕转向轴旋转

9、，直到风向与侧风轮轴垂直时为止。恻风轮调向装置既可用于上风式的风力机，也可用于下风式的风力机。与尾舵调向装置相比，侧风轮凋向装置的优点是:转动更加平稳柔和。图2侧风轮调向(3)伺