风力发电机的高效运行策略优化

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：对于定桨距的风力机,除了采用可控制的变速运行外,一般在额定风速以下恒速运行时,Cp常常会偏离其最佳值,使输出功率有所降低,而超过额定风速后,则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。在这个变化过程中,风力机和发电机将分别沿着v3风速下功率曲线的dc轨迹和最优功率曲线的bc轨迹运行。此时,转速稳定在对应于风速v3下的最优转速n3,风力机输出最优的机械功率P3。图3-3最大风能捕获控制策略

风力发电机的运行采用最大风能捕获控制策略,具体如下:

对于一台确定的风力机,在风速和桨叶转角一定时,总存在一个最佳叶尖速比λopt对应着一个最大的风能利用系数Cpmax,此时风力机的能量转换效率最高。对于一个特定的风速,风力机只有运行在一个特定的转速下,才会获得最大的能量转换效率。

风力机的叶片有定桨距和变桨距两种形式。对于定桨距的风力机,除了采用可控制的变速运行外,一般在额定风速以下恒速运行时,Cp常常会偏离其最佳值,使输出功率有所降低,而超过额定风速后,则通过偏航控制或失速控制等措施使输出功率限制在额定值附近。对于变桨距的风力机,通过调节桨距可使Cp在额定风速以下最大限度地接近最佳值,从而捕获到最大的风能以得到较多的能量输出,超过额定风速以后,通过改变桨距减小Cp值,使输出功率保持在其额定值上。所以,为获得最大的风能利用,实际运行时最好通过调节桨距来保证风力机运行在最大功率曲线上。因此,在任何风速下,只要调节风力机转速,使其叶尖线速度与风速之比λ保持不变,且都满足λ=λopt,就可以维持风力机在Cpmax下运行,这就是风力机最大风能捕获的原理。

最大风能捕获的过程如图3-3所示,其中,Popt是最优功率曲线。假设风力机原来在风速v2下稳定运行在b点,对应着该风速下的最优转速n2和最优机械功率P2,此时发电机输入的机械功率等于发电机系统输出的功率。如果某一时刻风速突然升高至v3,风力机马上就会由b点跳至v3风速下的功率曲线上的d点运行,其输出机械功率由P2突变至Pd。由于大的机械惯性作用和控制系统的调节过程之后,发电机仍运行在b点,此时发电机输入的机械功率大于发电机输出的功率,功率的不平衡将导致发电机转速马上升高。在这个变化过程中,风力机和发电机将分别沿着v3风速下功率曲线的dc轨迹和最优功率曲线的bc轨迹运行。当分别运行至风力机功率曲线和最优功率曲线的交点c时,功率将重新达到平衡。此时,转速稳定在对应于风速v3下的最优转速n3,风力机输出最优的机械功率P3。同理,也可以分析风速从高到低变化时,最大风能捕获过程和转速的调节过程。

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图3-3　最大风能捕获控制策略

风力发电机的高效运行策略优化

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