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独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制

文 摘：介绍了采用抓极无刷自励发电机的5KW风电机组的性能特点，采用最佳叶速比控制和稳压控制相结合的控制方法，使风力机在额定风速以下及蓄电池没有充满时按最佳效率运行。当蓄电池接近充满时，控制风电系统稳压运行，保证蓄电池安全可靠充电。该风电机组及其控制已实际应用。 1、风机特性

大风时通过离心力控制限速弹簧调节叶片角度限制风轮转速 风力机的参数：额定功率、启动风速、额定风速、风轮直径、风轮额定转速、齿轮箱增速比、蓄电池标称电压。

风机发电的电气特点：

1.1若发电机为异步发电机，其结构简单，控制方便，但需加电容器励磁。发电机输出的三相交流电压为线电压380V，要给120V标称电压的蓄电池组供电，需加变压器降压后，再经整流器整流成直流输出，供蓄电池充电。整个发电系统环节多，降低了总的运行效率。

1.2原机组采用异步发电机基本恒速运行，在大多数风速情况下不是运行在最佳效率状态。

1.3原风电机组当蓄电池电压达到设定的最高充电电压值时，切断发电机的输出，这一方面使叶片和风轮在切断瞬间承受很大的冲击，容易损坏机组；另一方面在断开发电机输出时蓄电池不一定充满，充电电源已经断开，这样就使蓄电池经常处于充不满状态，缩短其使用寿命。

二、改进后风力发电机 2.1风力机最佳运行原理

一台风轮半径为R的风力机，在风速V下运行时，它所产生的机械功率Pm为

?2为风力机的功率系数，实质上也就是风力机将风能转换为机械能的效率。

对于已经设计定型的风力机，Cp是风轮叶尖线速度与风速之比?的函数。?通常称为叶尖速比。

Cp与?的关系曲线是风力机的基本性能之一，且只有?为某一特定值?m时，Cp达到其最大值Cpmax，所以?m称为最佳叶尖速比。

为了使风力机产生最大的机械功率，应使Cp达到其最大值Cpmax不变，为此，当风速变化时就必须使风力机的转速随风速正比变化，并保持一个恒定的最佳叶尖速比，即：

式中p为空气密度，?V3为单位时间穿过风轮扫掠面积的风的能量；Cp称

在此条件下，风力机输出最大机械效率，并与风速的三次方成正比，即

也即与转速的三次方成正比。

根据叶尖转速比与Cp的关系及Cp与输出功率之间关系，我们可以知道在风速固定时，不同的转速即对应不同的叶尖转速比，也即对应不同的Cp值，也即对应不同的输出功率，这样如果设定不同的风速，就可以得到哦啊风力机在不同风速下输出功率与转速的关系，如下图所示：

从上图可以看出在某一种风速下，风力机的输出机械功率随转速的不同而变化，其中有一个最佳的转速。在该转速下，风力机输出最大的机械功率。它与风速的关系是最佳叶尖速比关系。在不同风速下均有一个最佳的转速使风力机输出最大机械功率。从而得到一条最大输出机械功率曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系。

综上所述： 1. 只有在最佳叶尖速比情况下运行，风力机才能输出最大机械功率。反

过来说，如果要使风力机输出最大机械功率，则必须使其按最佳叶尖速比关系运行。 2. 在上述运行情况下，风力机的转速与风速成正比关系。 3. 在上述运行情况下，风力机的最大输出机械功率与风速的三次方或转

速的三次方成正比。 因此，在按最佳叶尖速比或按最大输出功率运行的情况下，风力机的功率系数在各种风速下均保持为Cpmax不变，以下关系必定成立：

2.2风力机最佳运行原理： 2.2.1采用风速信号控制 测出风速信号，用它与风力机的转速信号相比较，组成闭环控制系统，用来控制风力发电机的电功率输出，使风力机的转速正比于风速而变化。其简单的控制框图如下图所示：

当转速与风速的关系偏离设定的比例时，则产生误差信号，调节发电机的励磁和电功率输出，直到满足设定的比例关系为止，从而实现最佳叶尖速比控制运行。

实现本方案的主要困难在于难以取得准确的风速信号。由于风力机旋转时，使周围空气产生很大的扰动。因此风速传感器必须装在远离风力机的地方，这样测得的风速与风力机安装处的风速就有一定的误差。此外从风速传感器取得的风速信号还必须恩那个反映风力机跟踪风向的偏差，否则又会造成误差。所以这种方案看似简单，实现起来却有相当的困难。 2.2.2

由于在最佳叶尖速比运行条件下，风力机的机械功率与转速的三次方成正比例，如果我们用风力机的机械功率信号与转速信号三次方相比较，以比较所得的误差信号来调节发电机的输出，就可使风力机按最大功率运行，也即按最佳叶尖转速比运行。其控制框图如下：

由于要取得风力机的机械功率信号比较困难，因此我们在实际电路中可以以发电机的输出电功率来代替，应该指出，这个方案并不能保证风力机在额定风速一下的整个运行风速范围内均能按最佳叶尖速比或最大功率运行。因为这个控制方案所得到哦啊的结果是发电机的电功率输出与转速的三次方成比例关系，而发电机的电功率为：

式中，一个为增速箱效率，一个为发电机效率，只有在额定风速以上的整个运行风速范围内，二者都保持很定不变，功率与转速的三次方才成正比例变化，风力机才有可能按最大功率运行，有与他们都不可能在这么大的运行风速范围和功率变化范围内保持不变，所以也就必然会偏离最大功率运行，特别是在较低风速段，有与发电机效率下降很快，离最大功率运行更会相差甚远。