風(fēng)電控制技術(shù)及應(yīng)用

第一章風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論專業(yè)核心課程，前導(dǎo)課程有“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝與調(diào)試”、“電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)”；考核方式：平時(shí)成績（出勤＋作業(yè)）30%、期中考試20%、期末考試50%

第一章風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)理論

風(fēng)力發(fā)電簡介風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性簡化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)理論風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的PID算法風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介人類很早就使用風(fēng)能了，主要是通過風(fēng)車來抽水、碾米、磨面以及船舶的助航等。中國、伊拉克、埃及都是較早利用風(fēng)能的國家。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介受社會(huì)生產(chǎn)力低的影響，直到19世紀(jì)，風(fēng)能的利用一直占有比較重要的地位。蒸汽機(jī)的發(fā)明與廣泛應(yīng)用，逐漸弱化了風(fēng)車的作用。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展我國的風(fēng)力發(fā)電始于20世紀(jì)50年代后期，吉林、遼寧、新疆等，單臺(tái)容量在10kW以下的小型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。其后停滯。70年代中期以后，又給予了重視與支持。獨(dú)立運(yùn)行。1986年，山東榮城，我國第一座并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)進(jìn)入探索和示范階段。規(guī)模和單機(jī)容量均較小。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介1990年已建成4座并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量為4.215MW，其最大單機(jī)容量為200kW。1991年起開始步入逐步推廣階段,1995年，最大單機(jī)容量為500kW。1996年后，進(jìn)入了擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模的階段,風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模和裝機(jī)容量均較大，最大單機(jī)容量為1500kW。2008年，上海東海大橋10萬kW海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)發(fā)電，國內(nèi)第一座海上風(fēng)電場(chǎng)。目前，甘肅酒泉、蒙東、蒙西、東北、河北、新疆、江蘇、山東等多個(gè)千萬千瓦風(fēng)電基地。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介經(jīng)過多年的技術(shù)積累和資本投入，國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)水平不斷提高，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)等科技難關(guān)被相繼攻克。風(fēng)電設(shè)備的國產(chǎn)化，帶動(dòng)了國內(nèi)風(fēng)電技術(shù)水平和運(yùn)營質(zhì)量的快速提升。目前，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組普遍采用當(dāng)今世界主流技術(shù)，世界領(lǐng)先的3MW和海上風(fēng)電項(xiàng)目均在國內(nèi)落戶。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介一、風(fēng)力發(fā)電基本原理風(fēng)能機(jī)械能電能風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱損壞率較高直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組（無齒輪箱）風(fēng)電機(jī)組常用功率調(diào)節(jié)方式：失速調(diào)節(jié)變槳距調(diào)節(jié)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介二、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)輪轂齒輪箱油冷卻器發(fā)電機(jī)變槳驅(qū)動(dòng)導(dǎo)流罩機(jī)艙低速軸熱交換器控制箱旋轉(zhuǎn)接頭支撐軸承偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)艙座通風(fēng)隔離減震風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類：按風(fēng)輪葉片分類：定槳型、變槳型；按風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分類：定速型、變速型；按傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分類：齒輪箱升速型、直驅(qū)型；按發(fā)電機(jī)分類：異步型、同步型；按并網(wǎng)方式分類：并網(wǎng)型、離網(wǎng)型。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介鼠籠異步發(fā)電機(jī)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介PWM永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介PWM雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展模式陸地風(fēng)力發(fā)電：其方向是低風(fēng)速發(fā)電技術(shù)，主要機(jī)型是2-5MW的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，這種模式關(guān)鍵是向電網(wǎng)輸電。近海風(fēng)力發(fā)電：主要用于比較淺的近海海域，安裝5兆瓦以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，布置大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，這種模式的主要制約因素是風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的規(guī)劃和建設(shè)成本，但是近海風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)是明顯的，即不占用土地，海上風(fēng)力資源較好。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展趨勢(shì)

變槳距調(diào)節(jié)方式迅速取代失速調(diào)節(jié)方式；

變速運(yùn)行方式迅速取代恒速運(yùn)行方式；機(jī)組規(guī)模向大型化發(fā)展；

直驅(qū)永磁、異步雙饋兩種形式共同發(fā)展。第一節(jié)風(fēng)力發(fā)電簡介一、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能這一過程由風(fēng)輪實(shí)現(xiàn)重要指標(biāo)：風(fēng)能利用系數(shù)、葉尖速比1、貝茨理論1919年，德國物理學(xué)家貝茨首次提出：風(fēng)輪從自然界中獲得的能量是有限的，只能把不足16/27的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（即理論上利用系數(shù)的最大值為0.593），損失部分可解釋為留在尾流中的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程假設(shè)風(fēng)輪是理想的，且由無限多的葉片組成，氣流通過風(fēng)輪時(shí)也沒有阻力。此外，假定氣流經(jīng)過整個(gè)掃風(fēng)面是均勻的，氣流通過風(fēng)輪前后的速度方向?yàn)檩S向。理想的風(fēng)輪氣流模型如圖所示理想風(fēng)輪的氣流模型第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程

圖中V1是風(fēng)輪上游的風(fēng)速，V是通過風(fēng)輪的風(fēng)速，V2是風(fēng)輪下游的風(fēng)速。通過風(fēng)輪的氣流其上游截面是S1，下游截面是S2。由于風(fēng)輪所獲得的能量是由風(fēng)能轉(zhuǎn)化得到的，所以V2必定小于V1，因而通過風(fēng)輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即S2大于S1。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程自然界的空氣流動(dòng)可以認(rèn)為是不可壓縮的，由連續(xù)流動(dòng)方程得到S1V1=SV=S2V2由動(dòng)能方程，可得作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)力為F=ρSV(V1-V2)所以風(fēng)輪吸收的功率為P=FV=ρSV2(V1-V2)故上游至下游動(dòng)能的變化為?E=0.5ρSV(V12-V22)由能量守恒定律，可知V=0.5(V1+V2)第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程因此，作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)力和提供的功率可寫為F=0.5ρS(V12-V22)P=0.25ρS(V12-V22)(V1+V2)對(duì)于給定的上有速度V1，可寫出以V2為函數(shù)的功率變化關(guān)系，將上式微分可得V2=V1/3時(shí)，功率P達(dá)到最大值，即Pmax=8/27ρSV13將上式除以氣流通過掃風(fēng)面S時(shí)所具有的動(dòng)能，可得到風(fēng)輪的理論最大效率——理論風(fēng)能利用系數(shù)Cp,max=Pmax/0.5ρSV13=16/27≈0.593第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程也就是說，實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率必定小于貝茨理論的極限值0.593，因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是實(shí)際得到的有用功率是Pmax=0.5CpρSV13式中Cp是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力特性風(fēng)能利用系數(shù)定義：風(fēng)輪能夠從自然風(fēng)能中吸收的能量與輸入風(fēng)能之比Cp=P

/0.5ρSV3式中P-實(shí)際獲得功率，Wρ-空氣密度，kg/m3S-掃風(fēng)面積，m2V-上游風(fēng)速，m/s第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程Cp值越大，表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠從自然界中獲得的能量百分比越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率越高，對(duì)風(fēng)能的利用率越高。對(duì)于實(shí)際有用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，風(fēng)能利用系數(shù)主要取決于風(fēng)輪葉片的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及制造工藝水平。如高性能螺旋槳式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一般是0.45以上，而阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有0.15左右。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程葉尖速比為了表示風(fēng)輪運(yùn)行速度的快慢，常用葉片的葉尖圓周速度與來流風(fēng)速之比來描述，稱為葉尖速比λλ=2πRn

/0.5ρSV=ωR/

V式中n-風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/minR-葉尖半徑，mV-上游風(fēng)速，m/s

ω

-風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程功率P可表示成風(fēng)輪獲得的總轉(zhuǎn)矩M和風(fēng)輪角速度的乘積ω，由ω=λV/R，得Cp=2Mλ

/ρSV2R并定義M=Cp/λ

=2M

/ρSV2R為無因次數(shù)，正比于轉(zhuǎn)矩。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程Betz極限理想的Cp曲線實(shí)際的Cp曲線失速損失型阻損失0風(fēng)能利用系數(shù)和無因次數(shù)隨葉尖速比變化的曲線稱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空氣動(dòng)力特性曲線變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性通常由風(fēng)能利用系數(shù)的無因次性能曲線來表示。風(fēng)能利用系數(shù)（功率系數(shù)）Cp是葉尖速比λ

的函數(shù)，也是槳距角β的函數(shù)，綜合起來可表示為Cp(λ，β)，當(dāng)槳距角β逐漸增大時(shí)，Cp(λ)曲線將顯著縮小。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程風(fēng)能利用系數(shù)只有在一個(gè)特定的最優(yōu)尖速比下才達(dá)到最大值，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在仍然保持某一固定的轉(zhuǎn)速ω，那么必將偏離其最優(yōu)質(zhì)，從而使Cp降低。為了提高風(fēng)能利用系數(shù)，必須使風(fēng)速變化時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速也隨之變化，從而保持最優(yōu)尖速比。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)特性由葉尖速比λ、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(λ，β)、風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，β)、風(fēng)輪捕獲功率P表示。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程二、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能這一過程由發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用電磁感應(yīng)原理將風(fēng)輪傳來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為異步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)兩種，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)一般采用異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)的頻率，只能在同步轉(zhuǎn)速很小的范圍內(nèi)變化。當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，齒輪箱高速輸出的軸轉(zhuǎn)速達(dá)到異步發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)送電。風(fēng)速繼續(xù)增加，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也略微升高，增加輸出功率。達(dá)到額定風(fēng)速后，由于風(fēng)輪的調(diào)節(jié)，穩(wěn)定在額定功率不再增大。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程

反之，風(fēng)速減小，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，則從電網(wǎng)吸收電能，處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，經(jīng)過適當(dāng)延時(shí)后脫開電網(wǎng)。對(duì)于定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)，一般還采用單繞組雙速異步發(fā)電機(jī)，如從4級(jí)1500r/min變?yōu)?級(jí)1000r/min。但是這種發(fā)電機(jī)仍然可以看做是基本上恒定轉(zhuǎn)速的，這一方案不僅解決了低功率時(shí)電機(jī)的效率問題，而且改善了低風(fēng)速時(shí)的葉尖速比，提高了風(fēng)能利用系數(shù)并降低了運(yùn)行時(shí)的噪聲，由于同樣考慮，一些變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)也使用雙速發(fā)電機(jī)。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程普通異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可以直接并入電網(wǎng)，無需同步調(diào)節(jié)裝置，但風(fēng)輪轉(zhuǎn)速固定后效率較低，而且在交變的風(fēng)速作用下，承受較大載荷。為了克服這些不足之處，相繼開發(fā)了高滑差異步發(fā)電機(jī)和變轉(zhuǎn)速雙饋異步發(fā)電機(jī)。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)一般有兩種方式：一種是準(zhǔn)同期直接并網(wǎng)，這種方法在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中極少使用，另一種是交---直---交并網(wǎng)。幾年來，由于大功率電子元器件的快速發(fā)展，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的到了迅速的發(fā)展，同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程為了減少齒輪箱的傳動(dòng)損失和發(fā)生故障的概率，有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)同步多級(jí)發(fā)電機(jī)，又稱無齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪相同而隨著風(fēng)速變化，風(fēng)輪可以轉(zhuǎn)換更多的風(fēng)能，所承受的載荷穩(wěn)定，減輕部件的重量。缺點(diǎn)是這種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高，且需要交流裝置才能與電網(wǎng)頻率同步，經(jīng)過轉(zhuǎn)換又損失了能量。第二節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過程定速定槳距型風(fēng)電葉片變速變槳距型風(fēng)電葉片噴涂膠衣前的葉片MW級(jí)以下風(fēng)電機(jī)組一般為定速定槳距型MW級(jí)以上風(fēng)電機(jī)組一般為變速變槳距型第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性1、型號(hào)廠家、葉片長度、額定功率等信息2、主要安裝尺寸螺栓分布節(jié)圓直徑、螺栓數(shù)量及規(guī)格、螺栓孔位置公差、葉片圓柱段外徑等第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性3、葉片參數(shù)

葉片長度、翼型、最大弦長、葉片面積、最大扭角、預(yù)彎量、重量、重心位置、固有頻率、表面防護(hù)等4、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)等級(jí)、工作壽命、葉片數(shù)目、風(fēng)輪直徑、最大風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)方向、風(fēng)輪運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍、功率控制、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、額定風(fēng)速、安全風(fēng)速等第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性5、葉片材質(zhì)

制造葉片的材質(zhì)中最主要的是殼體、葉梁所采用的基體材料和增強(qiáng)材料等，基體材料一般采用聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂，增強(qiáng)材料一般采用玻璃纖維、碳纖維。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性6、運(yùn)行條件風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行條件，如風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍、安全風(fēng)速、環(huán)境溫度、防雷要求等二、葉片的空氣動(dòng)力特性1、葉片上的載荷特性

風(fēng)電機(jī)組上的載荷主要分為：空氣動(dòng)力載荷、重力載荷、慣性載荷（包括離心力和回轉(zhuǎn)應(yīng)力）、操縱載荷和其他載荷（如溫度載荷和結(jié)冰載荷等）。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性(1)葉片的基本載荷葉片的受力：空氣動(dòng)力、離心力和重力第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性

空氣動(dòng)力載荷

風(fēng)電機(jī)組最主要的動(dòng)力來源使葉片承受彎曲和扭轉(zhuǎn)力葉片是最主要的承載部件主要依據(jù)葉素理論和動(dòng)量理論進(jìn)行計(jì)算載荷大小與風(fēng)輪直徑、葉根半徑、葉片上單位長度翼形截面的風(fēng)力（相對(duì)風(fēng)速）、空氣密度等正相關(guān)，也與所選翼型有關(guān)。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性離心力載荷

使葉片受到拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)力自旋轉(zhuǎn)中心沿半徑向外作用在翼剖面的重心上，與重力載荷相互作用會(huì)給葉片帶來很大的作用力大小與葉片的密度、風(fēng)輪角速度、葉片截面積、風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑正相關(guān)。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性

重力載荷

對(duì)葉片產(chǎn)生擺振方向的彎矩，使葉片承受拉壓力、彎曲和扭轉(zhuǎn)力是葉片的主要疲勞載荷主要有重力拉壓力、重力剪力和重力彎矩、重力扭矩第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性(2)葉片的動(dòng)態(tài)載荷

葉片在氣動(dòng)力、重力和離心力作用下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。主要振動(dòng)形式有：揮舞：葉片在垂直與旋轉(zhuǎn)平面方向上的彎曲振動(dòng)擺振：葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)扭轉(zhuǎn)：葉片繞其變槳距軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性這三種機(jī)械振動(dòng)和氣動(dòng)力交織作用，形成氣動(dòng)彈性問題。如果這種相互作用是減弱的，則振動(dòng)穩(wěn)定，否則會(huì)出現(xiàn)顫振和發(fā)散，這種不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的破壞力極強(qiáng)。葉片動(dòng)態(tài)分析最重要的是頻率計(jì)算

葉片固有頻率須離開共振頻率一定距離共振安全率：葉片固有頻率離開共振頻率的距離（%）由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的波動(dòng)，故要求葉片的固有頻率避開共振頻率的范圍應(yīng)該大一些。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象：大型風(fēng)電葉片采用中空結(jié)構(gòu)形式，在彎曲氣動(dòng)載荷作用下，葉片局部受壓區(qū)域可能由于剛度下降而發(fā)生突然損壞。葉片后緣空腔較寬，易發(fā)生失穩(wěn)。葉片的強(qiáng)度分為：疲勞強(qiáng)度破壞強(qiáng)度第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特性系數(shù)

除在任務(wù)二中已經(jīng)講述了的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)——風(fēng)能利用系數(shù)、葉尖速比外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特性參數(shù)還有轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cr、推力系數(shù)CF、功率調(diào)節(jié)方式等第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性

為了便于把氣流作用下風(fēng)力機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和推力進(jìn)行比較，引入轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)。

式中—風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；—推力，N。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性a0a1a2a3a4a5a6三階-0.0180-0.00570.0134-0.0009四階0.0172-0.07850.0387-0.00380.0001六階0.000640.01771-0.032780.01586-0.002370.000145-0.0000032第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)關(guān)系曲線圖功率調(diào)節(jié)方式主要有定槳距失速調(diào)節(jié)、變槳距調(diào)節(jié)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)三種方式。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性失速調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪氣流特性第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性當(dāng)風(fēng)穿過風(fēng)輪掃風(fēng)面后，由于風(fēng)輪運(yùn)動(dòng)和塔架的存在，使得風(fēng)速受到影響，進(jìn)而影響風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的效率。其中主要有以下方面的影響：1、風(fēng)剪切影響：葉片旋轉(zhuǎn)過程中，單個(gè)葉片會(huì)因?yàn)楦叨炔粩嘧兓?，使風(fēng)速產(chǎn)生周期性的變化，進(jìn)而使得氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生周期性的變化；2、塔影效應(yīng)：葉片旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)周期性的經(jīng)過塔架，空氣流在葉片與塔架之間產(chǎn)生繞流、紊流等作用，同樣會(huì)影響氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)尤其重要。3、尾流效應(yīng)：相鄰的風(fēng)力機(jī)之間也會(huì)相互影響，前面的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流變化會(huì)對(duì)后面的風(fēng)力機(jī)受到的風(fēng)速特性產(chǎn)生影響，即尾流效應(yīng)影響。第三節(jié)

葉片的幾何參數(shù)和空氣動(dòng)力特性一、貝茨理論回顧復(fù)習(xí)任務(wù)二之“貝茨理論”二、動(dòng)量理論風(fēng)輪吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程可以用動(dòng)量理論來模擬。又稱滑流理論。第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

采用的假設(shè)：氣流為連續(xù)的、不可壓縮的均勻流體；無摩擦力；風(fēng)輪沒有輪轂，葉片無限多；氣流對(duì)風(fēng)輪面的推力均勻一致；風(fēng)輪尾流無旋轉(zhuǎn)；在風(fēng)輪的前遠(yuǎn)方和后遠(yuǎn)方，風(fēng)輪周圍無湍流處的靜壓力相等。

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

現(xiàn)象：風(fēng)輪前后截面流量相等；風(fēng)通過風(fēng)輪時(shí)，受風(fēng)輪阻擋被向外擠壓，繞過風(fēng)輪的空氣能量未被利用；若v1-v2=0，通過風(fēng)輪的空氣動(dòng)能不變，沒有能量轉(zhuǎn)換；若v2=0，沒有氣流通過風(fēng)輪，依然沒有能量轉(zhuǎn)換。第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

根據(jù)不可壓縮流體連續(xù)性方程根據(jù)動(dòng)量方程得到風(fēng)輪受到空氣的推力為推力還應(yīng)該等于風(fēng)輪前后靜壓力差與風(fēng)輪面積的乘積，即由伯努利方程得第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

引入速度減少率（軸向誘導(dǎo)因子）：則從風(fēng)輪中得到的功率P(W)為單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)能的變化第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

結(jié)論：

功率系數(shù)為推力系數(shù)為貝茨極限值為0.593

三、葉素理論葉素理論最早由Drezwiwcki在19世紀(jì)末提出，是風(fēng)輪空氣動(dòng)力學(xué)研究中被廣泛采用的又一經(jīng)典理論。葉素理論把葉片視作由若干個(gè)葉素構(gòu)成。假設(shè)葉素的氣動(dòng)載荷是準(zhǔn)二維的，即每個(gè)葉素類似于一個(gè)二維翼型來產(chǎn)生氣動(dòng)作用（各葉素間的氣流流動(dòng)相互不干擾）。于是，對(duì)葉素氣動(dòng)載荷的計(jì)算便等同于二維翼型氣動(dòng)載荷的計(jì)算。沿葉片徑向積分就可以得到整個(gè)葉片進(jìn)而整個(gè)風(fēng)輪的氣動(dòng)特性。第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

盡管作了準(zhǔn)二維假設(shè)，但是通過對(duì)葉素迎角的修正，葉素理論考慮了旋翼的非均勻誘導(dǎo)入流的三維效應(yīng)。換言之，旋翼誘導(dǎo)速度不再假定是均勻分布的，因此能更真實(shí)地反映誘導(dǎo)速度沿半徑和方位角的變化。第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

合速度下，葉素的升力和阻力分別為：第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

式中，翼型的升力系數(shù)C1，阻力系數(shù)Cd取決于葉素的迎角。葉素的垂向力和切向力分別為：因此，對(duì)于葉片數(shù)為Nb的風(fēng)輪系統(tǒng)，其拉力、扭矩和功率分別為：第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

四、動(dòng)量—葉素理論

將動(dòng)量理論應(yīng)用在葉片每個(gè)葉素上，就得到了目前風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪設(shè)計(jì)與分析最常用的模式：動(dòng)量—葉素理論（BEM理論）動(dòng)量—葉素理論在針對(duì)每個(gè)葉素作性能分析的同時(shí)，考慮到軸向和弦向誘導(dǎo)速度，理論基礎(chǔ)相當(dāng)完整。應(yīng)用動(dòng)量—葉素理論對(duì)風(fēng)輪性能進(jìn)行分析時(shí)，最關(guān)鍵的步驟是軸向誘導(dǎo)因子和弦向誘導(dǎo)因子的求解。

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

第四節(jié)簡化的風(fēng)力發(fā)電理論

風(fēng)輪平面處的切向速度為ωｒ(1＋ɑ＇)將動(dòng)量模型的旋轉(zhuǎn)尾流影響考慮進(jìn)去時(shí)，作用在掃掠圓環(huán)面的軸向氣動(dòng)力為dT＝?ρW2tΔr(CLcosφ＋CDsinφ)

弦向誘導(dǎo)因子

，其中

為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制PID算法

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)是整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的核心，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和電能質(zhì)量。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，為風(fēng)電控制系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前PID控制器因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單、在實(shí)際中容易被理解和實(shí)現(xiàn)，在風(fēng)電機(jī)組中的控制策略中得到廣泛應(yīng)用。

PID控制算法需要進(jìn)行控制器參數(shù)調(diào)節(jié)，其方法概括起來有兩大類:第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制PID算法理論計(jì)算整定法

主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，按照對(duì)數(shù)頻率特性或者根據(jù)軌跡特性來確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)不可以直接使用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制PID算法工程整定方法

主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行。

這些PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)方法一直以來都需要通過工程實(shí)際進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和修改，算法運(yùn)算量大，過程復(fù)雜，給控制設(shè)計(jì)帶來不便。方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法、動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法、極限環(huán)自整定法等。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制PID算法PID控制器風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)PID控制建模風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)PID控制參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)例仿真第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制PID算法一、PID控制器PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID控制器。PID算法控制原理

第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法PID調(diào)節(jié)器之所以經(jīng)久不衰，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟易被人們熟悉和掌握不需要建立數(shù)學(xué)模型控制效果好第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

（1）第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法比例項(xiàng)積分項(xiàng)微分項(xiàng)

可以成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器就立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷積累，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。積分項(xiàng)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，其數(shù)值越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法二、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)PID控制建模

風(fēng)電機(jī)組各部分的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，包括風(fēng)能特性，風(fēng)輪空氣動(dòng)力特性，傳動(dòng)鏈系統(tǒng)特性，發(fā)電機(jī)特性等，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)高階的非線性系統(tǒng)。根據(jù)具體的風(fēng)電機(jī)組設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，把風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行線性化，得到風(fēng)電機(jī)組的線性化的模型，可以直接在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)控制輸入的計(jì)算。該模型的狀態(tài)空間方程描述為：（2）（3）

這些狀態(tài)空間模型的輸入量u(t)為風(fēng)速，槳距角控制量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制量，輸出量y(t)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角，x(t)為風(fēng)電機(jī)組的系統(tǒng)狀態(tài)，A,B,C,D為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法該系統(tǒng)應(yīng)用的PID控制器為：（4）

分別對(duì)應(yīng)著PID控制器的比例項(xiàng)，積分項(xiàng)以及微分項(xiàng)。為了得到狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制PID控制器的數(shù)學(xué)模型，引入一個(gè)新的狀態(tài)量z(t)如下：（5）則原系統(tǒng)(2)和(3)在新的系統(tǒng)狀態(tài)變量z(t)下可以轉(zhuǎn)換成為：（6）（7）第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法其中矩陣：（9）（8）（10）第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法由(4)和(5)可知：根據(jù)最優(yōu)控制理論，該模型存在最優(yōu)控制輸入u(t)為：

其中狀態(tài)反饋系數(shù)K為：由(15)可見，對(duì)于系統(tǒng)(6)和(7)應(yīng)用狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制器的設(shè)計(jì)方法得到一個(gè)最優(yōu)狀態(tài)反饋系數(shù)K，則(15)中的解k1，k2，k3即為(5)中的PID控制器參數(shù)。（12）（11）（13）（14）（15）第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法三、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)PID控制參數(shù)設(shè)計(jì)

由最優(yōu)控制理論可知，系統(tǒng)(2)和(3)的PID控制器(4)可以通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)(6)和(7)的狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制器u(t)=Kz(t)得出。該狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制器可以通過線性二次型最優(yōu)控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)控制器。線性二次型最優(yōu)控制器其對(duì)象是以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng)，而目標(biāo)函數(shù)為對(duì)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)。線性二次型問題的最優(yōu)解u(t)可以寫成便于實(shí)現(xiàn)求解過程的解析表達(dá)式，并可得到一個(gè)簡單的易于工程實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)狀態(tài)反饋率，采用該狀態(tài)反饋控制律構(gòu)成閉環(huán)最優(yōu)控制系統(tǒng)，能夠兼顧如風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等多項(xiàng)性能指標(biāo)。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法

該線性二次型最優(yōu)控制策略運(yùn)用二次型函數(shù)作為性能指標(biāo)函數(shù)，可以表示為：（16）

其中系數(shù)R為正定矩陣。該性能指標(biāo)函數(shù)的目的是通過適當(dāng)?shù)目刂茢?shù)值輸入，來保持預(yù)定的輸出誤差，以達(dá)到系統(tǒng)誤差和控制能量綜合最優(yōu)的目的。性能指標(biāo)函數(shù)J(t)中第一項(xiàng)x(t)TQx(t)表示在系統(tǒng)工作過程中對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)x(t)的要求和限制，用來約束控制過程中的誤差和終端誤差，保證控制風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速變化等擾動(dòng)的影響下能夠保證響應(yīng)的快速性和終端狀態(tài)的準(zhǔn)確性。該項(xiàng)函數(shù)值為非負(fù)，所以x(t)越大，該項(xiàng)函數(shù)值越大，其在整個(gè)性能指標(biāo)函數(shù)J(t)所占比重越大。性能指標(biāo)函數(shù)J(t)中第二項(xiàng)u(t)TRu(t)表示該風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中對(duì)控制的約束和要求，用來限制u(t)的幅值及平滑性，以保證風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且對(duì)限制控制過程的電能等能源消耗也起到重要作用，從而保證風(fēng)電機(jī)組的節(jié)能性。因?yàn)镽為正定矩陣，所以只要存在控制u(t)，則該項(xiàng)為正。u(t)越大，該項(xiàng)的函數(shù)值越大，其在整個(gè)性能指標(biāo)函數(shù)J(t)所占比重也越大。第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法

最優(yōu)控制的目標(biāo)是計(jì)算出一個(gè)最優(yōu)控制輸入u(t)使性能指標(biāo)函數(shù)J(t)最小，通過使性能指標(biāo)函數(shù)最小得到狀態(tài)反饋?zhàn)顑?yōu)控制器。對(duì)于性能指標(biāo)函數(shù)J(t)取最小化體現(xiàn)了對(duì)該風(fēng)電控制系統(tǒng)輸出J(t)大小和控制u(t)大小的約束和限制。最優(yōu)控制的目標(biāo)可表示為：（17）第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法

采用GHbladed工具對(duì)該風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以計(jì)算得出PID控制參數(shù)k1=1.0059，k2=0.5547，k3=0.3319。根據(jù)德國GL認(rèn)證規(guī)范,該控制系統(tǒng)在極端相干陣風(fēng)(ECD)下的系統(tǒng)響應(yīng)如下列五幅圖所示。由仿真結(jié)果可以看出，運(yùn)用該P(yáng)ID最優(yōu)控制進(jìn)行控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩在極端相干陣風(fēng)的達(dá)到額定風(fēng)速的時(shí)候能夠很快穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩上，并且系統(tǒng)的功率輸出能夠很快穩(wěn)定在額定功率上。四、系統(tǒng)實(shí)例仿真第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法第五節(jié)風(fēng)電機(jī)組控制的PID算法第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，且有不確定性和多干擾等特點(diǎn)，含有未建?；驘o法準(zhǔn)確建模的動(dòng)態(tài)部分，對(duì)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制是極為困難的。隨著電力電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)控制方法在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究幾乎遍及系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，國內(nèi)外學(xué)者積極研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行和控制規(guī)律，通過采用智能化控制技術(shù)，努力減少和避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

魯棒控制滑模變結(jié)構(gòu)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制理論一、魯棒控制：

一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿足控制品質(zhì)，這就是魯棒控制。1、魯棒控制系統(tǒng)：魯棒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在模型不精確和存在其他變化因素的條件下，使系統(tǒng)仍能保持預(yù)期的性能。如果模型的變化和模型的不精確不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動(dòng)態(tài)性能，這樣的系統(tǒng)我們稱它為魯棒控制系統(tǒng)。

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

魯棒控制理論是分析和處理具有不確定性系統(tǒng)的控制理論，包括兩大類問題：魯棒性分析及魯棒性綜合問題。主要的魯棒控制理論有：

Kharitonov區(qū)間理論；

H

控制理論；結(jié)構(gòu)奇異值理論(

理論)等。2、魯棒性：所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在不確定性的擾動(dòng)下，具有保持某種性能不變的能力。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。3、魯棒控制控制問題：

給定一受控對(duì)象的集合（族），設(shè)計(jì)控制器，使得對(duì)該集合中的任意受控對(duì)象，閉環(huán)系統(tǒng)均滿足要求的性能指標(biāo)。可實(shí)現(xiàn)在有建模不確定性條件下的最大風(fēng)能捕獲。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

給定一個(gè)受控對(duì)象控制器控制性能PCS給定一個(gè)受控對(duì)象族控制器控制性能P.SCS.S傳統(tǒng)控制方法魯棒控制方法第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下，捕獲最大風(fēng)能、提高風(fēng)能利用率是高效風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要解決的問題之一。采用魯棒PID控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以使變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，而且依靠變速控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低風(fēng)速區(qū)的最大風(fēng)能跟蹤和高風(fēng)速區(qū)的恒功率控制。由于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)能不確定性和不穩(wěn)定性的影響，采用魯棒控制方法設(shè)計(jì)的控制器，使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不確定性及負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，并且能快速地跟蹤風(fēng)速，提高風(fēng)能利用率。

1、滑動(dòng)模態(tài)定義：

人為設(shè)定一經(jīng)過平衡點(diǎn)的相軌跡，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)沿著此相軌跡漸近穩(wěn)定到平衡點(diǎn)，或形象地稱為滑向平衡點(diǎn)的一種運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)模態(tài)的“滑動(dòng)”二字即來源于此。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義：

系統(tǒng)的一種模型，即由某一組數(shù)學(xué)方程描述的模型，稱為系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有幾種不同的結(jié)構(gòu)，就是說它有幾種(組)不同數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)的模型。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

二、滑模變結(jié)構(gòu)控制第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

3、變結(jié)構(gòu)控制（VSC）概念：本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制作用的不連續(xù)性。與其他控制策略的不同之處：系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是在動(dòng)態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地不斷變化。結(jié)構(gòu)的變化若能啟動(dòng)“滑動(dòng)模態(tài)”運(yùn)動(dòng)，稱這樣的控制為滑模控制。

注意：不是所有的變結(jié)構(gòu)控制都能滑模控制，而滑?？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制中最主流的設(shè)計(jì)方法。所以，一般將變結(jié)構(gòu)控制就稱為滑?？刂?SMC)。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一種不連續(xù)的開關(guān)型控制,它要求頻繁、快速地切換系統(tǒng)的控制狀態(tài),具有快速響應(yīng)、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn),為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了一種較為有效的控制方法。

優(yōu)點(diǎn)：滑動(dòng)模態(tài)可以設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)和擾動(dòng)無關(guān)，具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)不靈敏（魯棒性）、無須系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡單。

缺點(diǎn)：當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)面后，難以嚴(yán)格沿著滑動(dòng)模態(tài)面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在其兩側(cè)來回穿越地趨近平衡點(diǎn)，從而產(chǎn)生抖振——滑模控制實(shí)際應(yīng)用中的主要障礙。

滑模變結(jié)構(gòu)控制其有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、魯棒性強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高階非線性、強(qiáng)耦合的變槳距系統(tǒng)，將滑模變結(jié)構(gòu)控制與智能控制結(jié)合起來應(yīng)用于變槳距系統(tǒng)，可以克服風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中存在的外界擾動(dòng)和參數(shù)變化的影響，同時(shí)解決了滑模變結(jié)構(gòu)控制中存在的抖振現(xiàn)象，保持輸出功率穩(wěn)定。針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大風(fēng)能追蹤(MPPT)問題以及發(fā)電機(jī)功率控制問題，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制不僅可以有效地估計(jì)空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，而且可以提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的抗干擾性，實(shí)現(xiàn)了變速恒頻控制和最大功率點(diǎn)跟蹤的快速和穩(wěn)定控制，從而捕獲更多的風(fēng)能。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，運(yùn)用大量的處理部件，由人工方式構(gòu)成的非線性動(dòng)力學(xué)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與控制理論相結(jié)合而發(fā)展起來的智能控制方法。它已成為智能控制的一個(gè)新的分支，為解決復(fù)雜的非線性、不確定、未知系統(tǒng)的控制問題開辟了新途徑。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的種類相當(dāng)豐富，已有數(shù)十種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有多層前向傳播網(wǎng)絡(luò)（BP網(wǎng)絡(luò)）、Hopfield網(wǎng)絡(luò)、CMAC小腦模型、ART網(wǎng)絡(luò)、BAM雙向聯(lián)想記憶網(wǎng)絡(luò)、SOM自組織網(wǎng)絡(luò)、Blotzman機(jī)網(wǎng)絡(luò)和Madaline網(wǎng)絡(luò)等。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

三、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3、結(jié)構(gòu)類型：

前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedforward）

-神經(jīng)元分層排列，可有多層

-每層神經(jīng)元只接受前層神經(jīng)元的輸入

-同層神經(jīng)元之間無連接第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedback）

-全反饋型：內(nèi)部前向，輸出反饋到輸入

-

遞歸型（Innerrecurrent）：層間元相互連接第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

風(fēng)速在時(shí)刻變化，風(fēng)速預(yù)測(cè)不僅與預(yù)測(cè)方法有關(guān)，還與預(yù)測(cè)周期以及預(yù)測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)速特性有關(guān)?？梢岳脮r(shí)間序列——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法研究短期風(fēng)速預(yù)測(cè)，該方法用時(shí)間序列模型來選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，選用多層反向傳播BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)采樣的風(fēng)速序列進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外，也可以采用小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率進(jìn)行短期預(yù)測(cè)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，可以減少功率的波動(dòng)。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

1、模糊控制：是根據(jù)操作人員手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決等運(yùn)算，求出控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

2、模糊控制系統(tǒng)的組成：四、模糊控制理論第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

3、模糊控制器各部分的作用：(1)模糊化。主要作用是選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的模糊量，具體包含以下三步：第一，對(duì)輸入量進(jìn)行滿足模糊控制需求的處理;第二，對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換;第三，確定各輸入量的模糊語言取值和相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。(2)規(guī)則庫。根據(jù)人類專家的經(jīng)驗(yàn)建立模糊規(guī)則庫。模糊規(guī)則庫包含眾多控制規(guī)則，是從實(shí)際控制經(jīng)驗(yàn)過渡到模糊控制器的關(guān)鍵步驟。(3)模糊推理。主要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理決策。(4)解模糊。主要作用是將推理得到的控制量轉(zhuǎn)化為控制輸出。4、模糊控制的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)使用語言方法,可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型;(2)魯棒性強(qiáng),適于解決過程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時(shí)變、滯后等問題;(3)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力;(4)操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系,這些模糊條件語句容易加到過程的控制環(huán)節(jié)上。缺點(diǎn)：(1)信息簡單的模糊處理將導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差;(2)模糊控制的設(shè)計(jì)尚缺乏系統(tǒng)性,無法定義控制目標(biāo)。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

想要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組最大功率點(diǎn)的跟蹤，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以采用基于模糊邏輯的控制方案來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，在提高風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量上具有卓越的性能。為了避免監(jiān)控發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且不依賴發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)的特性，可采用爬山搜索法的模糊邏輯最大功率點(diǎn)跟蹤策略。模糊控制用于控制風(fēng)電機(jī)組中的感應(yīng)電機(jī)，可以最大限度從風(fēng)中獲取能量，而且使風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有更好的平滑性和穩(wěn)定性。針對(duì)變速風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，采用模糊控制來優(yōu)化效率和提高性能，用3個(gè)模糊控制器分別用來跟蹤發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)行速度控制，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和減小轉(zhuǎn)矩振動(dòng)。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

除了上述的4種控制方法外，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中還會(huì)應(yīng)用到專家系統(tǒng)、自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制，在這里就不一一介紹了。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

各種控制方法在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，且有不確定性和多干擾等特點(diǎn)，含有未建?；驘o法準(zhǔn)確建模的動(dòng)態(tài)部分，對(duì)這樣的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制是極為困難的。隨著電力電子技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，先進(jìn)控制方法在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究幾乎遍及系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的極限載荷和疲勞載荷是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及部件可靠性和壽命的主要因素之一，國內(nèi)外學(xué)者積極研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行和控制規(guī)律，通過采用智能化控制技術(shù)，努力減少和避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在極限載荷和疲勞載荷，并逐步成為風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

魯棒控制滑模變結(jié)構(gòu)控制人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制理論一、魯棒控制：

一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿足控制品質(zhì)，這就是魯棒控制。1、魯棒控制系統(tǒng)：魯棒系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要在模型不精確和存在其他變化因素的條件下，使系統(tǒng)仍能保持預(yù)期的性能。如果模型的變化和模型的不精確不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和其它動(dòng)態(tài)性能，這樣的系統(tǒng)我們稱它為魯棒控制系統(tǒng)。

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

魯棒控制理論是分析和處理具有不確定性系統(tǒng)的控制理論，包括兩大類問題：魯棒性分析及魯棒性綜合問題。主要的魯棒控制理論有：

Kharitonov區(qū)間理論；

H

控制理論；結(jié)構(gòu)奇異值理論(

理論)等。2、魯棒性：所謂“魯棒性”，是指控制系統(tǒng)在不確定性的擾動(dòng)下，具有保持某種性能不變的能力。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。以閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性作為目標(biāo)設(shè)計(jì)得到的固定控制器稱為魯棒控制器。3、魯棒控制控制問題：

給定一受控對(duì)象的集合（族），設(shè)計(jì)控制器，使得對(duì)該集合中的任意受控對(duì)象，閉環(huán)系統(tǒng)均滿足要求的性能指標(biāo)。可實(shí)現(xiàn)在有建模不確定性條件下的最大風(fēng)能捕獲。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

給定一個(gè)受控對(duì)象控制器控制性能PCS給定一個(gè)受控對(duì)象族控制器控制性能P.SCS.S傳統(tǒng)控制方法魯棒控制方法第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

在風(fēng)速和風(fēng)向不斷變化的情況下，捕獲最大風(fēng)能、提高風(fēng)能利用率是高效風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要解決的問題之一。采用魯棒PID控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以使變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，而且依靠變速控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低風(fēng)速區(qū)的最大風(fēng)能跟蹤和高風(fēng)速區(qū)的恒功率控制。由于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)受風(fēng)能不確定性和不穩(wěn)定性的影響，采用魯棒控制方法設(shè)計(jì)的控制器，使系統(tǒng)對(duì)參數(shù)不確定性及負(fù)載擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性，并且能快速地跟蹤風(fēng)速，提高風(fēng)能利用率。

1、滑動(dòng)模態(tài)定義：

人為設(shè)定一經(jīng)過平衡點(diǎn)的相軌跡，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)狀態(tài)點(diǎn)沿著此相軌跡漸近穩(wěn)定到平衡點(diǎn)，或形象地稱為滑向平衡點(diǎn)的一種運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)模態(tài)的“滑動(dòng)”二字即來源于此。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義：

系統(tǒng)的一種模型，即由某一組數(shù)學(xué)方程描述的模型，稱為系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有幾種不同的結(jié)構(gòu)，就是說它有幾種(組)不同數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)的模型。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

二、滑模變結(jié)構(gòu)控制第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

3、變結(jié)構(gòu)控制（VSC）概念：本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制作用的不連續(xù)性。與其他控制策略的不同之處：系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是在動(dòng)態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地不斷變化。結(jié)構(gòu)的變化若能啟動(dòng)“滑動(dòng)模態(tài)”運(yùn)動(dòng)，稱這樣的控制為滑?？刂啤?/p>

注意：不是所有的變結(jié)構(gòu)控制都能滑?？刂疲？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制中最主流的設(shè)計(jì)方法。所以，一般將變結(jié)構(gòu)控制就稱為滑模控制(SMC)。第六節(jié)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)代控制理論簡介

滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一種不連續(xù)的開關(guān)型控制,它要求頻繁、快速地切換系統(tǒng)的控制狀態(tài),具有快速響應(yīng)、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn),為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了一種較為有效的控制方法。

優(yōu)點(diǎn)：滑動(dòng)模態(tài)可以設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)和擾動(dòng)無關(guān)，具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)不靈敏（魯棒性）、無須系統(tǒng)在線辨識(shí)、物理實(shí)現(xiàn)簡單。

缺點(diǎn)：當(dāng)狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)面后，難以嚴(yán)格沿著滑動(dòng)模態(tài)面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在其兩側(cè)來回穿越地趨近平衡點(diǎn)，從而產(chǎn)生抖振——滑?？刂茖?shí)際應(yīng)用中的主要障礙。

滑模變結(jié)構(gòu)控制其有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、魯棒性強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的高階非線性、強(qiáng)耦合的變槳距系統(tǒng)，將滑模變結(jié)構(gòu)控制與智能控制結(jié)合起來應(yīng)用于變槳距系統(tǒng)，