风力发电技术试验说明书

指导老师:卜京南京市玄武区孝陵卫200号自动化学院5楼（5062）联系方式:137-7031-9720E_mail:[e-mail]风力发电技术实验指导书概述本文详述了介绍了风力发电技术的基本原理与实验内容。包括湍流风速建模、风速估计、最优转矩控制、叶尖速比控制、变桨控制、限功率控制等。基于风力机模拟器硬件实验平台，在LabVIEW上位机软件编写控制算法，并将其应用到实验平台。小组成员姓名:学号：姓名:学号：姓名:学号：姓名:学号：姓名:学号：日期：2016年9月23日风力发电技术实验指导书预备知识------实验平台基本结构风力机模拟实验平台结构图上图所示，硬件主要包括：1）电机对拖机组电机对拖机组完成风力机传动链的动态模拟，其中不同类型风力机可选不同对拖形式，包括齿轮箱可选，高速/中速/低速可选，容量（5kW~500kW）可选。其中原动机的选择交/直流电机可选（推荐使用感应电机），发电机可选择永磁或双馈电机。2）原动机驱动器及整流/逆变变流设备本模拟试验系统统一采用技术成熟、可靠稳定的VACON工业变频器，功能上，该实验平台中的变流设备接受上层PLC控制器的运行指令（转速/转矩/电压）完成发电机与电动机的伺服控制（闭环转矩/转速控制）。3）主控PLC主控PLC作为整个系统的主控器进行实时的状态监测与运行控制，本模拟实验系统采用BECKHOFF高性能工业PC。功能上，主控PLC完成风力机模型及控制算法的嵌入与实时模拟，计算实时指令的下达与运行状态信息的接收，同时对各个节点进行状态监测与保护。4）上位机系统完成PC调试功能，包含基于文本的数据保存功能与系统调试。以文本形式保存的所有运行数据可以通过MATLAB进行数据后处理，模拟实验平台提供对应的数据后处理函数库。另外，可通过LabVIEW，TwinCAT或高级语言进行人机界面的编程实现。风力发电技术实验指导书实验一组合风速模型的生成1．实验目的（#一级标题，宋体小三）在进行风力发电实验室模拟时，风速模拟的逼真性直接影响整个发电系统的性能研究与测试，在研究并网风电场运行、规划及动态特性等有关问题时就需要建立与之相适应的风速模型，从而能够对风速的变化进行模拟，研究在一定风速条件下系统的性能。因此，较准确地模拟实际风况是风力发电系统模拟中的首要问题。组合风速模型是为了实现对风速的模拟，使得到的模拟风速能够较精确地反映风速的实际突变性、渐变性及随机性等特点。能够全面地检验风力发电系统的性能，尤其是在风速突变时，整个系统的抗干扰性。适用于风力发电系统的模拟研究工作。（#正文宋体小四，1.5倍行距）2．实验要求（#一级标题，宋体小三）（1）了解组合风速的四个构成部分，并能够在LabVIEW中输入构成部分的表达式，实现各个组成部分模拟；（2）用LabVIEW中的信号图形用plot画出来；（3）分析仿真结果，与实际风速进行比较，总结出仿真结论。3．实验内容（#一级标题，宋体小三）组合风速模型由4种风（基本风、阵风、渐进风、随机风）的分量组合而成，来模拟现场的风速。I基本风基本风描述的是风电场平均风速的变化情况。它存在于风轮机运行的整个过程，对风力发电机向系统输送额定功率起着决定性作用。一般可以认为基本风风速是作用在风轮机上的平均风速，所以基本风速是一个具体的常数值：VK,(K为常数）(1-7)风力发电技术实验指导书II阵风阵风反应风速的突变性，其数学模型为1max11110,[1cos2()],20,gggggggggggttVttVtttTTTttT(1-8)式中，1gt为阵风开始时间，gT为阵风持续时间,maxgV为阵风的最大值。III渐变风渐变风风速反应风速的缓慢变化特性，其数学模型为12max121220,(1),0,rrrrrrrrrttttVVttttttt(1-9)式中，1rt为渐变风开始时间，2rt为渐变风停止时间，maxrV为渐变风最大值。IV随机风随机风速nV反应风速变化的随机性，用随机噪声风速来模拟，即simulinkLibraryBrowserSourcesBand-limitedWhiteNoise模块来代替。综合上述四种风速成分，可建立模拟风速的模型为grnVVVVV(1-10)式中V为作用在风轮机上的组合风速，单位为/ms。4．实验步骤（#一级标题，宋体小三）这部分主要说明在LabVIEW中如何构建出来上述四种风。即按matlab中所示结果为例，应详细说明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的组合风速。风力发电技术实验指导书图1风力机模拟器结构图（#黑体，居中，10号）5．实验结果（#一级标题，宋体小三）6．实验心得（#一级标题，宋体小三）风力发电技术实验指导书实验二风速观测1．实验目的（#一级标题，宋体小三）最优叶尖速比法利用风速计等设备测量风速，计算得到在该风速下的最优转速，然后直接根据转速计算值与测量值的误差进行转速调节，使之达到最优转速；而功率曲线法是检测当前转速，并假定此转速为最优叶尖速比对应的转速，根据风机转速功率曲线获得对应于当前转速的功率值，进而计算电磁转矩给定，间接进行转速调节。综上，可以看出直接转速控制明确，原理简单，动态性能更好；但直接转速控制还要获得实时风速信息来参与计算，而间接转速控制则不必。实时风速需要通过风速计来测量，但是风速计测到的只是一点或者几点的风速，并不完全反应作用在风机叶片上的风速，并且风速计自身存在惯性本身也有测量误差和延迟，正是因为实际测量风速存在上述诸多问题，所以要采用风速估计获得较准确的风速信息。（#正文宋体小四，1.5倍行距）2．实验要求（#一级标题，宋体小三）了解风速估计的若干种方法原理，理解风机的机械动态过程和风力机pC曲线气动模型，搭建基于LabVIEW的风速估计模块。3．实验内容（#一级标题，宋体小三）为了获得有效风速，把风力发电机组当作风速仪对有效风速进行估计，因此需要建立有效风速估计方法。风速估计方法主要由两部分组成：气动转矩的估计和风速估计值的计算。首先利用转速和电磁转矩估计气动转矩，再利用气动转矩估计值进行风速估计值的计算。1）估计算法A.气动转矩的估计：方法一：功率平衡估计法(PBE)[1]风力发电技术实验指导书由风机转速方程：aeMwTT(5-10)其中，M是风轮转动惯量，w是转速的加速度，aT是气动转矩，eT是电磁转矩。可得到气动转矩的表达式：+aeTMwT(5-11)其中，=swwT，w是前后两次测量转速差，sT是两次测量时间间隔。方法二：卡尔曼滤波法(KF)[2-3]卡尔曼滤波算法是一种基于状态方程对状态变量进行估计的有效方法，它可以给出系统在真实环境中的最优状态估计。首先将简化风机模型转化为状态方程的形式：1aeaatTTwMMTTTXAXBUYHX(5-12)其中，tT是气动转矩的时间常数；awXT，1010tMAT，10BM，eUT，Yw，10H。对状态方程进行离散化，即可得到相应的卡尔曼离散模型。(1)()()(1)(1)kkkXkAXkBUkYkHXk(5-13)其中，=,kskskAIATBBTHH，，sT是采样时间。具体算法过程如表5.1：表5.1卡尔曼滤波算法阶段算法预测阶段|1ˆˆ(1)(-1)kkkkXAXkBUk|1(1)TkkkkPAPkAQ风力发电技术实验指导书卡尔曼增益1|1|1()[]TkkkkkkkKkPHHPHR修正阶段|1|1ˆˆˆ()[()]kkkkkkXkXKYkHX|1()[()]kkkPkPIKkH其中，P为状态变量X对应的协方差矩阵，Q和R分别为系统噪声的协方差矩阵和测量噪声的协方差矩。编程时可设P初始值10I，Q=1，R=1。本实验中利用KF法得到的气动转矩估计值符号与实际相反，需要加负号取反。B.风速估计方法一：牛顿-拉夫逊算法[4]风机气动转矩为：5230.5()paRCTw(5-14)由气动转矩公式，令5230.5()()paRCFTw。根据牛顿拉夫逊算法得到以下迭代公式：()()()()()()/[]kkkkFF(5-15)(1)()()kkk(5-16)解出的近似解后，由wRv求得当前估计风速。4．实验步骤（#一级标题，宋体小三）这部分主要说明在LabVIEW中如何构建出来风速估计模块。即按matlab中所示结果为例，应详细说明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的风速估计模块。图2风力机模拟器结构图（#黑体，居中，10号）TmwInterpCpVEstfcnWindSpeedEstimationVEstWindSpeedwRotSpeedTeElecTqdataCpTewTmfcnAeroTqEstimationTmEstAeroTq风力发电技术实验指导书5．实验结果（#一级标题，宋体小三）6．实验心得（#一级标题，宋体小三）风力发电技术实验指导书实验三最优转矩控制1．实验目的（#一级标题，宋体小三）最开始，被开发和使用的风力发电机是恒速恒频式，风轮的转速固定不变。而实际运行发现，其运行效率并不理想，是因为转速也会影响风力机的风能捕获效率。当转速与来流风速成一定比值时，风力机的效率达到最大值（该比值由风力机的结构设计决定）。因此，为了提高风力机的运行效率，变速恒频风力发电机替代了恒速恒频式，并根据风力机的运行特性，提出了最大功率点跟踪（maximumpowerpointtracking，MPPT）控制策略，控制风力机的转速跟随风速的变化。当风速低于额定风速时，目前的MPPT控制方法主要包括功率曲线法、叶尖速比法和爬山法三大类。功率曲线法作为其中一种控制方法，由于不需要获取实时风速信息，以其简单易行且控制效果优秀的优点被广泛应用于工业设计和各容量风力机实际投运中。之后介绍功率曲线法。（#正文宋体小四，1.5倍行距）2．实验要求（#一级标题，宋体小三）了解传统功率法的控制原理；根据风力机参数设计功率曲线控制方法；编译基于LabVIEW的控制器，并仿真验证控制器的正确性。3．实验内容（#一级标题，宋体小三）功率曲线法，也称最优转矩法或者功率信号反馈法，其控制原理图如图1所示。根据事先制定好的功率曲线，采集实时风力机转速信号，从而计算发电机的电磁功率或转矩控制信号。功率曲线如图2所示，是每个转速点对应的最大风能捕获功率，即5max32opt12poptgRCP(5-1)风力发电技术实验指导书其中，是空气密度，R为风轮叶片长度，maxpC是风能利用系数的最大值，opt是最优叶尖比，g是发电机转速。refgPgvpowerunitPω图1.功率曲线法控制原理图图2.风力机功率曲线模型选为NERL提供的CART3600kW风力机，空气密度为31.225kg/m，风轮半径为20m，最大风能捕获系数为0.46，最佳叶尖速比为5.8。因此5max2opt12=0.002poptRCK(5-2)则功率曲线法的控制率可以表示为32optoptgoptoptgPKTK(5-3)4．实验步骤（#一级标题，宋体小三）电机转速ωg电机功率Pm/转矩Tmv1v2v3v4v5v5v3v4v2v1()optgP()optgT风力发电技术实验指导书这部分主要说明在LabVIEW中如何构建出来最优转矩模块。即按matlab中所示结果为例，应详细说明如何在LabVIEW搭建如下matlab所示的最优转矩模块。图3风力机模拟器结构图（#黑体，居中，10号）5．实验结果（#一级标题，宋体小三）6．实验心得（#一级标题，宋体小三）风力发电技术实验指导书实验四叶尖速比控制1．实验目的（#一级标题，宋体小三）叶尖速比法利用风速计等设备测量风速，计算