垂直轴永磁直驱风力发电系统全风速功率控制.pdf

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1、第32卷第9期可再生能源Vo1．32No．92014年9月RenewableEnergyResourcesSept．2014垂直轴永磁直驱风力发电系统全风速功率控制茅靖峰，吴爱华，吴国庆，张旭东，林纯(南通大学电气工程学院，江苏南通226019)摘要：垂直轴风力机(VAWT)发电系统是一种应用潜力良好的新型风力发电系统。为了提高机组的风能转化效率，研究了全风速运行范围内的功率控制策略。建立了整机系统的数学模型，讨论了VAWT的气动机械特性及其4种工作模式；在此基础上，分析了机组在额定风速以内MPPT运行模式下，基于最佳叶尖速比(TSR)跟

2、踪原理的最大风功率吸收控制策略；针对在额定风速以上的恒功率运行模式，设计了基于二阶扩张状态观测(ESO)方法的实时气动转矩估计器以及基于恒额定功率发电的最佳角速度控制策略；最后给出了全风速功率控制的系统结构。通过仿真试验，验证了该功率控制策略在全风速运行范围内实现整机高风能转化效率的良好效果。关键词：垂直轴风力机；风力发电系统；功率控制；最大功率跟踪；扩张状态观测器中图分类号：TK83；TM614；TP273文献标志码：A文章编号：1671—5292(2014)09—1339—070引言本文针对一套基于H型达里厄(Darrieus)垂风力

3、发电是当前技术成熟度和经济可行性方直轴风力机的离网型永磁直驱风力发电系统建立面最具竞争力的可再生能源，在全球范围内受到了整机数学模型，依据VAWT全风速运行范围自了广泛而持续的关注_1I然气动机械特性划分4个工作区间，研究其功率与已获得大规模商业化应用的水平轴风力机控制策略。给出了基于最佳叶尖速比(TSR)的低(HAWT)发电系统相比，垂直轴风力机(VAWT)风速区MPPT控制角速度跟踪原理和方程，基于发电系统因其具有叶片工艺材料简单、运行无噪二阶扩张状态观测(ESO)的高风速区VAwT气音、安全性好、无需迎风装置、安装面积小、建造成动转

4、矩估计方程以及恒功率发电运行的最佳角速本低、适合低风速区和人口密集区发电等优点而度指令方程。逐渐引起了人们的重视圈调。不少基于改进型叶片1系统结构与数学模型叶形结构的VAWT系统在市区公共照明、大型户1．1总体结构外广告、通讯基站、高速公路监控、乡村电站等离本文研究的垂直轴永磁直驱风力发电系统网型分布式发电领域得到了应用。(图1)主要由H型达里厄(Da~ieus)垂直轴风力垂直轴风力发电系统通常为中小容量系统，机、永磁同步发电机(PMSG)、三相不控整流器、采用定桨距永磁直驱结构以降低机组成本和提高传动效率。针对机组的功率控制策略，现有文

5、献主要探讨了VAWT在额定风速以下的最大功率跟踪(MPPT)控制策略『6l，对于额定风速以上的功率控制策略研究较少。为了提高整机的风能利用效率，研究如何在全风速运行范围内获取最大的图1系统总体结构风能利用效率具有良好的实际意义。Fig．1Systemarchitecture收稿日期：2013—1卜27。基金项目：国家自然科学基金项目(61004053，61273151)；江苏省自然科学基金项目(BK20141238)；江苏省高校优势学科建设工程资助项目；江苏省高校青蓝工程资助项目；江苏省高校研究生科研创新计划项目(CXLX13—681)；

6、南通市应用研究计划项目(BK2012009，BK2013062)。作者简介：茅靖峰(1976一)，男，博士，副教授，研究方向为风力发电控制技术、特种电机及其控制技术。E-mail：mao．jf@163．corn·1339·可再生能源Boost变换器和用户侧电力变换器组成。旋转坐标系下，PMSG的数学模型可表示为图1中，为风速；A和A分别为风力机和Md=-d+La+Lqnr~-o,i发电机的角速度；和i分别为发电机输出的相电压和相电流；出和i出分别为整流器输出的直流一Rsiq-L一LdnptO~iq+n(5)电压和电流；Zdc和分别为Boo

7、st变换器和用户式中：Ma，M，ia，iqLa，L分别为定子电压、电流和电负载的等效动态电阻。感在d，q轴上的分量；R为定子电枢电阻；n为1．2风力机模型发电机极对数；为永磁转子的磁链。由空气动力学原理可知，垂直轴风力机输出考虑表贴式PMSG。其电磁转矩方程为的气动机械功率为[ol1=÷(6)5-Cp(A，／3)pAUw3(1)当PMSG发电机三相输出端采用二极管不控式中：P为空气密度；A为风力机扫风面积；Cp(A，整流时，三相整流器的直流侧输出电压如为)为风能利用系数；卢为桨距角；A为叶尖速比。3V'-6-／~dc=——=一u(L7，)

8、A：(2)2】w式中：R为H型VAWT的旋转半径。、／／(8)风能利用系数(A，)决定了风力机吸收风根据图1所示电路，三相整流器的直流侧输能的大小。当桨叶节距角固定不变时，典型的风出电流i出为