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风力涡轮机控制及其相关方法综述
摘 要
如今，由于越来越多的环境问题，尤其是与全球变暖相关的环境问题，促使人们纷纷使用可再生能源。而风能作为现在使用最广泛的可再生能源，在这方面扮演着重要角色，但仍需要许多技术改进。风力涡轮机的控制(WTs)在风能的应用中起着关键的作用，即确保这些应用具有高效率和高的成本效益。这是一个值得深入研究的课题，它的发展对设计更好、更高效的风力涡轮机至关重要。然而，目前很少有论文对风力机控制的概念进行总结和列举。本文便对风力发电机组控制进行了文献综述，并介绍了风力发电机组控制的主要方法。本文的主要目的是为对能量的可持续性起着决定性的作用WT控制的新研究提供一个详细的背景。此外，本文还关注了控制领域的最新发展及其对缓解环境问题的贡献。
关键词 风力涡轮机；控制；MPPT策略；俯仰控制；网格集成
目 录
1.简介 3
4.4滑模控制(SMC) 10
5.WT变桨控制 11
7. 讨论 17
7.1 WT控制的最新进展:激光雷达技术和模型预测控制(MPC) 17
8.总结 20
参考文献 21
1.简介
风能是一种可再生的、清洁的、无止尽的能源，非常适合许多国家日益增长的能源需求。因此，风能行业在世界范围内得到了强劲的扩张，特别是在过去的20年里，风能行业的全球装机容量从1995年的1.29千兆瓦增加到2015年底的3.7千兆瓦。出于对环境的关注和对能源安全的不断追求，这种情况在未来几年依旧会增加，即装机容量增加，风力涡轮机也会更大。这些机器已经从简单的设计演变成了复杂的多兆瓦发电机组，并被安装在一个名为“风电场”的大型阵列中。现代WTs的复杂性迫使控制系统成为风力涡轮机的关键部件，以确保这些复杂的风能转换系统的安全和高效运行。
与其他能源不同，风能是不可控制的。风通量是一个强随机过程，在时间和空间上都是可变的。这种可变性导致能量转换困难，因为WTs同时受到非均匀和瞬态的资源、可变的机械载荷和非线性动力学的影响。这就是控制系统对WTs非常重要的原因。它们可以应对风力变化，以可靠和成本效益高的方式生产能源。根据公用设施要求，嵌入WTs的控制系统的主要目标是最大限度地提高发电量，减轻动态和静态机械负荷，并确保向电网持续供电。为了实现这些目标，WTs应配备专门的操作控制系统用于调节涡轮参数到所需设置点。叶片螺距角和发电机转矩是WTs需要控制的主要参数。变桨控制允许控制风输入扭矩，以实现平稳的发电以及减少机械负载。另一方面，发电机转矩控制允许按照最大功率点跟踪（MPPT）策略改变wt转子速度，从而从风通量中提取尽可能多的功率。
此外，WTs还应具有对电网集成的控制，以控制向电网输送的电力，提供良好的电力供应。这是有必要的，因为风的随机性，WTs的电网集成成为了一项复杂的任务，这会给电网频率的稳定性带来问题。
上述控制系统(变桨控制、发电机转矩控制和电网集成化控制)各有其需要实现的技术和方法，这取决于WT的运行机制和其各自的控制目标。尽管文献中对变桨控制、MPPT转矩控制和网格集成进行了详细的综述，但对WT控制的主要问题进行综述的文献报道很少。必须在同一篇论文中完成MPPT转矩控制、WT螺距控制和网格集成控制的寻址方法，为今后的研究开发提供一个有价值的通用背景。为了弥补这一差距，本文对WT控制与主要WT控制系统同时处理的文献进行了综述。其目的在于使今后的WT控制研究更容易发展，以便为更可持续的发电作出贡献。在分析了WT控制系统的基础上，对WT控制技术进行了讨论，指出了未来WT控制技术在提高风电机组效率、可靠性、成本效益和电网集成度方面的应用趋势。这些都是加强风能作为可再生和清洁能源的强制性问题
为了弥合这一差距，本文综述了同时处理主要重量控制系统的重量控制的文献综述。其目的在于使未来的wt控制研究更容易发展，以促进更可持续的发电。此外，在对风电机组控制系统进行分析后，对风电机组控制技术进行了探讨，指出了未来风电机组效率、可靠性、成本效益和电网一体化的发展趋势。这些都是加强风能作为可再生和清洁能源的强制性问题。
2.研究方法WTs的控制目标和操作区域
对风力发电机组控制系统的各个方面和研究趋势进行了系统的文献检索。主要的信息来源是在线科学数据库，也参考了一些经典的风能书籍来提供一个总体的概述。在线核查的科学数据库包括Science Direct、Research Gate，主要是巴西政府的官方科学搜索引擎CAPES Journal Portal。该引擎提供37000余份同行评审的科学期刊、66个学位论文研究基地、11个专利研究基地和31个电子书研究基地的访问。
插入的关键词包括“风机的控制”、“控制风机”、“MPPT方法”、“MPPT策略”、“变桨控制”、“风机变桨控制”和“风力机网格集成”。在如此广阔的研究领域中，发现了大量的论文。为了筛选初步结果，对每个具有特定关键字的首次搜索都采用了一些通用标准。它们是：i）论文只能用英语在同行评审的期刊或公认的高质量和传统的风能会议发表；
ii）论文必须专门针对风力涡轮机，必须摒弃关于控制的一般性论文；iii）论文必须处理以下WT控制问题之一：MPPT策略，变桨控制和网格集成。
本研究共筛选出262篇论文，包括许多不同的WT控制问题。由于篇幅限制，这个数字必须减少到100份左右。为了筛选最相关的内容，所有的论文都被仔细阅读和分析。随后，将论文根据所研究的主要控制问题分为三类: i) WT发电机转矩控制和MPPT策略; ii) WT变桨控制; iii) 电网频率调节的一体化控制。每类都在本文的特定章节中进行了探讨。
3.WTs的控制目标和操作区域
WTS的控制目标决定了各WT控制系统的运行时刻，在分析WT控制方法时必须必须明确控制目标，避免产生误解。控制目标的确定取决于风机的运行区域。这些都与风速密切相关，由此可以根据风速确定三个运行区域。在所谓的区域1中，由于风速过低，低于角质层风速，产生的功率无法补偿涡轮运行时的损失，所以没有产生电力。在该运行区域，涡轮机应停止或处于怠速状态。区域2在接入风速与额定风速之间，随着风力的逐渐增加，发电量不断增加。在区域2中，WT处于部分负载状态。区域3中，风速达到额定速度，WT进入满负荷状态。电力生产必须限制在额定功率，以确保在发电机转速和机械负荷的安全范围内运行。一些作者还确定了一个区域2.5，其中WT转子已达到额定转速，但扭矩仍低于其额定值。我们还可以考虑在截止风速之后的附加一个区域4，此时由于风速非常高，必须关闭WT。
从风中提取的功率可以用公式表示：
（3-1）
式中，Pw是从风中提取的功率，rho;是空气密度。A是转子扫掠面积，nu;是风速，Cp是所谓的功率系数，它取决于桨距角beta;和叶尖速比lambda;。叶尖速比是由叶尖线速度与风速的关系来定义的，由式:
（3-2）
其中U为转子转速，R为转子半径。现场试验和模拟表明，在给定的最优桨距角（beta;opt）和最优叶尖速比（lambda;opt）下，功率系数Cp（lambda;，beta;）最大，这是每个特定wt的特定常数。当在区域2运行时，应改变WT转子速度，以在风改变其速度时保持最佳叶尖速比（TSR），以确保最大发电量。转子转速变化的方式是最大功率点跟踪（MPPT）策略。在区域3中，控制目标从最大化变为限制功率，同时限制转子转速和转矩。发电机转矩保持在额定值不变，应控制桨距角，以降低功率系数和空气动力效率。因此，从风中提取恒定的额定功率。可以将WTs各操作区域的控制目标总结如下：
*区域1和区域4:WT应停止运行，由监控指挥。
*区域2:通过MPPT策略和发电机转矩控制最大限度地提高发电量，这是该区域典型的主动控制系统;发电机转矩控制应在发电机转矩驱动和最优功率产生之间进行权衡。
*区域2.5:保持额定转速不变，转矩应略微增加，直至达到其额定值，确保区域2和3之间的平稳过渡。
*区域3:电力生产应通过变桨控制限制在额定功率范围内，变桨控制是该区域内典型的主动式控制系统。此外，当风速大于额定风速时，高风速会破坏WT结构，因此机械减载的控制目标变得非常重要。
4.WT发电机转矩控制和MPPT策略
发电机转矩控制通过变速运行来设定WT转子转速，以获得最大功率生产。控制器必须调整发电机扭矩以加速或减速涡轮。WT可以被建模为一个同时受风转矩和发电机转矩作用，并具有惯性、阻尼和刚度的系统。当风速变化时，风力转矩增大或减小，发电机转矩必须是使动态系统达到最佳工作点的执行器。早期的WTs没有转矩控制。WTs采用鼠笼式感应发电机(SCIG)直接与电网相连，因此发电机转矩不可控，发电机转速与电网频率有关。由于固态器件的发展，出现了变速操作的可能性。储能变流器(PCs)已逐渐适应于WTs的应用。储能变流器是通过将发电机的速度与电网频率解耦，将发电机与电网连接起来的设备。PCs执行定子和转子电压的电子交换，以产生所需的电压频率，从而可以控制发电机转矩和发电机中产生的有功/无功功率。目前
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