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PMTC2008 - IEEE国际仪器仪表与测量技术会议
维多利亚，温哥华岛，加拿大，2008年5月12-15日
风车的控制转速，风速间接测量的方法固定叶片水轮机
N. Budisan1 , V. Groza2, O. Prostean1 , I. Filip1, M. Biriescu , I. Szeidert1 , M. Stern3
1Faculty of Automation and Computer Science and Engineering, 'Politehnica' University of Timisoara
Bvd. V. Parvan, No.2, Timisoara, 300223, Romania,
Email: {nicolae.budisan, octavian.prostean, ioanfilip}@aut.upt.ro
2School of Information Technology and Engineering (SITE), University of Ottawa,
800 King Edward, Ottawa, Ontario, KIN 6N5, Canada, Email: Groza@SITE.uOttawa.ca
3Cleanfield Energy Corp.,
1404 Cormorant Road, Ancaster, Ontario, L9G 4V5, Canada Email: mstern@Cleanfield energy. com
摘要 - 风力涡轮机控制经典算法复杂应用限制了低端微控制器的应用。我们设想了一个原创的方法，通过建立风车叶片和风速变化之间的联系来优化风车的效率。在本文中我们提出一个原创的方法——利用风力发电机组的原简化和风力发电机-发电机组装模型的同系化反应测量值来确定发电机的效率值。发电机的频率，电压和电流的测量值被用于确定所述涡轮机的旋转速度和风速，从而减少所需要的传感器数量。根据工厂的实验特性推导和调整出几族回归函数，用来简便计算发电机的效率数据库表。为了进一步加评估风车转速的最佳/安全值，发电机的模型被认为将旋转作为风速的查表函数，更进一步在运行时可在控制回路中利用快速插值来查表。该方法的主要优点是实现简单性和鲁棒性，很容易被移植到低端微控制器平台。
关键词 - 间接测量法，可再生能源，固定叶片涡轮风车控制
- 引言
风力涡轮机预计是便宜的，可靠的和简单的。另一方面，这些系统有应付风随时间变化而自适应控制方法。因此，自适应控制器的过程需要基本控制算法的精确，具体应用在实时的大量信息。这些问题的解决方案在于如何使用传感器才能够获得精确的数据。
在对涡轮风车的深入研究时，并沿过去几年的开发的可靠的数学模型，这样的数学模型中提出下面[1]，[2]，[3]和[7]式，对风力发电系统的不同的控制方法进行了对比，发现在这些模型的基础上，可以提高最大功率点（MPPT）和预测快速MPPT（PFMPPT）。
我们的做法是为了提高应用性能，该方法可以带来以下几个好处：控制算法简单化；实现模型最小化；降低实施成本；很好的可靠性。
用于风力涡轮机计划的控制方案中所提出的方法中，将旋转速度作为输入数据，输入到风车的系统控制器。因为由不同的转速计和风速计对转速和风速的测量，会产生不确定性。此时，我们选择小型风车，有优选于其它测量变量方案，即电频率功率的间接的测量方法。
- 确定可变转速PMP同步发电机的效率为固定刀片风车
图1.克利尔菲尔加拿大2.5千瓦垂直轴风车原型PMP同步发电机
通常的设计公式时，考虑旋转速度和电流之间的关系，研究风车发电机使用的理论方法，设计者以确定发电机的效率，以不同的旋转速度和电流。从这些结果，他们得出的发电机的效率的简化理论式:
（1）
基于实验的方法，对发电机的转速和电流的研究分析， PMP的同步发电机的实验特性在表1中给出：
表1.克利尔菲尔公司2.5千瓦PMP同步发电机的效率
|
M[Nm] |
U[V] |
I[A] |
P[W] |
eta; |
|
|
ni=150 |
|||||
|
150 |
52 |
106 |
3.49 |
648.5 |
0.844 |
|
150 |
64.5 |
105 |
4.61 |
810 |
0.851 |
|
150 |
88 |
99 |
6.7 |
1147.5 |
0.839 |
|
150 |
109 |
93 |
8.84 |
1417.5 |
0.811 |
|
n2=250 |
|||||
|
250 |
74.5 |
172 |
5.84 |
1755 |
0.874 |
|
250 |
92 |
170 |
7.34 |
2126.25 |
0.871 |
|
250 |
117 |
163.5 |
9.2 |
2621.25 |
0.855 |
|
250 |
135.5 |
159 |
10.8 |
2970 |
0.837 |
|
n3=350 |
|||||
|
350 |
100 |
242 |
7.91 |
3296.25 |
0.886 |
|
350 |
118 |
236 |
9.43 |
3870 |
0.877 |
|
350 |
133 |
233 |
10.79 |
4275 |
0.8685 |
|
350 |
170 |
220 |
13.9 |
5276.25 |
0.833 |
1）对于转速n的每个值，并将其作为参数，近似于发电机的效率，其变化取决于所产生的电流。
从表1的一组回归函数数据，一般是由以下方程来描述
（2a）
根据表1的实验值以及我们确定的回归函数，我们可以得到以下的PMP同步发电机的效率：
（2b）
根据旋转速度参a，b，c和d,可以得到当 n = ni={150，250，350}时，电机转速如下：
|
n |
150 |
250 |
350 |
|
a |
4.02E-0.7 |
-1.33E-0.8 |
1.80E-0.7 |
|
b |
1.594579 |
1.082819 |
0.742496 |
|
c |
1.440851 |
0.907401 |
0.570554 |
|
d |
O.046557 |
0.027199 |
0.0178883 |
图.2.曲线 n1= 150，n2=250，n3=350的转速
2) 表2给出了发电机的效率值的nij作为电流Ij的一个值，具有公式（2b）中的特性。以三个值n1= 150中，n2= 250,n3 =350的贝加电动机 - 克利尔菲尔公司2,5-千瓦永磁同步发电机。
表2.数据库的贝加电机2.5千瓦永磁同步发电机的效率表（案例分析）
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|
IA n[rpm] |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
150 |
0.641 |
0.784 |
0.833 |
0.849 |
0.851 |
0.845 |
0.835 |
|
250 |
0.559 |
0.740 |
0.818 |
0.855 |
0.870 |
0.875 |
0.872 |
|
350 |
0.467 |
0.671 |
0.775 |
0.832 |
0.863 |
0.879 |
0.885 |
|
ia |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
150 |
0.822 |
0.809 |
0.794 |
0.780 |
0.765 |
0.751 |
0.736 |
