【正文】 PI 調(diào)解后產(chǎn)生 PWM 控制信號，控制 DC/DC 變換器，調(diào)節(jié)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的大小，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。無需測量風(fēng)速的裝置。 (2)采用功率信號的控制方法 第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 23 由于在最佳葉尖速比運(yùn)行條件下，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，如果用風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率信號與轉(zhuǎn)速信號三次方相比較，以比較所得的誤差信號來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出，就可使風(fēng)力機(jī)按最大功率運(yùn)行?，F(xiàn)有的最大功率控制策略主要有兩種： (1)采用風(fēng)速信號的控制方法 測出風(fēng)速信號，用它與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速信號相比較，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，用來控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電功率輸出，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于風(fēng)速而變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系偏離設(shè)定比例時(shí)，則產(chǎn)生誤差信號，得到誤差量，經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器給出發(fā)電機(jī)可控參數(shù)的值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電流的大小，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的輸出功率的調(diào)節(jié)。c— the load decreased。b— 風(fēng)速減小 。與常規(guī)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有以下特點(diǎn)： 第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 21 ①由于采用不可控整流橋和 DC/DC 變換器，可控開關(guān)器件只有一個(gè)，整個(gè)控制過程通過調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)特性好、效率和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)； ②通過調(diào)節(jié)占空比可以調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性，這樣就可以控制風(fēng)力機(jī)的 Cp，從而改變小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率； ③不需要檢測風(fēng)速和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，既可以實(shí) 現(xiàn)負(fù)載跟蹤和充放電集成控制； ④極端情況下切入耗能負(fù)載，減小了耗能負(fù)載頻繁切換帶來的問題。耗能負(fù)載用來保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。通過對現(xiàn)有供電方式 和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析和比較，本著簡單實(shí)用及便于實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤和充放電集成控制的原則，同時(shí)也經(jīng)過了上一章的對各種發(fā)電模式和發(fā)電機(jī)類型的比較，最終決定本文采用 DC/DC 變換器與耗能負(fù)載相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 所示。 另外還有無刷雙饋型 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、爪極式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等變速 /恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。勵(lì)磁電源除了采用交 直 交變換器外，也可以采用交 交變換器。交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制、減小變換器的容量外，在磁場定向矢量控制下還可實(shí)現(xiàn) P、 Q 解耦控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩．?dāng) n1 nr時(shí)，處于超同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)同時(shí)由定子和轉(zhuǎn)子發(fā)出電能給電網(wǎng)，勵(lì)磁變換器的能量流向逆向 。 (2)交流勵(lì)磁雙饋型異步發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)如圖 所示，該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的雙饋型異步發(fā)電機(jī)，雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子并到電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子通過一勵(lì)磁變換器和 進(jìn)線電抗器與電網(wǎng)相連。由交流變成直流時(shí)，他們起整流器作用，再由交流變成直流時(shí)，他們起逆變器作用。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過三相橋式整流器變換成直流電， 然后通過逆變器變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。 目前看來，最有應(yīng)用前景的應(yīng)屬電子電力學(xué)方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由來能夠部分組成，即發(fā)電機(jī)部分和電子電力變換裝置部分，發(fā)電機(jī)可以是市場上已有的電機(jī)，如同步發(fā)電機(jī)鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)等。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，有的是通過發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻，有的是通過改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。 (2)采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作及運(yùn)行。 (3)變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機(jī)的 轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻電流實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)第 2 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)和原理 17 磁，控制勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位實(shí)現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。 傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速上，當(dāng) 風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降，不但浪費(fèi)風(fēng)力資源，而且增大風(fēng)力機(jī)的磨損。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速 3%5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車，這是十分危險(xiǎn)的。根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可分為恒速恒頻 (Constant Speed Constant Frequency，簡稱 CSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻 (Variable SpeedConstant Frequency，簡稱 VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。變速恒頻的優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功宰的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 變速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電的過程中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以跟蹤風(fēng)速的變化，由于轉(zhuǎn)速發(fā)生變化必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)頻率的變化，必須采用適當(dāng)?shù)目刂剖侄?ACDCAC 或 ACAC 變頻器 )來保證與電網(wǎng)同頻率后并入電網(wǎng)。 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，通常采用雙速發(fā)電機(jī) (即大 /小發(fā)電機(jī) )。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主 要類型 近年來世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速，每年其容量以 30%的速度遞增。除風(fēng)速之外，葉輪直徑?jīng)Q定了可獲取風(fēng)能的多和少，約與葉輪直徑平方成正比。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來調(diào)節(jié)葉片之氣動(dòng)性能及葉輪的輸出。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流 220V 市電，才能保證穩(wěn)定使用。它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)＋充電器 ＋數(shù)字逆變器。如圖 所示。因此在不同風(fēng)速下控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速向最佳轉(zhuǎn)速變化就可以實(shí)現(xiàn)最大功率控制。設(shè)風(fēng)速 V 在 a, b 上下區(qū)域內(nèi)，則積分形式的風(fēng)能密度計(jì)算公式為： Eˊ =ρ? ab[ K/C(V/C)K=1e(V/C)K] V3dV/2 *(e(a/c)K e(b/c)K) （ 25） 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 風(fēng)力機(jī)及其運(yùn)行特性 風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性主要包括以下 3 部分 [8]： (1)葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù) 根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率可表示為 P m=1/2Cpρ π R 2V3 （ 26） 式中， Cp 為風(fēng)能利用系數(shù)； R 為風(fēng)輪半徑，單位 m，ρ為空氣密度，單位 kg /m3；V 為風(fēng)速，單位 m/s。一般采用威布爾公式，風(fēng)速頻率的分布函數(shù)為： f(V)=K/C(V/C)K=1e(V/C)K （ 24） 式中， K 為形狀參數(shù)； C 為尺 度參數(shù)?？梢婏L(fēng)速越高，風(fēng)輪機(jī)可能提取的能量越大。 因此，現(xiàn)有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制策略的改進(jìn)，對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用都具有重要的意義。由此帶來的問題一是煤炭消耗量驚人；二是排煙中的硫氧化物、氮氧化物不可避免地對環(huán)境造成一定程度的污染破壞；三是因冷卻需要，對地下水的消耗極大，加劇了華北地區(qū)干旱缺水的緊張局面。通常適宜用來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的狀況是指風(fēng)速在 3 米 /秒～ 20 米 /秒之間的風(fēng)能，目前國內(nèi)外一般選擇年平均風(fēng)速在 6 米 /秒或更高的風(fēng)能資源豐富區(qū)，集中安裝并網(wǎng)型大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量一般在 600 千瓦以上。 課題的目的和意義 目前我國農(nóng)村地區(qū)電價(jià)相對較高，且據(jù)統(tǒng)計(jì)仍有超過 3000 萬農(nóng)村人口缺乏穩(wěn)定電力供應(yīng)，而我國的大多數(shù)此類農(nóng)村都處于風(fēng)力資源較為豐富地區(qū)。 由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性以及負(fù)載的隨時(shí)變化使得現(xiàn)有小型風(fēng)電系統(tǒng)仍然存在不少問題。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向速裝置主要有尾舵調(diào)向、下風(fēng)向調(diào)向和調(diào)向電機(jī)或伺服電機(jī)調(diào)向。制動(dòng)器可分為手動(dòng)制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器和液壓制動(dòng)器。s installed capacity of wind power growth (Uni:10,000 kilowatts) 第 1 章 緒 論 5 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨(dú)立使用，單臺(tái)裝機(jī)容量約為 100 瓦 — 5 千瓦，通常不超過 10 千瓦。中國風(fēng)電真正開始有較大規(guī)模的發(fā)展是從 1996 年、 1997 年開始的。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 圖 中國風(fēng)資源圖 Chinese wind resource map 中國陸地 10 米高度層實(shí)際可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 億千瓦，風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要集中在北部、西北和東北的草原、戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼上。 一般認(rèn)為，可將風(fēng)電場風(fēng)況分為 3 類：年平均風(fēng)速 6 米 /秒以上時(shí)為較好；7 米 /秒以上為好； 8 米 /秒以上為很好。 隨著全球風(fēng)能的快速發(fā)展，風(fēng)能將會(huì)成為 21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的重要能源 。 同時(shí)亞洲的風(fēng)電也保持較快的發(fā)展勢頭，印度則是發(fā)展中國家的典型。圖 為世界風(fēng)資源分布圖。盡管 2020 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)增長幅度有所放緩，年增幅由 2020 年的 35%降為 23%，不過隨著一些歐洲國家海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展，預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增長的勢頭。由此可見，風(fēng)電正在以超出預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長。布朗《 B 模式》指出 “ 世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降 15%” 。同時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造過程中廣泛采用了新技術(shù)和新材料，風(fēng)電控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效地提高風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平，而且新材料和新技術(shù)對于增強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的保護(hù)功能和控制功能也有重大作用。有專家預(yù)測，煤炭還可開采二百年，石油、天然氣在四五十年后將瀕臨枯竭，一些主要靠進(jìn)口能源來滿足國內(nèi)能源消費(fèi)的國家，為了減少對國外能源的依賴，加強(qiáng)本國能源供應(yīng)的安全水平，正加緊對風(fēng)力、太陽能等可再生能源進(jìn)行研究。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電； Buck 變換器；空比特性曲線；最大功率控制 _ Abstract II Small wind power generation systems design Abstract Since the twentieth century, mankind has entered the rapidly developing economy and increasing demand for energy, nonrenewable resources of the reserves less and less, the energy crisis is worsening. Wind power as a clean, efficient renewable energy more and more attention has been paid, wind energy power technology truly sustainable development. The development situation of wind power generation and its control technologies are basic configuration,working principle of small scale wind power generating system,operation principle of wind turbines,generator and battery etc are discussed in this paper. The architecture of small scale wind power generating systems which is posed of rectifying bridge and buck chopper is put forward by analyzing the existing is avail to implement integrated control of load power tracking and battery charging,moreover it has simple structure and high configuration of small wind power generation systems with simple structure which consists of wind turbine,PMSG,diode rectifying bridge, Buck converter,batteries and controller,it is put forward to realize the power control on the state analysis of wind turbines,load power and the working modes of battery the integrated control systems are modes of the systems are determined by DC voltage and current based measurement,their transfer diagrams are co