【正文】 .................................................................. 22 最大功率控制 ...................................................................................... 22 功率調(diào)節(jié)原理 ...................................................................................... 26 效率分析 ............................................................................................. 29 負(fù)載跟蹤控制 ............................................................................................... 29 蓄電池充電控制 ............................................................................................ 29 運(yùn)行保護(hù)控制 ............................................................................................... 32 系統(tǒng)控制電路 ............................................................................................... 32 控制芯片 ............................................................................................. 32 檢測(cè)電路 ............................................................................................. 34 驅(qū)動(dòng)電路 ............................................................................................. 37 控制器軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................ 38 主程序 ................................................................................................ 38 中斷服務(wù)程序及子程序 ........................................................................ 38 目 錄 IV 工作模式子程序 .................................................................................. 39 本章小結(jié) ............................................................................................................ 40 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其相關(guān)匹配計(jì)算 ................................................................... 42 風(fēng)力機(jī)的選擇 ............................................................................................... 42 發(fā)電機(jī)的選擇 ............................................................................................... 43 蓄電池 .......................................................................................................... 44 控制器 .......................................................................................................... 45 電力變換單元 ............................................................................................... 46 整流器 ................................................................................................ 46 DC/DC 變換器 ..................................................................................... 47 逆變器選擇 ......................................................................................... 48 本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) ............................................................................. 50 本章小結(jié) ............................................................................................................ 52 結(jié) 論 ...................................................................................................................... 53 致 謝 ...................................................................................................................... 54 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 55 第 1 章 緒 論 1 第 1 章 緒 論 風(fēng)力發(fā)電研究的背景和意義 人類(lèi)進(jìn)入到二十世紀(jì)以來(lái)，快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)對(duì)能源的需求日益增加，電力供應(yīng)頻頻 告急，巨大的電力缺口，導(dǎo)致對(duì)一次能源煤、石油、天然氣的消耗迅猛增長(zhǎng)，而這些不可再生資源的儲(chǔ)量越來(lái)越少，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重。 近 10 年來(lái)，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降的趨勢(shì)，并且日趨接近常規(guī)發(fā)電的成本。 2020 年底歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為 2930 萬(wàn)千瓦，約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 73%。其中丹麥風(fēng)能產(chǎn)業(yè)年?duì)I業(yè)額在 30 億歐元左右，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組達(dá) 312 萬(wàn)千瓦，風(fēng)能發(fā)電量占全國(guó)電力總量的 22%，居全球首位；而在該國(guó)的西北部地區(qū)，這個(gè)比例甚至已經(jīng)達(dá)到 100%，預(yù)計(jì) 2030 年，丹麥全國(guó) 40%的電力都將來(lái)自風(fēng)能。我國(guó)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的年平均風(fēng)速均達(dá)到 6 米 /秒以上。 2020 年底，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電投產(chǎn)規(guī)模最大的省份依次為：遼寧 (%)、新疆 (%)、內(nèi)蒙古 (%)、廣東 (%)、浙江 (%)等。 制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，也稱(chēng)剎車(chē)。 圖 15 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖 風(fēng)力發(fā)電是涉及電機(jī)、電力電子、電化學(xué)、機(jī)械、空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、氣象等多種學(xué)科的綜合課題，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái) (一般用蓄電池 )，需要時(shí)再提供給負(fù)載 (可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶 )。 我們可以看到，影響風(fēng)能資源的主要因素是風(fēng)速。 本文研究的目的就是在獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效、可靠的控制系統(tǒng)和使系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的控制策略，改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題包括： (1) 提高能量轉(zhuǎn)換效率，最大限度利用風(fēng)能； (2) 對(duì)蓄電池進(jìn)行高效、快速、合理的充放電控制，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低用電 成本； (3) 改進(jìn)現(xiàn)有的控制方式，提高控制水平； (4) 提高系統(tǒng)可靠性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。 （ 2） 概率計(jì)算方法 概率計(jì)算方法是利用某種概率分布函數(shù)擬合風(fēng)速頻率的分布，按積分公式計(jì)算年平均風(fēng)能密度。 (2)最佳運(yùn)行曲線 將 ()代入 ()可得 P m=1/2ρ π R 2Cp(π R/30λ ) 3n3 在某一風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的不同而變化，其中有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率，它與風(fēng)速的關(guān)系是最佳葉尖速比關(guān)系；在不同的風(fēng)速下，均有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率，將這些最大功率點(diǎn)連接起來(lái)可以得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，即最佳功率負(fù)載線，處于這條曲線上的任何點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最佳葉尖速比關(guān)系。小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(guò) 10 千瓦。當(dāng)風(fēng)速更高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過(guò)高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速 達(dá) 20～ 25 米 /秒范圍內(nèi)停機(jī)。此外，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片多采用機(jī)翼的翼型 [16]。其調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到 45o，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，再調(diào)節(jié)到 0o 直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持為 0o 位置 不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā) 展的主要方向。 當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪動(dòng)能便釋放主來(lái)，變成電能，供給負(fù)載。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方式將得到更多的重視，應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速運(yùn)行。由上表可以看出永磁發(fā)電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如裝置為永磁式結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡(jiǎn)單；無(wú)電刷，無(wú)滑環(huán)；并且無(wú)需外部勵(lì)磁，因此永磁發(fā)電機(jī)的適用范圍較其他電機(jī)而言要廣，對(duì)環(huán)境的要求也要低得多，比較適合野外風(fēng)力發(fā)電作業(yè)，孤島發(fā)電等等。由于 這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵(lì)磁變換器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，成本將會(huì)大大降低。矩陣式交 交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制方法還不成熟，需要依賴(lài)更加成熟的雙向開(kāi)關(guān)器件。 DC/DC 變換器用來(lái)改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率 和控制蓄電池充放電。 a— 風(fēng)速增大 。 最大功率控制 [15] 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的風(fēng)能不能滿足負(fù)載用電和蓄電池充電時(shí)，需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)按照最佳葉尖速比運(yùn)行，跟蹤最大功率。 該方法無(wú)需知道明確的風(fēng)輪機(jī)的功率特性 。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 圖 擾動(dòng)觀察法圖 The perturbation observation MPPT method 圖 功率擾動(dòng)曲線 Disturbance power curve (1)當(dāng) P m(t )Pm (t Δ t)時(shí) 第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 25 若 d (t )d (t Δ t)，工作點(diǎn)在 Pmax之左，應(yīng)該增大占空比； 若 d (t )d (t Δ t)，工作點(diǎn)在 Pmax之右，應(yīng)該減小占空比。 分析上面提到的擾動(dòng)觀察法，在跟蹤控制過(guò)程中，擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤的最大功率點(diǎn)與實(shí)際值相差很大，降低了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)小時(shí)， 降低跟蹤的快速性。圖中 Pw為經(jīng)由風(fēng)力機(jī)