【文章內(nèi)容簡介】 是在這種情況下出現(xiàn)的。應用于風力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機采取特殊的設計方案，其較多的極對數(shù)使得在轉子轉速較低時，發(fā)電機仍然可以工作，因而在直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)中使風輪機與永磁同步發(fā)電機轉子直接耦合，省去齒輪箱，提高了效率，減少了發(fā)電機的維護工作，并且降低了噪音。另外直驅永磁風力發(fā)電系統(tǒng)轉子采用永磁體，不需要電勵磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性好的優(yōu)點。本課題就變速恒頻、永磁直驅風力發(fā)電機進行研究分析。 本章小結本章介紹了風力發(fā)電的理論基礎，包括空氣動力學方面的基本理論、風力機的幾個重要特性參數(shù)和風力機的組成結構，分析比較了風力機常見的類型及功率控制方式。重點介紹了永磁直驅式風力發(fā)電機和變速恒頻的功率控制方法。燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第3章 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設計 最大功率點跟蹤算法的分類變速風力發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤控制算法近年來成為了一個熱門的研究課題，盡管這些算法是基于不同的功率變換器拓撲結構，但根據(jù)它們的控制原理可以大致分為三類：葉尖速比控制算法、功率信號反饋算法、登山搜索算法。 葉尖速比控制算法TipSpeed—Ratio(TSR)Control葉尖速比(TSR)控制算法是要維持風力機的葉尖速比力在最佳值丸。，處(TSR的最佳值一般是通過計算或實驗獲得)，這樣在任何風速下風力機對風能的利用率都最大，從而達到對風力機最大功率點跟蹤的目的。圖31所示為TSR的控制原理框圖，將風速v和風力機轉速ω的測量值作為控制系統(tǒng)的輸入信號，通過計算得出風力機此時的實際葉尖速比λ，然后與風力機的最佳值，相比較，所得誤差值用來對風力機的轉速進行控制，直到風力機運行在最佳葉尖速比上。圖31 TSR控制原理圖該控制算法的優(yōu)點是控制原理比較簡單，容易實現(xiàn)，一個PI控制器即可滿足風力機的控制要求。缺點是需要預先得到風力機的最佳葉尖速比需要測量風速v和風力機風輪角速度ω。TSR的最佳值在不同的風力發(fā)電系統(tǒng)中也不相同，它與風力機和發(fā)電機的特性以及所采用的變頻器拓撲結構相關，因此該算法的移植比較困難。同時實時測量風速會增加系統(tǒng)的成本和實際執(zhí)行的難度，其測量精度也難以保證。而且由于風速的隨機性和不確定性，該控制算法會引起風力機輸出功率的劇烈波動。 功率信號反饋算法Power Signal Feedback(PSF)Control功率信號反饋(PSF)控制原理：測量出風力機的轉速ω，并根據(jù)風力機的最大功率曲線計算出與該轉速所對應的風力機的最大輸出功率P，并將它作為風力機的輸出功率給定值，對風力機進行控制，以實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。圖3—2為在功率信號反饋算法的控制下風力機運行狀態(tài)點的變化圖。如果只是當前風速下風力機的最大功率輸出點，ω1是此時風力機實際的風輪轉速，PSF控制算法將由該轉速ω1，根據(jù)最大功率曲線計算出相應的最大輸出功率，并將它作為風力機輸出功率的給定值；由于風力機此時的輸出功率只小于風力機實際捕獲的機械功率，風力機的轉速ω將從逐漸增加到ω0，隨著轉速ω的增加風力發(fā)電系統(tǒng)在PSF的控制下最終將運行在最大功率點P0上。圖32 風力機運行狀態(tài)點變化圖同樣，在風速為v2時，如果當前的風輪實際轉速為ω2，則在PSF算法的控制下，風力機將會減速，即從ω2逐漸降低到ω0，同樣最終會運行在最大功率點上。圖33即為PSF算法的控制原理框圖圖33 PSF控制原理圖該控制算法的優(yōu)點是能夠有效地避免風力機輸出功率的波動，控制原理比較簡單。缺點是對于不同的風力機，最大功率曲線需要事先通過仿真或試驗測得，這會增加實際應用的成本；同時隨著使用年限的增加，風力機特性的變化，其控制精度也難以保證。 登山搜索算法Hi llclimb Searching(HCS)Control登山搜索算法原理：給風力機施加人為的轉速擾動，然后通過測量風力機輸出功率的變化來自動搜索發(fā)電機的最優(yōu)轉速點。圖3—4為風力機輸出功率與轉速的關系圖。圖34 風力機輸出功率與轉速關系假設風力機轉速的增加引起風力機輸出功率的增加，HCS控制使風機轉速沿著上升的區(qū)域接近最大功率點，反之，將減速使風力機沿著下降區(qū)域接近最大功率點。觀察圖3—5風力發(fā)電系統(tǒng)以速度ω為橫坐標在不同風速下的風力機輸出功率P的特性曲線，每一條曲線都有一個最大點，最優(yōu)轉速ω隨著風速v的增加而增加。每條曲線的形狀就像一座小山，有了這種關系，我們就不需要知道任何P(ω)曲線的細節(jié)，也不需要知道實際的風速v，只需要檢測風力機的轉速ω和輸出功率P的改變，根據(jù)登山搜索算法來搜索最佳的參考速度，在該速度下風力機的輸出功率最大，即為山坡的頂點。在風速恒定的情況下，工作點將沿著圖3—5中的某條P(ω)曲線向上或向下移動直到獲得最大功率輸出點為止。如果風力機速度保持恒定而風速發(fā)生變化，工作點將會沿著圖3—5中垂直軸線移到另一條P(ω)曲線上。根據(jù)這些考慮，在下列情況下輸出參考速度設置增加：(1)輸出功率P增加，風力機速度恒定或者增加；(2)輸出功率P和風力機轉速都減小。相反，在下列情況下，參考速度設置必須減小：(1)輸出功率P減小，風力機速度恒定或者增加：(2)輸出功率P增加而轉速減小。登山搜索算法包括以下幾個步驟：(1)選擇初始的參考轉速和步長并測量風力機的輸出功率：(2)通過某一步長來增加或減小參考轉速并再次測量風力機的輸出功率：(3)計算Sign(△P)和Sign(△ω)(4) (n)= (n1)+Sign(△P)Sign(△ω) (5)從步驟三開始重復直到搜索到最優(yōu)的運行點。圖35 登山搜索示意圖在圖3—5中，假設風速發(fā)電機運行在A點，即風機運行在Pω特征曲線的(ωA,PA)處。同時假設風力機轉速按步長ωstep增加到新的速度ωB，則新的運行點位(ωB,PB)，則： △P= PB PA 0,sign(△P)=1 (31)△ω=ωB ωA 0,Sign(△ω)=1 (32)由式4．1和式4．2可得ωstep= ωB +ωstep經(jīng)過第一次反復，新的運行點變?yōu)?ωc,Pc)。重復這個過程直到系統(tǒng)運行點為(ω1,P1)， 這時即為風速下的最大功率點。假如風速由變成，新的最優(yōu)運行點將會從(ωD,PD)點開始搜索，則：△P= PD –P10,Sign(△P)=l (33)△ω=ωDω10,Sign(△ω)=1 (34)由式33和式34可得ωref=ω1+ωstep下一個運行點將會是()，然后與上面的情況類似，風機最后會運行到最大功率點(ω3,P3)?，F(xiàn)在，假如風速變化為v2，運行點將會移到(ωF,PF)，則：△P =PFP3 0 ,Sign(△P)=1 (35)△ω=ωFω3=0 ,Sign(△ω)=1 (36) ωref=ω3ωref在這種情況下，轉速將會降低，風機運行點為(ωG,pG)。接著：△P =PGPF0,Sign(△P)=1 (37)△ω =ωGωF0,Sign(△ω)=1 (38) ωref=ω3ωref不斷的重復這個過程直到參考轉速運行到風速的最大功率點(ω2,p2)為止。以上所述即為登山搜索算法對風力機的最大功率點的跟蹤過程。HCS能夠成功地應用于無慣性的太陽能變換系統(tǒng)中和慣性很小的小型風力發(fā)電系統(tǒng)。但是對于慣性較大的大型風力機系統(tǒng)，由于風力機具有較大的轉動慣量，系統(tǒng)的時間常數(shù)較長，因此登山搜索算法對整個風電系統(tǒng)無法進行有效的控制。登山搜索算法的優(yōu)點是無需測量風速，控制算法與風力機及發(fā)電機的特性無關，便于應用及硬件簡單：但是只適用于小慣性風力發(fā)電系統(tǒng)，對于慣性較大的大型風力機系統(tǒng)控制算法失效。 最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的設計在綜合分析研究以上三種最大功率點跟蹤控制算法優(yōu)缺點的基礎上，本節(jié)提出了一種新的最大功率點跟蹤(MPPT)控制算法即根據(jù)風力機的輸出功率和轉速的變化來確定風力機實際工作點(即確定風力機的實際運行狀態(tài)點)與該風速下的最大功率點(MMP)的關系：在風力機的運行過程中實際工作點是在趨向于最大功率點還是在背離最大功率點，并以此作為調(diào)節(jié)圖31的風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構中的雙重Sepic變換器PWM觸發(fā)脈沖的脈寬大小，以調(diào)節(jié)三相不控整流橋輸出端電容上的電壓值，實現(xiàn)對風力機的變速控制，使風力機跟蹤最大功率點：該方法不需要知道風力機的最佳功率曲線，也不需要測量風速。控制原理：下圖36是風速為V時，風力機的實際運行狀態(tài)點與最大功率點的關系圖：圖36 風力機的運行狀態(tài)點與最大功率點的關系P(k1)表示在k1時刻風力機的輸出功率P(k)表示在k時刻風力機的輸出功率ω(k1)表示在是k1時刻風力機的轉速ω(k)表示在k時刻風力機的轉速假設風速不變，在k—l時刻風力機輸出功率為p(k1)，轉速為ω(k1)，小范圍地調(diào)節(jié)風力機的轉速，則到k時刻，風力機輸出功率P(K)，轉速為ω(K)，k1時刻風力機輸出功率與轉速和k時刻風力機輸出功率與轉速的關系有以下4種情況：(1)P(k1)p(k)且ω(k1) ω(K)表示轉速增加后，風力機的輸出功率也增加了。根據(jù)這一關系可以確定，kl時刻與K時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的左側(如圖37)，且k時刻的狀態(tài)點比k1時刻的狀態(tài)點更加接近最大功率點。因此應繼續(xù)增加轉速直到最大功率點。圖37 風力機的運行狀態(tài)點趨向于最大功率點(2)P(k1)P(k)且ω（K1）ω(K)表示轉速減小后，風力機輸出功率也減小了，根據(jù)這一關系可以確定，k1時刻與k時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的左側(如圖3—8)，且k時刻的狀態(tài)點比k1時刻的狀態(tài)點遠離最大功率點。因此必須改變轉速的變化趨勢既增加轉速直到最大功率點。圖38 風力機運行狀態(tài)點偏離最大功率點(3)P(k1)P(k)且ω(K1)ω(k)表示轉速減小后，風力機的輸出功率增加了，根據(jù)這一關系可以確定，K1時刻與后時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的右側(如圖3—9)，且K時刻的狀態(tài)點比k1時刻的狀態(tài)點更加接近最大功率點。因此繼續(xù)降低風力機的轉速，直到風力機運行在最大功率點上。圖39 風力機狀態(tài)點趨向于最大功率點(4)P(k1)P(k)且ω(k1)ω(k)表示轉速增加后，風力機輸出功率減小了，根據(jù)這一關系可以確定，K1時刻與k時刻風力機的運行狀態(tài)點都在最大功率點的右側(如圖310)，且K時刻的狀態(tài)點比Kl時刻的狀態(tài)點遠離最大功率點。因此，必須改變轉速的變化方向即降低風力機的轉速，直到風力機運行在最大功率點上。圖310 風力機運行狀態(tài)點偏離于最大功率點綜合以上四種情況，本節(jié)所提出的最大功率點跟蹤算法可以歸納為：根據(jù)風力機輸出功率和轉速的變化趨勢，判斷出風力機的實際運行狀態(tài)點與最大功率點的位置關系，即當P(k1)P(k)且ω（K1) ω（K）或者P(k1)P(K)且ω（K1）ω(K)時，說明輸出功率和轉速的變化趨勢相同，根據(jù)輸出功率與轉速的關系可以判定：此時風力機的運行狀態(tài)點在最大功率點的左側，所以要提高風力機的轉速，直到風力機運行在最大功率點上。同理當P(k1)P(K)且ω（K1）ω（K）或者P(k1)p(k)且ω(k1)ω(K)說明輸出功率和轉速的變化趨勢相反，根據(jù)輸出功率與轉速的關系圖可以判定：此時風力機的運行狀態(tài)點在最大功率點的右側，所以要減小風力機的轉速，直到風力機運行在最大功率點上。根據(jù)以上的算法對風力機的轉速進行控制，就可以實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤，且不需要測量風速，不需要預先知道風力機的最大功率曲線，同時該控制方法容易實現(xiàn)?？刂品娇驁D如圖311：圖311 登山搜索控制框圖風力機的輸出功率P、轉速ω經(jīng)過延時比較后得到各自的變化量△P, △ω；邏輯判斷是根據(jù)△P, △ω值的正負關系判斷出風力機的實際工作點與最大功率點的位置關系：如果△P*△ω O，則說明此時風力機的輸出功率和轉速同時增加或同時減小，因而風力機實際工作點在最大功率點左側，判斷結果確定為1即邏輯判斷器輸出為1：如果△P*△ω0，則說明此時風力機輸出功率和轉速的變化方向相反，即輸出功率在增加而轉速卻在減小，或者輸出功率在減小而轉速卻在增加，因此風力機的實際工作點在最大功率點右側，判斷結果確定為1即邏輯判斷器輸出為l。比例系數(shù)C用來調(diào)節(jié)sepic變換器的PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率，比例系數(shù)C選的越大，則PWM觸發(fā)脈沖占空比的變化速率就越快，風力機轉速的變化率就越大，相應地對最大功率點的跟蹤速度就越快，但是太大的轉速的變化率容易引起風力機輸出功率的大幅度的波動。因此比例系數(shù)C大小的選擇必須合適，既要提高風力機對最大功率點的跟蹤速度，又要盡量減小風力機輸出功率的波動。三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波與積分器輸出的帶有轉速控制信息的調(diào)制波相比較后就得到所要的PWM觸發(fā)脈沖，用來調(diào)節(jié)三相不控整流橋輸出端電容上的電壓，進而對發(fā)電機的轉速以及風力機的轉速進行控制，實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤該控制算法的缺點是當風力機的慣性比較小時，控制效果比較好；而對于大慣性的風力機，則控制效果非常差，幾乎達不到對最大功率點的跟蹤。 本章小結本章重點研究了風力機額定風速以下的最大功率跟蹤控制算法，對采用尖速比控制、采用功率曲線控制和爬山搜索算法控制這三種算法進行了比較分析。并著重對爬山搜索法控制進行了詳細分析、描述。針對風力發(fā)電系統(tǒng)提出了一種可行的爬山搜索控制策略。燕山大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 第4章 整流器的設計 DC/DC變換器概述直流電壓變換器(DC／DC變換器)具有變換阻抗的作用，既可起到發(fā)電機與負載之間的電壓匹配作用，也能通過改變直流電壓變換器的輸入阻抗，使發(fā)電機處于最大輸出電功率狀態(tài)。為了便于分析，用一等效直流電源代替發(fā)電機和二極管整流后所得電壓，逆變后的部分可看作 Boost變換器輸出端的負載阻抗，用一負載電阻RL代替，則斬波器的等效電路如圖41所示。圖41 Boost等效電路假設等效電路的電感和電容足夠大，開關器件 電流