【文章內(nèi)容簡介】 省份依次為：遼寧 (%)、新疆 (%)、內(nèi)蒙古 (%)、廣東 (%)、浙江 (%)等。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。截至 2020 年底，中國有 43 家風(fēng)電場，安裝 1291 臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量 為 76 萬千瓦，名列世界第十，亞洲第三。我國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年增長情況如圖 所示 [5]。 圖 我國風(fēng)電裝機(jī)的增長情況 (單位：萬千瓦 ) China39。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，只能獨立使用，單臺裝機(jī)容量約為 100 瓦 — 5 千瓦，通常不超過 10 千瓦。 圖 典型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 葉片、輪轂組成風(fēng)力發(fā)電 機(jī)的風(fēng)輪部分，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片通常有 2 枚或 3 枚，材料通常采用玻璃鋼或鋁合金，葉片尖端在風(fēng)輪轉(zhuǎn)動中所形成圓的直徑稱為風(fēng)輪直徑。 增速器用來匹配風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，低速的風(fēng)輪機(jī)和高速的發(fā)電機(jī)之間必須配增速器。 制動器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運轉(zhuǎn)的裝置，也稱剎車。制動器可分為手動制動器、電磁制動器和液壓制動器。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用永磁發(fā)電機(jī)，有直流發(fā)電機(jī)和交流發(fā)電機(jī)兩種，電壓一般有 1 2 3 4 12 127V 等，現(xiàn)在我國已經(jīng)研制出了交流電壓為 220/240V 的高效永磁交流發(fā)電機(jī)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī) 的調(diào)速裝置通常有可變槳距調(diào)速裝置、定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置、離心飛球調(diào)速裝置、空氣動力調(diào)速裝置和扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用扭頭、仰頭調(diào)速裝置。 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。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用尾舵調(diào)向。 由于風(fēng)力的不穩(wěn)定，交流發(fā)電機(jī)輸出的是變化的交流電，對于直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓不能滿足交流家用電器的需求，所以，一般風(fēng)力發(fā)電裝置配有東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 整流器，把變化的交流電變?yōu)橹绷麟?，然后，給蓄電池充電，再利用有保護(hù)電路的逆變器，把蓄電池里儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成 交流 220V 市電，供給交流負(fù)載使用，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 15。 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、空氣動力學(xué)、計算機(jī)、自動控制、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)出的電能用儲能設(shè)備儲存起來 (一般用蓄電池 )，需要時再提供給負(fù)載 (可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶 )。 由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性以及負(fù)載的隨時變化使得現(xiàn)有小型風(fēng)電系統(tǒng)仍然存在不少問題。 (1) 效率較低，現(xiàn)有系 統(tǒng)一般采用發(fā)電機(jī)輸出直接對蓄電池進(jìn)行充電，并沒有對風(fēng)電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，使得風(fēng)能利用系數(shù)比較低，一般在 左右。據(jù)貝茨理論風(fēng)能利用系數(shù)的極限值為 ，如果控制風(fēng)力機(jī)總是以最佳葉尖速比運行，年發(fā)電量可以提 20%30%； (2) 蓄電池的工作狀態(tài)不盡合理，使得其壽命短暫，一般兩三年就得更換，增加了整機(jī)維護(hù)成本，不合理使用主要是充電方式與蓄電池可接受特性相距甚遠(yuǎn)。電池使用壽命短，則會使得度電成本居高不下，從而使小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)難于推廣應(yīng)用； (3) 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的充電設(shè)備均有欠、過壓 保護(hù)裝置，如果電壓波動不穩(wěn)，變化幅度較大，勢必會造成這些裝置頻頻動作，對這些保護(hù)裝置的壽命造成直接的影響； (4) 沒有考慮風(fēng)能變化、負(fù)載變化以及蓄電池狀態(tài)相互之間的關(guān)系； (5) 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于成本的原因，發(fā)電機(jī)和蓄電池的保護(hù)措施比較簡單，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的綜合可靠性和效率較差，往往達(dá)不到設(shè)計使用壽命。 課題的目的和意義 目前我國農(nóng)村地區(qū)電價相對較高，且據(jù)統(tǒng)計仍有超過 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)。所以開發(fā)低風(fēng)速、易于安裝的小型風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)，輔助解決農(nóng)村地區(qū)用電問題是第 1 章 緒 論 7 一個有深遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)意義的課題。 從著名的風(fēng)能公式： E=1/2（ρ tsv3） 式中 ρ —— 空氣密度，千克 / 米 3； v —— 風(fēng)速，米 /秒； t —— 時間，秒； s —— 截面面積， 米 。 我們可以看到，影響風(fēng)能資源的主要因素是風(fēng)速。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。這樣才能保證機(jī)組的發(fā)電量，經(jīng)濟(jì)效益才能顯著。獨 立運行的離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動風(fēng)速較低，一般在 3 米 /秒以上的風(fēng)速就能發(fā)電，適宜這種條件的地區(qū)分布廣泛，我國有相當(dāng)部分的農(nóng)耕區(qū)、山區(qū)、島嶼和牧區(qū)屬于這種地區(qū)，約占全國陸地總面積 40%以上。華北地區(qū)水電資源貧乏，發(fā)電主要以火電為主，其中燃煤機(jī)組占絕大多數(shù)。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。另一方面，華北的內(nèi)蒙古地區(qū)以及河北省張家口地區(qū)地處蒙古高原，風(fēng)力資源豐富，北 京及河北地區(qū)也屬于風(fēng)力資源可利用區(qū)，且地勢平坦，電網(wǎng)基礎(chǔ)好。風(fēng)電作為一種清潔環(huán)保的新能源，既不消耗有限的煤炭資源，也不會消耗寶貴的地下水資源，更有利于國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，可見在此地區(qū)大力發(fā)展適合具體地區(qū)特點的高效可靠的小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是大有前途的。 本文研究的目的就是在獨立運行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)計簡單、高效、可靠的控制系統(tǒng)和使系統(tǒng)優(yōu)化運行的控制策略，改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題包括： (1) 提高能量轉(zhuǎn)換效率，最大限度利用風(fēng)能； (2) 對蓄電池進(jìn)行高效、快速、合理的充放電控制，延長蓄電池使用壽命，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)安全運行。 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。 論文的主要研究內(nèi)容 根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的基本理論，研究小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的基本工作東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 原理，重點研究小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器、控制器的工作原理以及逆變器的拓?fù)潆娐?；對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù) — 逆變控制技術(shù)進(jìn)行研究，并對該控制方法進(jìn)行仿真驗證；對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)、逆變器、蓄電池的最優(yōu)配置原則進(jìn)行研究；運用先進(jìn) 的控制理論和控制策略，采用電力電子元器件，開發(fā)出體積小、重量輕、高效節(jié)能、負(fù)載效應(yīng)好、動態(tài)性能好、工作可靠及輸出穩(wěn)定等顯著優(yōu)點的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。 第 2 章 系統(tǒng)實現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)和原理 9 第 2 章 系統(tǒng)實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和原理 風(fēng)能密度及其計算方法 [1,4] 每平方米與空氣流速相垂直的截面上流過的空氣量 q=u。故風(fēng)速為 u 的風(fēng)的能量密度為 E′=Eq=Eu=1/2ρu3 （ 21） 能量密度 E′是評定機(jī)做功能力 的關(guān)鍵參數(shù)。可見風(fēng)速越高，風(fēng)輪機(jī)可能提取的能量越大。 風(fēng)能開發(fā)用“平均風(fēng)能密度”來評價風(fēng)能資源，年平均風(fēng)能密度可按如下公式計算 : ˊ =? i Ni1ρ u3/2i（ W/m2） （ 22） 風(fēng)能密度計算方法可用：“直接計算法”和“概率計算法”求平均風(fēng)能密度。 （ 1） 直接計算法 將某地一年的每天 24 小時逐時測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)按間距分成各個等級然后將各個等級的風(fēng)度在該年出現(xiàn)的累計小時數(shù)分別乘以相應(yīng)各風(fēng)速下的的風(fēng)能密度（ 1/2nρ u3） ,再將各等級風(fēng)速的風(fēng)能密 度相加除以年總時數(shù)N，即 ˊ =（niρ u3） /N (W/m2) （ 23） 則可求出某地一年的平均風(fēng)能密度。 （ 2） 概率計算方法 概率計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，按積分公式計算年平均風(fēng)能密度。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)。 利用風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，通過最小二乘法，方差法和最大值法等方法可以確定C,K 參數(shù)的值。將 C,K 參數(shù)的值帶入上式中，計算出各級風(fēng)速的頻率，然后求出各等級風(fēng)速出現(xiàn)的累計時間，再按直接計算公式計算風(fēng)能密度。 當(dāng) C,K 的值確定后，也可以利用風(fēng)能密度的直接計算公式推導(dǎo)出積分形式的公式。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)及其運行特性 風(fēng)力機(jī)的運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。 由式 ()可知，在風(fēng)輪葉片大小、風(fēng)速和空氣密度一定時，影響功率輸出的唯一因素是風(fēng)能利用系數(shù) Cp，輸出功率與 Cp 成正比，而 Cp 是葉尖速比λ的函數(shù)，λ可以表示為 λ =ω rR2π Rn /60V （ 27） 式中，ω r為風(fēng)力機(jī)角速度，單位 rad/s； n 為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，單位 r/min。 典型的 Cp=f(λ )關(guān)系曲線如圖 所示 ： 圖 典 Cp 與λ關(guān)系曲線 The curve of relation between Cp and λ 從圖 中可以看出，在 Cp 隨著λ的變化過程中，存在著一點λ m 可以獲得最大的風(fēng) 能利用系數(shù) max Cp ，即最大輸出功率點。 (2)最佳運行曲線 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，將這些最大功率點連接起來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，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系均為最佳葉尖速比關(guān)系。因此在不同風(fēng)速下控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速向最佳轉(zhuǎn)速變化就可以實現(xiàn)最大功率控制。不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的功率 轉(zhuǎn)速特性曲線，如圖 所示。 第 2 章 系統(tǒng)實現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)和原理 11 圖 Pm =f (n)特性曲線 The characteristic curve of Pm and n (3)實際輸出功率 考慮到風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性和調(diào)速裝置，捕獲的風(fēng)能和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速受到限制，進(jìn)一步考慮風(fēng)場中風(fēng)速和風(fēng)向的波動，風(fēng)力機(jī)理論上的功率輸出為 （ 28） 式中， Vin、 Ve、 Vout 分別為風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速， P 為風(fēng)力機(jī)額定功率。當(dāng)風(fēng)速 V 低于額定 Ve 風(fēng)速時，輸出功率與風(fēng)速三次方成正比；當(dāng)風(fēng)速 V 高于額定風(fēng)速 Ve 而小于切出風(fēng)速 Vout 時，輸出功率等于額定風(fēng)速，即恒功率輸出階段；當(dāng)風(fēng)速 V 高于切出風(fēng)速 Vout 時，輸出功率為 0。如圖 所示。 圖 風(fēng)力機(jī)的理想輸出功率曲線 The ideal output power curve of turbine 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 圖 風(fēng)力機(jī)的實際輸出功率曲線 The real output power curve of turbine 而實際上，風(fēng)力機(jī)僅在風(fēng)速高于切入風(fēng)速 Vin 時，才有功率輸出；在切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間，當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時，輸出功率不超過額定風(fēng)速時，屬于正常調(diào)節(jié)范圍；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，機(jī)械調(diào)速裝置的存在將風(fēng)力機(jī)的輸出功率限制在所允許的最大功率以內(nèi)，如圖 所示。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 風(fēng)能發(fā)電的主要形式有兩種：一是獨立運行；二是