【文章內容簡介】 出的唯一因素是風能利用系數(shù) pC ，輸出功率與 pC 成正比，而 pC 是葉尖速比 ? 的函數(shù)，? 可以表示為 vRvRn ??? ?? 2 （ 22） 其中， ? 為葉尖速比， ? 為風機角速度（ srad/ ）， R 為葉輪半徑（ m） 因此，風力機特性通常用 pC 和 ? 之間的關系來表示，典型的 ? ??fCp ? 關系曲線如圖 所示。 從圖中可以看出，在 pC 隨著 ? 的變化過程中，存在著一點 opt? 可以獲得最大的風能利用系數(shù) maxpC ，即最大輸出功率。 2最大輸出功率曲線 把式（ 22）帶入式（ 21）可得 332 3021 nRCRP pt ??????? ???? （ 23） 圖 典型 ? ??fCp ? 曲線 圖 轉速特性曲線 在某一風速 下，風力機的輸出機械功率隨風輪轉速的變化而變化，其中存在一個最佳轉速，使風力機輸出最大機械功率，它與風速的關系是最佳葉尖速比關 本科生畢業(yè)設計（論文） 6 系。實際上，在每一個風速下，都對應有一個最佳的轉速使風力機輸出最大機械功率，如果將這些最大功率點連接起來，就可以得到一條最大輸出機械功率曲線，由于這條曲線上的任何點的轉速與風速均為最佳葉尖速比關系。因此在不同風速下控制風力機轉速向最佳轉速變化就可以實現(xiàn)最大功率控制。不同風速下風力機的功率 轉速特性曲線如圖 所示。 3實際輸出功率 考慮到風力機的功率調節(jié)完全依靠葉片的氣動特性和 調速裝置，吸收的風能和風力機轉速受到限制，式（ 21）可以改寫為： outmoutmNNmininmNptvvvvvvvvvvPAvCP??????????????02103? （ 24） 其中： inv 、 Nv 、 outv 分別為風力機的切入風速、額定風速和切出風速， NP 為風力機的額定功率。 4風力機的轉矩 轉速特性 風力機是通過風輪葉片捕捉 流過的風能，并將其轉化為機械能的裝置。根據(jù)空氣動力學原理，風輪葉片產生的轉矩與葉片的轉速有如圖 的關系。圖中 A點為特定風速下的啟動轉矩，在 AB 段，葉片轉矩隨風輪的轉速增加而增加，這段曲線屬于不穩(wěn)定區(qū)域；在 BC 段，葉片轉矩隨風輪的轉速增加而減少，故此段曲線為風力機的穩(wěn)定區(qū)域。在 B 點風輪轉矩最大，是最大功率點。 圖 風力機的轉矩 轉速特性曲線 本科生畢業(yè)設計（論文） 7 最大功率跟蹤控制策略 風力發(fā)電機的基本控制策略 風速和風向在一天中時刻發(fā)生著改變，風力機不能及時對這種快速的變化作出相應的調整，因此不可能達到 100%的將 風能完全轉化為機械能。風力機的機械輸出功率為 AvCP pt ?? ，其中 pC 為風力機的實際風能利用系數(shù)，根據(jù)貝茲極限理論可知 pC 。 pC 與 ? 的關系曲線是風力機的基本特征之一，如圖 所示。對于定槳距風機來說，處于某一定值 out? 時， pC 達到最大值，風力機輸出最大機械功率， out? 稱為最佳葉尖速比。提高風能的利用系數(shù)也就是要控制風機工作在最佳葉尖速比out? 附近。由于風能具有隨機性，風速時刻在發(fā)生著變化，使得 pC 經常不能工作在最大值點上，風機常常處于低效狀態(tài)。我們可以通過改變風機轉速，在很大的風速范圍內讓 pC 處于或者接近最大值運行，使得葉尖速比 ? 在 out? 附近，實現(xiàn)最大程度的風能利用，也就是最大功率點跟蹤控制。 風機最大功率跟蹤控制策略 1）固定（葉尖速比） TSR 控制策略 在這種控制策略中，風機持續(xù)運行在最佳 TSR 狀態(tài)，這是給定風力機的特性。該最優(yōu)值作為參考 TSR 存儲在控制計算機中。風速被連續(xù)地測量，并與參考 TSR 相比較，然后將誤差信號送入控制系統(tǒng)，這將改變風力機轉速以減少誤差?？刂瓶驁D如圖 所示。此時風輪必須運行在參考 TSR 狀態(tài)，以發(fā)出最大功率。這種控制方案的缺點在于需要測量當?shù)仫L速， 而這具有很大的誤差。 圖 固定 TSR控制策略框圖 2）最大負載功率曲線控制策略 最大負載功率曲線控制的主要思想是：首先通過實測得到風力發(fā)電機的最大負載功率特性曲線，然后應用控制方法使風力發(fā) 電機在每一種風速下都能跟蹤最大功率點的變化?？刂品椒?分為兩類：風速自動跟蹤控制和風機轉速反饋控制。 控制器 風機系統(tǒng)V 1 / V 計算葉尖速+參考 T S R風速 V 1 葉尖速V風機轉速 ? 本科生畢業(yè)設計（論文） 8 1風速自動跟蹤控制方法 該 控制方法原理較為簡單：首先按照已知的最大負載功率曲線圖，用風速儀測量當前風速值，根據(jù)這個風速值應用算法在特性曲線上找到對應的理論功率輸出值，然后與發(fā)電機的輸出功率觀測值進行 比較，最后將偏差量經過 PI 調節(jié)器，給出發(fā)電機可控參數(shù)值，調節(jié)發(fā)電機 輸出電流，最終實現(xiàn)發(fā)電機輸出功率的調節(jié)。 2風機轉速反饋控制方法 該控制方法的原理是：當風帶動風輪 轉動至發(fā)電機發(fā)電運行的轉速范圍內時，根據(jù)轉速以及風輪機的特征參數(shù)計算出給定功率，并與發(fā)電機輸出功率的觀測值進行比較，將偏差量經過 PI 調節(jié)器，給出發(fā)電機可控參數(shù)值，調節(jié)發(fā)電機的輸出電流，最終實現(xiàn)發(fā)電機輸出功率的調節(jié)。最大負載功率曲線控制策略框圖如圖 所示。 圖 最大負載功率曲線控制策略框圖 功率擾動控制策略 該方案與 上述兩種控制策略不同，其主導思想是離散迭代控制。從風力機的功率特性曲線可以看出，他在某一特定風速下是凸函數(shù)，因此可以在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)階段時，給控制量一個微小的擾動，將引起輸出功率的變化。若該變化量大于零，則在系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)的時候，加上與前次相同符號的擾動量，直到輸出功率變化量開始小于零時才改變下一次擾動量的符號。這個過程一直持續(xù)到風力發(fā)電機運行在最大功率點附近為止，功率擾動控制策略框圖如圖 所示。 圖 功率擾動控制策略框圖 最大負載功率曲線表PI 控制算法 風機系統(tǒng)風速變化功率基準值實際輸出功率風機轉速 ?+ 功率擾動控制 控制器 風機系統(tǒng)擾動步長系統(tǒng)輸出功率風速 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 功率擾動控制策略具有以下特點： 1由于算法中不需要風速和發(fā)電機 轉速等參數(shù)，因此不用測量裝置； 2由于是離散迭代控制過程，因此不需要知道風力發(fā)電機明確的功率特性； 3在這種控制策略下，即使風速穩(wěn)定，發(fā)電機最終的功率輸出也會有小幅度的波動，這種波動是系統(tǒng)調節(jié)上的需要； 4系統(tǒng)有自動跟隨和自適應能力。 為了彌補功率擾動控制算法輸出功率小幅波動的缺點，本文采用變步長擾動MPPT 控制算法。 該 算法是固定步長擾動法的改進方法。這種方法是通過改變DC/DC 直流變換器占空比 D 來實現(xiàn)的。其控制框圖如圖 所示。當功率變化出現(xiàn)變號時，只改變擾動步長的數(shù)值，而擾動方向不改變。當 加入擾動 D? 后，若???P ，保持原來的擾動值 D? 和跟蹤方向；若 ???P ，擾動值折半為 2D? ，按原來的方向跟蹤。 ? 為數(shù)值很小的正數(shù)， P? 為當前負載功率與前一采樣時刻負載功率的差值。 D?min 為 最小占空比擾動值，其值取決于系統(tǒng)的結構、動態(tài)響應特性等。 初 始 擾 動 ? D? P? P ≥ σ ? P ≤ σ? D ≤ m i n ? D? D = ? D / 2YN 圖 變步長擾動 MPPT控制策略流程圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 10 第 3章 太陽能電池板的設計 太陽能電池的工作原理及運行特性 太陽能電池板是離網型風光互補路燈照明系統(tǒng)中的另一個電能產生環(huán)節(jié)，它的主要作用是將光能轉換成電能。 太陽能電池原理 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能轉換為電能。這個把太陽能（或其他光能）變換成為電能的能量轉換器，就叫做太陽能電池。 太陽能電池工作原理的基礎，是半導體 PN 結的光生伏特效應。所謂光生伏特效應，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生的電動勢和電流的一種效應。 其工作原理圖如圖 所示，可將半導體太陽能電池的發(fā)電過程概括為如下四點：①首先是收集太陽光照射到太陽能電池板上；②太陽能電池吸收一定能量的光子后，激發(fā)出非平衡載流子 —— 電子 空穴對，這些電子和空穴應有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失；③這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池 PN 結內建電場的作用下，電子 空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，從而產生光生電 動勢，就是所謂的光生電壓；④在太陽能電池 PN 結的兩側引出電極，然后接上負載，則在電路中產生光生電流。通過以上過程，太陽能電池就把光能轉換為電能。 圖 太陽能電池工作原理圖 太陽能電池 工作特性 太陽能電池的伏安特性曲線如圖 所示。當負載 R 從 0 變到 ? 時，負載 R 本科生畢業(yè)設計（論文） 11 兩端的電壓 U 和流過的電流 I 之間的關系曲線，即為太陽能電池的伏安特性曲線。通過實驗測試的方法 ， 在太陽能電池的正負極兩端，連接一個可變電阻 R，在一定的太陽光照和溫度下，改變電阻值，使其由 0 變到 ? ，同時測量通過電阻的電流和電阻兩端的電壓。 圖 太陽能電池伏安特性曲線 根據(jù)特性曲線定義太陽能電池的幾個重要參數(shù)如下： 1）短路電流（ scI ）：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電流； 2）開路電壓（ OCV ）：在給定溫度日照條件下所能輸出的最大電壓； 3）最大功率點電流（ mI ）：在給定溫度日照條件下最大功率點上 的電流； 4）最大功率點電壓（ mV ）：在給定溫度日照條件下最大功率點上的電壓； 5）最大功率點功率（ mP ）：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率。 改變日照強度而保持其它條件不變，得到一組不同日照量下的 IV 和 PV 特性曲線，如圖 和 所示。 圖 太陽能電池在不同輻照度下的 IV特性曲線圖 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 圖 太陽能電池在不同輻照度下的 PV特性曲線圖 從圖中可以看到，隨著輻 照強度的降低，輸出電流和輸出功率逐漸減小。 最大功率跟蹤控制 太陽能電池板的輸出功率隨著天氣變化會有很大的變動。因此，進一步提高太陽能電池板的轉換效率是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的一個主要研究方向。通過最大功率跟蹤控制方法，使太陽能電池板工作在最大功率點，不僅可以充分利用光能資源，而且可以減少發(fā)電系統(tǒng)的太陽能陣列容量，降低成本。 由前面介紹的太陽能電池板的工作特性可知，不同光照強度、環(huán)境溫度以及負載特性條件下，太陽能電池板最大功率輸出點對應的電壓值各不相同。根據(jù)這個特性，通過實時調節(jié)太陽能電池板的輸出電壓，使其工作在最 大功率點電壓處，從而保證太陽能電池板的輸出功率始終處于最大值，這就是太陽能電池板最大功率跟蹤控制原理。最大功率跟蹤算法常用的有：電壓反饋法、功率反饋法、擾動觀察法、增量電導法、直線近似法和實際測量法等。對上述方法進行分析，并在此基礎上提出了擾動觀察法的改進方法。 太陽能電池板 擾動觀察法 控制策略 擾動觀察法也稱為爬山法，其基本工作原理如下：當太陽能電池板工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，通過控制器周期性的給太陽能電池板輸出電壓加擾動，這個擾動量會引起系統(tǒng)功率輸出的變化，比較其輸出功率與前一周期的輸出功率的大小，如果 本科生畢業(yè)設計（論文） 13 功率增加則 在下一個周期以相同方向加擾動 ,否則改變擾動的方向，不斷重復這個過程，一直到太陽能電池板工作在最大功率點附近。 擾動觀察法的優(yōu)點是結構簡單，被測參數(shù)少，容易實現(xiàn)，而且是一種真正的最大功率點跟蹤。它的缺點為： 1 引入擾動的最終結果是系統(tǒng)在最大功率點附近很小范圍內來回振蕩； 2 步長的大小將決定最大功率點的跟蹤速度，步長較小時光伏陣列很可能長時間工作于低功率輸出區(qū)，當步長較大時最大功率點附近的波動又會加大； 3 當外部環(huán)境發(fā)生較快變化時，擾動觀察法則會損失較大的功率，并且很有可能發(fā)生誤判。 擾動觀察 法的控制框圖如圖 所示。 圖 擾動觀察法控制框圖 本文采用 MPPT 控制策略 擾動觀察法可以通過減小開關管 D? 改善太陽能電池板最大功率點附近出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，但是 D? 過小會降低系統(tǒng)對光照強度變化的響應速度。為了兼顧快速性和穩(wěn)定性，應該根據(jù)太陽能電池板的工作點不斷調整開關管 D? 的大小。 本文采用一種簡單的變步長 MPPT 控制方法。這種控制方法將開關管 D? 分為兩個級別，較大的 D? 用在外界