【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 出的唯一因素是風(fēng)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(fēng)機(jī)角速度（ srad/ ）， R 為葉輪半徑（ m） 因此，風(fēng)力機(jī)特性通常用 pC 和 ? 之間的關(guān)系來表示，典型的 ? ??fCp ? 關(guān)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(diǎn) opt? 可以獲得最大的風(fēng)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(zhuǎn)速特性曲線 在某一風(fēng)速 下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化而變化，其中存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，使風(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) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 系。實(shí)際上，在每一個(gè)風(fēng)速下，都對(duì)應(yīng)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，如果將這些最大功率點(diǎn)連接起來，就可以得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，由于這條曲線上的任何點(diǎn)的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速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(shí)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。 3實(shí)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(dòng)特性和 調(diào)速裝置，吸收的風(fēng)能和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速受到限制，式（ 21）可以改寫為： outmoutmNNmininmNptvvvvvvvvvvPAvCP??????????????02103? （ 24） 其中： inv 、 Nv 、 outv 分別為風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速， NP 為風(fēng)力機(jī)的額定功率。 4風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性 風(fēng)力機(jī)是通過風(fēng)輪葉片捕捉 流過的風(fēng)能，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)輪葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與葉片的轉(zhuǎn)速有如圖 的關(guān)系。圖中 A點(diǎn)為特定風(fēng)速下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在 AB 段，葉片轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)輪的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩隨風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速增加而減少，故此段曲線為風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)定區(qū)域。在 B 點(diǎn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩最大，是最大功率點(diǎn)。 圖 風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性曲線 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 最大功率跟蹤控制策略 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本控制策略 風(fēng)速和風(fēng)向在一天中時(shí)刻發(fā)生著改變，風(fēng)力機(jī)不能及時(shí)對(duì)這種快速的變化作出相應(yīng)的調(diào)整，因此不可能達(dá)到 100%的將 風(fēng)能完全轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率為 AvCP pt ?? ，其中 pC 為風(fēng)力機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)，根據(jù)貝茲極限理論可知 pC 。 pC 與 ? 的關(guān)系曲線是風(fēng)力機(jī)的基本特征之一，如圖 所示。對(duì)于定槳距風(fēng)機(jī)來說，處于某一定值 out? 時(shí)， pC 達(dá)到最大值，風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率， out? 稱為最佳葉尖速比。提高風(fēng)能的利用系數(shù)也就是要控制風(fēng)機(jī)工作在最佳葉尖速比out? 附近。由于風(fēng)能具有隨機(jī)性，風(fēng)速時(shí)刻在發(fā)生著變化，使得 pC 經(jīng)常不能工作在最大值點(diǎn)上，風(fēng)機(jī)常常處于低效狀態(tài)。我們可以通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，在很大的風(fēng)速范圍內(nèi)讓 pC 處于或者接近最大值運(yùn)行，使得葉尖速比 ? 在 out? 附近，實(shí)現(xiàn)最大程度的風(fēng)能利用，也就是最大功率點(diǎn)跟蹤控制。 風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行在最佳 TSR 狀態(tài)，這是給定風(fēng)力機(jī)的特性。該最優(yōu)值作為參考 TSR 存儲(chǔ)在控制計(jì)算機(jī)中。風(fēng)速被連續(xù)地測(cè)量，并與參考 TSR 相比較，然后將誤差信號(hào)送入控制系統(tǒng)，這將改變風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速以減少誤差?？刂瓶驁D如圖 所示。此時(shí)風(fēng)輪必須運(yùn)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(diǎn)在于需要測(cè)量當(dāng)?shù)仫L(fēng)速， 而這具有很大的誤差。 圖 固定 TSR控制策略框圖 2）最大負(fù)載功率曲線控制策略 最大負(fù)載功率曲線控制的主要思想是：首先通過實(shí)測(cè)得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大負(fù)載功率特性曲線，然后應(yīng)用控制方法使風(fēng)力發(fā) 電機(jī)在每一種風(fēng)速下都能跟蹤最大功率點(diǎn)的變化?？刂品椒?分為兩類：風(fēng)速自動(dòng)跟蹤控制和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋控制。 控制器 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)V 1 / V 計(jì)算葉尖速+參考 T S R風(fēng)速 V 1 葉尖速V風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ? 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 1風(fēng)速自動(dòng)跟蹤控制方法 該 控制方法原理較為簡(jiǎn)單：首先按照已知的最大負(fù)載功率曲線圖，用風(fēng)速儀測(cè)量當(dāng)前風(fēng)速值，根據(jù)這個(gè)風(fēng)速值應(yīng)用算法在特性曲線上找到對(duì)應(yīng)的理論功率輸出值，然后與發(fā)電機(jī)的輸出功率觀測(cè)值進(jìn)行 比較，最后將偏差量經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，給出發(fā)電機(jī)可控參數(shù)值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī) 輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。 2風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋控制方法 該控制方法的原理是：當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)輪 轉(zhuǎn)動(dòng)至發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速以及風(fēng)輪機(jī)的特征參數(shù)計(jì)算出給定功率，并與發(fā)電機(jī)輸出功率的觀測(cè)值進(jìn)行比較，將偏差量經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，給出發(fā)電機(jī)可控參數(shù)值，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電流，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)。最大負(fù)載功率曲線控制策略框圖如圖 所示。 圖 最大負(fù)載功率曲線控制策略框圖 功率擾動(dòng)控制策略 該方案與 上述兩種控制策略不同，其主導(dǎo)思想是離散迭代控制。從風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線可以看出，他在某一特定風(fēng)速下是凸函數(shù)，因此可以在系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)階段時(shí)，給控制量一個(gè)微小的擾動(dòng)，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(shí)候，加上與前次相同符號(hào)的擾動(dòng)量，直到輸出功率變化量開始小于零時(shí)才改變下一次擾動(dòng)量的符號(hào)。這個(gè)過程一直持續(xù)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近為止，功率擾動(dòng)控制策略框圖如圖 所示。 圖 功率擾動(dòng)控制策略框圖 最大負(fù)載功率曲線表PI 控制算法 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)風(fēng)速變化功率基準(zhǔn)值實(shí)際輸出功率風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ?+ 功率擾動(dòng)控制 控制器 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)擾動(dòng)步長(zhǎng)系統(tǒng)輸出功率風(fēng)速 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 功率擾動(dòng)控制策略具有以下特點(diǎn)： 1由于算法中不需要風(fēng)速和發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速等參數(shù)，因此不用測(cè)量裝置； 2由于是離散迭代控制過程，因此不需要知道風(fēng)力發(fā)電機(jī)明確的功率特性； 3在這種控制策略下，即使風(fēng)速穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)最終的功率輸出也會(huì)有小幅度的波動(dòng)，這種波動(dòng)是系統(tǒng)調(diào)節(jié)上的需要； 4系統(tǒng)有自動(dòng)跟隨和自適應(yīng)能力。 為了彌補(bǔ)功率擾動(dòng)控制算法輸出功率小幅波動(dòng)的缺點(diǎn)，本文采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)MPPT 控制算法。 該 算法是固定步長(zhǎng)擾動(dòng)法的改進(jìn)方法。這種方法是通過改變DC/DC 直流變換器占空比 D 來實(shí)現(xiàn)的。其控制框圖如圖 所示。當(dāng)功率變化出現(xiàn)變號(hào)時(shí)，只改變擾動(dòng)步長(zhǎng)的數(shù)值，而擾動(dòng)方向不改變。當(dāng) 加入擾動(dòng) D? 后，若???P ，保持原來的擾動(dòng)值 D? 和跟蹤方向；若 ???P ，擾動(dòng)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(dāng)前負(fù)載功率與前一采樣時(shí)刻負(fù)載功率的差值。 D?min 為 最小占空比擾動(dòng)值，其值取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等。 初 始 擾 動(dòng) ? D? P? P ≥ σ ? P ≤ σ? D ≤ m i n ? D? D = ? D / 2YN 圖 變步長(zhǎng)擾動(dòng) MPPT控制策略流程圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第 3章 太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能電池的工作原理及運(yùn)行特性 太陽(yáng)能電池板是離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)中的另一個(gè)電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)，它的主要作用是將光能轉(zhuǎn)換成電能。 太陽(yáng)能電池原理 太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換為電能。這個(gè)把太陽(yáng)能（或其他光能）變換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就叫做太陽(yáng)能電池。 太陽(yáng)能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)，簡(jiǎn)單地說，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。 其工作原理圖如圖 所示，可將半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池的發(fā)電過程概括為如下四點(diǎn)：①首先是收集太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池板上；②太陽(yáng)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(duì)，這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會(huì)復(fù)合消失；③這些電性符號(hào)相反的光生載流子在太陽(yáng)能電池 PN 結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子 空穴對(duì)被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，從而產(chǎn)生光生電 動(dòng)勢(shì)，就是所謂的光生電壓；④在太陽(yáng)能電池 PN 結(jié)的兩側(cè)引出電極，然后接上負(fù)載，則在電路中產(chǎn)生光生電流。通過以上過程，太陽(yáng)能電池就把光能轉(zhuǎn)換為電能。 圖 太陽(yáng)能電池工作原理圖 太陽(yáng)能電池 工作特性 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線如圖 所示。當(dāng)負(fù)載 R 從 0 變到 ? 時(shí)，負(fù)載 R 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 兩端的電壓 U 和流過的電流 I 之間的關(guān)系曲線，即為太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法 ， 在太陽(yáng)能電池的正負(fù)極兩端，連接一個(gè)可變電阻 R，在一定的太陽(yáng)光照和溫度下，改變電阻值，使其由 0 變到 ? ，同時(shí)測(cè)量通過電阻的電流和電阻兩端的電壓。 圖 太陽(yáng)能電池伏安特性曲線 根據(jù)特性曲線定義太陽(yáng)能電池的幾個(gè)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(diǎn)電流（ mI ）：在給定溫度日照條件下最大功率點(diǎn)上 的電流； 4）最大功率點(diǎn)電壓（ mV ）：在給定溫度日照條件下最大功率點(diǎn)上的電壓； 5）最大功率點(diǎn)功率（ mP ）：在給定溫度日照下所能輸出的最大功率。 改變?nèi)照諒?qiáng)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(yáng)能電池在不同輻照度下的 IV特性曲線圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 太陽(yáng)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(qiáng)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(yáng)能電池板的輸出功率隨著天氣變化會(huì)有很大的變動(dòng)。因此，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)換效率是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)主要研究方向。通過最大功率跟蹤控制方法，使太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)，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(yáng)能陣列容量，降低成本。 由前面介紹的太陽(yáng)能電池板的工作特性可知，不同光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度以及負(fù)載特性條件下，太陽(yáng)能電池板最大功率輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值各不相同。根據(jù)這個(gè)特性，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓，使其工作在最 大功率點(diǎn)電壓處，從而保證太陽(yáng)能電池板的輸出功率始終處于最大值，這就是太陽(yáng)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(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、直線近似法和實(shí)際測(cè)量法等。對(duì)上述方法進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出了擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)方法。 太陽(yáng)能電池板 擾動(dòng)觀察法 控制策略 擾動(dòng)觀察法也稱為爬山法，其基本工作原理如下：當(dāng)太陽(yáng)能電池板工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過控制器周期性的給太陽(yáng)能電池板輸出電壓加擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)量會(huì)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(shè)計(jì)（論文） 13 功率增加則 在下一個(gè)周期以相同方向加擾動(dòng) ,否則改變擾動(dòng)的方向，不斷重復(fù)這個(gè)過程，一直到太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn)附近。 擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)，而且是一種真正的最大功率點(diǎn)跟蹤。它的缺點(diǎn)為： 1 引入擾動(dòng)的最終結(jié)果是系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近很小范圍內(nèi)來回振蕩； 2 步長(zhǎng)的大小將決定最大功率點(diǎn)的跟蹤速度，步長(zhǎng)較小時(shí)光伏陣列很可能長(zhǎng)時(shí)間工作于低功率輸出區(qū)，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)最大功率點(diǎn)附近的波動(dòng)又會(huì)加大； 3 當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生較快變化時(shí)，擾動(dòng)觀察法則會(huì)損失較大的功率，并且很有可能發(fā)生誤判。 擾動(dòng)觀察 法的控制框圖如圖 所示。 圖 擾動(dòng)觀察法控制框圖 本文采用 MPPT 控制策略 擾動(dòng)觀察法可以通過減小開關(guān)管 D? 改善太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)附近出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象，但是 D? 過小會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)光照強(qiáng)度變化的響應(yīng)速度。為了兼顧快速性和穩(wěn)定性，應(yīng)該根據(jù)太陽(yáng)能電池板的工作點(diǎn)不斷調(diào)整開關(guān)管 D? 的大小。 本文采用一種簡(jiǎn)單的變步長(zhǎng) MPPT 控制方法。這種控制方法將開關(guān)管 D? 分為兩個(gè)級(jí)別，較大的 D? 用在外界