【正文】 永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能由一個(gè)三第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 27 相二極管整流器整流后經(jīng)一直流電容濾波，再經(jīng)由 Buck 變換器給負(fù)載。為此，本著減少在最大功率點(diǎn)附近振蕩的幅度和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)控制思想，本論文提出了應(yīng)用于小型風(fēng)電系統(tǒng)的變步長(zhǎng)擾動(dòng) MPPT 策略，如圖 所示。如果這種吻合存在，可以暫時(shí)停止擾動(dòng)，保持現(xiàn)有的狀態(tài)不變。 由于蓄電池電壓的鉗位作用，在一定風(fēng)速下， DC/DC 變換器的輸出電流 Im 由占空比 d 決定，由圖 可以看出，對(duì)電流進(jìn)行微小擾動(dòng)來(lái)跟蹤最大功率也就是對(duì) DC/DC 變換器占空比的控制。由于功率的開關(guān)頻率達(dá)到幾十千赫，該方案可以有效的根據(jù)風(fēng)速的變化及時(shí)地調(diào)整電流變化。但是由于發(fā)電機(jī)效率不可能在這么大的運(yùn)行風(fēng)速范圍和功率變化范圍內(nèi)保持不變，所以也就必然會(huì)偏離最大功率 (同時(shí)也偏 離最佳葉尖速比 )運(yùn)行。由于要取得風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率信號(hào)比較困難，需專為控制而裝設(shè)轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置，增加了小型風(fēng)電機(jī)組的復(fù)雜性和造價(jià)。直到滿足設(shè)定的比例關(guān)系為止，從而實(shí)現(xiàn)最佳葉尖速比控制運(yùn)行。d— load Increased 圖 工作模式轉(zhuǎn)換圖 Mode conversion chart 集成控制策略 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的集成控制策略主要有：最大功率控制、負(fù)載跟蹤控制、蓄 電池充放電控制和運(yùn)行保護(hù)控制。c— 負(fù)載減小 。 工作模式及其轉(zhuǎn)換 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率 POut、負(fù)載功率 PLoad 和蓄電池可以接受的充入功率 PBattery 三者之間關(guān)系的分析，提取出獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以下 6 種工作模式： 模式 1：無(wú)風(fēng)、無(wú)負(fù)載，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)； 模式 2：有風(fēng)， POutPLoad， POutPLoadPBattery，蓄電池處于充電狀態(tài)，系統(tǒng)處于 最大功率控制狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)向負(fù)載和蓄電池同時(shí)供電； 模式 3：有風(fēng) ， OutPLoadP， POutPLoadPBattery，系統(tǒng)處于負(fù)載跟蹤控制狀態(tài)，即降低風(fēng)能利用系數(shù)，使 POut=PLoad+PBattery； 模式 4：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩已經(jīng)達(dá)到極限參數(shù)，此時(shí)風(fēng)能只流向耗能負(fù)載，系統(tǒng)處于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組保護(hù)狀態(tài)； 模式 5：有風(fēng)， POutPLoad，系統(tǒng)處于最大功率控制狀態(tài)，蓄電池處于放電狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和蓄電池同時(shí)向負(fù)載供電； 模式 6：蓄電池達(dá)到最大放電深度時(shí)，切除負(fù)載，系統(tǒng)處于蓄電池保護(hù)控制狀 [36]。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 System structure diagram DC/DC 變換器采用 Buck 變換器，相對(duì)于其它類型的變換器具有以下的優(yōu)點(diǎn)： ①電路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，可靠性高； ②對(duì)功率管及續(xù)流二極管的耐壓要求低，只要求等于或大于最高輸入電源電壓即可； ③儲(chǔ)能電感在功率管導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在功率管關(guān)斷時(shí)儲(chǔ)存的能量向負(fù)載供電，電源負(fù)載能力強(qiáng)，電壓調(diào)整率好； ④輸出電壓紋波低。它主要包括風(fēng)力機(jī)、三相永磁同步發(fā)電機(jī)、不可控橋式整流器、DC/DC 變換器、蓄電池、逆變器以及控制系統(tǒng)幾個(gè)組成部分。 本章小結(jié) 本章主要介紹了獨(dú)立型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理，比較了風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)劣，以及目前流行的幾種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)。 6 脈波、 36 管的交 交變換器輸出電壓富含低次諧波，嚴(yán)重影響發(fā)電質(zhì)量，必須進(jìn)行諧波抑制。雙饋型異步發(fā)電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變換器的主要要求是輸入、輸出特性好，功率可以雙向流動(dòng)。當(dāng)n1 =nr時(shí)，處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行， f2=0，勵(lì)磁變換器向第 2 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)和原理 19 轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。 圖 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電系統(tǒng) AC excited doubly feb induction generation system 當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應(yīng)滿足： f 1=p nf m+f2 (29) 式中： f 1為電網(wǎng)頻率； f m為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率， f m =nm/60m， nm為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速； p n 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)； f2為轉(zhuǎn)子電流頻率。 這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒有影響；同時(shí)由于 頻率變換裝置采用靜態(tài)自勵(lì)式逆變器，雖然可調(diào)節(jié)無(wú)功功率，但有高頻電流流向電網(wǎng)。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相同。電力電子變換裝置有交流 /直流 /交流變換器和交流 /交流變換器等。它們具有各自的特點(diǎn)，適用于各種不同場(chǎng)合。變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)使其受到了人們的廣泛關(guān)注，它越來(lái)越多地被應(yīng) 用到風(fēng)力發(fā)電中。同時(shí)采用矢量變換控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功功率、無(wú)功功率解藕 (簡(jiǎn)稱 P、 Q 解藕 )控制。采用變速恒頻發(fā)電方式，就可按照捕獲最大風(fēng)能的要求，在風(fēng)速變化的情況下實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使之始終運(yùn)行在最佳轉(zhuǎn)速上，從而提高了機(jī)組發(fā)電效率，優(yōu)化了風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行條件。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 16 圖 異步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線 Asynchronous generators mechanical characteristics curve 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) [4] 雖然目前大多數(shù)采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，但作為一種新型發(fā)電技術(shù)，變速恒頻發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術(shù)，非常適用于風(fēng)力、水力等綠色能源開發(fā)領(lǐng)域，尤其是在風(fēng)力發(fā)電方面，變速恒頻體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 恒速運(yùn)行的風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不變，而風(fēng)速經(jīng)常變化， Cp 值往往偏離其最大值，使風(fēng)力機(jī)常常運(yùn)行于低效狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)采取的控制手段可以較好的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功功率、無(wú)功功率，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)上 采用了變槳距結(jié)構(gòu)。在低風(fēng)速時(shí)，將槳葉節(jié)距調(diào)節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調(diào)整優(yōu)化機(jī)組功率的輸出；當(dāng)風(fēng)力機(jī)發(fā)出的功率超過(guò)額定功率后，槳葉節(jié)距主動(dòng)向失速方向調(diào)節(jié)，將功率調(diào)整在額定值以下，限制機(jī)組最大功率輸出，隨著風(fēng)速的不斷變化，槳葉僅需要微調(diào)維持失速狀態(tài)。在低風(fēng)速段運(yùn)行時(shí)，采用小電機(jī)使槳葉具有較高的氣動(dòng)效率，提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的兩大主要部分，有限的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能必然使其受到功率和速度的限制，因此，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率和速度控制是風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵之一。葉片的數(shù)量也會(huì)影響到風(fēng)機(jī)的輸出。依據(jù)目前的技術(shù)，3 米 /秒左右的風(fēng)速 (微風(fēng)的程度 )便可以進(jìn)行發(fā)電。 第 2 章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的 技術(shù)基礎(chǔ)和原理 13 圖 小型獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)示意圖 The diagram of independent small wind power system diagram 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)力能源轉(zhuǎn)換成電力，理論上最高轉(zhuǎn)換效率約為 59%，實(shí)際上大多數(shù)的葉片轉(zhuǎn)換風(fēng)能效率約介于 30%～ 50%之間，經(jīng)過(guò)機(jī)電設(shè)備轉(zhuǎn)換成電能后的總輸出效率約為 20%～ 45%。見圖 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。 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(shí)際輸出功率曲線 The real output power curve of turbine 而實(shí)際上，風(fēng)力機(jī)僅在風(fēng)速高于切入風(fēng)速 Vin 時(shí)，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(shí)，輸出功率不超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，屬于正常調(diào)節(jié)范圍；當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，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。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。 由式 ()可知，在風(fēng)輪葉片大小、風(fēng)速和空氣密度一定時(shí)，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。 利用風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)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。 風(fēng)能開發(fā)用“平均風(fēng)能密度”來(lái)評(píng)價(jià)風(fēng)能資源，年平均風(fēng)能密度可按如下公式計(jì)算 : ˊ =? i Ni1ρ u3/2i（ W/m2） （ 22） 風(fēng)能密度計(jì)算方法可用：“直接計(jì)算法”和“概率計(jì)算法”求平均風(fēng)能密度。 論文的主要研究?jī)?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(diǎn)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?；?duì)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(duì)該控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；對(duì)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(yùn)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(dòng)態(tài)性能好、工作可靠及輸出穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。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(shì)平坦，電網(wǎng)基礎(chǔ)好。這樣才能保證機(jī)組的發(fā)電量，經(jīng)濟(jì)效益才能顯著。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(gè)有深遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)意義的課題。 (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(duì)蓄電池進(jìn)行充電，并沒有對(duì)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。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用尾舵調(diào)向。 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(guó)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)。 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(dòng)中所形成圓的直徑稱為風(fēng)輪直徑。截至 2020 年底，中國(guó)有 43 家風(fēng)電場(chǎng)，安裝 1291 臺(tái)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(wàn)千瓦，名列世界第十，亞洲第三?？紤]到近海風(fēng)能，總 儲(chǔ)量應(yīng)該不止 億千瓦。我國(guó)相當(dāng)于 6 米 /秒以上的地區(qū)，在全國(guó)范圍內(nèi)僅僅限于較少數(shù)幾個(gè)地帶。同時(shí)我們相信其他可再生能源也將會(huì)持續(xù)發(fā)展并得到充分利用，以滿足人類對(duì)能源的不斷增長(zhǎng)的需求。 2020 年印度風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá) 萬(wàn)千瓦，位居全球第五，而且建立了風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)業(yè)，能生產(chǎn) 70%的風(fēng)機(jī)零部件及 1000 千瓦以上級(jí)別的風(fēng)機(jī)整機(jī)，風(fēng)機(jī)及部件出口歐美。 圖 中國(guó)風(fēng)資源圖 Overview of European Wind Atlas 第 1 章 緒 論 3 在歐洲，德國(guó)的風(fēng)電發(fā)展處于領(lǐng)先地位。美洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá) 690 萬(wàn)千瓦，占全球風(fēng)電總裝機(jī)的 17%。如今在全球的風(fēng)能發(fā)展中，歐洲風(fēng)能發(fā)電的發(fā)展速度很快，預(yù)計(jì) 15 年之后歐洲人口的一半將會(huì)使用風(fēng)電。按照這一規(guī)律計(jì)算，近幾年的風(fēng)電增長(zhǎng)率一直保持在 30%以上，這就意味著每隔 30個(gè)月左右，成本就會(huì)下 15%。 技術(shù)進(jìn)步使風(fēng)電成本具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。 目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家風(fēng)電的年裝機(jī)容量以 %高速度增長(zhǎng)。Buck Converter。 這種結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤和充放電集成 控制，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；給出了支持功率控制策略且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī) (PMSG)、二極管整流橋、 Buck 變換器、蓄電池、逆變器和控制器；在分析風(fēng)力機(jī)、負(fù)載和蓄電池工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，提取出集成控制系統(tǒng)的工作模式，給出了基于直流側(cè)電壓、電流確定工作模式的檢測(cè)方法及各種工作模式之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；給出了實(shí)現(xiàn)集成控制系統(tǒng)工作模式相應(yīng)的控制策略，主要包括最大功率控制、負(fù)載跟蹤和蓄電池充放電控制、運(yùn)行保護(hù)控制。I 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 人類進(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，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。 最后，根據(jù)風(fēng)能數(shù)據(jù)和負(fù)載情況的分析結(jié)果，設(shè)計(jì)計(jì)算一 種小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)容量計(jì)算、蓄電池匹配計(jì)算、逆變器和控制裝置的選擇等。Characteristic Curve of Duty。一個(gè)重要原因是各國(guó)積極以科學(xué)的發(fā)展觀，采取技術(shù)創(chuàng)新，使風(fēng)電技術(shù)日益成熟。長(zhǎng)期以來(lái)，人們以風(fēng)電電價(jià)高于火電電價(jià)為由，一直忽視風(fēng)電作為清潔能源對(duì)于能源短缺和環(huán)境保護(hù)的意義，忽視了風(fēng)電作為一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)而將帶來(lái)的巨大前景。 風(fēng)電的優(yōu)點(diǎn)包括： (1)利用自然界的可再生能源，干凈無(wú)污染，無(wú)須燃料； (2)運(yùn)行成本低，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命約為 20－ 25 年，運(yùn)行和維護(hù)的費(fèi)用通常相當(dāng)于機(jī)組總成本的 3%－ 5%； (3)建設(shè)周期短，若不計(jì)