【正文】 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。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。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。根據這一關系可以確定，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。 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，以調節(jié)三相不控整流橋輸出端電容上的電壓值，實現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。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。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?，F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)。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。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。相反，在下列情況下，參考速度設置必須減?。?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。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。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。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。 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。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。 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，以實現對最大功率點的跟蹤。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。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。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。 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。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。本課題就變速恒頻、永磁直驅風力發(fā)電機進行研究分析。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。在大力開展風能利用的今天，風力發(fā)電機組的發(fā)電量正在不斷增加，對風力發(fā)電機組可靠性和效率要求也在不斷提高，齒輪箱的存在嚴重限制了風力發(fā)電機的發(fā)展。雙饋式系統(tǒng)采用電勵磁，研究比較早，技術也比較成熟，但是由于使用的是異步發(fā)電機，要求較高的轉子轉速，而風輪轉速很低，直接用風輪帶動雙饋電機轉子滿足不了雙饋發(fā)電機對轉子轉速的要求，必須引入增速齒輪箱升速后，再同雙饋發(fā)電機轉子連接進行風力發(fā)電。調節(jié)風輪轉速，使轉速跟隨風速變化，獲得最大的風能；在額定風速以上，由于傳動系統(tǒng)負荷增加，調節(jié)范圍窄，因此主要依靠變槳距調節(jié)來改變葉片的角度，從而改變風能利用系數的值，將功率調整在額定功率，保證功率平穩(wěn)輸出。變速恒頻通常結合變槳距實現額定風速以下和額定風速以上兩個階段的功率控制。據統(tǒng)計，采用變速恒頻風力系統(tǒng)，在風輪直徑和風能資源相同的條件下，年發(fā)電量比恒速恒頻系統(tǒng)可增加20％30％。變速恒頻是指在風力發(fā)電的過程中發(fā)電機的轉速可以跟蹤風速變化，由于轉速發(fā)生變化必然導致發(fā)電機頻率的變化，必須采用適當的控制手段(ACDCAC或ACAC變頻器)來保證與電網同頻率后并入電網。因此對于風能系統(tǒng)而言，如果可以根據風速的變化對發(fā)電機轉速進行控制以使風輪捕獲到最大的風能，會對風能系統(tǒng)的整體效率有相當大的提升。主動失速調節(jié)型的優(yōu)點是具備了定槳距失速型的特點，并在此基礎上進行變槳距調節(jié)，提高了機組的運行效率，減弱了機械剎車對傳動系統(tǒng)的沖擊，控制較為容易，輸出功率較平穩(wěn)。在低風速時，將槳葉節(jié)距調節(jié)到可獲取最大功率位置，槳距角調整優(yōu)化機組功率的輸出；當風力機發(fā)出的功率超過額定功率后，槳葉節(jié)距主動向失速方向調節(jié)，將功率調整在額定值以下，限制機組最大功率輸出，隨著風速的不斷變化，槳葉僅需要微調維持失速狀態(tài)。缺點是結構比較復雜，故障率相對較高。變槳距調節(jié)的優(yōu)點是槳葉受力較小，槳葉做的較為輕巧。位置不變，不作任何調節(jié)；當發(fā)電機輸出功率達到額定功率以后，調節(jié)系統(tǒng)根據輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發(fā)電機的輸出功率保持在額定功率。當轉速達到一定時，再調節(jié)到0176。調節(jié)方法為：當風電機組達到運行條件時，控制系統(tǒng)命令調節(jié)槳距角調到45176。其缺點是與變槳距風機相比葉片重量大，槳葉、輪轂、塔架等部件受力較大，機組的整體效率較低。在低風速段運行時，采用小電機使槳葉具有較高的氣動效率，提高發(fā)電機的運行效率。目前的水平軸風力發(fā)電機按照轉速和功率調節(jié)方式的不同可以分為以下幾種：(1)定槳距失速調節(jié)型定槳距是指槳葉與輪轂的連接是固定的，槳距角固定不變，即當風速變化時，槳葉的迎風角度不能隨之變化。按照主軸相對于地平面的方向，分為水平軸和垂直軸兩種型號。并網型發(fā)電機組功率較大，直接并入電網。(9)整流和逆變系統(tǒng)：完成電力變換。(8)電控系統(tǒng)：完成整個發(fā)電機組的控制、電壓并網和遠程通訊等控制功能。(6)液壓系統(tǒng)：完成偏航制動、主軸制動和主軸潤滑。(5)偏航系統(tǒng)：偏航系統(tǒng)根據風向標接受的信息，由控制系統(tǒng)自動執(zhí)行機艙的偏轉，使風輪始終處于迎風狀態(tài)。(3)發(fā)電機：將機械能轉變?yōu)殡娔堋?2)傳動系統(tǒng)：將風輪捕獲的機械能傳遞到發(fā)電機。 風力發(fā)電機的組成結構風力發(fā)電系統(tǒng)由風輪、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機艙、電控系統(tǒng)、整流逆變系統(tǒng)、塔架等部件組成。定槳距風力發(fā)電機的槳距角在安裝時固定，不能變化。風輪實際能得到的有用功率輸出為 P=ρSv3CP (214)除了風能利用系數外，風力發(fā)電機還有兩個非常重要的參數：葉尖速比λ和槳距角β：葉尖速比λ是為了表示風輪在不同風速中的狀態(tài)而引入的，用葉片的葉尖圓周速度與風速之比來表示。能量的轉換將導致功率的下降，它隨所采用的風力機和發(fā)電機的型式而異。由于風輪的機械能量僅由空氣的動能降低所致，因而v2必然低于，所以通過風輪的氣流截面積從上游至下游是增加的，即是大于。貝茲定理：由風力機氣動理論一貝茲定理，假定風輪是理想的，也就是說沒有輪轂，具有無限多的葉片，氣流通過風輪時沒有阻力，此外，假定氣流經過整個風輪掃掠面時是均勻的，并且氣流通過風輪前后的速度為軸向方向。針對DC/DC變換選用了boost升壓電路，然后對變換阻抗的DC／DC變換器進行了具體設計。針對直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)提出了一種爬山搜索控制策略。第二章闡述了風力發(fā)電的理論基礎，介紹了風力發(fā)電系統(tǒng)的一些重要特性參數，分析了風力機的組成結構、分類以及各種功率控制方法。 論文的內容安排 掌握直驅永磁同步風力發(fā)電機最大功率跟蹤控制的原理利用MPPT控制策略設計一個適合于直接驅動型風力發(fā)電系統(tǒng)的變流器建立數學模型。永磁直驅或半直驅風力發(fā)電機采用永磁材料并通過適當的設計提高發(fā)電機極對數以減小發(fā)電機額定轉速，從而實現風力機直接驅動或通過低轉速比齒輪變速裝置半直接驅動發(fā)電機。為連接轉速不同的風力機與發(fā)電機，采用轉速比較高的(如l：50)齒輪箱傳動裝置不可避免。因此，同步發(fā)電機比異步發(fā)電機對轉矩擾動具有更強的承受能力，能做出更快的響應。除具有變速恒頻運行、有功無功獨立可調以及良好的運行穩(wěn)定性以外，同步發(fā)電機還具有以下特點：電機制造技術成熟、運行可靠且無需定期維護，特別適用于海上風電場等維護與檢修困難的場合；交直交變頻器中的交一直變換可采用二極管整流+直流斬波，結構簡單；發(fā)電機發(fā)出的全部功率均通過變頻器，較雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)容量大，投資和損耗大，諧波吸收困難；在相同的條件下，同步發(fā)電機的調速范圍比異步發(fā)電機更寬。高速同步發(fā)電機組在同步發(fā)電機和電網之間使用變頻器，轉速和電網頻率之間的耦合問題將得以解決，變頻器的使用，使風力發(fā)電機可以在不同的速度下運行，并且使發(fā)電機內部的轉矩得以控制，從而減輕傳動系統(tǒng)應力，通過對變頻器電流的控制，就可以控制發(fā)電機轉矩，而控制電磁轉矩可以控制風力機的轉速，使之達到最佳運行狀態(tài)。無刷雙饋發(fā)電機組雙饋無刷發(fā)電機定子有兩套級數不同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網；另一個稱為控制繞組，通過雙向變頻器接電網，取消了電刷和滑環(huán)，轉子的極數應為定子兩個繞組極對數之和。與此同時，采用原動機最佳效率跟蹤控制還能夠提高整個風力或水力發(fā)電系統(tǒng)的效率。通過對發(fā)電機的控制使風力機運行在最佳葉尖速比，從而使整個運行速度的范剛內均有最佳功率系數。發(fā)電機向電網輸出的功率由兩部分組成，即直接從定子輸出的功率和通過逆變器從轉子輸出的功率。目前具有變速恒頻發(fā)電技術的機組主要有：雙饋型風力發(fā)電機組雙饋異步發(fā)電機是結合了異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機。在額定風速以下時，主要調節(jié)發(fā)電機反力矩使轉速跟隨風速變化，以獲得最佳葉尖速比，因此可作為跟蹤問題來處理。因而在更大容量上，變速風力發(fā)電機組有可能取代恒速風力發(fā)電機組而成為風力發(fā)電的主力機型。變速恒頻發(fā)電技術 變速恒頻風力發(fā)電機組于20世紀的最后幾年加入到大型風力發(fā)電機組主流機型的行列中。無論是由于溫度變化還是海拔引起空氣密度變化，變槳距系統(tǒng)都能通過調整葉片角度，使之獲得額定功率輸出。對于變槳距風力發(fā)電機組，由于槳葉節(jié)距可以控制，無需擔心風速超過額定點后的功率控制問題，可以使得額定功率點仍然具有較高的功率系數。當風速接近額定點，風能利用系數開始大幅下降。變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，在相同的額定功率點，額定風速比定槳距風力發(fā)電機組要低。事實上，如果沒有其他的措施的話，變槳距風力發(fā)電組的功率調節(jié)對高頻風速度變化仍然是無能為力的。當功率超過額定功率時，變槳距機構開始工作，調整葉片距角，將發(fā)電機的輸出功率限制在額定值附近。當功率在額定功率以下時，控制器將葉片節(jié)距角置于0176。變槳距發(fā)電技術變槳距風力發(fā)電機組與定槳距風力發(fā)電機組相比，具有在額定功率點以上輸出功率平穩(wěn)的特點。早期的定槳距風力發(fā)電機組風輪并不具備制動能力，脫網時完全依靠安裝在低速軸或高速軸上的機械剎車裝置進行制動，這對于數十千瓦級機組來說問題不大，但對于大型風力發(fā)電機組，如果只使用機械剎車，就會對整機結構強度產生嚴重影響。槳葉的這一特性被稱為自動失速性能。這一特點給定槳距風力發(fā)電機組提出了兩個必須解決的問題。我國政府己通過立法將可再生能源納入國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，開發(fā)新能源尤其是風能資源已成為中國實現可持續(xù)發(fā)展的關鍵。近年來，可再生能源利用的迅猛發(fā)展特別是風力發(fā)電的高速增長引起了能源界的高度重視。如果能夠充分利用該地區(qū)的風力資源來解決無電、缺電問題，將大量節(jié)約燃料和社會資源，同時還能減少環(huán)境污染，有著十分顯著的經濟效益和社會效益。我國地域遼闊，廣大邊遠山區(qū)、沿海島嶼和少數民族地區(qū)地廣人稀、交通