【正文】 wer 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?xún)?nèi)，如圖 所示。小型獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般不并網(wǎng)發(fā)電，只能獨(dú)立使用，單臺(tái)裝機(jī)容量約為 100 瓦～ 5千瓦，通常不超過(guò) 10 千瓦。見(jiàn)圖 ，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。因風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的是 13V～25V 變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對(duì)蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。 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%。當(dāng)風(fēng)速更高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制機(jī)構(gòu)將電力輸出穩(wěn)定在額定容量左右，為避免過(guò)高的風(fēng)速損壞發(fā)電機(jī)，大多于風(fēng)速 達(dá) 20～ 25 米 /秒范圍內(nèi)停機(jī)。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。風(fēng)機(jī)葉片從風(fēng)的流動(dòng)獲得的能量與風(fēng)速的三次方成正比。葉片的數(shù)量也會(huì)影響到風(fēng)機(jī)的輸出。此外，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片多采用機(jī)翼的翼型 [16]。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。失速型是指槳葉翼型本身所具有的失速特性，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，氣流的攻 角增大到失速條件，使槳葉的表面產(chǎn)生渦流，效率降低，來(lái)限制發(fā)電機(jī)的功率輸出。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。其調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到運(yùn)行條件時(shí)，控制系統(tǒng)命令調(diào)節(jié)槳距角調(diào)到 45o，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時(shí)，再調(diào)節(jié)到 0o 直到風(fēng)力機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)發(fā)電；在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)輸出功率小于額定功率時(shí)，槳距角保持為 0o 位置 不變，不作任何調(diào)節(jié)；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到額定功率以后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)輸出功率的變化調(diào)整槳距角的大小，使發(fā)電機(jī)的輸出功率保持在額定功率。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)。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)是具備了定槳距失速型的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行變槳距調(diào)節(jié)，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，減弱了機(jī)械剎車(chē)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊，控制較為容易，輸出功率較平穩(wěn)。機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)上 采用了變槳距結(jié)構(gòu)。變速恒頻這種調(diào)節(jié)方式是目前公認(rèn)的最優(yōu)化調(diào)節(jié)方式，也是未來(lái)風(fēng)電技術(shù)發(fā) 展的主要方向。控制系統(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。 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的另一大核心部分，它負(fù)責(zé)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和控 制技術(shù)，也決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能、效率和輸出電能質(zhì)量。 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)。 當(dāng)風(fēng)力機(jī)傳給發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率隨風(fēng)速而增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大。 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(xiàn) 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(kāi)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。如前述，風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下有一個(gè)最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，此時(shí)對(duì)風(fēng)能的捕獲效率最高，而且風(fēng)施加給風(fēng)力機(jī)的應(yīng)力最小，所以應(yīng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在這個(gè)優(yōu)化的轉(zhuǎn)速下。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。當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)輪動(dòng)能便釋放主來(lái)，變成電能，供給負(fù)載。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(chēng) P、 Q 解藕 )控制。調(diào)節(jié)無(wú)功功率可調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性。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。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方式將得到更多的重視，應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。它們具有各自的特點(diǎn)，適用于各種不同場(chǎng)合。連續(xù)變速系統(tǒng)可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)：機(jī)械 方法，機(jī)械電器方法，電子電力學(xué)方法等。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。由于風(fēng)速的不斷變化，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)也隨之變速運(yùn)行。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相同。除二極管只能用于整流電路外，其他器件都東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 能用于雙向變換。 這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)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)。由上表可以看出永磁發(fā)電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如裝置為永磁式結(jié)構(gòu)，維護(hù)簡(jiǎn)單；無(wú)電刷，無(wú)滑環(huán)；并且無(wú)需外部勵(lì)磁，因此永磁發(fā)電機(jī)的適用范圍較其他電機(jī)而言要廣，對(duì)環(huán)境的要求也要低得多，比較適合野外風(fēng)力發(fā)電作業(yè)，孤島發(fā)電等等。 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(mǎn)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。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 nr小于同步轉(zhuǎn)速 n1時(shí)，處于亞同步狀態(tài)，此時(shí)勵(lì)磁變換器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)由定子發(fā)出電能給電網(wǎng) 。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。由于 這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定子額定功率的一部分，因此圖中所示的雙向勵(lì)磁變換器的容量?jī)H為發(fā)電機(jī)容量的一小部分，成本將會(huì)大大降低。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)。雙 PWM 型變換器輸入輸出特性好，能量可以雙向流，是雙饋型異步發(fā)電機(jī)較理想的一種勵(lì)磁變換器。 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。矩陣式交 交變換器的輸入、輸出特性較好，功率可以雙向流，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制方法還不成熟，需要依賴(lài)更加成熟的雙向開(kāi)關(guān)器件。 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)。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 20 第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 本文提出的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為了解決獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)存在的問(wèn)題必須設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。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。 DC/DC 變換器用來(lái)改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率 和控制蓄電池充放電。 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(lèi)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。所以在實(shí)際應(yīng)用中常在電源與變換器之間增加一個(gè)輸入濾波網(wǎng)絡(luò)。 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]。 a— 風(fēng)速增大 。c— 負(fù)載減小 。b— Wind speed decreased。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。 最大功率控制 [15] 當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)捕獲的風(fēng)能不能滿(mǎn)足負(fù)載用電和蓄電池充電時(shí)，需要調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)按照最佳葉尖速比運(yùn)行，跟蹤最大功率。直到滿(mǎn)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。此外，從風(fēng)速傳感器取得的風(fēng)速信號(hào)還必須能反映風(fēng)力機(jī)跟蹤風(fēng)向的偏差，否則又會(huì)造成誤差。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(zhuān)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)。 該方法無(wú)需知道明確的風(fēng)輪機(jī)的功率特性 。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。 本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中采用蓄電池、逆變器和 DC/DC 變換器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，由于蓄電池的鉗位作用， DC/DC 變換器的輸出電壓變化不大，姑且認(rèn)為是恒定量，假設(shè)不考慮損耗，故調(diào)節(jié) DC/DC 變換器的輸出電流 Im即是調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率 Pm，控制框圖如圖 所示。由于功率的開(kāi)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。 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)論文 24 圖 擾動(dòng)觀察法圖 The perturbation observation MPPT method 圖 功率擾動(dòng)曲線(xiàn) Disturbance power curve (1)當(dāng) P m(t )Pm (t Δ t)時(shí) 第 3 章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 25 若 d (t )d (t Δ t)，工作點(diǎn)在 Pmax之左，應(yīng)該增大占空比； 若 d (t )d (t Δ t)，工作點(diǎn)在 Pmax之右，應(yīng)該減小占空比。 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。“誤判”常發(fā)生在陣風(fēng)的情況下風(fēng)速大小變化比較劇烈，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整占空比時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出特性發(fā)生改變，功率曲線(xiàn)不斷波動(dòng)，但只要風(fēng)速穩(wěn)定在某 一變化的趨勢(shì)上，系統(tǒng)又會(huì)回到正確的調(diào)整狀態(tài)。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。 分析上面提到的擾動(dòng)觀察法，在跟蹤控制過(guò)程中，擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，不可避免地出現(xiàn)在最大功率點(diǎn)附近振蕩的現(xiàn)象，導(dǎo)致跟蹤的最大功率點(diǎn)與實(shí)際值相差很大，降低了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率；擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)小時(shí)， 降低跟蹤的快速性。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。具體跟蹤過(guò)程是：當(dāng) P (n)大于 P (n1)時(shí)，按原來(lái)方向擾動(dòng)；當(dāng) P (n)小于 P (n1)時(shí)，擾動(dòng)方向保持原來(lái)方向，占空比先回到擾動(dòng)前的 值，Δ D 為原來(lái)的一半，繼續(xù)擾動(dòng)。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。圖中 Pw為經(jīng)由風(fēng)力機(jī)