小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 人類(lèi)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。風(fēng)能作為一種清潔、高效的可再生能源越來(lái)越受到人們的重視，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了能源的可持續(xù)發(fā)展。 本文綜述了風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，論述了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成、工作原理及風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池等各組成部分的運(yùn)行原理；在分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了包括不可控橋式整流器和Buck變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 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

2、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。 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。該系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩舄?dú)立供電，也可以作為戶外監(jiān)測(cè)裝置的永久電源。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；Buck變換器；空比特性曲線；最大功率控制_Smal

3、l wind power generation systems designAbstractSince the twentieth century, mankind has entered the rapidly developing economy and increasing demand for energy, non-renewable resources of the reserves less and less, the energy crisis is worsening. Wind power as a clean, efficient renewable energy mor

4、e and more attention has been paid, wind energy power technology truly sustainable development.The development situation of wind power generation and its control technologies are summarized.The basic configuration,working principle of small scale wind power generating system,operation principle of w

5、ind turbines,generator and battery etc are discussed in this paper.The architecture of small scale wind power generating systems which is composed of rectifying bridge and buck chopper is put forward by analyzing the existing architecture.It is avail to implement integrated control of load power tra

6、cking and battery charging,moreover it has simple structure and high reliability.The configuration of small wind power generation systems with simple structure which consists of wind turbine,PMSG,diode rectifying bridge, Buck converter,batteries and controller,it is put forward to realize the power

7、control strategy.Based on the state analysis of wind turbines,load power and the working modes of battery the integrated control systems are extracted.Working modes of the systems are determined by DC voltage and current based measurement,their transfer diagrams are given.The control strategies in t

8、he working modes of integrated control systems which consist of maximum power,load power tracking when charging or discharging and running protection are given.Finally, based on wind data and load results of the analysis, design and calculation of a small wind power system, including the calculation

9、 of wind turbine capacity, battery matching calculation, inverters and control equipment choices. The system can provide users independent power supply, can be used as a permanent outdoor power monitoring device.Key Words:Wind Power Generation;Buck Converter;Characteristic Curve of Duty;Maximum Powe

10、r Point Tracking目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc264824600 HYPERLINK l _Toc264824601 摘 要I HYPERLINK l _Toc264824603 AbstractII HYPERLINK l _Toc264824604 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc264824604 h - 1 - HYPERLINK l _Toc264824605 風(fēng)力發(fā)電研究的背景和意義 PAGEREF _Toc264824605 h - 1 - HYPERLINK l _Toc264824606 全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

11、PAGEREF _Toc264824606 h - 1 - HYPERLINK l _Toc264824607 1.3 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望 PAGEREF _Toc264824607 h - 3 - HYPERLINK l _Toc264824608 1.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) PAGEREF _Toc264824608 h - 5 - HYPERLINK l _Toc264824609 1.5 課題的目的和意義 PAGEREF _Toc264824609 h - 6 - HYPERLINK l _Toc264824610 1.6 論文的主要研究?jī)?nèi)容 PAGEREF _Toc26482461

12、0 h - 7 - HYPERLINK l _Toc264824611 第2章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和原理 PAGEREF _Toc264824611 h - 9 - HYPERLINK l _Toc264824612 風(fēng)能密度及其計(jì)算方法 PAGEREF _Toc264824612 h - 9 - HYPERLINK l _Toc264824613 風(fēng)力機(jī)及其運(yùn)行特性 PAGEREF _Toc264824613 h - 10 - HYPERLINK l _Toc264824614 2.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹 PAGEREF _Toc264824614 h - 12 - HYPERLINK l _T

13、oc264824615 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要類(lèi)型 PAGEREF _Toc264824615 h - 13 - HYPERLINK l _Toc264824616 定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 PAGEREF _Toc264824616 h - 14 - HYPERLINK l _Toc264824617 變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 PAGEREF _Toc264824617 h - 14 - HYPERLINK l _Toc264824618 主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 PAGEREF _Toc264824618 h - 14 - HYPERLINK l _Toc264824619 變速恒頻風(fēng)力發(fā)

14、電機(jī)組 PAGEREF _Toc264824619 h - 14 - HYPERLINK l _Toc264824620 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) PAGEREF _Toc264824620 h - 15 - HYPERLINK l _Toc264824621 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) PAGEREF _Toc264824621 h - 15 - HYPERLINK l _Toc264824622 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) PAGEREF _Toc264824622 h - 16 - HYPERLINK l _Toc264824623 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264824623 h - 19 -

15、 HYPERLINK l _Toc264824624 第3章 負(fù)載跟蹤和充放電集成控制 PAGEREF _Toc264824624 h - 20 - HYPERLINK l _Toc264824625 本文提出的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc264824625 h - 20 - HYPERLINK l _Toc264824626 工作模式及其轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc264824626 h - 21 - HYPERLINK l _Toc264824627 集成控制策略 PAGEREF _Toc264824627 h - 22 - HYPERLINK l _Toc264824628

16、最大功率控制 PAGEREF _Toc264824628 h - 22 - HYPERLINK l _Toc264824629 功率調(diào)節(jié)原理 PAGEREF _Toc264824629 h - 26 - HYPERLINK l _Toc264824630 效率分析 PAGEREF _Toc264824630 h - 29 - HYPERLINK l _Toc264824631 負(fù)載跟蹤控制 PAGEREF _Toc264824631 h - 29 - HYPERLINK l _Toc264824632 蓄電池充電控制 PAGEREF _Toc264824632 h - 29 - HYPERLI

17、NK l _Toc264824633 運(yùn)行保護(hù)控制 PAGEREF _Toc264824633 h - 32 - HYPERLINK l _Toc264824634 系統(tǒng)控制電路 PAGEREF _Toc264824634 h - 32 - HYPERLINK l _Toc264824635 控制芯片 PAGEREF _Toc264824635 h - 32 - HYPERLINK l _Toc264824636 檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc264824636 h - 34 - HYPERLINK l _Toc264824637 驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc264824637 h

18、- 37 - HYPERLINK l _Toc264824638 控制器軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc264824638 h - 38 - HYPERLINK l _Toc264824639 主程序 PAGEREF _Toc264824639 h - 38 - HYPERLINK l _Toc264824640 中斷服務(wù)程序及子程序 PAGEREF _Toc264824640 h - 38 - HYPERLINK l _Toc264824641 工作模式子程序 PAGEREF _Toc264824641 h - 39 - HYPERLINK l _Toc264824642 本章小結(jié) PAG

19、EREF _Toc264824642 h - 40 - HYPERLINK l _Toc264824643 第4章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及其相關(guān)匹配計(jì)算 PAGEREF _Toc264824643 h - 42 - HYPERLINK l _Toc264824644 風(fēng)力機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc264824644 h - 42 - HYPERLINK l _Toc264824645 發(fā)電機(jī)的選擇 PAGEREF _Toc264824645 h - 43 - HYPERLINK l _Toc264824646 蓄電池 PAGEREF _Toc264824646 h - 44 - HYPERLI

20、NK l _Toc264824647 控制器 PAGEREF _Toc264824647 h - 45 - HYPERLINK l _Toc264824648 電力變換單元 PAGEREF _Toc264824648 h - 46 - HYPERLINK l _Toc264824649 整流器 PAGEREF _Toc264824649 h - 46 - HYPERLINK l _Toc264824650 4.5.2 DC/DC變換器 PAGEREF _Toc264824650 h - 47 - HYPERLINK l _Toc264824651 逆變器選擇 PAGEREF _Toc26482

21、4651 h - 48 - HYPERLINK l _Toc264824652 4.6 本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) PAGEREF _Toc264824652 h - 50 - HYPERLINK l _Toc264824653 本章小結(jié) PAGEREF _Toc264824653 h - 52 - HYPERLINK l _Toc264824654 結(jié) 論 PAGEREF _Toc264824654 h - 53 - HYPERLINK l _Toc264824655 致 謝 PAGEREF _Toc264824655 h - 54 - HYPERLINK l _Toc264824656 參考文

22、獻(xiàn) PAGEREF _Toc264824656 h - 55 -第1章 緒 論 人類(lèi)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，電力供應(yīng)頻頻告急，巨大的電力缺口，導(dǎo)致對(duì)一次能源煤、石油、天然氣的消耗迅猛增長(zhǎng)，而這些不可再生資源的儲(chǔ)量越來(lái)越少，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，煤炭還可開(kāi)采二百年，石油、天然氣在四五十年后將瀕臨枯竭，一些主要靠進(jìn)口能源來(lái)滿足國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)的國(guó)家，為了減少對(duì)國(guó)外能源的依賴，加強(qiáng)本國(guó)能源供應(yīng)的安全水平，正加緊對(duì)風(fēng)力、太陽(yáng)能等可再生能源進(jìn)行研究。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家風(fēng)電的年裝機(jī)容量以35.7%高速度增長(zhǎng)。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

23、益成熟。目前單機(jī)容量50kW、600kW、750kW的風(fēng)電機(jī)組已達(dá)到批量商業(yè)化生產(chǎn)的水平，并成為當(dāng)前世界風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)型，兆瓦級(jí)的機(jī)組也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，并投入生產(chǎn)試運(yùn)行。同時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中廣泛采用了新技術(shù)和新材料，風(fēng)電控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效地提高風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計(jì)能力和水平，而且新材料和新技術(shù)對(duì)于增強(qiáng)風(fēng)電設(shè)備的保護(hù)功能和控制功能也有重大作用。技術(shù)進(jìn)步使風(fēng)電成本具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。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。近10年來(lái)，風(fēng)電的電價(jià)呈快速

24、下降的趨勢(shì)，并且日趨接近常規(guī)發(fā)電的成本。布朗B模式指出“世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%”。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%。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2025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)測(cè)風(fēng)，快者一年左右可建成。由于風(fēng)能呈現(xiàn)全球分布的趨勢(shì)，所以世界各國(guó)都在大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，特別是進(jìn)入 21 世紀(jì)，全球可再生能源不斷發(fā)展，而在可再生能源中風(fēng)能始終保持最快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，并成為繼石油燃料、化

25、工燃料之后的核心能源，目前世界風(fēng)能發(fā)電廠以每年 32%的增長(zhǎng)速度在發(fā)展，2008 年初，全球風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量達(dá) 5000 萬(wàn)MW。由此可見(jiàn)，風(fēng)電正在以超出預(yù)期的發(fā)展速度不斷增長(zhǎng)。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。歐洲是目前全世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度最快，同時(shí)也是風(fēng)電裝機(jī)最多的地區(qū)。2007年底歐洲地區(qū)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為 2930 萬(wàn)千瓦，約占全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的 73%。盡管 2007 年歐洲風(fēng)電裝機(jī)增長(zhǎng)幅度有所放緩，年增幅由 2006 年的 35%降為 23%，不過(guò)隨著一些歐洲國(guó)家海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展，預(yù)計(jì)歐洲地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)仍將維持快速增

26、長(zhǎng)的勢(shì)頭。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%。亞洲地區(qū)風(fēng)力發(fā)電與美歐相比還比較緩慢，除印度一支獨(dú)秀以外，其它國(guó)家風(fēng)電裝機(jī)容量均很小。風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量居前五位(到 2003 年底)的國(guó)家依次是：德國(guó)(14612 MW )、西班牙(6420MW )、美國(guó)(6361MW )、丹麥(307 MW )和印度(2120MW )。圖1.1 為世界風(fēng)資源分布圖。圖中國(guó)風(fēng)資源圖Fig.1.1 Overview of European Wind Atlas 在歐洲，德國(guó)的風(fēng)電發(fā)展處于領(lǐng)先地位。在近期德國(guó)制定的風(fēng)電發(fā)展長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃中指出到 2025 年風(fēng)電要實(shí)現(xiàn)占電力總用量的 25%，到

27、 2050 年實(shí)現(xiàn)占總用量的 50%的目標(biāo)。其中丹麥風(fēng)能產(chǎn)業(yè)年?duì)I業(yè)額在 30 億歐元左右，并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組達(dá) 312 萬(wàn)千瓦，風(fēng)能發(fā)電量占全國(guó)電力總量的 22%，居全球首位；而在該國(guó)的西北部地區(qū)，這個(gè)比例甚至已經(jīng)達(dá)到 100%，預(yù)計(jì) 2030 年，丹麥全國(guó) 40%的電力都將來(lái)自風(fēng)能。同時(shí)亞洲的風(fēng)電也保持較快的發(fā)展勢(shì)頭，印度則是發(fā)展中國(guó)家的典型。2006 年印度風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá) 298.5 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。印度政府積極推動(dòng)風(fēng)能的發(fā)展，鼓勵(lì)大型企業(yè)進(jìn)行投資發(fā)展風(fēng)電，并實(shí)施優(yōu)惠政策激勵(lì)風(fēng)能制

28、造基地，目前印度已經(jīng)成為世界第 5 大風(fēng)電生產(chǎn)國(guó)。丹麥 BTM 咨詢公司 2005 年 5 月所做的市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告稱(chēng)，全球 2005 年至 2009 年新安裝機(jī)組容量年平均增長(zhǎng)率為 16.6%；預(yù)計(jì) 2009 年的增長(zhǎng)率高達(dá) 26%，這么高的預(yù)期值是因?yàn)槊绹?guó)市場(chǎng)和亞洲主要市場(chǎng)的增長(zhǎng)；2009 年之后預(yù)計(jì) 2010-2014 年的年增長(zhǎng)率為10.4%。隨著全球風(fēng)能的快速發(fā)展，風(fēng)能將會(huì)成為 21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需的重要能源;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(lèi)對(duì)能源的不斷增長(zhǎng)的需求。1.3 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望我國(guó)幅員遼闊，陸疆總長(zhǎng)達(dá) 2 萬(wàn)多公里，還有 1800

29、0 多公里的海岸線，邊緣海中有島嶼 5000 多個(gè)，風(fēng)能資源豐富。我國(guó)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的年平均風(fēng)速均達(dá)到 6 米/秒以上。一般認(rèn)為，可將風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況分為 3 類(lèi)：年平均風(fēng)速 6 米/秒以上時(shí)為較好；7 米/秒以上為好；8 米/秒以上為很好。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。就內(nèi)陸而言，大約僅占全國(guó)總面積的 1/100，主要分布在長(zhǎng)江到南澳島之間的東南沿海及其島嶼，這些地區(qū)是我國(guó)最大的風(fēng)能資源區(qū)以及風(fēng)能資源豐富區(qū)，包括山東、遼東半島、黃海之濱，南澳島以西的南海沿海、海南島和南海諸島，內(nèi)蒙古從陰山山脈以北到大興安嶺以北，新疆達(dá)坂城，阿拉山口，河西走廊，松花江下游，張

30、家口北部等地區(qū)以及分布各地的高山山口和山頂。根據(jù)全國(guó)氣象臺(tái)部分風(fēng)能資料的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，中國(guó)風(fēng)資源分布如圖 1.2 所示。圖中國(guó)風(fēng)資源圖Fig.1.2 Chinese wind resource map中國(guó)陸地 10 米高度層實(shí)際可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為 2.53 億千瓦，風(fēng)能資源豐富的地區(qū)主要集中在北部、西北和東北的草原、戈壁灘以及東部、東南部的沿海地帶和島嶼上?？紤]到近海風(fēng)能，總儲(chǔ)量應(yīng)該不止 2.53 億千瓦。風(fēng)電項(xiàng)目通常要求年利用小時(shí)數(shù)高過(guò)2000 小時(shí)，目前中國(guó)已經(jīng)建成的風(fēng)電場(chǎng)平均利用小時(shí)約 2300 小時(shí)，主要位于“三北”地區(qū)(西北、東北和華北)及東南沿海。2003 年底，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電投產(chǎn)規(guī)模

31、最大的省份依次為：遼寧(22.3%)、新疆(18.2%)、內(nèi)蒙古(15.7%)、廣東(15.2%)、浙江(5.9%)等。中國(guó)風(fēng)電真正開(kāi)始有較大規(guī)模的發(fā)展是從 1996 年、1997 年開(kāi)始的。截至 2004 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。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量年增長(zhǎng)情況如圖 1.3 所示5。圖我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)的增長(zhǎng)情況(單位：萬(wàn)千瓦)Fig.1.3 Chinas installed capacity of wind power growth (Uni:10,000 kilowatts)1.4 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

32、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。圖 1.4 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(chēng)為風(fēng)輪直徑。增速器用來(lái)匹配風(fēng)輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，低速的風(fēng)輪機(jī)和高速的發(fā)電機(jī)之間必須配增速器。制動(dòng)器是使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)的裝置，也稱(chēng)剎車(chē)。制動(dòng)器可分為手動(dòng)制動(dòng)器、電磁制動(dòng)器和液壓制動(dòng)器。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12、24、36、48、125、127V等，現(xiàn)在我國(guó)

33、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)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)速裝置通常有可變槳距調(diào)速裝置、定槳距葉尖失速控制調(diào)速裝置、離心飛球調(diào)速裝置、空氣動(dòng)力調(diào)速裝置和扭頭、仰頭調(diào)速裝置。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用扭頭、仰頭調(diào)速裝置。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)向速裝置主要有尾舵調(diào)向、下風(fēng)向調(diào)向和調(diào)向電機(jī)或伺服電機(jī)調(diào)向。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常采用尾舵調(diào)向。由于風(fēng)力的不穩(wěn)定，交流發(fā)電機(jī)輸出的是變化的交流電，對(duì)于直流風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓不能滿足交流家用電器的需求，所以，一般風(fēng)力發(fā)電裝置配有整流器，把變化的交流電變?yōu)橹绷麟?，然后，給蓄電池充電，再利用有保護(hù)電路的逆變器，把蓄電池里儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，供給交

34、流負(fù)載使用，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1-5。圖1-5小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖風(fēng)力發(fā)電是涉及電機(jī)、電力電子、電化學(xué)、機(jī)械、空氣動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、氣象等多種學(xué)科的綜合課題，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能直接并到電網(wǎng)上，向電網(wǎng)饋電；小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)(一般用蓄電池)，需要時(shí)再提供給負(fù)載(可直流供電，亦可用逆變器變換為交流供給用戶)。由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性以及負(fù)載的隨時(shí)變化使得現(xiàn)有小型風(fēng)電系統(tǒng)仍然存在不少問(wèn)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(méi)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 0.3 左右。據(jù)貝茨

35、理論風(fēng)能利用系數(shù)的極限值為，如果控制風(fēng)力機(jī)總是以最佳葉尖速比運(yùn)行，年發(fā)電量可以提20%-30%；(2) 蓄電池的工作狀態(tài)不盡合理，使得其壽命短暫，一般兩三年就得更換，增加了整機(jī)維護(hù)成本，不合理使用主要是充電方式與蓄電池可接受特性相距甚遠(yuǎn)。電池使用壽命短，則會(huì)使得度電成本居高不下，從而使小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)難于推廣應(yīng)用；(3) 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的充電設(shè)備均有欠、過(guò)壓保護(hù)裝置，如果電壓波動(dòng)不穩(wěn)，變化幅度較大，勢(shì)必會(huì)造成這些裝置頻頻動(dòng)作，對(duì)這些保護(hù)裝置的壽命造成直接的影響；(4) 沒(méi)有考慮風(fēng)能變化、負(fù)載變化以及蓄電池狀態(tài)相互之間的關(guān)系；(5) 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于成本的原因，發(fā)電機(jī)和蓄電池的保

36、護(hù)措施比較簡(jiǎn)單，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的綜合可靠性和效率較差，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命。1.5 課題的目的和意義目前我國(guó)農(nóng)村地區(qū)電價(jià)相對(duì)較高，且據(jù)統(tǒng)計(jì)仍有超過(guò) 3000 萬(wàn)農(nóng)村人口缺乏穩(wěn)定電力供應(yīng)，而我國(guó)的大多數(shù)此類(lèi)農(nóng)村都處于風(fēng)力資源較為豐富地區(qū)。所以開(kāi)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(wèn)題是一個(gè)有深遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)意義的課題。從著名的風(fēng)能公式：E=1/2（tsv3）式中空氣密度，千克/ 米 3；v 風(fēng)速，米/秒；t 時(shí)間，秒；s 截面面積， 米 。我們可以看到，影響風(fēng)能資源的主要因素是風(fēng)速。通常適宜用來(lái)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的狀況是指風(fēng)速在 3 米/秒20 米/秒之間的風(fēng)能，目前國(guó)內(nèi)外一般選擇年平均

37、風(fēng)速在 6 米/秒或更高的風(fēng)能資源豐富區(qū)，集中安裝并網(wǎng)型大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量一般在 600千瓦以上。這樣才能保證機(jī)組的發(fā)電量，經(jīng)濟(jì)效益才能顯著。獨(dú)立運(yùn)行的離網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)風(fēng)速較低，一般在 3 米/秒以上的風(fēng)速就能發(fā)電，適宜這種條件的地區(qū)分布廣泛，我國(guó)有相當(dāng)部分的農(nóng)耕區(qū)、山區(qū)、島嶼和牧區(qū)屬于這種地區(qū)，約占全國(guó)陸地總面積 40%以上。華北地區(qū)水電資源貧乏，發(fā)電主要以火電為主，其中燃煤機(jī)組占絕大多數(shù)。由此帶來(lái)的問(wèn)題一是煤炭消耗量驚人；二是排煙中的硫氧化物、氮氧化物不可避免地對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染破壞；三是因冷卻需要，對(duì)地下水的消耗極大，加劇了華北地區(qū)干旱缺水的緊張局面。另一方面，華

38、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。風(fēng)電作為一種清潔環(huán)保的新能源，既不消耗有限的煤炭資源，也不會(huì)消耗寶貴的地下水資源，更有利于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，可見(jiàn)在此地區(qū)大力發(fā)展適合具體地區(qū)特點(diǎn)的高效可靠的小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是大有前途的。本文研究的目的就是在獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效、可靠的控制系統(tǒng)和使系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的控制策略，改進(jìn)現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題包括：(1) 提高能量轉(zhuǎn)換效率，最大限度利用風(fēng)能；(2) 對(duì)蓄電池進(jìn)行高效、快速、合理的充放電控制，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，降低用電成本；(3) 改進(jìn)現(xiàn)有的控制方

39、式，提高控制水平；(4) 提高系統(tǒng)可靠性，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此，現(xiàn)有系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制策略的改進(jìn)，對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用都具有重要的意義。1.6 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(kāi)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

40、型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。第2章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)和原理風(fēng)能密度及其計(jì)算方法1,4每平方米與空氣流速相垂直的截面上流過(guò)的空氣量q=u。故風(fēng)速為u的風(fēng)的能量密度為 E=Eq=Eu=1/2u3 （2-1）能量密度E是評(píng)定機(jī)做功能力的關(guān)鍵參數(shù)?？梢?jiàn)風(fēng)速越高，風(fēng)輪機(jī)可能提取的能量越大。風(fēng)能開(kāi)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: =u3/2（W/m2） （2-2）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。（1） 直接計(jì)算法 將某地一年的每天24小時(shí)逐時(shí)測(cè)得的風(fēng)速數(shù)據(jù)按間距分成各個(gè)等級(jí)然后將各個(gè)等級(jí)的風(fēng)度在該年出現(xiàn)的累計(jì)小時(shí)數(shù)分別乘以相應(yīng)各風(fēng)速下的的風(fēng)能密

41、度（1/2nu3）,再將各等級(jí)風(fēng)速的風(fēng)能密度相加除以年總時(shí)數(shù)N，即 =（niu3）/N (W/m2) （2-3）則可求出某地一年的平均風(fēng)能密度。 （2） 概率計(jì)算方法 概率計(jì)算方法是利用某種概率分布函數(shù)擬合風(fēng)速頻率的分布，按積分公式計(jì)算年平均風(fēng)能密度。一般采用威布爾公式，風(fēng)速頻率的分布函數(shù)為： f(V)=K/C(V/C)K=1e-(V/C)K （2-4）式中，K為形狀參數(shù)；C為尺度參數(shù)。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。將C,K 參數(shù)的值帶入上式中，計(jì)算出各級(jí)風(fēng)速的頻率，然后求出各等級(jí)風(fēng)速出現(xiàn)的累計(jì)時(shí)間，再按直接計(jì)算公式計(jì)算風(fēng)能密度。當(dāng)C,K的值

42、確定后，也可以利用風(fēng)能密度的直接計(jì)算公式推導(dǎo)出積分形式的公式。設(shè)風(fēng)速V 在a, b上下區(qū)域內(nèi)，則積分形式的風(fēng)能密度計(jì)算公式為： = K/C(V/C)K=1e-(V/C)K V3dV/2 *(e-(a/c)K- e-(b/c)K) （2-5） 2.2風(fēng)力機(jī)及其運(yùn)行特性風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行特性主要包括以下3部分8：(1)葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率可表示為 P m=1/2Cp R 2V3 （2-6）式中，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；R為風(fēng)輪半徑，單位m，為空氣密度，單位kg /m3；V為風(fēng)速，單位m/s。由式(2.1)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

43、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是葉尖速比的函數(shù)，可以表示為 =rR2Rn /60V （2-7）式中，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。典型的Cp=f()關(guān)系曲線如圖所示 ：圖典Cp與關(guān)系曲線Fig.2.1 The curve of relation between Cp and 從圖中可以看出，在Cp隨著的變化過(guò)程中，存在著一點(diǎn)m可以獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)max Cp ，即最大輸出功率點(diǎn)。(2)最佳運(yùn)行曲線將(2.2)代入(2.1)可得P m=1/2 R 2Cp( R/30) 3n3在某一風(fēng)速下，風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率隨轉(zhuǎn)速的不同而變化

44、，其中有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速，在該轉(zhuǎn)速下，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)系；在不同的風(fēng)速下，均有一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)速使風(fēng)力機(jī)輸出最大機(jī)械功率，將這些最大功率點(diǎn)連接起來(lái)可以得到一條最大輸出機(jī)械功率曲線，即最佳功率負(fù)載線，處于這條曲線上的任何點(diǎn)，其轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系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。圖2.2 Pm =f (n)特性曲線Fig.2.2 The characteristic curve of Pm and n (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

45、調(diào)速裝置，捕獲的風(fēng)能和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速受到限制，進(jìn)一步考慮風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速和風(fēng)向的波動(dòng)，風(fēng)力機(jī)理論上的功率輸出為 （2-8）式中， Vin、Ve、Vout分別為風(fēng)力機(jī)切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速，P為風(fēng)力機(jī)額定功率。當(dāng)風(fēng)速V低于額定Ve風(fēng)速時(shí)，輸出功率與風(fēng)速三次方成正比；當(dāng)風(fēng)速V高于額定風(fēng)速Ve而小于切出風(fēng)速Vout 時(shí)，輸出功率等于額定風(fēng)速，即恒功率輸出階段；當(dāng)風(fēng)速V高于切出風(fēng)速Vout 時(shí)，輸出功率為0。如圖所示。圖風(fēng)力機(jī)的理想輸出功率曲線Fig.2.3 The ideal output power curve of turbine圖風(fēng)力機(jī)的實(shí)際輸出功率曲線Fig.2.4 The real outpu

46、t 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。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)介紹風(fēng)能發(fā)電的主要形式有兩種：一是獨(dú)立運(yùn)行；二是風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電。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。它的構(gòu)成為：風(fēng)力發(fā)電機(jī)充電器數(shù)字逆變器。見(jiàn)圖，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。葉片用來(lái)接受風(fēng)力并通過(guò)機(jī)頭轉(zhuǎn)為電能；尾翼

47、使葉片始終對(duì)著來(lái)風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能；轉(zhuǎn)體能使機(jī)頭靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能；機(jī)頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。因風(fēng)量不穩(wěn)定，故小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的是13V25V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。然后用有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證穩(wěn)定使用。圖小型獨(dú)立風(fēng)電系統(tǒng)示意圖.5 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)

48、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%。一般市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速約為4米/秒，于風(fēng)速1215米/秒時(shí)達(dá)到額定的輸出容量。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)2025米/秒范圍內(nèi)停機(jī)。一般采用旋角節(jié)制或失速節(jié)制方式來(lái)調(diào)節(jié)葉片之氣動(dòng)性能及葉輪的輸出。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。但在進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)評(píng)估時(shí)，通常要求離地10米高的年平均風(fēng)速達(dá)到5米/秒以上。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。除風(fēng)速之外，葉輪直徑?jīng)Q定了可獲取風(fēng)能的多和少，約

49、與葉輪直徑平方成正比。葉片的數(shù)量也會(huì)影響到風(fēng)機(jī)的輸出。一般來(lái)說(shuō)，2葉、3葉風(fēng)機(jī)效率較高，力矩較低，適用于發(fā)電。此外，現(xiàn)代風(fēng)機(jī)的葉片多采用機(jī)翼的翼型16。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要類(lèi)型近年來(lái)世界風(fēng)力發(fā)電發(fā)展十分迅速，每年其容量以30%的速度遞增。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。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照風(fēng)電機(jī)的調(diào)節(jié)技術(shù)分主要有以下4種18：定槳距失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組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(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，槳葉的迎風(fēng)角度不能隨之變化。失速型是指槳

50、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。為了提高風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速時(shí)的效率，通常采用雙速發(fā)電機(jī)(即大/小發(fā)電機(jī))。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。變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳距是指安裝在輪轂上的葉片通過(guò)控制改變其槳距角的大小。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

51、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。主動(dòng)失速調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將定槳距失速調(diào)節(jié)型與變槳距調(diào)節(jié)型兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相結(jié)合，充分吸取了被動(dòng)失速和槳距調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，槳葉采用失速特性，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用變槳距調(diào)節(jié)。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)。制動(dòng)剎車(chē)時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉相當(dāng)于氣動(dòng)剎車(chē)，很大程度上減少了機(jī)械剎車(chē)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊。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

52、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)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速恒頻是指在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以跟蹤風(fēng)速的變化，由于轉(zhuǎn)速發(fā)生變化必然導(dǎo)致發(fā)電機(jī)頻率的變化，必須采用適當(dāng)?shù)目刂剖侄?AC-DC-AC或AC-AC變頻器)來(lái)保證與電網(wǎng)同頻率后并入電網(wǎng)。機(jī)組在葉片設(shè)計(jì)上采用了變槳距結(jié)構(gòu)。其調(diào)節(jié)方法是：在起動(dòng)階段，通過(guò)調(diào)節(jié)變槳距系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在同步轉(zhuǎn)速附近，尋找最佳并網(wǎng)時(shí)機(jī)然后平穩(wěn)并網(wǎng)；在額定風(fēng)速以下時(shí)，主要調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)反力轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，保持最佳葉尖速比以獲得最大風(fēng)能；在額定風(fēng)速以上時(shí)

53、，采用變速與槳葉節(jié)距雙重調(diào)節(jié)，通過(guò)變槳距系統(tǒng)調(diào)節(jié)限制風(fēng)力機(jī)獲取能量，保證發(fā)電機(jī)功宰輸出的穩(wěn)定性，獲取良好的動(dòng)態(tài)特性；而變速調(diào)節(jié)主要用來(lái)響應(yīng)快速變化的風(fēng)速，減輕槳距調(diào)節(jié)的頻繁動(dòng)作，堤高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性。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。變速恒頻的優(yōu)點(diǎn)是大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，來(lái)適應(yīng)因風(fēng)速變化而引起的風(fēng)力機(jī)功宰的變化，可以最大限度的吸收風(fēng)能，因而效率較高?？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。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)從機(jī)組的定槳距恒速運(yùn)行發(fā)展到基于變距技術(shù)的變速運(yùn)行，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從能夠線電網(wǎng)提供電力到

54、理想地向電網(wǎng)提供電力的最終目標(biāo)。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。根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可分為恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)CSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻(Variable SpeedConstant Frequency，簡(jiǎn)稱(chēng)VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。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)。恒速恒頻發(fā)

55、電系統(tǒng)中，多采用籠型異步電機(jī)作為并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，并網(wǎng)后在電機(jī)機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運(yùn)行，如圖2.6所示，異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。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。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速3%-5%時(shí)達(dá)到最大值，若超過(guò)這個(gè)轉(zhuǎn)速，異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車(chē)，這是十分危險(xiǎn)的。圖異步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線Fig.2.6 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)

56、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。(1)風(fēng)能是一種具有隨機(jī)性、爆發(fā)性、不穩(wěn)定性特征的能源。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。 傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電方式由于只能固定運(yùn)行在同步轉(zhuǎn)速上，當(dāng)風(fēng)速改變時(shí)風(fēng)力機(jī)就會(huì)偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致運(yùn)行效率下降，不但浪費(fèi)風(fēng)力資源，而且增大風(fēng)力機(jī)的磨損。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)

57、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。(2)變速恒頻發(fā)電技術(shù)能吸收陣風(fēng)能量，把風(fēng)能儲(chǔ)存在風(fēng)輪機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中，減少陣風(fēng)沖擊對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來(lái)的疲勞損害，減少機(jī)械應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，延長(zhǎng)機(jī)組壽命。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。(3)變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻電流實(shí)現(xiàn)交流勵(lì)磁，控制勵(lì)磁電流的幅值、頻率、相位實(shí)現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。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。控制有功功率可調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的追蹤控制;調(diào)節(jié)無(wú)功功率可調(diào)節(jié)

58、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。(2)采用變速恒頻發(fā)電技術(shù)，可使發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)良好的柔性連接，比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作及運(yùn)行。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。自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)外新建的大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)大多采用變速恒頻方式，特別是MW級(jí)以上的大容量風(fēng)電系統(tǒng)。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。變速恒頻發(fā)電風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種形式，有的是通過(guò)發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻，有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻。它們具有各自

59、的特點(diǎn)，適用于各種不同場(chǎng)合。變速運(yùn)行的發(fā)電機(jī)一般有不連續(xù)變速和連續(xù)變速兩種，下面介紹三種連續(xù)變速的電力電子變換裝置發(fā)電系統(tǒng)。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。目前看來(lái)，最有應(yīng)用前景的應(yīng)屬電子電力學(xué)方法，這種變速發(fā)電系統(tǒng)主要由來(lái)能夠部分組成，即發(fā)電機(jī)部分和電子電力變換裝置部分，發(fā)電機(jī)可以是市場(chǎng)上已有的電機(jī)，如同步發(fā)電機(jī)鼠籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)，繞線型感應(yīng)發(fā)電機(jī)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。(1)交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)這種系統(tǒng)中的變速恒頻控制是在電機(jī)的定子電路中實(shí)現(xiàn)的，如圖2.7所示。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

60、運(yùn)行。發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電首先通過(guò)三相橋式整流器變換成直流電，然后通過(guò)逆變器變換為恒定電網(wǎng)頻率的交流電。因此，變頻器的容量和發(fā)電機(jī)的容量相同。圖交-直-交風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2.7 AC-DC-AC wind power generation system chart變換器中使用的電力電子器可以是二極管，晶閘管，可關(guān)斷晶閘管，功率晶體管和絕緣刪雙極型晶體管等。除二極管只能用于整流電路外，其他器件都能用于雙向變換。由交流變成直流時(shí)，他們起整流器作用，再由交流變成直流時(shí)，他們起逆變器作用。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