小型风力发电机组研制技术方案

小型风力发电机系统的控制—提高风能利用率的解决方案摘要：介绍了一种由风力机、永磁同步发电机以及交-直-交变换器组成的小功率的直驱式风力发电系统。提出了两种改进型的直驱式风力发电系统。设计了Boost变换器、逆变器的控制电路，并利用Matlab／Simulink软件平台进行了系统仿真。通过对该系统控制方法的研究，使系统能够实现达到最大限度地利用风能。关键词：1引言风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源，它不会随着其本身的转化和利用而减少，可以说是一种取之不尽用之不竭的能源，而且在风能转换为电能的过程中，没有给大气造成任何污染，所以大规模发展风力发电是解决我国能源和电力短缺最现实的战略选择之一。据中国气象局的统计和计算，我国风能丰富区占全国面积的8%，风能较丰富区占全国面积的18%，风能可利用区占全国面积的50%，其中风能可利用区风速大于6m/s的年累计小时数为1500-3500，而风速大于3m/s的年累计小时数为4000-20000。而目前小功率风能发电设备采用直接驱动方式，实际使用中只有在风速大于6m/s时才能正常发电，因此无法有效利用我国广大的低风速资源。为此，必须对风力发电设备进行合理地控制以提高风能利用率。本文提出一种基于buck-boost电路的改进型直接驱动式风力发电系统，根据风速的变化对发电机的输出功率及风叶转速进行控制，使风叶叶轮在较大风速变化区间内平稳运转从而正常发电，最大限度的利用风能。1系统结构直驱式风力发电系统主要是由于其采用了低速永磁同步发电机以及直驱式的结构。图1所示为风力发电系统的拓扑结构，该系统采用永磁同步发电机与风力机直接耦合，为了解决同步发电机转速和电网频率之间的刚性耦合，在发电机和电网间使用了变频器。图1小型风力发电系统结构随着风速变化发电机的输出电压会激烈波动，这会影响风力发电机的最大功率输出，在低风速时，由于发电机输出的电压偏低，不能保证有功功率流向电网或负载，使母线电压下降；在高风速时，发电机输出电压偏高，直流侧输入功率大于交流侧输出功率时，多余的能量会存储在母线电容中从而使母线电压升高。所以为了保证系统能够正常工作，其直流母线电压必须保持不变。由于PWM变换器保持直流母线电压Vdc不变，所以转速调节功能由直流环节来实现，所以系统通常还需要在中间环节添加DC/DC变换器。方案1但实际中发电机往往无法输出符合要求的电压，在实际中风速在3-8m/s变化，而风速在6m/s时系统就可以正常工作，由此可见，在风速6m/s以下发电机输出的电压会偏低，而在6m/s以上会输出偏高的电压。图1所示的风力发电系统的电路拓扑不能充分利用风能，图2给出了一种利用buck-boost电路来实现最大风能追踪的风力发电系统的简单电路，其中虚线框内的电路为buck-boost电路。系统稳定时％R与‰满足下述关系：式中D为buck-boost电路占空比。由于PWM变换器维持Vdc不变，所以调节D就可以调节V。假定系统在某工作点稳定运行，如果W突然降低至W’，PI调节器输出随之增加，则占空比指令升高，由式可知，VR随之升高，图4．3中‰在这里即为％R，由图4．3可以看出，转速随着％R的升高而升高，电机又重新升速至C0ref；CO突增之后的调节过程亦类似，所以图6所示结构具备转速调节功能。同时，由于发电机输出电压偏低或偏高，通过直流环节的升降压之后能够保证PWM变换器正常工作。发电机三相交流输出接二极管整流桥整流为直流；直流环节采用具备升降压能力的buck-boost电路来解决电机输出电压偏低的问题，buck-boost电路的输出端接网侧PWM变换器，输出端电压由PWM变换器控制保持恒定，buck-boost电路输入端接整流桥输出，通过调节占空比即可调节整流桥输出电压，因而可以调节发电机的转速，从而实现了变速恒频运行并能极大地扩展系统的运行范围。方案2在小型风力发电应用中，同方案1选用不控整流+DC/DC变换器+PWM电压源型逆变器型拓扑结构，不同之处在于将DC/DC变换器换成Boost电路，并且在Boost升压电路（后）串入蓄电池储能系统。系统结构图如图3所示。图3小型风力发电系统结构加入蓄电池组后,可以解决风能不足时为负载提供能量的问题，同时使逆变器有比较稳定的输入电压,从而具有良好的逆变效果。风力机直接耦合永磁同步发电机，二极管整流桥路将永磁同步发电机发出的交流电整流后由电容滤波，变换成脉动的直流电，斩波器将脉动的直流电变换成恒压输出的直流电。当风速偏高，发电机发出的电量偏大时，在充电控制电路的作用下，斩波器输出的电流对蓄电池充电，同时斩波器对逆变器供电。当风速偏低永磁同步发电机发出的电不足时，蓄电池向逆变器放电，来补充电力。逆变器将直流电变换成额定频率的交流电直接供给用电负载或送给电网。2、小型风力发电系统控制策略2.2最大功率跟踪控制2.2.1常用控制方案变速风力发电系统中最大功率点跟踪控制算法近年来成为了一个热门的研究课题，尽管这些算法是基于不同的功率变换器拓扑结构，但根据它们的控制原理可以大致分为三类:叶尖速比控制算法、功率信号反馈算法和登山搜索算法。（1）叶尖速比控制算法Tip-Speed-Ratio(TSR)Control叶尖速比(TSR)控制制算法是要维持风力机的叶尖速比在最佳值opt处(TSR的最佳值opt一般是通过计算或实验获得)，这样在任何风速下风力机对风能的利用率都最大，从而达到对风力机最大功率点跟踪的目的。图4-1所示为TSR的控制原理框图，将风速v和风力机转速的测量值作为控制系统的输入信号，通过计算得出风力机此时的实际叶尖速比，然后与风力机的最佳值opt相比较，所得误差值用来对风力机的转速进行控制，直到风力机运行在最佳叶尖速比opt上。图5TSR的控制原理框图该控制算法的优点是控制原理比较简单，容易实现，一个PI控制器即可满足风力机的控制要求。缺点是需要预先得到风力机的最佳叶尖速比opt，，需要测量风速v。和风力机风轮角速度。TSR的最佳值opt在不同的风力发电系统中也不相同，它与风力机和发电机的特性以及所采用的变频器拓扑结构相关，因此该算法的移植比较困难。同时实时测量风速会增加系统的成本和实际执行的难度，其测量精度也难以保证。而且由于风速的随机性和不确定性，该控制算法会引起风力机输出功率的剧烈波动。（2）功率信号反馈算法PowerSignalFeedback(PSF)Control功率信号反馈(PSF)控制原理:测量出风力机的转速，并根据风力机的最大功率曲线计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P，并将它作为风力机的输出功率给定值，对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪。图6PSF控制原理框图该控制算法的优点是能够有效地避免风力机输出功率的波动，控制原理比较简单。缺点是对于不同的风力机，最大功率曲线需要事先通过仿真或试验测得，这会增加实际应用的成本;同时随着使用年限的增加，风力机特性的变化，其控制精度也难以保证。（3）登山搜索算法Hill-ClimbSearching(HCS)Control该方案与上述两种控制方案完全不同，其主导思想是离散迭代控制。风轮机在某一特定风速下的功率特性曲线是凸函数，如图7所示，因此可以在系统处于稳态阶段时，给控制量一个微小扰动，这一扰动将引起输出功率的变化。若该变化量大于零，则在系统趋于稳态的时候，加上与前次同符号的扰动量，直到输出功率变化量开始小于零才改变下一次扰动量的符号。如此反复，风轮机的工作点将沿着功率特性曲线移动到最大值附近，并保持一定的波动。功率扰动控制方案与上述两种控制方案完全不同，这是一种离散迭代控制。图7风力机输出功率与转速的关系HCS能够成功地应用于无惯性的太阳能变换系统中和惯性很小的小型风力发电系统。但是对于惯性较大的大型风力机系统，由于风力机具有较大的转动惯量，系统的时间常数较长，因此登山搜索算法对整个风电系统无法进行有效的控制。登山搜索算法的优点是无需测量风速，控制算法与风力机及发电机的特性无关，便于应用及硬件简单;但是只适用于小惯性风力发电系统，对于惯性较大的大型风力机系统控制算法失效。2.2.2优化的MPPT控制方案优化的功率控制方案属于功率信号反馈算法范畴，其控制原理框图如图8所示。首先测量出风力机的转速，通过查表法根据风力机的最大功率曲线得出与该转速所对应的风力机的最大输出功率*P，与风力机实测输出功率相减后得到功率误差，经PI控制器调节后得出DC/DC变换器的占空比指令信号，通过对系统占空比的调节，实现对风力发电机的最大功率输出。图8本设计所采用的功率信号反馈原理框图通过调节DC/DC变换器的占空比可以对风力机发电机输出功率的最大功率点进行跟踪，这种关系可以从下式中看出。其中，Rg为发电机等效电阻，Rdc为不可控整流直流侧的等效电阻，D为DC/DC变换器的占空比。从上式可以看出，通过调节占空比可以改变发电机的等效电阻Rg，进而改变发电机的负载特性，这样也改变了发电机的相电流，进而实现发电机输出功率的调节。控制电路Buck-boost变换器的控制方法，如图所示。电路采用电压闭环加前馈的复合控制方法，通过改变变换电路开关管的占空比，稳定逆变器的输入电压，使系统运行在非常宽的调速范围。