小型风力发电机组研制技术方案

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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