定槳距小型風(fēng)力發(fā)電機控制方法研究

　　摘　要：本文研究了定槳距小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法。以提高小型風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的可靠性及實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行為目標(biāo)，提出了根據(jù)葉片與發(fā)電機的匹配特性來選擇風(fēng)力發(fā)電機控制方案的理念。并根據(jù)選定的300W/24V 永磁發(fā)電機輸出特性，設(shè)計出減壓控制方案所要求的300W 風(fēng)力發(fā)電機葉片；最后通過試驗測試，驗證了本文提出的減壓小型風(fēng)力發(fā)電機控制方案的可行性和有效性。這對研究小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的可控性、可靠性和耐久性有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。
　　1. 引言
　　由于存在效率低和可靠性不高的問題，直接限制了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和發(fā)展。提高小型風(fēng)力發(fā)電機的可靠性可從系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行控制兩方面共同解決，但目前對小型風(fēng)力發(fā)電機的研究通常局限在某一方面，普遍存在將控制方法的選擇與葉片、電機的匹配特性相互孤立、分離的現(xiàn)象。因此，在充分考慮葉片與發(fā)電機匹配特性的基礎(chǔ)上，研究出簡單而行之有效的、定槳距小型風(fēng)力發(fā)電機的控制方法是非常必要的。
    本文在詳細分析葉片與發(fā)電機的匹配特性的基礎(chǔ)上，提出了定槳距小型風(fēng)力發(fā)電機的控制方法。并通過300W 風(fēng)力發(fā)電機葉片的設(shè)計、樣機的風(fēng)場試驗和風(fēng)洞試驗，驗證了本文提出的通過調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓控制風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速和功率的控制方法的有效性及可行性。力求摸索出能夠解決小型風(fēng)力發(fā)電機組調(diào)控問題的更多、更好的辦法。這對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用都有重要的意義。
　　2. 葉片與發(fā)電機匹配特性
　　為了分析葉片與發(fā)電機的實際匹配情況，將葉片在各種風(fēng)速下的功率—轉(zhuǎn)速特性曲線分為三個區(qū)域，即峰前、峰值和峰后，如圖1 所示。從圖中可以看出，不同風(fēng)速下，葉片的輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系特性曲線中皆有一個最大功率輸出值，將這些點連成曲線就得到葉片的最佳功率輸出曲線，即最佳功率負載線，如圖1 中虛線所示。如果發(fā)電機的功率輸出曲線正好與圖中虛線重合，此時葉片與發(fā)電機就達到了最佳功率匹配。
　　實際系統(tǒng)運行時風(fēng)速不斷變化，負載也在不斷變化，實際上風(fēng)力發(fā)電機不可能完全按照最佳功率負載線運行。各種風(fēng)速下的最大功率點稱為峰值點，各風(fēng)速下峰值點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速nopt；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速小于最佳轉(zhuǎn)速nopt 的部分為峰前，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速大于最佳轉(zhuǎn)速nopt 的部分為峰后。實際風(fēng)力發(fā)電機的功率負載線如圖1 中風(fēng)機a 和風(fēng)機b所示。有的風(fēng)力發(fā)電機工作在峰前，但目前使用的多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機工作在峰后。
　　3. 定槳距小型風(fēng)力發(fā)電機控制方法的提出
　　小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究應(yīng)包含系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行控制方法兩方面內(nèi)容。前者是根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用地點的資源和負載特性，對系統(tǒng)各個部件進行合理的選型以及設(shè)計, 如發(fā)電機、葉片的設(shè)計；后者則是通過對系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，提出切實可行的運行控制策略，采取相應(yīng)的技術(shù)手段實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、高效的運行。合理的運行控制方案，對提高系統(tǒng)供電的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性非常重要。本文根據(jù)葉片與發(fā)電機的不同的匹配方式提出定槳距小型風(fēng)力發(fā)電機的控制方法：最大功率跟蹤法、加壓控制法、減壓控制法。
　　3.1 最大功率跟蹤法