1 能源現(xiàn)狀

    能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。常規(guī)能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。因此，風(fēng)能作為一種無污染、可再生的綠色能源，已受到人們的廣泛關(guān)注。目前尤以變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最受歡迎，因?yàn)樵擄L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如低速時(shí)它能夠根據(jù)風(fēng)速的變化。在運(yùn)行中保持最佳葉尖速比，以獲得最大風(fēng)能：高風(fēng)速時(shí)利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化，儲(chǔ)存或釋放部分能量，使功率輸出更加平穩(wěn)。目前風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)低速同步發(fā)電機(jī)即直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)受到廣泛歡迎。直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)具有節(jié)約投資，減少傳動(dòng)鏈損失和停機(jī)時(shí)間，以及維護(hù)費(fèi)用低，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于永磁同步發(fā)電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組和直流勵(lì)磁電源，也就取消了易出故障的集電環(huán)和電刷裝置，成為無刷電機(jī)。因此，該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，非常適合解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民的用電需求。

2 風(fēng)力機(jī)特性

    風(fēng)力機(jī)通過槳葉把風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，提供轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載。按照貝茲原理，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率為：

    式中 Cp——風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)，A—風(fēng)力機(jī)掃掠面積，ρ—空氣密度，ν—風(fēng)速

    實(shí)際上， Cp就是風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率，它是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角α 的函數(shù)?？梢?，在風(fēng)速一定的情況下，發(fā)電機(jī)獲得的輸入機(jī)械功率Pmech，大小將只取決于風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Cp 。一般對(duì)于采用電氣調(diào)節(jié)而言，α為常數(shù)。因此， Cp只是λ的函數(shù)。λ是風(fēng)輪葉尖線速度與ν之比的函數(shù)：

    式中R—— 風(fēng)輪半徑, ω—— 風(fēng)力機(jī)機(jī)械角速度

    把式（2）代入式（1），并取Cp為其最大值Cpmax ，于是有：

    式中Pmax ——最佳功率

    這里存在一個(gè)葉尖速比值，使得Cp為最大，即Cpmax。典型的有最佳葉尖速比λ=9, 此時(shí)Cp為最大，即Cpmax=0.43。于是，為了追求Pmax，必須在風(fēng)速變化時(shí)及時(shí)調(diào)整ω，以保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比下。

3 變頻器設(shè)計(jì)

    圖1示出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)直接耦合，為了解決同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的剛性耦合，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)間使用了變頻器。變頻器由整流器、電容、電池組、逆變器組成。按圖1所示，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)的輸出電壓會(huì)激烈波動(dòng)。正是該特征影響了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率輸出。意即，在中低風(fēng)速時(shí)，由于發(fā)電機(jī)輸出的電壓很低，就不能保證有功功率流向電網(wǎng)或負(fù)載。相反會(huì)導(dǎo)致有功功率的反向流動(dòng)。

3．1 最大風(fēng)能利用電路的實(shí)現(xiàn)

    圖1所示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)洳荒艹浞值乩蔑L(fēng)能。圖2給出了一種利用Buck—Boost電路來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)單電路，其中虛線框內(nèi)的電路為Buck—Boost電路。

    在ton期間，VS導(dǎo)通，VD反偏關(guān)斷，此時(shí)電感電壓UL=Uin。在toff 期間，VS關(guān)斷，電感儲(chǔ)能以自感電勢(shì)形式釋放，VD導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載電壓平均值與輸入電壓極性相反，且有電感電壓UL=Uo?？紤]到一周期內(nèi)電感電壓積分平均值為零的事實(shí)，即由此得：

    占空比D定義為：

    由式（4），（5）得：

    式（6）說明，當(dāng)D≤0.5時(shí)，∣Uo∣≤∣Uin∣，輸出電壓Uo下降；當(dāng)D>0.5時(shí)，∣Uo∣>∣Uin∣，Uo上升，且輸入輸出電壓反極性。

3.2 最大功率搜索算法

    圖3示出某一風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下的輸出有功功率P和D特性曲線。它由A．B兩部分組成?？梢钥闯觯甈近似與D成比例。

圖3 風(fēng)力機(jī)輸出功率特性曲線

    如圖3所示，以某一風(fēng)速下的輸出功率特性曲線為例，在A區(qū)，dP／dD>0，當(dāng)dP>0且dD>0時(shí),工作點(diǎn)正向著最大功率處靠近，此時(shí)，為使系統(tǒng)工作在最大功率處，需繼續(xù)增加D。當(dāng)dP<0且dD<0時(shí),工作點(diǎn)正背離最大功率處，此時(shí)需改變工作點(diǎn)的移動(dòng)方向，同時(shí)要增加D；在B區(qū)，dP／dD<0．當(dāng)dP>0且dD<0時(shí),工作點(diǎn)正向著最大功率處靠近,此時(shí),為使系統(tǒng)工作在最大功率處，需繼續(xù)減小D。當(dāng)dP<0且dD>0時(shí), 工作點(diǎn)正背離最大功率處，此時(shí)需改變工作點(diǎn)的移動(dòng)方向，同時(shí)要減少D。基于以上分析，圖4給出了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能利用搜索算法的軟件流程。

圖4 最大風(fēng)能利用搜索算法軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為了便于實(shí)驗(yàn)，采取以下簡(jiǎn)化措施：①用直流電動(dòng)機(jī)代替風(fēng)力機(jī)；②逆變電路和電網(wǎng)由一負(fù)載RL代替。圖5給出了直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)電路。同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：額定功率Pe=2.2kW，額定電壓Ue=200V,電機(jī)極對(duì)數(shù)p=2。圖6a給出了在中低風(fēng)速下,采用圖l所示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出的輸出功率波形。由圖可見，幾乎沒有有功功率流向負(fù)載。這是因?yàn)樵谥械惋L(fēng)速時(shí),同步發(fā)電機(jī)輸出的電壓不夠高，因而不能保證電流流向電網(wǎng)或負(fù)載；圖6b給出了在中低風(fēng)速下，采用圖2所示的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)．并應(yīng)用最大風(fēng)能利用控制算法進(jìn)行控制后得出的輸出有功功率波形。由圖6b可見，有功功率的輸出明顯增加。這是因?yàn)樵谥械惋L(fēng)速情況下，盡管同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓不夠高．但由于采用最大風(fēng)能利用搜索算法對(duì)Buck-Boost電路占空比作了相應(yīng)調(diào)節(jié)，因而迫使電流以接近最大值流向負(fù)載或電網(wǎng)，保證了風(fēng)力機(jī)工作在最大功率系數(shù)上。

5 結(jié) 論

    采用風(fēng)力機(jī)直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最主要問題是在中低風(fēng)速下，同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓會(huì)劇烈波動(dòng)，因而不能保證風(fēng)力機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)。為了解決該問題，使用了簡(jiǎn)單的Buck—Boost變換器，并通過最大風(fēng)能搜索算法實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能利用。該系統(tǒng)有無需檢測(cè)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，同時(shí)其變頻器結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，因此其成本較低，較易實(shí)現(xiàn)，易于在我國偏遠(yuǎn)缺電地區(qū)推廣。