1 能源現狀

    能源、環境是當今人類生存和發展所要解決的緊迫問題。常規能源以煤、石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴重的大氣污染。因此，風能作為一種無污染、可再生的綠色能源，已受到人們的廣泛關注。目前尤以變速恒頻風力發電系統最受歡迎，因為該風力發電系統較之傳統的恒速恒頻風力發電系統有許多優點，如低速時它能夠根據風速的變化。在運行中保持最佳葉尖速比，以獲得最大風能：高風速時利用風輪轉速的變化，儲存或釋放部分能量，使功率輸出更加平穩。目前風輪直接驅動低速同步發電機即直驅式風力機受到廣泛歡迎。直驅式風力機具有節約投資，減少傳動鏈損失和停機時間，以及維護費用低，可靠性好等優點。同時，由于永磁同步發電機不需要勵磁繞組和直流勵磁電源，也就取消了易出故障的集電環和電刷裝置，成為無刷電機。因此，該電機結構簡單，運行可靠，價格便宜，非常適合解決我國偏遠地區農牧民的用電需求。

2 風力機特性

    風力機通過槳葉把風能轉化成機械能，提供轉矩以驅動機械負載。按照貝茲原理，風力機從風中捕獲的機械功率為：

    式中 Cp——風力機風能利用系數，A—風力機掃掠面積，ρ—空氣密度，ν—風速

    實際上， Cp就是風力機將風能轉換為機械能的效率，它是葉尖速比λ和槳葉節距角α 的函數?？梢?，在風速一定的情況下，發電機獲得的輸入機械功率Pmech，大小將只取決于風力機風能利用系數Cp 。一般對于采用電氣調節而言，α為常數。因此， Cp只是λ的函數。λ是風輪葉尖線速度與ν之比的函數：

    式中R—— 風輪半徑, ω—— 風力機機械角速度

    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Cp為最大，即Cpmax=0.43。于是，為了追求Pmax，必須在風速變化時及時調整ω，以保持風力發電機運行在最佳葉尖速比下。

3 變頻器設計

    圖1示出風力發電系統的拓撲結構。該系統采用永磁同步發電機與風力機直接耦合，為了解決同步發電機轉速和電網頻率之間的剛性耦合，在發電機和電網間使用了變頻器。變頻器由整流器、電容、電池組、逆變器組成。按圖1所示，隨著風速的變化，發電機的輸出電壓會激烈波動。正是該特征影響了風力發電機的最大功率輸出。意即，在中低風速時，由于發電機輸出的電壓很低，就不能保證有功功率流向電網或負載。相反會導致有功功率的反向流動。

3．1 最大風能利用電路的實現

    圖1所示風力發電系統的電路拓撲不能充分地利用風能。圖2給出了一種利用Buck—Boost電路來實現最大風能追蹤的風力發電系統的簡單電路，其中虛線框內的電路為Buck—Boost電路。

    在ton期間，VS導通，VD反偏關斷，此時電感電壓UL=Uin。在toff 期間，VS關斷，電感儲能以自感電勢形式釋放，VD導通，此時負載電壓平均值與輸入電壓極性相反，且有電感電壓UL=Uo。考慮到一周期內電感電壓積分平均值為零的事實，即由此得：

    占空比D定義為：

    由式（4），（5）得：

    式（6）說明，當D≤0.5時，∣Uo∣≤∣Uin∣，輸出電壓Uo下降；當D>0.5時，∣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示出某一風力機在不同風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 風力機輸出功率特性曲線

    如圖3所示，以某一風速下的輸出功率特性曲線為例，在A區，dP／dD>0，當dP>0且dD>0時,工作點正向著最大功率處靠近，此時，為使系統工作在最大功率處，需繼續增加D。當dP<0且dD<0時,工作點正背離最大功率處，此時需改變工作點的移動方向，同時要增加D；在B區，dP／dD<0．當dP>0且dD<0時,工作點正向著最大功率處靠近,此時,為使系統工作在最大功率處，需繼續減小D。當dP<0且dD>0時, 工作點正背離最大功率處，此時需改變工作點的移動方向，同時要減少D?；谝陨戏治?，圖4給出了實現最大風能利用搜索算法的軟件流程。

圖4 最大風能利用搜索算法軟件流程圖

4 實驗結果

    為了便于實驗，采取以下簡化措施：①用直流電動機代替風力機；②逆變電路和電網由一負載RL代替。圖5給出了直驅風力發電系統簡化實驗電路。同步發電機的參數為：額定功率Pe=2.2kW，額定電壓Ue=200V,電機極對數p=2。圖6a給出了在中低風速下,采用圖l所示風力發電系統進行實驗得出的輸出功率波形。由圖可見，幾乎沒有有功功率流向負載。這是因為在中低風速時,同步發電機輸出的電壓不夠高，因而不能保證電流流向電網或負載；圖6b給出了在中低風速下，采用圖2所示的風力發電系統．并應用最大風能利用控制算法進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。這是因為在中低風速情況下，盡管同步發電機的輸出電壓不夠高．但由于采用最大風能利用搜索算法對Buck-Boost電路占空比作了相應調節，因而迫使電流以接近最大值流向負載或電網，保證了風力機工作在最大功率系數上。

5 結 論

    采用風力機直驅永磁同步發電機風力發電系統的最主要問題是在中低風速下，同步發電機的輸出電壓會劇烈波動，因而不能保證風力機工作在最佳工作點。為了解決該問題，使用了簡單的Buck—Boost變換器，并通過最大風能搜索算法實現了風力機的最大風能利用。該系統有無需檢測風速和發電機轉速的特點，同時其變頻器結構也簡單，因此其成本較低，較易實現，易于在我國偏遠缺電地區推廣。