1 能源現(xiàn)狀

    能源、環(huán)境是當今人類生存和發(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(fā)電系統(tǒng)最受歡迎，因為該風力發(fā)電系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如低速時它能夠根據(jù)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(zhuǎn)速的變化，儲存或釋放部分能量，使功率輸出更加平穩(wěn)。目前風輪直接驅(qū)動低速同步發(fā)電機即直驅(qū)式風力機受到廣泛歡迎。直驅(qū)式風力機具有節(jié)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(yōu)點。同時，由于永磁同步發(fā)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(huán)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(qū)農(nóng)牧民的用電需求。

2 風力機特性

    風力機通過槳葉把風能轉(zhuǎn)化成機械能，提供轉(zhuǎn)矩以驅(qū)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(shù)，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(zhuǎn)換為機械能的效率，它是葉尖速比λ和槳葉節(jié)距角α 的函數(shù)。可見，在風速一定的情況下，發(fā)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(shù)Cp 。一般對于采用電氣調(diào)節(jié)而言，α為常數(shù)。因此， Cp只是λ的函數(shù)。λ是風輪葉尖線速度與ν之比的函數(shù)：

    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(diào)整ω，以保持風力發(fā)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(fā)電系統(tǒng)的拓撲結構。該系統(tǒng)采用永磁同步發(fā)電機與風力機直接耦合，為了解決同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間的剛性耦合，在發(fā)電機和電網(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，隨著風速的變化，發(fā)電機的輸出電壓會激烈波動。正是該特征影響了風力發(fā)電機的最大功率輸出。意即，在中低風速時，由于發(fā)電機輸出的電壓很低，就不能保證有功功率流向電網(wǎng)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(xiàn)

    圖1所示風力發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)最大風能追蹤的風力發(fā)電系統(tǒng)的簡單電路，其中虛線框內(nèi)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(nèi)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。可以看出．P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(qū)，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(tǒng)工作在最大功率處，需繼續(xù)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(qū)，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(tǒng)工作在最大功率處，需繼續(xù)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。基于以上分析，圖4給出了實現(xiàn)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(wǎng)由一負載RL代替。圖5給出了直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)簡化實驗電路。同步發(fā)電機的參數(shù)為：額定功率Pe=2.2kW，額定電壓Ue=200V,電機極對數(shù)p=2。圖6a給出了在中低風速下,采用圖l所示風力發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機輸出的電壓不夠高，因而不能保證電流流向電網(wǎng)或負載；圖6b給出了在中低風速下，采用圖2所示的風力發(fā)電系統(tǒng)．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(fā)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(diào)節(jié)，因而迫使電流以接近最大值流向負載或電網(wǎng)，保證了風力機工作在最大功率系數(shù)上。

5 結 論

    采用風力機直驅(qū)永磁同步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的最主要問題是在中低風速下，同步發(fā)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(xiàn)了風力機的最大風能利用。該系統(tǒng)有無需檢測風速和發(fā)電機轉(zhuǎn)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(xiàn)，易于在我國偏遠缺電地區(qū)推廣。