LED第七章 风能风力发电与控制技术文档格式.docx

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风向是风吹来的方向。

风速表示风移动的速度，即单位时间内空气在水平方向上流动所经过的距离。

风力表示风力大小，以风的强度等级区别

1.风向表示法：

以正北方为基准，顺时针方向旋转，东风90度，南风180度，西风270度，北风360度。

2风速表示法：

是一段时间内的平均值。

以10米高处为观测基准。

平均风速所取时间有多种，如：

1min，2min，10min，有1h平均风速，也有瞬时风速。

3风速与风级：

从微风到飓风共分为13个等级。

分别为0—12级。

风速和风级之间的关系为

式中表示N级风的平均速度（m/s），N风的级数。

N级风最大风速UNmax=0.2+0.824N1..505+0.5N0.56

N级风最小风速UNmin=0.824N1.505-0.56

4）风的特性

1风的随机性：

一天中地面上夜间风弱，白天风强。

高空中正好相反，即夜间风强，白天风弱，这个逆转的临界高度约为100—150m，我国季节变化，春季最强，冬季次之，夏季最弱。

2风随高度的变化而变化

底层离地面2m以内的区域。

2—100的区域为下部摩擦层，100—1000m为上部摩擦层。

以10m为基准修正不同高度的风速公式为：

其中，V指距地面高度为h处的风速（m/s），V0为h0=10m处风速（m/s），,K为修正指数，K取值在0.125—0.5之间，在开阔正常地区为1/7。

5）风能

风是空气的水平运动，空气运动产生的动能称为“风能”。

风能密度：

空气在1s内以速度V流过单位面积产生的动能称为“风能密度”，表达式，其中，E为风能密度（W/m2），ρ空气质量密度kg/m3，V为风速（m/s）。

6）风力发电机组的功率调节

风力机和发电机是风力发电中的两个关键部分，有限的机械强度和电气性能使其速度和功率受限制，因此，风力机和发电机的功率和速度控制是关键技术之一。

风力机的功率调节利用气动功率调节技术。

风力机在超过额定风速后，由于机械强度和发电容量的限制，必须降低能量的捕获，使发电机组的输出功率在额定值附近，同时减小叶片承受的载荷和风力机所受到的冲击，避免风力机受到损坏，风力机功率调节方式有定桨距失速调节，变桨距调节和主动失速调节3种。

①定桨距失速风力发电机组的调节

一段用于恒速控制，其风力结构特点是：

桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时桨叶的迎风角不能随之变化，在风速超过额定风速后，利用桨叶翼本身迭速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。

优点：

失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过叶桨的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。

其缺点：

叶片重量大，成型工艺复杂，桨叶轮毂、塔架等部件受力较大，机组整体效率低。

②定桨距风力发电机组

这种机组在低速运行时，因风力机的转速不能随风速的变化而调整，使风轮在低风速时效率低（若低风速时效率设计过高，会使桨叶过早的进入失速状态）。

同时发电机本身也存在低负载时效率问题，未解决上述问题，定桨距风力发电机组一般采用4/6极双速发电机。

低速时用小发电机，高速时切换大发电机，这样大大提高发电机输出功率。

直流发电机：

从磁场产生（励磁）的角度分，可分为永磁式直流发电机和电磁式发电机，永磁式直流发电机的定子磁极采用永磁体建立磁场，转子绕组在磁场中转动切割磁感线产生感应电动势，由电动势产生的电流经电刷和换向器输出直流电，电压一般为12V、24V、36V,主要用于微小型风力发电机组件。

直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器。

随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机不断做大，性能大大提高，是一种很有前途的发电机。

风力发电机组的控制策略

风力发电机组的特点和控制要求

风能是一种能量密度低，稳定性较差的能源。

由于风速和风向的随机性，不稳定性及阵风性，令产生风力发电中会产生一些特殊问题，如：

导致风力机叶片攻角不断变化，使叶尖速比偏离最佳值，风能的利用率降低，对风力发电系统的发电效率产生影响，引起叶片的震动与剪切，塔架的弯曲与抖振等，力矩传动链中的力矩波动，影响系统运行的可靠性和使用寿命，使发电机发出的电能的电压和频率随风速而变，风力发电机组的控制主要解决上述相关问题。

风力发电机组是一个复杂多变量非线性系统，具有不确定性和干扰等特点。

控制目标主要有4个：

a）保证系统的可靠运行。

b）能量利用率最大。

c）电能质量高。

d）机组寿命延长。

常规控制功能有6个：

a）在运行的风速范围内，确保系统稳定运行。

b）低风速时，跟踪最佳叶尖比，获取最大风能。

c）高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组输出功率为额定值。

d）减小功率传动链的暂态响应。

e）控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅。

f）调节机组功率，确保机组输出电压和频率稳定。

③变桨距风力发电机组的调节

整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围内（0—900）变化。

变桨距调节是指通过变桨机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机。

④主动失速调节

主动失速调节是变桨距调节和定桨距调节两种方式组合，吸收两者各自的优点。

桨叶采用失速特性，调节系统采用变桨调节，低速时采用变桨距调节，可达更高的气动效率，额定功率后，桨距角向减小的方向转动一个角度，以增加叶片的迭速效应，限制风能捕获。

随着风速变化，桨叶只需微调就可以维持失速状态，这种调节方式不需要很灵敏的调节速度，执行机构的功率较小，系统的效率较高，可减少机械制动的冲击，控制容易，输出功率较平稳。

7）风力发电发展的特点和趋势，

①成本更低，性能更完善。

风力发电通过降低风力发电机和风力机的制造成本，采用低速发电机由风力机直接驱动。

省去齿轮箱，将功率电力电子技术和各种最新的控制理论应用于风力发电及其变网控制中，不断降低成本，改善电能质量，以提高与火力发电、水力发电的竞争能力。

②单机容量越来越大，提高风力机安装高度及增大风力机叶片的直径，以此降低风力发电的成本，提高风能的捕获。

③政府出台一些鼓励政策。

7.2一种风光互换发电系统中双向DC/DC变换的研究

传统的光伏发电系统或风光互补发电系统显然结构简单控制方便，但存在的问题也显而易见。

1）将多个蓄电池串并联形成蓄电池组很难实现对每个蓄电池的充放电状态实施精确检测，也难以控制每个蓄电池充放电状态。

2）光照的强弱或风速的大小将会影响母线电压，从而影响蓄电池的充放电电压，并且蓄电池与母线直接相连，负载的电压将受蓄电池电压的影响。

3）如果某一蓄电池组中某一单个蓄电池出现故障，将会影响整个蓄电池组的运行，降低系统的可靠性。

4）当光照减弱或者风速减少时，太阳能电池的电压低于蓄电池电压或者母线电压时，太阳能电池或风机不能输出功率，造成效率低下。

1）系统的结构与运行原理

1系统结构

该系统包括若干个单向DC/DC和双向DC/DC交换器，双向DC/DC交换器在系统中起传递能量的作用，当风力和光伏陈列发出的能量供给负载有多余时，通过双向DC/DC变换器将能量储存在蓄电池中，反之，当直流母线电压过低时，通过双向DC/DC将蓄电池中的能量传递到直流母线，满足负载需求，该风光互补发电系统直流母线的电压为140V，允许电压波动的范围为+5%，超级电容器组起稳定和平滑母线电压的作用。

系统结构如图7.1所示：

图7.1***系统结构图

ρ值大小随气压、气温和湿度等大气条件的变化而变化，在常温150C和1个标准大气压下，ρ值可取1.225kg/m3。

1风能：

空气在1s时间内以速度V流过截面积S的动能称为风能，表达式为

其中，W为风能（W），E为风能密度（W/m2），S为截面积（m2）。

风能的大小与气流密度和通过的面积成正比，与气流速度的3次方成正比，可见风速对风能的影响很大。

②风能的特点：

优点：

蕴量巨大，可以再生，分布广泛，没有污染。

缺点：

密度低，不稳定，地区差异大。

③风力直流发电机

a）风力发电机结构：

叶片传动系统，增速齿轮箱，刹车系统，电机，塔架，风速风场仪。

b）风力发电机原理：

利用风力带动风车叶片旋转，再经增速机将旋转的速度提升，促使发电机发电，依据目前风车技术，大约是微风速度1m/s便可以开始发电。

在由机械能转换为电能的过程中，发电机及控制器是整个系统的核心，它不仅直接影响整个系统的性能、效率和供电质量，而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。

这里只叙述独立运行风力发电机组中所用的发电机，主要由直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自动方式交流发电机及电容式自励异步发电机。

独立运行发电机一般容量较小，与蓄电池和功率交换器配合实现直流电和交流电的持续供给，通过控制发电机的励磁、转速及功率交换器以产生恒定电压的直流电和恒频的交流电。

独立运行的交流风力发电机系统结构如图7.2所示：

图7.2独立运行的交流风力发电机系统结构

2系统运行原理

当太阳能电池和风力发电机的输出功率大于负载功率时，多余能量通过双向DC/DC变换给蓄电池充电，当太阳能电池和风力发电机的输出功率小于负载功率时，双向DC/DC工作于放电模式，负载断开，双向DC/DC给蓄电池充电，当过放过冲时，双向DC/DC交换器将强制关断，延长蓄电池使用寿命。

2）双向DC/DC交换器结构及控制

1双向DC/DC交换器结构

采用带隔离型复位绕组正激变压器，系统由变压器T1及共磁复位电路，开关管Q1Q2和输出滤波环节L1、C1和C2等部分组成。

图7.3

2双向DC/DC交换器的控制策略

管理核心是监测直流母线电压和蓄电池的容量，来控制双向DC/DC交换器能量传输方向，使其工作在充电、放电、停机3种工作模式，以此来控制蓄电池的充放电，实现对整个系统进行行能量管理。

当开关管Q1工作，Q2不工作时，蓄电池处于充电模式；

当开关管Q2工作，Q1不工作时，蓄电池处于放电模式。

如图7.4给出了系统的能量控制电路图。

通过判断系统处于哪一种工作模式，并向双向DC/DC变换器发出合适的选通信号或者停机信号，以确保双向DC/DC变换的工作在合适的模式，从而实现系统的能量管理。

图7.4双向DC/DC交换器能量控制电路图

当VDCBUS<

VBUS.MiN，且VBA<

VBA.MiN时，V导通和V停机都输出为高电平，此时能量控制电路立即进入停机状态。

当VBUS.MiN<

VDCBUS<

VBUS.MiN且VBA<

VBA.MiN时V导通和V停机都输出低电平，此时路进入蓄电池充电状态。

VBUS.MiN，且VBN>

VDA.MiN时V选通=1，V停机=0,此时蓄电池放电状态。

当VBUS..MiN<

VDCBUS<

VBUS.mAx。

V选通和V停机都输出低电平，此时电路进入蓄电池充电状态。

双向DC/DC变换器采用PWM控制器SG3525构成主控制电路，SG3525可用于