定槳距小型風力發電機控制方法研究

　　摘　要：本文研究了定槳距小型風力發電系統的控制方法。以提高小型風力發電機系統的可靠性及實現系統優化運行為目標，提出了根據葉片與發電機的匹配特性來選擇風力發電機控制方案的理念。并根據選定的300W/24V 永磁發電機輸出特性，設計出減壓控制方案所要求的300W 風力發電機葉片；最后通過試驗測試，驗證了本文提出的減壓小型風力發電機控制方案的可行性和有效性。這對研究小型風力發電系統的可控性、可靠性和耐久性有一定的指導意義和實用價值。
　　1. 引言
　　由于存在效率低和可靠性不高的問題，直接限制了小型風力發電系統的推廣和發展。提高小型風力發電機的可靠性可從系統的優化設計和運行控制兩方面共同解決，但目前對小型風力發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、分離的現象。因此，在充分考慮葉片與發電機匹配特性的基礎上，研究出簡單而行之有效的、定槳距小型風力發電機的控制方法是非常必要的。
    本文在詳細分析葉片與發電機的匹配特性的基礎上，提出了定槳距小型風力發電機的控制方法。并通過300W 風力發電機葉片的設計、樣機的風場試驗和風洞試驗，驗證了本文提出的通過調節發電機輸出電壓控制風力發電機轉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力發電機組調控問題的更多、更好的辦法。這對小型風力發電系統的推廣和應用都有重要的意義。
　　2. 葉片與發電機匹配特性
　　為了分析葉片與發電機的實際匹配情況，將葉片在各種風速下的功率—轉速特性曲線分為三個區域，即峰前、峰值和峰后，如圖1 所示。從圖中可以看出，不同風速下，葉片的輸出功率與轉速的關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。如果發電機的功率輸出曲線正好與圖中虛線重合，此時葉片與發電機就達到了最佳功率匹配。
　　實際系統運行時風速不斷變化，負載也在不斷變化，實際上風力發電機不可能完全按照最佳功率負載線運行。各種風速下的最大功率點稱為峰值點，各風速下峰值點對應的轉速為最佳轉速nopt；風輪轉速小于最佳轉速nopt 的部分為峰前，風輪轉速大于最佳轉速nopt 的部分為峰后。實際風力發電機的功率負載線如圖1 中風機a 和風機b所示。有的風力發電機工作在峰前，但目前使用的多數風力發電機工作在峰后。
　　3. 定槳距小型風力發電機控制方法的提出
　　小型風力發電系統的研究應包含系統的優化設計和運行控制方法兩方面內容。前者是根據系統應用地點的資源和負載特性，對系統各個部件進行合理的選型以及設計, 如發電機、葉片的設計；后者則是通過對系統的動態特性分析，提出切實可行的運行控制策略，采取相應的技術手段實現系統可靠、高效的運行。合理的運行控制方案，對提高系統供電的連續性、穩定性和可靠性非常重要。本文根據葉片與發電機的不同的匹配方式提出定槳距小型風力發電機的控制方法：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