小型风力发电机的最大输出功率

小型风力发电机的最大输出功率 上海交通大学 (200030)　金如麟　谭　娃 　　1　概述 风力发电是将自然界中的风能转变成电能的 装置。这种电能的转换由于无污染、低成本、且用之 不尽而受到人们的重视, 成为近年来世界各国大力 开发利用的一种新能源。但风力发电受环境影响很 大, 大风、小风甚至无风会造成发电机输出特性有 大范围的变化, 而负载通常要求有恒定的电压供 电。对于电网附近的大型风力发电站, 人们常采用 异步发电机与电网并联运行的方式, 依靠大容量的 电网来调节补偿不同环境影响时风力发电机的输 出。对无电网存在的诸如海岛、沙漠、高山等场合, 只能用小型的独立风力发电站供电。该类风力发电 机通常可采用永磁直流发电机或永磁交流发电机。 为保证在风力不足时, 负载仍能得到所需电功率; 在风力足够大时又能将供应负载所需功率以外富 余的电能储存起来, 通常对这种小型风力发电站采 用直流供电方式, 同时引入一组蓄电池调节电能的 储存和供应。在风力发电机给负载供电的同时, 亦 给蓄电池充电。如采用永磁交流发电机, 则必须经 整流后给负载和电池供电。通常风力发电机的输出 电压变动范围很大, 往往不能直接与负载匹配供 电, 为此, 可在发电机与负载之间接入一直流电压 变换器, 其输入与输出电压之比可任意改变。同样 道理, 在发电机与蓄电池之间, 蓄电池与负载之间 也应引入直流电压变换器。图 1 就是一个小型的风 力发电站系统示意图。 图 1 图 2 中曲线 1 是在一定风速下的发电机输出 特性 u= f ( i) , 直线 1′为负载的负载特性, 它们的 交点即为系统的工作点。显然, 不同的负载阻抗 Z , 负载特性斜率不同, 工作点有所不同, 风力发电机 在工作点上的输出电功率 P = u·i 也不同。如果 我们能随意地改变负载阻抗, 则可以使负载特性与 输出特性的交点达到最大的输出功率 P m 1。当风力 条件变化时, 发电机的输出特性假设变化为曲线 2, 我们可以相应地调整负载阻抗, 使它在输出特性 为 2 时仍能有最大的输出功率 P m 2。在不同的环境 条件, 按输出最大功率的要求来进行调整, 则能得 到风能的最大利用。 图 2　风力发电机的输出特性和最大功率的决定 图 1 中所设置的直流电压变换器既可起到发 电机与负载之间的电压匹配作用, 也能通过改变直 流电压变换器的输入阻抗, 使发电机处于最大输出 电功率状态。 　　2　直流电压变换器 利用电力电子技术, 直流电压变换器既可做成 升压变换器, 也可做成降压变换器[ 1 ] , 图 3a 是风力 发电系统中适用的直流升压变换器原理图。图中 S 为电子开关, 由功率半导体器件做成, 它周期性地 通、断工作, 通断时间比 (即占空比) Κ= T eöT。 开关 S 闭合时, 电源U 1 通过电感L 和开关 S 被短路, 如忽略回路电阻, 输入电流 i1 将按线性规 律随时间上升 i1= I 0+ U 1 L t (1) 能量将在电感L 中被储存。式中 I 0 为初始电流值, 假设它为零。当时间 t= T e= ΚT 时, 电流上升至最 大值 I a , 即 i1= I a= U 1 L ΚT (2) 73《中小型电机》2000, 27 (2) 小型风力发电机的最大输出功率　　　　　　　　　　 　 在时间 t= T e 时刻, 开关 S 断开, 电感中的反 电势和电源电压U 1 串联相加, 共同通过二极管D 向负载供电。随着电感L 中储能的释放, 输入电流 i1 将按线性规律下降 i1= I a+ U 1- U 2 L t (3) 此时U 2> U 1, 故称为直流升压变换器。如果控制电 子开关 S 每到电流 i1 下降至零时就让它开通, 当 电流上升至 I a 时就让它关断, 则可得图 3b 中的电 流变化波形。输入电流的平均值为 I 1= I a 2 = U 1 2L ΚT (4) 变换器的等效输入阻抗 Z = U 1 I 1 = 2LΚT (5) 电子开关 S 的导通时间 T e= ΚT 可以通过控制电 路, 用一控制电压U c 来任意改变它的大小。由此可 见, 开关 S 的导通时间 ΚT 变大, 直流升压变换器 的输入阻抗 Z 将变小。换句话说, 直流电压变换器 的输入阻抗 Z 的大小可以通过控制电压U c 来人 为改变。这种控制性能正好被用在小型风力发电系 统中, 使发电机的输出功率达到最大值。 图 3　直流升压变压器 　　3　小型风力发电机最大功率输出 点的自动寻找 　　自动搜索最大功率点方法示意图见图 4。在图 4b 中, 风力发电机输出特性上最大输出功率点 P m 的两边取 2 个边界功率点 P Α和 P Β, 通过改变系统 参数 (控制电压U c) 使发电机的工作点在这 2 个边 界功率点 P Α和 P Β 之间来回振荡, 平均来说可得到 一个接近最大功率的输出。图 4a 是它的线路结构 框图, 图中有一个积分器受开关逻辑的控制, 接至 正的或负的恒定电压上, 积分器的输出则作为系统 的调整参数U c。 图 4　自动寻找最大输出功率方法示意图 现假设开关 S 同正电压相接, 则积分器的输出 电压U c 将上升, 由它控制的直流电压变换器的输 入阻抗 Z 将变小, 发电机的工作点会沿着输出特 性向下移动, 输出电压U 也将相应减小。如果选择 积分器的时间常数足够大, 系统的其它部分相对于 积分器的工作来说, 总是处于稳定状态 (即忽略它 们的过渡过程)。当满足条件 U ≤KU Α　 (0< K < 1) (6) 开关逻辑将使开关 S 转接到负电压上, 控制电压 U c 开始下降, 系统中电压变换器的输入阻抗增大, 发电机的工作点则沿着输出特性向上移动, 输出电 流 I 将相应减小; 当满足条件 I≤K I Β　 (0< K < 1) (7) 时, 开关逻辑将使开关 S 重新换接到正电压上, 工 作点又开始向下移动; 如此循环不已, 实现了工作 点的自动振荡。 如果在上述换接点取相同的系数 K 值, 即有 U Β= KU Α I Α= K I Β (8) 由此可得 I Α·U Α= I Β·U Β (9) 即 P Α= P Β (10) 83　 　　　　　　　　　　小型风力发电机的最大输出功率 《中小型电机》2000, 27 (2) 也就是说, 稳定振荡时 2 个边界点上的功率是相同 的。显然, 这 2 个边界工作点一定是在最大功率输 出点的两边, 才有可能出现 P Α= P Β。如果选择系数 K 越接近 1, 则系统工作点将在很接近最大功率点 P m 的周围来回振荡, 系统的平均输出功率就越接 近最大值。 边界工作点 P Α和 P Β 可以很简单地求得。根据 选定的系数 K 和已知的风力发电机输出特性U = f ( I ) , 可以在U = f ( I ) 图上同时画出曲线 K ·U ( I ) 和 K ·I (U ) (图 4b 中虚线) , 它们的交点坐标 就给出了 P Β 点的横坐标 I Β 和 P Α点的纵坐标U Α。 该系统无论起始工作点位置在什么地方, 工作 点都会迅速接近最大功率输出点, 并最终在最大功 率点左右来回稳定地振荡。此外, 不论风力发电机 的输出特性受环境影响发生了什么变化, 系统都会 自动地调整到这样的最大功率输出状态。 系统工作所必须的U Α 和 I Β 可以用峰值测量 器来测量并保持, 这种测量再加上 2 个比较器就可 构成一个简单的开关逻辑。整个系统结构框图见图 5。 图 5　风力发电机最大功率输出的简化系统框图 　　4　小结 本文所介绍的风力发电机系统自动搜索最大 功率输出的方法与通常的自适应系统相比, 具有简 单、可靠及能在各种环境条件下自动地趋于最大功 率输出状态等特点。系统虽然追求最大的功率输 出, 但工作中并不测量系统的实际功率值, 从而可 省略一般计算功率 P 所需的乘法器, 使线路更简 单。 收稿日期: 1999203212 单相异步电机电磁计算软件 SCMD 简介 SCM D 软件是在综合分析国内外单相异步电机设计程序基础上, 结合国内生产实际编制的, 它适用 于电阻分相起动、电容起动、电容运转以及双值电容电动机。定子采用半闭口的圆底槽或平底槽, 转子采 用半闭口槽及闭口槽等 6 种槽形。 本软件具有下述功能: 11 可按给定的定转子铁心尺寸、槽形尺寸和主副绕组数据进行电磁性能核算。 21 给定定子铁心长度的初值、步长、终值和主副绕组每极串联导体数的初值、步长、终值, 可进行多 核算。 31 定子主副绕组可为任意分布方案的正弦绕组或主绕组 120°相带、副绕组 60°相带。 41 具有一定的自动计算功能, 可由计算机自动选择正弦绕组的分布方案、主副绕组每极串联导体数 和线径。 51 可计算转子导条、端环电流及电流密度。 61 可选择计算M 2S 曲线和负荷率曲线。 71 具有新颖的人机界面 (管理程序) , 用户可以完成数据输入、修改、计算、打印等全部设计工作。 81 具有设计数据库, 用户可以方便地查询所有输入数据和计算结果。 上海电器科学研究所电机分所 联系地址: 上海市武宁路 505 号　邮政编码: 200063 电话: (021) 62574990×443, 446　联系人: 傅丰礼　郑虹亿 93《中小型电机》2000, 27 (2) 小型风力发电机的最大输出功率