定桨距小型风力发电机控制方法研究

　　摘　要：本文研究了定桨距小型风力发电系统的控制方法。以提高小型风力发电机系统的可靠性及实现系统优化运行为目标，提出了根据叶片与发电机的匹配特性来选择风力发电机控制方案的理念。并根据选定的300W/24V 永磁发电机输出特性，设计出减压控制方案所要求的300W 风力发电机叶片；最后通过试验测试，验证了本文提出的减压小型风力发电机控制方案的可行性和有效性。这对研究小型风力发电系统的可控性、可靠性和耐久性有一定的指导意义和实用价值。
　　1. 引言
　　由于存在效率低和可靠性不高的问题，直接限制了小型风力发电系统的推广和发展。提高小型风力发电机的可靠性可从系统的优化设计和运行控制两方面共同解决，但目前对小型风力发电机的研究通常局限在某一方面，普遍存在将控制方法的选择与叶片、电机的匹配特性相互孤立、分离的现象。因此，在充分考虑叶片与发电机匹配特性的基础上，研究出简单而行之有效的、定桨距小型风力发电机的控制方法是非常必要的。
    本文在详细分析叶片与发电机的匹配特性的基础上，提出了定桨距小型风力发电机的控制方法。并通过300W 风力发电机叶片的设计、样机的风场试验和风洞试验，验证了本文提出的通过调节发电机输出电压控制风力发电机转速和功率的控制方法的有效性及可行性。力求摸索出能够解决小型风力发电机组调控问题的更多、更好的办法。这对小型风力发电系统的推广和应用都有重要的意义。
　　2. 叶片与发电机匹配特性
　　为了分析叶片与发电机的实际匹配情况，将叶片在各种风速下的功率—转速特性曲线分为三个区域，即峰前、峰值和峰后，如图1 所示。从图中可以看出，不同风速下，叶片的输出功率与转速的关系特性曲线中皆有一个最大功率输出值，将这些点连成曲线就得到叶片的最佳功率输出曲线，即最佳功率负载线，如图1 中虚线所示。如果发电机的功率输出曲线正好与图中虚线重合，此时叶片与发电机就达到了最佳功率匹配。
　　实际系统运行时风速不断变化，负载也在不断变化，实际上风力发电机不可能完全按照最佳功率负载线运行。各种风速下的最大功率点称为峰值点，各风速下峰值点对应的转速为最佳转速nopt；风轮转速小于最佳转速nopt 的部分为峰前，风轮转速大于最佳转速nopt 的部分为峰后。实际风力发电机的功率负载线如图1 中风机a 和风机b所示。有的风力发电机工作在峰前，但目前使用的多数风力发电机工作在峰后。
　　3. 定桨距小型风力发电机控制方法的提出
　　小型风力发电系统的研究应包含系统的优化设计和运行控制方法两方面内容。前者是根据系统应用地点的资源和负载特性，对系统各个部件进行合理的选型以及设计, 如发电机、叶片的设计；后者则是通过对系统的动态特性分析，提出切实可行的运行控制策略，采取相应的技术手段实现系统可靠、高效的运行。合理的运行控制方案，对提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性非常重要。本文根据叶片与发电机的不同的匹配方式提出定桨距小型风力发电机的控制方法：最大功率跟踪法、加压控制法、减压控制法。
　　3.1 最大功率跟踪法