风力发电机工作原理及控制方法

　　微型风力发电机

　　微型风力发电机通常是指标称额定功率小于1kW、额定电压范围为12~48V的风力发电机，具有对风能资源要求低、结构紧凑、安装方便等优点。主要用于解决偏远地区和孤岛上的供电问题，为农牧渔民带来生活便利；在小型船舶、无线通信基站和边防哨所等，也将其作为生活和设备的电源；另外，城市风光互补道路照明系统中也会使用额定功率为300~500W的风力发电机。作为独立电源，微型风力发电机要与储能蓄电池配套使用，以***供电的连续性和稳定性。因此，控制器的主要作用是充放电管理，即在***蓄电池的良好状态和使用寿命的前提下，实现风力发电机的高效发电运行。其中，放电控制环节较为简单，根据蓄电池的储能状态进行投/切控制，由蓄电池直接对直流负载供电，或通过逆变器对交流负载供电。而充电控制环节直接影响风力发电机的运行效率，是本文的主要研究内容。目前，微型风力发电机控制器一般采用二极管全桥整流后直接对蓄电池充电的方式，控制简单，成本低廉。但是，由于蓄电池对风力发电机输出电压的钳位作用，不能***系统始终处于最佳运行状态。大型风力发电机组通过各种最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制方法，***系统高效运行。而本文的风电控制器只需通过DC/DC变换，就能实现MPPT功能。然而，DC/DC变换会增加控制器的功耗和成本，影响系统的发电效率和性价比。因此，本文从实际应用出发，采用简单、高效的电路拓扑，开发具有MPPT功能的DC/DC变换器，通过实验比较不同控制方法对系统发电效率的影响，结合风能资源条件和控制器成本，综合评估系统效益，为推广应用提供优化的选型策略和方案。

　　微型风力发电机组成结构

　　系统构成及特性微型风力发电系统的构成，由风力发电机、蓄电池、控制器等组成。微型风力发电机有多种类型，但考虑到产品***度和实际发电效率，以多叶片水平轴风力机直接驱动永磁同步发电机的产品为主，蓄电池组的额定电压一般与发电机的标称额定电压相匹配，控制器承担蓄电池的充放电控制、满足直流负载要求的稳压控制、满足交流负载要求的逆变控制以及当风速高于切出风速时的制动控制等。利用试验平台测试微型风力发电机的运行特性。风洞由4台轴流风机和1台调速控制变频器组成，可提供风速为2~11.5m/s的实验环境；发电机的输出经整流后接可变电阻0~40Ω负载。通过调节风速和电阻值，即可获得不同风速条件下风力发电机的运行特性曲线及准确的最大功率点。对多台水平轴微型风力发电机进行了测试，特性曲线相似。本文以1台5叶片风力发电机为例，规格参数为：额定风速12m/s，切入风速3m/s，切出风速18m/s；额定功率400W，最大功率500W；额定电压24V。

　　控制方法的比较

　　整流直接充电整流直接充电控制电路，发电机的三相交流输出经三相二极管整流桥DB后，直接向蓄电池B充电，开关器件S为充电控制继电器，充电时导通，停运或充满时关断。由于整流电路损耗小，对蓄电池的充电功率与发电机的输出功率近似相等。对24V/100A·h铅酸蓄电池组直接充电的实验结果表明，充电功率Pc基本随着风速线性增长。但对比可知，由于蓄电池对电压的钳位作用，充电功率低于最大功率点功率，且偏差的程度受风速和蓄电池电压的双重影响，而标称额定电压24V的铅酸蓄电池组的正常工作电压范围为22~28V

　　MPPT充电

　　为了实现从切入风速到切出风速范围内的高效充电控制，需要使用DC/DC升降压变换器，低风速时升压，高风速时降压。本文开发了结构简单、功耗较低的Buck-Boost控制器满足低成本的要求，系统结构。发电机的交流输出经整流和平波后，由开关器件S根据扰动观察法调节导通占空比，实现MPPT功能，开关频率为使用Buck-Boost控制器的MPPT充电实验结果，蓄电池的开路电压为24.4V。虽然控制器实现了良好的MPPT功能，发电机的输出功率明显增大，但由于控制电路功耗、高频开关损耗和储能电感L充放电损耗等，实测控制器的转换效率约为83%，对蓄电池的充电功率并未获得相应幅度的增长。与整流直接充电实验结果的比较。在低风速区，2种方法对蓄电池的充电功率都很小，差别可忽略不计；在中风速区，MPPT充电的充电功率反而略低；只有在高风速区，MPPT充电才略显优势