小型風力發(fā)電系統(tǒng)能量管理集成控制的研究.pdf

1、風能是可再生能源中最重要的能源之一,風力發(fā)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、推動生態(tài)和環(huán)境建設(shè)具有十分重要的意義。小型風力發(fā)電系統(tǒng)具有投資小、使用靈活的特點,非常適合于解決居住相對分散、風力資源較好的無電地區(qū)居民的用電問題,具有廣闊的市場前景。小型風力發(fā)電系統(tǒng)雖然已經(jīng)在國內(nèi)外大規(guī)模使用,但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(fā)電系統(tǒng)的推廣應(yīng)用和發(fā)展。本文引入能量管理集成控制的思想,從分析系統(tǒng)工作原理、能量流動關(guān)系和工作模式轉(zhuǎn)換入手,通

2、過系統(tǒng)數(shù)學建模、仿真研究和實驗研究,以期實現(xiàn)小型風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行。論文首先簡述了風力發(fā)電的意義和風能利用及風力發(fā)電歷史,綜述了美國、加拿大、歐洲和我國的小型風力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,總結(jié)了小型風力發(fā)電的應(yīng)用狀態(tài)及存在問題,概括了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的國內(nèi)外研究狀況。其次,為了提高小型風力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率和可靠性,采用了定槳距風力機直接耦合永磁同步發(fā)電機的拓撲結(jié)構(gòu),在二極管整流橋與蓄電池之間插入DC/DC變換器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié),結(jié)合

3、機械折尾翼與耗能電阻方式進行風力機限速保護。介紹了研究的小型風力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的工作原理,闡述了風力機運行特性、DC/DC變換器阻抗變換原理及通過DC/DC變換器實現(xiàn)最大功率跟蹤控制和負載跟蹤控制的功率調(diào)節(jié)原理。第三,分析了傳統(tǒng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)的工作特性,指出了系統(tǒng)無功率調(diào)節(jié)及風力機與發(fā)電機功率匹配不盡合理是系統(tǒng)效率低的主要原因,系統(tǒng)不對充放電電流進行控制會引起蓄電池提前損壞。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運行,將能量管理集成控制思想引入

4、小型風力發(fā)電系統(tǒng),完成對系統(tǒng)內(nèi)部能量變換、流動及設(shè)備安全保護的檢測和控制。分析了小型風力發(fā)電系統(tǒng)中的能量流動關(guān)系以及系統(tǒng)可能的工作模式,找出能量在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換的規(guī)律和工作模式轉(zhuǎn)換條件,建立了工作模式轉(zhuǎn)換圖。第四,介紹了最大功率跟蹤控制方法的原理,給出了一種無機械傳感器的最佳功率給定法,針對小型風力發(fā)電系統(tǒng)的非線性和時變性特點,設(shè)計了一種自整定型模糊PID控制器進行功率調(diào)節(jié)。第五,分析了鉛酸蓄電池的工作特性和影響蓄電池壽命的各種因素,結(jié)合

5、快速充電原理和風力發(fā)電系統(tǒng)特性,提出了一種變電流快速充電和基于電流補償?shù)幕夭铍妷悍烹娍刂撇呗浴Ｗ冸娏骺焖俪潆娍刂萍饶軌蚩焖賰Υ婺芰?又可以避免過充電;具有電流補償功能的回差電壓放電控制能夠保證在不同放電電流下蓄電池放出相同的能量,同時又避免過放電。第六,建立了小型風力發(fā)電系統(tǒng)的各組成部分的數(shù)學模型,針對能量管理集成控制的小型風力發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出連續(xù)子系統(tǒng)和離散子系統(tǒng)并存的混雜系統(tǒng)特性,給出了利用Stateflow仿真環(huán)境實現(xiàn)能量管理集成控

6、制中工作模式間轉(zhuǎn)換的邏輯控制。基于MATLAB平臺建立了仿真電路,并對能量管理集成控制中的最大功率跟蹤控制、負載跟蹤控制和蓄電池充放電控制進行了仿真研究,仿真結(jié)果驗證了小型風力發(fā)電系統(tǒng)能量管理集成控制方案的正確性和可行性。最后,設(shè)計并制作了一臺具有能量管理集成控制功能的小型風力發(fā)電系統(tǒng)智能控制器,功率主電路選用Buck變換器進行功率調(diào)節(jié),利用單片機C8051F410作為控制單元。在實驗室環(huán)境下搭建了小型風力發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺,利用該實驗平