獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

能源 、環(huán)境是當(dāng)今人類(lèi)生存和發(fā)展所要解決的緊迫問(wèn)題。能源的發(fā)展按照可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略原則，在開(kāi)發(fā)利用常規(guī)能源的同時(shí)，應(yīng)更加注重開(kāi)發(fā)利用對(duì)生態(tài)有利的新型能源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、水能等。風(fēng)力發(fā)電由于清潔無(wú)污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已受到世界各國(guó)政府的高度重視。中國(guó)陸地風(fēng)能資源的理論開(kāi)發(fā)值為3226 GW，近海風(fēng)能是陸地的3倍，50m高區(qū)域風(fēng)能是l0m高區(qū)域的2倍,風(fēng)能資源十分豐富。因此,風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的一個(gè)重要方向。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為了保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定電能，控制器的合理設(shè)計(jì)是十分重要的。

獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于不需要并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)輸出必須隨著負(fù)載的變化而變化，由于風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性以及負(fù)載的變化大大地增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。研究控制系統(tǒng)的目的就是盡量保持系統(tǒng)的輸出在我們希望的范圍之內(nèi)。在獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)速和負(fù)載作為輸入是不斷變化的，因此系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)風(fēng)速變化，滿足負(fù)載需要，并使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在安全合理的范圍之內(nèi)。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

風(fēng)力發(fā)電由于清潔無(wú)污染，施工周期短，投資靈活，占地少，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已受到世界各國(guó)政府的高度重視

二、需求分析

2.1 功能要求

蓄電池是整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)中較薄弱的環(huán)節(jié)而且運(yùn)行周期短，這就給小型風(fēng)電系統(tǒng)的推廣使用造成了一定難度。所以在獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電系統(tǒng)有不同于其它系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，其特殊性表現(xiàn)在:

（1)受風(fēng)能的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性的影響，需要用電的時(shí)候不一定有風(fēng)，不需要用電的時(shí)候風(fēng)速可能很大，并且捕獲的風(fēng)能大于負(fù)載用電量時(shí)，可能造成風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)大，導(dǎo)致飛車(chē);電流過(guò)大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載，燒毀線圈;

（2)蓄電池的充電電源來(lái)自于風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)發(fā)電量是有限的，容易造成低風(fēng)速時(shí)，蓄電池欠充;高風(fēng)速時(shí)，蓄電池過(guò)充。

對(duì)系統(tǒng)的控制應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求:

1、能夠跟蹤最大功率;（風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制）

2、使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與負(fù)載功率相匹配;

3、對(duì)蓄電池合理充電，防止過(guò)充或過(guò)放;（蓄電池組的優(yōu)化控制策略）

2.2 性能要求

對(duì)系統(tǒng)的控制應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)要求:

1、能夠跟蹤最大功率;（風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制）

2、使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與負(fù)載功率相匹配;

3、對(duì)蓄電池合理充電，防止過(guò)充或過(guò)放;（蓄電池組的優(yōu)化控制策略）

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本文提出的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2所示，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載跟蹤和充放電集成控制.它主要包括風(fēng)力機(jī)、三相永磁同步發(fā)電機(jī)、橋式整流器、DC/DC變換器、蓄電池、逆變器、驅(qū)動(dòng)電路以及控制系統(tǒng)幾個(gè)組成部分.風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電,所發(fā)出的交流電經(jīng)整流后給蓄電池充電或供給負(fù)載;逆變器將蓄電池或斬波器輸出的直流電變換成交流電供負(fù)載使用;DC/DC變換器用來(lái)改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率和控制蓄電池充放電;卸荷負(fù)載用來(lái)保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

主控制器用Atmega，驅(qū)動(dòng)器件用TC4427E,輔助電源用UC3845.

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 系統(tǒng)軟件流程（除圖片外需有文字介紹）

人為地施加轉(zhuǎn)速擾動(dòng)變化量,根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出功率的變化確定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制增量,通過(guò)控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使得風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速趨于給定,反復(fù)執(zhí)行上述搜索策略,直到風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。由于不同風(fēng)速下,風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速—功率曲線呈類(lèi)拋物線關(guān)系,搜索法通過(guò)不斷改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)沿拋物線變化, 直到自動(dòng)搜索到發(fā)電機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速點(diǎn)。

3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

1、能夠跟蹤最大功率;（風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制）

2、使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與負(fù)載功率相匹配;

3、對(duì)蓄電池合理充電，防止過(guò)充或過(guò)放;（蓄電池組的優(yōu)化控制策略）

在獨(dú)立運(yùn)行小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)速和負(fù)載作為輸入是不斷變化的，因此系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)風(fēng)速變化，滿足負(fù)載需要，并使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在安全合理的范圍之內(nèi),保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出穩(wěn)定電能。

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