（电气工程专业论文）高原地区风光互补发电系统关键技术研究.pdf

。 l o - 本学 授权北京 提供阅览 同意学校 ( 保 学位 签字 | r e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g yo fw i n ds o l a rh y b r i d p o w e r s y s t e mi nt h ep l a t e a u 作者姓名：刘栋 导师姓名：吴命利 吴振升 学位类别：工学硕士 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 5 6 职称：教授 副教授 学位级别：硕士 研究方向：电力系统及其自动化 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 1 的谢意。 在实验室工作 热情帮助，在此向 另外也感谢我 1 一 中文摘要 中文摘要 摘要：随着能源危机与环境污染的加剧，可再生能源的开发和利用越来越受到人 们的重视。在当前可利用的几种可再生能源中，太阳能和风能是应用比较广泛的 两种。太阳能、风能在资源条件和技术应用上都有很好的互补特性，综合考虑太 阳能和风能在多方面的互补特性而建立起来的风光互补发电系统是一种经济合理 的供电方式。因此对风光互补发电系统研究具有重要的理论意义和实用价值。本 文工作包括以下内容： 本文首先分析风光互补发电系统结构特点和运行原理，详细阐述系统中重要 组件的工作特性及其在系统中的重要作用。为后文中系统控制策略的给出和系统 的设计奠定理论基础。 其次，对风能资源评估的分析方法进行研究，并对各种分析方法编程。通过 比较，给出了适用于高原地区的风能资源评估方法。该研究是风光互补电站建设 的基础，它直接关系到系统的优化设计。 然后，研究了风力发电、光伏发电以及蓄电池充电的控制策略，重点研究了 风能；太阳能最大功率点跟踪控制( m p p t ) 策略。给出了一种新的无需机械传感 器风能最大功率追踪跟踪控制策略，即基于灰关联分析的风能最大功率跟踪控制 策略，并基于m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真模型，进行风速变化情况下的仿真研 究。仿真结果表明，基于灰关联分析的最大功率跟踪控制策略能够非常有效的实 现风能最大功率跟踪。建立了太阳能发电系统各部分的仿真模型并仿真。仿真结 果表明，干扰观测法能有效地实现最大功率跟踪，是一个简单有效的最大功率跟踪 方法。给出了一种完全利用硬件电路实现的太阳能最大功率跟踪控制的设计方法， 对采样和信号调理电路，驱动电路，三角波发生电路，延时电路进行设计，并用 m u l t i s i m i o 对设计电路进行建模仿真，验证了所设计电路的可行性。 最后，通过对选定地点风力资源、太阳能资源以及负载情况数据的整理分析， 在保证负载用电需求的条件下，实现风力机、光伏阵列和蓄电池的合理匹配。 关键词：风光互补发电；最大功率点跟踪：灰关联分析；风能；太阳能 中图分类号：t m 6 1 | j a n du t i l i t yv a l u e t h en l a l nc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sb e l o w ： t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o np r i n c i p l eo fw i n ds o l a rh y b r i dp o w e r s y s t e ma 陀a n a l y z e d w o r kc h a r a c t e r i s t i c so ft h ek e yc o m p o n e n t sa n dt h e i ri m p o r t a n t f u n c t i o n sp l a y i n gi ns y s t e ma r ee x p a t i a t e di nd e t a i l i tm a k e sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o rp r o p o s i n gc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dd e s i g no f h y b r i dp o w e rs y s t e m s e c o n d l y , w i n de n e r g y r e s o u r c ea s s e s s m e n t a n a l y s i s m e t h o d sh a v e b e e n i n v e s t i g a t e d a n dt h ep r o g r a m so fe a c ha n a l y s i sm e t h o d sa r eg i v e ni nt h i sp a p e r b y c o m p a r i n g ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw i n de n e r g yr e s o u r c ea s s e s s m e n ta n a l y s i sm e t h o d a p p l y i n gt oq i n g h a l - x i z a n gp l a t e a ur e g i o n t h i ss t u d yi st h eb a s i co ft e s t i n gs y s t e m d e s i g n , w h i c hi n f l u e n c e sd i r e c t l yt h eo p t i m a ld e s i g no ft h ew i n ds o l a rh y b r i ds y s t e m t h e nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fw i n dt u r b i n e ，s o l a rc e l l sa n db a t t e r yc h a r g i n ga r e a n a l y z e d a n dt h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ew i n de n e r g ya n dt h es o l a re n e r g y m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n gs t r a t e g i e s an o v e lw i n ds o u r o em p p tc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do n g r e y r e l a t i o n a n a l y s i s i s p r o p o s e d i nt h i sp a p e r a n db a s eo n m a t l a b s i m u l i n k , s e v e r a ls t u d i e sa 陀p e r f o r m e dt ot e s ti t so p e r a t o ru n d e rd i f f e r e n t w i n dc o n d i t i o n s t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es y s t e mc a nt r a c kt h e m a x i m u mp o w e rp o i n t se f f e c t i v e l yb yu s i n gt h i sm e t h o d t h em o d e l so fs o l a rp v s y s t e ma l ea l s ob u i l tb a s e do nm a t a l b s i m u l i n k 1 1 1 es i m u i a t i o nr e s u l t si n d i c a t e t h a tp e r t u r b & o b s e r v ea l g o r i t h mi sa l s oa ne f f e c t i v em e t h o dt oa c h i e v et h em a x i m u m p o w e rp o 砬t r a c k i n g 、衍ms i m p l ea l g o r i t h m t h i sp a p e ra l s op r o p o s e sas o l a rm p p t c o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o du s i n gs i m p l ea n di n e x p e n s i v ea n a l o gc i r c u i t r y h a r dw a r e c i r c u i to fw i n ds o l a rh y b r i dp o w e rs y s t e mi sd e s i g n e dp r e l i m i n a r i l yi n c l u d i n gs a m p l i n g a n ds i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，d e l a yc i r c u i t ，t r i a n g u l a rw a v eg e n e r a t i n g v 北京交通大学硕士学位论文 c i r c u i t ，e t c t h ed e s i g nc i r c u i t sa l os i m u l a t e du s i n gm u l t i s i m l 0 ，a n dv a l i d a t e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nc i r c u i t f i n a l l y ，t h ec o l l e c t e dd a t ao f w i n da n ds o l a re n e r g yr e s o u r c ea n dt h ep o w e r c o n s u m p t i o no ft y p i c a lu s e ro ft h es e l e c t e da r e aa r ea n a l y z e d , a n dt h er e a s o n a b l e m a t c h i n go fw i n dt u r b i n e ，s o l a rg e n e r a t i n gs y s t e ma n db a t t e r yi sa c h i e v e du n d e rt h e p r e c o n d i t i o no fg u a r a n t e e dp o w e rc o n s u m p t i o n k e y w o r d s ：w i n ds o l a rh y b r i dg e n e r a t i o n ；m a x i m u mp o w e rp o i n t ( r a c k i n g ；g r e y r e l a t i o na n a l y s i s ；w i n de n e r g y ；s o l a re n e r g y c l a s s n o ：t m 6 1 目录 目录 中文摘要 a b s t r a c t l 绪论j 。 1 1 选题的背景。 1 1 1 能源与环境污染问题 1 1 2 可再生能源综合利用 1 2 课题研究的意义。 1 2 1 风光互补发电系统的提出 1 2 2 课题研究的意义 1 3国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 风光互补发电研究现状 1 3 2 国内外发展趋势 一1 4 论文研究的主要内容 2 独立风光互补发电系统 2 1 独立风光互补发电系统的总体结构。 2 2 风力发电机组的构成。 2 2 1 风力机 2 2 2 发电机 2 3 太阳能光伏电池的工作原理和特性 2 3 1 太阳能光伏电池的基本原理 2 3 2 太阳能光伏电池的输出特性一 2 4 蓄电池。 2 4 1 铅酸蓄电池的工作原理 2 4 2 铅酸蓄电池的充放电特性 2 5 小结 3 高原地区风能资源评估方法研究 3 1 韦布尔分布参数估计 3 1 1 双参数韦布尔分布函数 3 1 2 参数估计 3 2 风能特征值计算 3 2 1 平均空气密度2 5 3 2 2 平均风能密度的计算2 6 3 2 3 平均有效风能密度计算。2 6 3 2 4 风能可利用时间计算。2 7 3 2 5 利用历史风速资料直接计算风能2 7 3 3 实例分析2 8 3 4 小结“3 0 4 风光互补发电系统控制策略研究及其建模仿真31 4 1 蓄电池充放电能量管理控制策略3 1 4 1 1 蓄电池充电方法3 1 北京交通大学硕士学位论文 4 1 2 蓄电池的运行方式3 3 4 1 3 独立风光互补发电系统总体控制方案3 3 4 1 4 独立风光互补发电系统能量管理控制3 5 4 2 风机最大功率跟踪( m p p t ) 控制策略3 6 4 2 1 风力机最大风能捕获原理3 6 4 2 2 灰关联分析3 8 4 - 2 3 基于灰关联分析的最大功率跟踪控制的策略4 0 4 3 太阳能发电最大功率点跟踪( m p p t ) 控制策略4 3 4 3 1 太阳能发电最大功率点跟踪控制原理4 3 4 3 2 太阳能发电m p p t 算法4 3 4 4 基于灰关联分析的风力m p p t 建模及其仿真4 9 4 4 1 风能发电m p p t 建模4 9 4 4 2 仿真结果及分析5 5 4 5 太阳能m p p t 控制策略建模及其仿真。5 9 4 5 1 太阳能发电m p p t 建模5 9 4 5 2 仿真结果及分析6 2 4 6 太阳能最大功率跟踪器的硬件设计6 6 4 6 1 太阳能最大功率跟踪器硬件实现方法6 6 4 6 2 太阳能最大功率跟踪器硬件电路设计6 9 4 7 小结一7 8 5 风光互补发电系统的容量匹配计算8 0 5 1 风能太阳能资源数据以及负荷数据8 0 5 1 1 风能资源数据：8 0 5 1 2 太阳能资源数据。8 2 5 1 3 负荷数据。8 2 5 2 风光互补发电系统容量匹配计算8 3 5 2 1 风力发电机的容量选择计算8 3 5 2 2 光伏阵列的选择计算8 6 5 2 3 计算结果分析8 7 5 2 4 蓄电池和逆变器容量的选择8 8 5 3 风光互补发电系统的安装与调试8 8 5 4d 、结9 1 6 结论。j ：9 2 参考文献9 4 作者简历9 6 独创性声明一9 7 学位论文数据集9 8 l 绪论 1 1 选题的背景 1 1 1 能源与环境污染问题 1 绪论 能源是人类赖以生存的五大元素之一，是国民经济和社会发展的重要战略物 质，是经济发展的“火车头 ，能源已成为制约国民经济发展的重要因素。当前在 生产和生活中起重作用的能源主要有五大类：煤炭、石油、天然气、水和核裂变能。 这些能源被称为常规能源，目前世界上能源的消耗几乎全靠这五大能源来供应。 随着世界经济的深入发展和国际工业化的进程，世界各国对能源的需求越来越大， 虽然，人类的技术进步旨在提高能源的利用效率、减少能源的消耗，但现今的能 源生产量依然满足不了人类发展的需求，全球范围内的能源危机也日益突出。经 过第一次世界范围内“石油危机一的冲击，人类认识到地球蕴藏的矿物资源是有 限的，总有一天会被耗尽，现实也告诫人们，要生存就必须寻求开发新能源。人 类日益增长的环境保护意识和提高生活质量的需求，要求减少常规能源对环境的 污染，优先发展清洁能源。 目前煤炭、石油、天然气等能源开采利用中大量排放出的s 0 2 、c 0 2 、烟尘及 汽车尾气是造成世界环境污染的主要原因之一。许多国家通过立法，强制性地增 加高效、清洁的新能源及可再生能源比例，限定s 0 2 、c 0 2 和烟尘排放量，增收排 污费等措施有利地促进了新能源和可再生能源的发展。1 9 9 7 年1 2 月，在日本京都 召开的全球气候变化缔约方会议上达成了对发达国家减排c 0 2 的协议，协议要求 在2 0 0 8 2 0 1 2 年期间将c 0 2 排放量限制在比1 9 9 0 年低6 8 的水平上。我国人们 在生活水平达到小康之后，开始更加注重生活质量和环境保护，治理污染、发展 清洁能源已是人们的普遍要求【l j 【2 j 。 1 1 2 可再生能源综合利用 可再生能源主要指太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等自然 能源。据有关专家测算，仅太阳能、风能、水能和生物质能在现有的科学技术水 北京交通大学硕士学位论文 平下，全球一年可获得的资源量大约是2 0 0 0 年全世界一次能源消费量的7 2 倍， 比2 0 2 0 年的能源需求量还要多4 倍，预测到2 0 5 0 年左右，可再生能源发电将达 到世界总发电量的3 0 - - 4 0 左右，成为人类的基础能源之一1 3 】。 可再生能源的利用问题，在1 9 9 2 年“世界环境与发展大会 以后，受社会可 持续发展要求的推动，进一步被提到了人类发展战略的高度，受到了各个国家的 高度重视。我国政府就环境与发展问题提出了一系列对策措施，其中明确要求“因 地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等新能源”，并在 中国2 1 世纪发展议程中强调了发展可再生能源对我国经济持续发展和环境保护的 重要作用【4 j 。 例如，为了给边远无电地区的人民送去光明，我国发展计划委员会牵头制定 了“中国光明工程 计划。计划到2 0 1 0 年，利用风力发电和光伏发电技术解决2 3 0 0 万边远地区人口的用电问题，使他们达到人均拥有发电容量1 0 0 瓦的水平，相当 于届时全国人均拥有发电容量1 3 的水平。同时还将解决地处边远地区的边防哨 所、微波通讯站、公路道班、输油管线维护站、铁路信号站的基本供电问题。作 为可再生能源发展战略的一部分，可再生能源的综合利用对促进我国可再生能源 的开发利用及广大边远地区经济的可持续发展有着积极的作用1 5 j 。 首先，综合利用可再生能源以当地可再生能源情况为基础，有利于各地可再 生能源因地制宜地开发。尤其在广大边远地区，充分利用各种可再生能源的优势， 对建立独立可靠的能源供应系统有着重大的意义。 其次，综合利用可再生能源可以充分利用各种资源开发利用的时间差，实现 多能互补，提高可再生能源的利用率，满足人民生活和生产中连续能源的需求。 同时，这也有利于尽量减少多余能量的蓄能装置配备容量的需求，以避免能源经 多次转换而造成的损耗，提高能源利用效率和降低成本。 再者，可再生能源的综合利用可根据不同情况，达到资源利用和需求匹配的 最佳效益。在可再生能源综合利用的过程中，可依据用户对各种能源的需求，从 成本一效益的角度考虑，实现资源供应和需求的最佳匹配，从而达到整个系统的 最优性价比。 总之，通过综合利用可再生能源可以将各种可利用的可再生能源有机地联系 在一起，建立一个多能互补、经济高效的能源供应系统，再加以科学的管理和运 行控制方法，能够获得最大的利用效益嘲。 2 风光互补发电与单独的风力发电或光伏发电相比较，有以下优点： 1 ) 利用风能、太阳能的互补特性，可以获得比较稳定的总电能输出，系统有较高的 供电稳定性和可靠性； 2 ) 在保证同样供电的情况下，可大大减少储能蓄电池的容量； 3 ) 对混合发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风光互补系统供电很少或 3 北京交通大学硕士学位论文 基本不用启动备用电源如柴油发电机等，并可获得较好的社会效益和经济效益。 1 2 2 课题研究的意义 在青藏高原的某些偏远地区，由于经济的落后和交通的制约，至今都还没有 实现通电，这里的人们对电的渴望极其迫切。因此解决他们的用电问题对稳固地 方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。目前，在已经实现通电的青藏高 原区大多采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。然而由于地理位置原因，架 线送电路程遥远、用户用电量小、线路电能损耗大，而且山区电网的线路维护费 用也很高，使得线路运行成本很高。如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于 目前能源紧张，燃料费用较高，再加上地处偏远，燃料运输费用高，难以保障持 续供电。因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。因此，利用有限 的自然资源，研究小功率、低成本的风光互补电源对解决青藏高原地区家庭用户 和其他独立电源工作站的用电问题都具有非常重要的现实意义。 。 本课题的研究是依托于“铁路风力太阳能互补供电系统关键技术研究 。 2 0 0 9 年8 月份我将该课题研制出的一套设备装在了那曲物流中心。该设备能实现 风光互补供电，与独立的风能和太阳能供电系统相比，该设备有很好的优越性。 但是时间比较仓促，该设备功能还有不尽完善的地方。该设备并不能真正的实现 最大功率跟踪，自然也不能最大限度的利用风能和太阳能。另外系统的容量参数 匹配还有待进一步优化。 因此，本文将继续该课题的研究，对现有控制结构及控制策略的改进，实现 最大功率跟踪控制，最大限度的利用风能和太阳能资源。 另外，本课题有助于以及风光互补发电系统的推广和应用都具有重要的意义。 1 3国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 风光互补发电研究现状 目前，风光互补发电系统的研究一方面集中在系统的计算机仿真和优化设计， 国外进行这方面研究的大学有c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y ( 科罗拉多州立大学) ， u n i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e t t s ( 马萨诸塞大学) 川等。其中c o l o r a d os t a t eu n i v e r s i t y 和n a t i o n a lr e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y ( 美国可再生能源研究室) 合作开发了 1 ，1 1 】l 一 地质勘探和野外考察的工作站、偏远山区及海岛。然而，伴随着科学技术水平的 不断提高，风光互补发电系统在居民用电、城市亮化、绿色建筑、航标指示、高 速道路指示和监控供电、电力机车辅助供电、气象观测、沙漠治理等方面将得到 更加广泛的应用。 特别适用于风力和阳光资源丰富的地区：如草原、海岛、沙漠、山区、林场、 5 厂il 北京交通大学硕士学位论文 渔排、渔船等地区；风光互补发电系统还可用于城市的住宅小区和环境工程，如 照明路灯、庭院、草坪、景观灯、广场、公园、公共设施、广告牌等，该项技术 在风景名胜区和市政部门进行推广，不仅具有重要的节能环保意义，又兼具美化 环境的社会效益。此外，随着光伏电池价格的降低和并网技术的日益成熟，风光 互补系统还可以做大并入电网供电。 目前对于小型风光互补发电系统的研究主要在系统结构的优化设计、系统拓 扑结构的研究，容量匹配的优化、底层设备的控制、系统的建模与仿真分析以及 能量管理和控制策略的研究等方面。虽然已经取得了一些可喜的成绩，并得到了 一定程度的应用，但为了使风光互补发电系统被更广泛的领域和人群认可，并得 到广泛应用，下列科学技术问题有待研究并加以解决：1 ) 综合考虑系统性能和可靠 性的能量管理策略需要进行深入研究，特别是蓄电池的充放电管理；2 ) 风能和太阳 能的最大功率点跟踪控制策略大多采用p i 控制，研究系统的设计方法和先进的控 制策略来改善系统的效率；3 ) 尽管研究出了多种风能和太阳能的最大功率跟踪控制 策略，但实际发电效率不够高，发出的电能波动较大；，4 ) 风光互补发电系统的优 化设计还需要进一步研究，以期进一步降低投资、增加效益。 1 4 论文研究的主要内容 论文本着风能、太阳能综合利用的思想，从风光互补发电的目标入手，对整 个系统的结构、工作原理进行了阐述，对系统的工作状况以及最大功率跟踪控制 策略，系统容量的优化配置等方面做了较为深入的理论分析和仿真研究，对实现 该系统的推广和应用有重要的意义。本文的主要内容和章节安排如下。 第一章介绍了课题的背景及意义，综述了国内外风光互补发电的发展现状 以及未来的发展趋势。 第二章分析风光互补发电系统的结构，风力发电机组，和太阳能光伏电池组 件和蓄电池的有关特性，为后续的研究提供重要的理论依据。 ， 第三章对风能资源的评估方法进行了研究，并给出一种适合应用于高原地区 的风能资源评估方法。 第四章对蓄电池智能充放电控制策略以及风光互补发电的能量管理进行了 研究。给出了基于灰关联分析的最大功率点跟踪控制策略，并用m a t l a b 建模仿 真验证。分析了太阳能最大功率跟踪控制策略，并建模仿真。最后给出了一种完 全利用硬件电路实现太阳能最大功率跟踪控制的方法，并作设计。 第五章风光互补电站的建立。通过对那曲地区风力和太阳能数据和负载数据 6 1 绪论 进行分析，确定了风机，太阳能电池板，以及蓄电池容量。 第六章对本文工作进行总结与展望。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 独立风光互补发电系统 2 1 独立风光互补发电系统的总体结构 本文课题研究的独立风光互补发电系统总体结构【1 1 1 如图2 1 所示，系统主 要由电能产生环节、电能变换控制环节和电能存储消耗环节三部分组成。 图2 1 独立风光互补发电系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u mo fs t a n d a l o n ew i n ds o l a rh y b r i dp o w e rs y s t e m 电能产生环节又可以分为风力发电和光伏发电两个部分。 电能变换控制环节由不可控制三相整流桥、防反二极管、d c d c 变换器等组 成。风力发电机组产生的三相交流电通过不可控制三相整流桥，经过电容稳波后 送入d c d cb u c k 变换器，得到蓄电池充电所需的直流电。为了防止反电压损坏光 伏电池板，其产生的直流电先通过一个防反二极管后，再送入d c d cb u c k 变换器。 其中d c d c 环节即功率变换器，是电能变换的核心部分，整个控制器的控制重点 就是控制b u c k 变换器。电能存储消耗环节分为存储和消耗两部分。电能的存储部 分主要由蓄电池来承担，蓄电池是整个风光互补发电系统的储能核心，它的主要 8 ，1 j 矿 k 乞 2 独立风光互补发电系统 作用就是消除由于天气等原因引起能量供给和需求的不平衡， 电能调节和平衡负载的作用。当发电量大于负载消耗量时，系 当发电量小于负载消耗量时，蓄电池给负载供电。 电能的消耗部分主要由卸载电路、直流负载、交流负载三个部分组成。根据 用户的用电类型不同，负载分为直流和交流两种。直流负载可由蓄电池直接引入， 也可以通过一个升压或降压电路( d c d c ) 来提供用户需要的直流电压。而交流 负载需要设计d c a c 逆变器。卸载电路的主要作用是：当风速很高，但仍未达到 过速保护的状态时，系统仍需要给负载或蓄电池供电，为了减小大风给开关管及 其电路造成的损坏，控制器可以开启卸载电路，使一部分功率在卸载电路消耗掉， 从而减少大风对控制器的冲击。 2 2 风力发电机组的构成 风力发电机组属于小型风光互补发电系统的电能产生的一个部分，从能量转 换角度来看，风力发电机组由两大部分组成。其一是风力机，它的功能是将风能 转换为机械能：其二是发电机，它的功能是将机械能转换成为电能1 2 1 。下面介绍 风力发电机组的两个重要组成部分：风力机和发电机。 2 2 1 风力机 ( 1 ) 风力机的类型 风力机的种类和式样很多，难以一一尽述。其分类有两种方法： 1 ) 以风轮回转轴的方向，可以分水平轴式和垂直轴式； 2 ) 以接受风能的形式可以分为升力式和阻力式。 古典式风力机都是阻力式风力机。这种风力机以风压力为推动力驱动风轮旋 转，其效率比较低，但是制造容易，二十世纪初在世界各地应用非常广泛。进入 四、五十年代以后，把飞机上的理论一空气动力学应用到风力机上，从而改变了 风轮的受力形式，大大提高了风力机的效率这种风力机的风轮叶片截面为流线型， 驱动风轮的驱动力是升力，因此叫升力式。这种风力机制作风轮叶片比较困难， 所以成本比较高【1 3 1 。 在本论文中，还是以传统的分类方式一风轮的回转轴方向进行分类。水平轴 风力机组在风速、风向变化激烈时，由于风机机构的滞后及消耗，发出电的品质 9 北京交通大学硕士学位论文 不良，效率亦不够高但由于其设计制造技术相对成熟，因此，目前仍是风电企业 看好的机型。垂直轴风力机一般设有启动装置，对风况的适应性较好，但是，垂 直轴风力机存在着工作限速问题，其限速机构相当复杂，加之一些技术上的难题 仍未得到解决，因此目前在实际的应用中还有很大的局限性，但国际风电界对这 一机型的发展密切关注。垂直轴风力机常见结构如图2 2 0 图2 2 垂直轴风力机常见结构 f i g 2 2c o m m o n s t r u c t u r ev e r t i c a la x i sw i n dt u r b i n e 水平轴风力机的风轮围绕一个水平轴旋转，工作时，风轮的旋转平面与风向 垂直，图2 3 所示。风轮上的叶片是径向安置的，与旋转轴相垂直，并与风轮的旋 转平面成一角小( 安装角) 。风轮叶片数目的多少视风力机的用途而定。用于风力 发电的风力机一般叶数取l q ( 大多为2 片或3 片) ，而用于风力提水的风力机一般 取叶片数1 2 2 4 。叶片数的风力机通常称为低速风力机，它在低速运行时，有较高 的风能利用系数和较大的转矩。它的起动力矩大，起动风速低，因而适用于提水。 叶片数少的风力机通常称为高速风力机，在高速运行时有较高的风能利用系数， 但起动风速较高。由于其叶片数很少，在输出同样率的条件下比低速风轮要轻得 多，因此适用于发电1 1 4 。 图2 3 水平轴风力机 f i g 2 3h o r i z o n t a la x i sw i n dt u r b i n e 水平轴风力机随风轮与塔架相对位置的不同而有上风向与下风向之分。风轮 1 0 - ， j 】j k l 、i 2 独立风光互补发电系统 在塔架的面迎风旋转，叫做上风向风力机。风轮安装在塔架的下风位置的，则称 为下风向风力机。风向风力机必须有某种调向装置来保持风轮迎风。而下风向风 力机则能够自动对准风向，而免除了调向装置。但对于下风向风力机，由于一部 分空气通过塔架后再吹向风轮，这样塔架就干扰了流过叶片的气流而形成所谓塔 影效应，使性能有所降低。 一 由于水平轴风力发电机的技术成熟，在小型风光互补发电系统中绝大多数采 用水平轴高速风力机，特别是几百瓦的离网充电式小型微型风力发电机绝大多数 是水平轴式的。 ( 2 ) 风力机的运行特性 风力机的运行特性主要包括以下2 部分【1 5 - 1 7 1 。 1 ) 叶尖速比与风能利用系数 根据贝兹理论，风力机输出机械功率可表示为 只= 0 5 c ，, r r 2 p v f ，21 、 式中，坼为风能利用系数；r 为风轮半径，单位m ；p 为空气密度，单位k g m 3 ； v 为风速，单位m s 。由式( 2 1 ) 可知，在风轮叶片大小、风速和空气密度一定时， 影响功率输出的唯一因素是风能利用系数c p ，输出功率与c p 成正比，而g 是叶 尖速比九的函数，九可以表示为 五= t o , r v = 2 7 r r n 6 0 v 伫2 、 式中哆为风力机角速度，单位r a d s ，n 为风力机转速，单位r m i n 风力机特性通常用风能利用系数c p ，叶尖速比九和叶节距角1 3 之间的关系来 表示， q 魄力= 0 5 1 7 6 ( 1 1 6 五- o 4 p - 5 严弓+ 0 ( i ) 6 8 ( 2 3 ) 式中1 k r = l k + 0 0 8 p 一0 0 0 3 5 1 + p 3 。c 户亏鼽b ) 关系曲线如图2 4 所示，它显示 了不同桨叶节距角时，功率系数随叶尖速比的变化曲线。从图2 4 中可以看出，在 b 一定，o 随着九的变化过程中，存在一点，可以获得最大的风能利用系数 l p m m t ，即最大输出点。 0 o2 468 l o 1 2l i 图2 4 风力机功率系数特性 f i g 2 4p o w e rc o e f f i c i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fa w i n dt u r b i n e 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 最佳运行曲线 在某一风速下，风力机的输出机械功率随转速的变化而变化，其中有一个最 佳转速，在该转速下，风力机输出最大机械功率，该转速与风速的关系是最佳叶 尖速比关系：在不同的风速下，均有一个最佳转速使风力机输出最大机械功率， 将这些最大功率点连接起来可以得到一条最大输出机械功率曲线，即最佳功率负 载曲线，处于这条曲线上的任何点，其转速与风速的关系均为最佳叶尖速比关系， 因此不同风速下控制风力机的转速，向最佳转速变化就可以实现最大功率控制。 不同风速下风力机的功率转速特性曲线，如图2 5 所示。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 可得 己= o 5 q 万r 2 p ( 万r 3 0 2 ) 3 矿 ( 2 4 ) 雷 _ 丑 羹得 r 匠 风力机转 速 图2 5 不同风速下风力机功率转速特性曲线 f i 9 2 5t h ec u r v co fw i n dt u r b i n ep o w e ro u t p u t - r o t o rs p e e d a td i f f e r e n tw i n ds p e e d 在式( 2 4 ) 的基础上，考虑到风力机的功率调节完全依靠叶片的气动特性和调速 装置，捕获的风能和风力机转速受到限制，进一步考虑风力机所处环境中风速和 风向的波动，则风力机理论上的功率输出为 l o 5 c p 万9 2 p 矿，心 己= k 1 ， 【0 1 ，v - - v o w t ( 2 5 ) 式中，匕，v 删分别为风力机切入风速、额定风速和切出风速，乞为风力 机额定功率。当风速y 低于额定风速匕时，输出功率与风速三次方成正比；当风 速1 ，高于额定风速匕而小于切除风速1 0 时，输出功率等于额定功率，即恒功率输 出阶段；当风速1 ，高于切出风速1 ，埘时或风速v 小于切入风速时，输出功率为0 。 而实际上，风力机仅在风速高于切入风速时，才有功率输出；在切入风速与切 出风速之间，当风速在额定风速以下时，输出功率不超过额定功率时，属于正常 调节范围；当风速高于额定风速时，机械调速装置的存在将风力机的输出功率限 、叫llf l l 2 独立风光互补发电系统 制在所允许的最大功率以内。下图2 6 所示的是某一额定功率为4 0 0 w 风力 功率曲线。 o 2 2 2 发电机 1 0 v e 1 5y o u t风稿( m 图2 64 0 0 w 风机输出功率曲线 f i g 2 6t h eo u t p u tp o w e rc u l v eo f4 0 0 w w i n dt u r b i n e 发电机在风力发电系统中承担着机械能到电能转化的过程。它直接影 转换过程的性能、效率和供电质量。因此，选用可靠性高、效率高、控制及供电 性能良好的发电机系统，是风力发电工作的一个重要任务。小型风光互补发电系 统中的发电机一般有三相永磁同步发电机、直流发电机、电磁式交流发电机、爪 极式发电机、磁阻式发电机和感应子式发电机等。 随着永磁材料的技术发展，永磁材料磁性能的大大提高，目前在小型风力发 电系统中主要使用三相永磁同步发电机。三相永磁同步发电机一般体积较小、而 且价格便宜；永磁同步发电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结 构，由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率，省去了换向装置 和电刷，可靠性高，定子铁耗和机械损耗相对较小，使用寿命长。另外，起动阻 力矩是用于微型、小型风电装置的低速永磁发电机的重要指标之一，它直接影响 风力机的起动性能和低速运行性能。为了降低切向式永磁发电机的起动阻力矩， 必须选择合适的齿数、极数配合，采用每极分数槽设计，分数槽的分母值越大， 气隙磁导随转子位置越趋均匀，起动阻力矩也就越小。采用永磁同步发电机的小 型风力发电机组一般采用直驱式结构，为了调节其输出功率，可以另加输出控制 1 3 o 0 0 o 0 o 的 如 m 北京交通大学硕士学位论文 电路，即通过控制器来实现。 直驱式三相永磁同步发电机有如下优点： 1 ) 由于传动系统部件的减少，省去了沉重的齿轮箱，零部件的数量得到大量化： 2 ) 永磁发电技术的采用，提高了风力发电机组的可靠性和效率； 3 ) 机械传动机构的减少降低了风力发电机组的噪音，减少了机械损耗，提高了传 动效率； 4 ) 可靠性的提高，降低了风力发电机组的运行维护成本。 根据上文所介绍，结合实际应用的需要，本文设计的小型风光互补发电系统 采用的是小型风力发电机组，选用水平轴、三叶片、上风向、定浆距、直接驱动 和三相永磁同步发电机的总体方案。 2 3 太阳能光伏电池的工作原理和特性 小型风光互补发电系统中的另一个电能产生环节是太阳能光伏电池板，它 负责将太阳光辐射转换成电能。 2 3 1 太阳能光伏电池的基本原理 太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄 片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应( 也 称光伏效应) 。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装 置。对于半导体p - n 结，光伏效应更明显。因此，太阳能光伏电池都是由半导体 构成的。 下面以硅半导体为例，对太阳能光伏电池的工作原理加以说明。当n 型硅和 p 型硅结合时，n 型区的电子扩散到p 型区，p 型区的空穴扩散到n 型区，此时， n 型带正电，p 型带负电，在硅半导体内部产生电场。当太阳光照在半导体p - n 结 上时，形成新的空穴一电子对，在p - n 结电场的作用下，空穴由n 型区流向p 型 区，电子由p 型区流向n 型区，当接通电路后就形成