小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究摘要如何解決能源危機(jī)問(wèn)題，已經(jīng)成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。在當(dāng)前可利用的幾種可再生能源中，太陽(yáng)能和風(fēng)能是應(yīng)用比較廣泛的兩種。太陽(yáng)能、風(fēng)能在資源條件和技術(shù)應(yīng)用上都有很好的互補(bǔ)特性，綜合考慮太陽(yáng)能和風(fēng)能在多方面的互補(bǔ)特性而建立起來(lái)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)合理的供電方式。小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以滿足遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)的獨(dú)立供電的需求。本論文的主要工作如下1、分析了小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，研究了小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)組成部分的工作原理及其運(yùn)行特性。2、分析了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及蓄電池充電的控制策略，重點(diǎn)研究了最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并在此基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出一套可行的總體控制方案。3、設(shè)計(jì)了一個(gè)以DSPIC30F2010單片機(jī)為核心的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器，對(duì)開(kāi)關(guān)電源電路、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、DCDC變換電路、卸載電路等模塊電路進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，在軟件方面，采用功能塊設(shè)計(jì)的方法，對(duì)AD采樣、PWM控制、光伏充電、風(fēng)機(jī)充電、卸載保護(hù)、PI控制、狀態(tài)顯示和過(guò)放保護(hù)等進(jìn)行了軟件編程。4、對(duì)控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文研究開(kāi)發(fā)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，滿足蓄電池分段式充電以及過(guò)充、過(guò)放保護(hù)的要求。關(guān)鍵詞風(fēng)力發(fā)電；光伏發(fā)電；風(fēng)光互補(bǔ)最大功率點(diǎn)跟蹤；蓄電池RESEARCHONCONTROLLEROFSMALLSCALEWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMABSTRACTHOWTOSOLVETHEENERGYCRISISHASBECOMEAHOTSPOTOFGLOBALCONCERNSOLARENERGYANDWINDENERGYARETWOKINDSOFWIDELYUSEDRENEWABLEENERGYINTHECURRENTAVAILABILITYRENEWABLEENERGIESSOLARENERGYANDWINDENERGYHAVECOMPLEMENTARYCHARACTERISTICSBOTHINRESOURCECONDITIONANDTECHNICALAPPLICATIONWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMTHINKINGOVERTHERECOMPLEMENTARYCHARACTERISTICSISANECONOMICANDREASONABLEWAYOFPOWERSUPPLYESPECIALLY，THESMALLSCALEWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMCANMEETTHENEEDSOFINDEPENDENTPOWERSUPPLYREQUIREDFORPEOPLEWHOLIVEFARAWAYFROMTHEPOWERGRIDTHEMAINWORKOFTHISPAPERISASFOLLOWS1、THESTRUCTUREOFTHESMALLSCALEWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMISANALYZED，ANDTHEDISCUSSESONPRINCIPLEANDCHARACTERISTICOFOPERATIONFOREACHPARTOFTHESYSTEMAREALSOCARRIEDOUTINTHISPAPER2、THECONTROLSTRATEGYOFWINDGENERATION，PHOTOVOLTAICGENERATIONANDBATTERYCHARGINGAREANALYZEDANINTEGRATEDANDFEASIBLECONTROLPROJECTISGENERALIZEDBASEDONTHEMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGCONTROLSTRATEGY3、ACONTROLLEROFSMALLSCALEWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMISDESIGNEDBASEDONDSPIC30F2010MCUTHEHARDWAREOFSEVERALCIRCUITMODULESONTHECONTROLLERAREDESCRIBED，SUCHASPOWERSUPPLYCIRCUIT，CURRENTDETECTIONCIRCUIT，VOLTAGEDETECTIONCIRCUIT，DCDCCONVERSIONCIRCUITANDUNLOADINGCIRCUITTHESOFTWAREISSTRUCTUREDWITHSUBROUTINEMODULES，MAINLYINCLUDINGADSAMPLING，PWMCONTROL，PHOTOVOLTAICCHARGING，WINDCHARGING，OVERLOADPROTECTION，PICONTROL，STATUSDISPLAY，BATTERYPROTECTIONANDSOON，4、RELATIVEEXPERIMENTSANDANALYSESAREFINISHEDTHERESULTSINDICATETHATTHECONTROLLEROFTHESMALLSCALEWINDLIGHTCOMPLEMENTARYELECTRICITYGENERATINGSYSTEMISREASONABLEANDFEASIBLEWHICHCANACHIEVETHECONTROLSTRATEGYOFMAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPT，ANDCANMEETTHENEEDSOFBATTERYCHARGINGANDPROTECTIONKEYWORDSWINDGENERATIONPHOTOVOLTAICGENERATIONWINDLIGHTCOMPLEMENTARY；MAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPT；BATTERY；插圖清單圖11可再生能源利用1圖12傳統(tǒng)風(fēng)車及現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電廠2圖13近年來(lái)全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?圖14近年來(lái)世界光伏發(fā)電裝機(jī)容量3圖15小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例5圖16典型風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)構(gòu)框圖6圖21小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8圖22風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化框圖9圖23水平軸風(fēng)機(jī)與垂直軸風(fēng)機(jī)對(duì)比9圖24小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)11圖25風(fēng)輪氣流圖11圖26風(fēng)力機(jī)的功率曲線13圖27理想太陽(yáng)能電池等效電路15圖28太陽(yáng)能電池實(shí)際等效電路圖16圖29太陽(yáng)電池VI特性曲線17圖210不同日照和溫度下VI特性曲線17圖211不同日照和溫度下VP特性曲線18圖212鉛酸蓄電池充放電時(shí)電壓變化一20圖31葉尖速比兄與C。關(guān)系21圖32葉尖速比控制框圖22圖33風(fēng)機(jī)的最大負(fù)載功率曲線23圖34最大負(fù)載功率曲線控制框圖23圖35風(fēng)機(jī)的功率輸出曲線24圖36最大功率點(diǎn)搜索控制框圖25圖37恒壓控制法框圖26圖38擾動(dòng)觀察法控制框圖O26圖39蓄電池理想充電曲線28圖310蓄電池實(shí)際的充電電流曲線29圖41小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)31圖42小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制器框圖3L圖43單片機(jī)及其外圍電路32圖44UC3844內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一32圖45反激式開(kāi)關(guān)電源33圖46歷ARTRCD緩沖電路的波形34圖47關(guān)斷時(shí)的負(fù)載曲線34圖48帶緩沖電路BUCK變換器35圖49MOSFET驅(qū)動(dòng)電路35圖410TLP250內(nèi)部結(jié)構(gòu)36圖411MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形36圖412電壓檢測(cè)電路37圖413ACS706ELC20A的輸出特性一37圖414所示是電流采樣實(shí)驗(yàn)波形38圖415卸載電路38圖416主程序流程圖39圖417滯環(huán)控制圖40圖418風(fēng)機(jī)充電程序框圖41圖419光伏充電PI控制程序流程圖一42圖420控制器實(shí)物圖43圖421BUCK電路續(xù)流二極管兩端的電壓波形43圖422風(fēng)機(jī)充電時(shí)風(fēng)機(jī)輸出電壓及蓄電池充電電流波形44圖423光伏充電啟動(dòng)電流波形44圖424風(fēng)機(jī)與光伏電池同時(shí)給蓄電池充電電流波形44獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得盒膽王些態(tài)堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名；砥簽字ET期旦年衛(wèi)月三日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解金G曼王些太堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)金照王些盔堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書學(xué)位論文作者簽名導(dǎo)師簽名簽字日期牛年生月至日簽字日期學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向工作單位通訊地址電話郵編乙日0蜘乞早致謝在結(jié)束本論文之際，謹(jǐn)向所有支持與幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們致以誠(chéng)摯的謝意。本論文的研究工作是在導(dǎo)師王群京教授的悉心指導(dǎo)下完成的，導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敏銳的科學(xué)洞察力，以及對(duì)科研與育人事業(yè)的真摯熱愛(ài)，平易近人的高尚品德，都使我深受感染，并終身受益。做人，做事，做學(xué)問(wèn)，學(xué)生從導(dǎo)師所得，永生難忘今借此機(jī)會(huì)對(duì)導(dǎo)師及其家人表示最深的謝意和祝福特別敬謝李國(guó)麗老師、胡存剛老師和姜衛(wèi)東老師，他們一直以來(lái)都盡心盡力地為我們分憂解難，無(wú)論在學(xué)習(xí)上還是生活上，都給予我們最大的幫助。在合肥工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院兩年多的學(xué)習(xí)和生活中，感謝實(shí)驗(yàn)室的王安邦師兄、錢酷師兄、鞠魯峰師兄、王紅濤、朱少林、史曉鋒、劉軍、許維國(guó)、漆星等平時(shí)學(xué)習(xí)生活中的大力幫助，還有已經(jīng)畢業(yè)的師兄們陳權(quán)、夏琨、李崢、任濤、李智、任冰、吳海岸等，他們?cè)趯W(xué)習(xí)和日常生活中給予我許多幫助和支持。感激我的父母和家人，有了他們精神和生活上的鼓勵(lì)和支持，我才可以安心地完成學(xué)業(yè)。感謝所有幫助我的人感謝各位評(píng)委在百忙之中抽出時(shí)間給我評(píng)審作者王濤2009年03月第一章緒論11可再生能源發(fā)電的現(xiàn)狀L，I1可再生能源利用當(dāng)今世界，電力已經(jīng)越來(lái)越成為人們生活中必不可少的動(dòng)力來(lái)源，與此同時(shí)，資源緊缺、環(huán)境污染的壓力也在不斷增大。在不破壞人類生存環(huán)境的同時(shí)，如何解決能源危機(jī)、滿足人類需求，是人們不斷思考的問(wèn)題，利用可再生能源是一條很好的出路。近年來(lái)，可再生能源的利用在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，一些可再生能源技術(shù)的利用如光伏發(fā)電、風(fēng)電等年增長(zhǎng)速度都在20以上，可再生能源已成為實(shí)現(xiàn)能源多樣化、應(yīng)付氣候變化和社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要替代能源【2】?，F(xiàn)在用來(lái)發(fā)電的可再生能源豐要有風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物能和海洋能等H】，圖11為一些可再生能源的應(yīng)用71。函一洶每圖11可再生能源利用我國(guó)有豐富的可再生能源資源，在水電、沼氣、太陽(yáng)能熱的利用方面已取得了顯著成效，近年來(lái)加快了風(fēng)電、生物液體燃料和太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用可再生能源己成為我國(guó)緩解能源供需矛盾、減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式和促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重要途徑。“十五”時(shí)期，我國(guó)可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了顯著成績(jī)，水力發(fā)電裝備制造和施工技術(shù)日臻完善，沼氣技術(shù)不斷進(jìn)步和完善，風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)始起步，太陽(yáng)能光伏電池及組件的生產(chǎn)能力迅速擴(kuò)大。在“十一五”時(shí)期，我國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展水電，加快發(fā)展生物質(zhì)能、風(fēng)電和太陽(yáng)能，加強(qiáng)農(nóng)村可再生能源開(kāi)發(fā)利用，逐步提高可再生能源在能源供應(yīng)中的比重，為更大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用可再生能源創(chuàng)造條件。其中風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電是兩種發(fā)展前景最好新能源利用方式【5“。112風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀人類利用風(fēng)能歷史悠久最初是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，后來(lái)則是主要轉(zhuǎn)化成電能。圖12為傳統(tǒng)的風(fēng)車以及現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電廠實(shí)物圖”J。圖12傳統(tǒng)風(fēng)車及現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電，人們利用風(fēng)力發(fā)電始于25年前，目前已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用成績(jī)十分顯著，截止到2007年底，爭(zhēng)球的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量己達(dá)到94000MW，分布全球60多個(gè)國(guó)家，其中德國(guó)、美國(guó)、西班牙、印度、中國(guó)、丹麥、意大利、法國(guó)、英國(guó)、葡萄牙、加拿大、荷蘭、日本等13個(gè)國(guó)家裝機(jī)容量已超過(guò)GW。歐洲丹麥、德國(guó)、西班牙等國(guó)家風(fēng)力發(fā)電起步早，技術(shù)相對(duì)比較成熟，2006年丹麥風(fēng)電裝機(jī)容量和發(fā)電量占該國(guó)總發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量的比例分別為25和20，德國(guó)為17和7，西班牙為15和6。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，和歐美發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大差距。全球風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量近年來(lái)的發(fā)展曲線如圖13所示110“121。巨一EM，一10951997200320052007圖13近年來(lái)全球風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?3光債發(fā)電的現(xiàn)狀鱈F4蚯年來(lái)世界先債發(fā)電裝機(jī)奪昔瓣毗嘶姍御毗般姚橢鞴默蝴蜘釓?qiáng)欜姓粢?。一蒸一一一一一一一一一我?guó)太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，其中西藏西部的太陽(yáng)能輻射總量居世界第一位。至2006年，我國(guó)的光伏發(fā)電技術(shù)還處于較為落后的水平，與日本、德國(guó)、美國(guó)的差距很大，光伏發(fā)電裝機(jī)總量80MW，占世界總量約L。我國(guó)能源發(fā)展規(guī)劃指出，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電行業(yè)2010年實(shí)現(xiàn)總裝機(jī)容量達(dá)到400MW，2020年光伏發(fā)電將占總發(fā)電量的11，系統(tǒng)總產(chǎn)值將由200億元上升到3000億元，2040年將占26，2050年以后將成為能源支柱。所以推算，2010年前國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)40，2010至2040年，全行業(yè)的復(fù)合增長(zhǎng)率也將達(dá)到25。我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，相信不久將趕上世界太陽(yáng)能發(fā)展的潮流【16】。12風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的提出風(fēng)能是由太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化而來(lái)的，其轉(zhuǎn)換過(guò)程受到季節(jié)、地理和天氣等諸多因素制約。太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上和地域上都有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，白天太陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，晚上光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)。在夏季，光照強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季，光照強(qiáng)度弱而風(fēng)大。太陽(yáng)能與風(fēng)能相互配合利用，揚(yáng)長(zhǎng)避短，就能充分發(fā)揮二者最大的作用。近年來(lái)，很多人都致力于風(fēng)能、太陽(yáng)能的綜合利用研究。1981年，丹麥的NEBUSCH等提出太陽(yáng)能和風(fēng)能混合利用技術(shù)問(wèn)題，同年，美國(guó)的CIASPLIDEN研究太陽(yáng)能一風(fēng)能混合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的氣象問(wèn)題。前蘇聯(lián)的NAKSAFIN等根據(jù)概率原理，統(tǒng)計(jì)出近似的太陽(yáng)能一風(fēng)能潛力的估計(jì)值。余華揚(yáng)等1982年也提出了太陽(yáng)能一風(fēng)能發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換裝置【L引。由于地域差別，在很多偏遠(yuǎn)地區(qū)，地廣人稀，電網(wǎng)覆蓋面有限，對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)生活和工作的人們而言，一般情況下用電負(fù)荷都不大，所以采用電網(wǎng)輸送電力就不合理。因此在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)，人們的電力來(lái)源就要依靠獨(dú)立供電系統(tǒng)，現(xiàn)在常用的供電方案是柴油發(fā)電機(jī)，但是由于偏遠(yuǎn)地區(qū)交通不便利，所以柴油的儲(chǔ)運(yùn)成本太高，而且難以保障持續(xù)供電，所以柴油發(fā)電機(jī)只能作為一種短時(shí)的應(yīng)急電源，要解決長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的供電問(wèn)題，只能依賴當(dāng)?shù)氐淖匀荒茉?。太?yáng)能和風(fēng)能是最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源，而且兩者在時(shí)間變化分布上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。結(jié)合風(fēng)能、太陽(yáng)能的特點(diǎn)，綜合利用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)而建立的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)疑是解決獨(dú)立供電的最佳方梨20】【2L】。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電與單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電相比較，有以下優(yōu)點(diǎn)1利用風(fēng)能、太陽(yáng)能的互補(bǔ)特性，可以獲得比較穩(wěn)定的總電能輸出，系統(tǒng)有較高的供電穩(wěn)定性和可靠性。2在保證同樣供電的情況下，可大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量。3對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，可以基本上由風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)供4電，很少或基本不用啟動(dòng)備用電源如柴油發(fā)電機(jī)等，井可獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。13小型風(fēng)光互補(bǔ)控制器的發(fā)展水平風(fēng)能隨機(jī)性強(qiáng)，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用蓄電池儲(chǔ)存電能，從而保證供電系統(tǒng)的不間斷供電。但是蓄電池的容量有限，若連續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間沒(méi)有風(fēng)臼勺話，就無(wú)法正常供電，給用戶的生活帶來(lái)不便。再加上用戶的用電量逐漸增大，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量也隨之逐年增加，傳統(tǒng)的單一的戶用型小型風(fēng)力發(fā)電紐供電遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用電需要。由于技術(shù)的各方面的限制，單一的增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量已經(jīng)不可行。這樣一來(lái)只有利用光伏發(fā)電來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)不足。圖15所示_1為小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的一些應(yīng)用案例。在成本方面，風(fēng)力發(fā)電一歡性投資較低，而光伏發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)量低，所以采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，性價(jià)比會(huì)大大提高。由于太陽(yáng)能電池組價(jià)格居高不下，所以目前小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，仍以風(fēng)力發(fā)電為主，約占整個(gè)體系的6070。總之，小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是今后相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)，小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)有望逐步代替單一的小型風(fēng)電系統(tǒng)。圖15小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例目前典型的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備包括太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、蓄電池組、卸載負(fù)載、控制器、逆變器、直流負(fù)載、交流負(fù)載。其典型結(jié)構(gòu)如圖16所示。5圖16典型風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)構(gòu)框圖控制器是小型風(fēng)光瓦補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心，它控制著整個(gè)系統(tǒng)使其合理穩(wěn)定地運(yùn)行。控制器的主要功能是對(duì)蓄電池進(jìn)行充電放電控制、保護(hù)、調(diào)節(jié)與分配系統(tǒng)輸入輸出電量和執(zhí)行監(jiān)控功能。根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求，控制器的復(fù)雜程度以及功能特點(diǎn)不盡相同，一般具有的保護(hù)功能有蓄電池過(guò)充保護(hù)、欠壓保護(hù)、蓄電池反接保護(hù)和自動(dòng)卸荷功能等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中普遍采用的控制策略是對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充充電的控制模式，也就是讓負(fù)載盡可能多地消耗由太陽(yáng)電池方陣和風(fēng)力機(jī)組發(fā)出的電。一般通過(guò)蓄電池電壓檢測(cè)來(lái)確定其狀態(tài)，若有系統(tǒng)功率輸入大于負(fù)載功率，則給蓄電池充電；若輸入功率不足，則蓄電池放電以保證負(fù)載運(yùn)行。也有一些控制器采用電流、溫度因素來(lái)補(bǔ)償內(nèi)阻損耗引起的蓄電池狀態(tài)變化。國(guó)外在小型風(fēng)光互補(bǔ)控制器的控制策略上開(kāi)展了大量的研究工作。在傳統(tǒng)的浮充充電模式的基礎(chǔ)上，注意到將剩余容量SOC作為蓄電池充放電管理的判斷準(zhǔn)則，從負(fù)荷用電與系統(tǒng)供電平衡的方面來(lái)改善控制器性能和系統(tǒng)性能。在SOC計(jì)算方面，根據(jù)有關(guān)資料顯示，較為普遍接受的方法采用多參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確度補(bǔ)償LZZL。在主電路方面，大部分控制器采用風(fēng)光共用一個(gè)功率變換電路的方法，這種方法可以降低成本，兩者同時(shí)控制，簡(jiǎn)單易行。但是這種方案太陽(yáng)能風(fēng)能利用率低，一旦主電路出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)處于癱瘓狀態(tài)。為了提高控制器的可靠性，本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)控制器是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸入和光伏太陽(yáng)能電池板輸入進(jìn)行分開(kāi)控制，兩者互不干擾，當(dāng)其中一路出現(xiàn)故障時(shí)，不影響另一路工作，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。14論文的主要內(nèi)容本論文的研究課題來(lái)源于安徽省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目“戶用型永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)”06012179。論文的研究思路是綜合考慮風(fēng)能及太陽(yáng)能的各自特點(diǎn)，以典型小型風(fēng)光互6補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，認(rèn)真分析發(fā)電系統(tǒng)中的電能產(chǎn)生、電能變換、電能存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的工作狀態(tài)，分析和比較系統(tǒng)的各種控制方法，優(yōu)化控制策略，總結(jié)出切實(shí)可行最適合本系統(tǒng)的控制策略，設(shè)計(jì)出符合此控制策略的控制器，實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)高效、合理發(fā)電的目標(biāo)。本文的主要內(nèi)容如下第一章介紹風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀、小型風(fēng)光互補(bǔ)控制器的發(fā)展水平，給出了課題的來(lái)源、研究意義和論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章在介紹小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析該系統(tǒng)各組成部分的工作原理及運(yùn)行特性。第三章研究了風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、蓄電池充放電的控制策略，并根據(jù)小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)一套總體的控制方案。第四章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套小型風(fēng)光互補(bǔ)控制器，首先對(duì)控制器的硬件電路及各模塊電路工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析；然后進(jìn)行控制器軟件的設(shè)計(jì)，介紹了主程序框圖及一些控制子程序圖；最后對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第五章首先總結(jié)了本文所做的工作，分析了本文設(shè)計(jì)的控制器的特點(diǎn)及一些不足之處，并對(duì)課題進(jìn)行了展望。本章小結(jié)本章主要介紹風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的發(fā)展現(xiàn)狀，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的提出以及應(yīng)用，小型風(fēng)光互補(bǔ)控制器的發(fā)展水平，最后介紹一下課題的來(lái)源、研究意義和論文的結(jié)構(gòu)安排。7第二章小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)11小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本文課題研究的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)231如圖21所示，系統(tǒng)主要由電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)、電能變換控制環(huán)節(jié)和電能存儲(chǔ)消耗環(huán)節(jié)三部分組成。圖21小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)又可以分為風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電兩個(gè)部分。電能變換控制環(huán)節(jié)由不可控制三相整流橋、防反二極管、DCDC變換器等組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的三相交流電通過(guò)不可控制三相整流橋，經(jīng)過(guò)電容穩(wěn)波后送入DCDCBUCK變換器，得到蓄電池充電所需的直流電。為了防止反電壓損壞光伏電池板，其產(chǎn)生的直流電先通過(guò)一個(gè)防反二極管后，再送入DCDCBUCK變換器。其中DCDC環(huán)節(jié)即功率變換器，是電能變換的核心部分，一整個(gè)控制器的控制重點(diǎn)就是控制BUCK變換器。電能存儲(chǔ)消耗環(huán)節(jié)分為存儲(chǔ)和消耗兩部分。電能的存儲(chǔ)部分主要由蓄電池來(lái)承擔(dān)，蓄電池是整個(gè)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能核心，它的主要作用就是消除由于天氣等原因引起能量供給和需求的不平衡，在整個(gè)系統(tǒng)中起到電能調(diào)節(jié)和平衡負(fù)載的作用。當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載消耗量時(shí)，系統(tǒng)給蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電量小于負(fù)載消耗量時(shí)，蓄電池給負(fù)載供電。電能的消耗部分主要由卸載電路、直流負(fù)載、交流負(fù)載三個(gè)部分組成。根據(jù)用戶的用電類型不同，負(fù)載分為直流和交流兩種。直流負(fù)載可由蓄電池直接引入，也可以通過(guò)個(gè)升壓或降壓電路DCDC來(lái)提供用戶需要的直流電壓。而交流負(fù)載需要設(shè)計(jì)DCAC逆變器。卸載電路的主要作用是當(dāng)風(fēng)速很高，但8仍未達(dá)到過(guò)速保護(hù)的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)仍需要給負(fù)載或蓄電池供電，為了減小大風(fēng)給開(kāi)關(guān)管及其電路造成的損壞，控制器可以開(kāi)啟卸載電路，使一部分功率在卸載電路消耗掉，從而減少大風(fēng)對(duì)控制器的沖擊。22風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的構(gòu)成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電能產(chǎn)生的一個(gè)部分，主要由風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)等組成。其能量轉(zhuǎn)化過(guò)程框圖如圖22所示I”，風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞機(jī)械能，發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。叫WM“ML芻_JNL到。，BLI04LJ圖22風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)化框圖其中。為風(fēng)能利用系數(shù)根據(jù)貝茲BETZ理論可知C摩,K3005931，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的能量傳動(dòng)效率，可達(dá)到95以上，R，為發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，專用發(fā)電機(jī)可以達(dá)到80，砟為風(fēng)的功率，只為經(jīng)過(guò)變換后產(chǎn)生的電功率。下面介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的三個(gè)重要組成部分風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)。221風(fēng)力機(jī)1風(fēng)力機(jī)分類25I風(fēng)力機(jī)是利用風(fēng)輪從風(fēng)中吸取能量再轉(zhuǎn)化為其他形式的能量的裝置，風(fēng)力機(jī)經(jīng)過(guò)2000多年的研究存在形形色色的多種樣式，不過(guò)歸納起來(lái)，可以分成水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩類，如罔23所示”。LN圖23水平軸風(fēng)機(jī)與垂直軸風(fēng)機(jī)對(duì)比水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪圍繞一個(gè)水平軸旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)9向垂直。風(fēng)輪上的葉片是徑向安置的，與旋轉(zhuǎn)軸相垂直，并與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面成一角度。風(fēng)力機(jī)的葉片個(gè)數(shù)一般視用途而定，葉片數(shù)多的風(fēng)力機(jī)通常稱為低速風(fēng)力機(jī)，它在低速運(yùn)行時(shí)，有較高的風(fēng)能利用系數(shù)和較大的轉(zhuǎn)矩；葉片數(shù)少的風(fēng)力機(jī)通常稱為高速風(fēng)力機(jī)，它在高速運(yùn)行時(shí)有較高的風(fēng)能利用系數(shù)但起動(dòng)風(fēng)速較高。在發(fā)電系統(tǒng)中普遍采用14個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)，品常見(jiàn)的是2個(gè)葉片和3個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)。水平軸風(fēng)力機(jī)按照接受風(fēng)向的不同可以分為“上風(fēng)向型”和“下風(fēng)向型”。上風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)的葉輪正面迎著風(fēng)向，即在塔架的前面迎風(fēng)旋轉(zhuǎn)，這種風(fēng)機(jī)一般都需要有某種調(diào)向裝置來(lái)保持葉輪迎風(fēng)。下風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)的葉輪背順著風(fēng)向，這種風(fēng)力機(jī)能夠自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，可以免除調(diào)向裝置。但是對(duì)于下風(fēng)向型風(fēng)力機(jī)由于一部分空氣通過(guò)塔架后再吹向風(fēng)輪，塔架就干擾了流過(guò)葉片的氣流而形成所謂塔影效應(yīng)，使性能有所降低。垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與地面垂直，風(fēng)輪圍繞著這個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)。它具有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)一是風(fēng)輪機(jī)塔架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需對(duì)風(fēng)裝置；二是發(fā)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等裝置在地面或低空，維修維護(hù)方便；三是葉片容易制造成本低。垂直軸風(fēng)力機(jī)可分為兩個(gè)主要類型，一類是利用空氣動(dòng)力的阻力做功典型的結(jié)構(gòu)是S型風(fēng)力機(jī)，另一類是利用翼型的升力做功，最典型的是達(dá)里厄DARRIEUS型風(fēng)力機(jī)。S型風(fēng)力機(jī)由兩個(gè)軸線錯(cuò)開(kāi)的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對(duì)稱氣流，從而對(duì)它產(chǎn)生側(cè)向推力，這種風(fēng)力機(jī)在風(fēng)輪尺寸、重量和成本一定的情況下提供的功率輸出較低，因而在發(fā)電系統(tǒng)中較少采用。達(dá)里厄DARRIEUS型風(fēng)力機(jī)是法國(guó)人GJ1MDARRIEUS于1925年發(fā)明的，并且在1931年取得了專利。達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)有H型、型、Y型、菱形和型等多種形式，目前最流行的是以H型和D型。這種類型的風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。目前用于小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)主要有兩種類型，如圖24所示，一種是水平軸高速風(fēng)力機(jī)，另一種是垂直軸達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)?；汚水平軸風(fēng)力機(jī)B達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)10圖24小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)由于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)成熟，在小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中絕大多數(shù)采用水平軸高速風(fēng)力機(jī)，特別是幾百瓦的離網(wǎng)充電式小型微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)絕大多數(shù)是水平軸式的。2風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性24】25】現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用空氣動(dòng)力學(xué)原理，就像飛機(jī)的機(jī)翼一樣，風(fēng)并非推動(dòng)葉片運(yùn)動(dòng)，而是吹過(guò)葉片形成葉片正反面的壓差，這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力或阻力，令葉輪不斷橫切風(fēng)流旋轉(zhuǎn)起來(lái)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。1由流體力學(xué)可知，氣流的動(dòng)能為E圭觸2，其中P為氣體的密度，V為氣Z體的速度，S為氣體流過(guò)截面積。風(fēng)力機(jī)的第一個(gè)氣動(dòng)理論是由德國(guó)的貝茲BETZ于1926年建立的。由于流經(jīng)風(fēng)輪后的風(fēng)速不可能為零，因此風(fēng)所擁有的能量不可能完全被利用。也就是說(shuō)只有風(fēng)的一部分能量可能被吸收，成為槳葉的機(jī)械能。那么風(fēng)輪究竟能夠利用多少風(fēng)能呢貝茲假設(shè)風(fēng)輪是理想的，假定風(fēng)輪沒(méi)有輪轂，葉片無(wú)窮多，通過(guò)風(fēng)輪的氣流沒(méi)有阻力，此外，假定氣流經(jīng)過(guò)整個(gè)風(fēng)輪掃掠面時(shí)，是均勻的，并且氣流速度的方向在通過(guò)風(fēng)輪前后都是沿著風(fēng)輪軸線的，如圖25所示。FI圖25風(fēng)輪氣流圖設(shè)氣流在截面墨、S、S處的風(fēng)速分別為M、1，、V。如果空氣是不可壓縮的，由連續(xù)條件可知S1V1SVS2V221風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力可由歐拉EULER理論得FPKS【VV11，222風(fēng)輪吸收的功率為PFVPSV21，L一吃23風(fēng)輪上游和下游氣流的動(dòng)能差為絲圭觸訂飛224根據(jù)能量守恒定律可知，風(fēng)輪吸收的功率應(yīng)該等于氣流動(dòng)能的變化量，即PAE；計(jì)算得1，芏蘭252風(fēng)作用在風(fēng)輪上的力，PS，卜1，；風(fēng)輪吸收的功率P2專茚訂一V孤，Z；直接對(duì)式27中的V2求導(dǎo)得蕓三加；2VLV23V；令式28中_DPO得兩個(gè)解解11，Z2一H，此解無(wú)意義；解21，2了V1262728根據(jù)分析可得當(dāng)，睪時(shí)，P為最大值；吾砂29一等罄扣593風(fēng)力機(jī)實(shí)際能得到的有用功率輸出是P去3SCE，其中CP為風(fēng)力機(jī)的實(shí)3風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性【24】【25】【26】12前面根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，分析了理想風(fēng)力機(jī)的功率輸出。但在實(shí)際的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)起動(dòng)時(shí)，需要一定的力矩來(lái)克服其內(nèi)部的摩擦阻力，這一力矩稱作風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)力矩。起動(dòng)力矩與風(fēng)力機(jī)本身傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力有關(guān)，因此風(fēng)力機(jī)有一個(gè)最低的工作風(fēng)速圪H一般為34MJ，只有風(fēng)速大于時(shí)風(fēng)力機(jī)才能工作。而當(dāng)風(fēng)速超過(guò)某一值的時(shí)候，基于安全上的考慮主要是塔架和槳葉強(qiáng)度，風(fēng)力機(jī)應(yīng)當(dāng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，所以每臺(tái)風(fēng)力機(jī)都規(guī)定有最高工作風(fēng)速R，該風(fēng)速值與風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度有關(guān)，是設(shè)計(jì)時(shí)給定的參數(shù)。介于最低風(fēng)速圪抽和最高風(fēng)速R之間的風(fēng)速叫做風(fēng)力機(jī)的工作風(fēng)速，相應(yīng)于工作風(fēng)速風(fēng)力機(jī)有功率輸出，風(fēng)力機(jī)的輸出功率達(dá)到標(biāo)稱功率時(shí)的工作風(fēng)速稱為該風(fēng)力機(jī)的額定風(fēng)速。為充分利用風(fēng)力資源進(jìn)行發(fā)電，應(yīng)按當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源來(lái)確定風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速和額定風(fēng)速，進(jìn)而選擇合適的機(jī)型。風(fēng)力機(jī)的功率輸出特性可以用圖26的功率曲線來(lái)表示，L2毒4蓐了L鑫1011娩縐14LS協(xié)17JLL2|毖船熊篇凰進(jìn)，L，圖26風(fēng)力機(jī)的功率曲線222傳動(dòng)機(jī)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般包括低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等。_般情況下，風(fēng)力機(jī)聯(lián)結(jié)低速軸，然后經(jīng)過(guò)增速齒輪箱，高速軸聯(lián)結(jié)發(fā)電機(jī)，但是并不是所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都是這樣的。有些風(fēng)力機(jī)的輪轂直接連接到齒輪箱上，不需要低速傳動(dòng)軸，也有一些風(fēng)力機(jī)特別是小型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)成無(wú)齒輪箱的，風(fēng)輪直接連接到發(fā)電機(jī)，即直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。223發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中承擔(dān)著機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。它直接影響這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的性能、效率和供電質(zhì)量。因此，選用可靠性高、效率高、控制及供電性能良好的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，是風(fēng)力發(fā)電工作的一個(gè)重要任務(wù)。小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)一般有三相永磁同步發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、電磁式交流發(fā)13跚啪啪鼬韃粥讎劬搬聃鼬撕P電機(jī)、爪極式發(fā)電機(jī)、磁阻式發(fā)電機(jī)和感應(yīng)子式發(fā)電機(jī)等。隨著永磁材料的技術(shù)發(fā)展，永磁材料磁性能的大大提高，目前在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主要使用三相永磁同步發(fā)電機(jī)。三相永磁同步發(fā)電機(jī)一般體積較小、而且價(jià)格便宜；永磁同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與一般同步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子采用永磁結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有勵(lì)磁繞組，不消耗勵(lì)磁功率，因而有較高的效率，省去了換向裝置和電刷，可靠性高，定子鐵耗和機(jī)械損耗相對(duì)較小，使用壽命長(zhǎng)。另外，起動(dòng)阻力矩是用于微型、小型風(fēng)電裝置的低速永磁發(fā)電機(jī)的重要指標(biāo)之一，它直接影響風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)性能和低速運(yùn)行性能。為了降低切向式永磁發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻力矩，必須選擇合適的齒數(shù)、極數(shù)配合，采用每極分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)，分?jǐn)?shù)槽的分母值越大，氣隙磁導(dǎo)隨轉(zhuǎn)子位置越趨均勻，起動(dòng)阻力矩也就越小。采用永磁同步發(fā)電機(jī)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)，為了調(diào)節(jié)其輸出功率，可以另加輸出控制電路，即通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。直驅(qū)式三相永磁同步發(fā)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)1由于傳動(dòng)系統(tǒng)部件的減少，省去了沉重的齒輪箱，零部件的數(shù)量得到大量簡(jiǎn)化。2永磁發(fā)電技術(shù)的采用，提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和效率。3機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減少降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的噪音，減少了機(jī)械損耗，提高了傳動(dòng)效率。4可靠性的提高，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本。根據(jù)上文所介紹，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用的是600W的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用水平軸、三葉片、上風(fēng)向、定漿距、直接驅(qū)動(dòng)和三相永磁同步發(fā)電機(jī)的總體方案。23太陽(yáng)能光伏電池板小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的另一個(gè)電能產(chǎn)生環(huán)節(jié)是太陽(yáng)能光伏電池板，它負(fù)責(zé)將太陽(yáng)光輻射轉(zhuǎn)換成電能。231太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作原理27】【28】1954年，美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)電池，誕生了將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理是利用“光生伏打效應(yīng)“將太陽(yáng)能輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池是用半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上的半導(dǎo)體PN結(jié)上時(shí)，電池吸收光能，在半導(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子電子空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓“，這就是“光生伏打效應(yīng)”。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有“光生電流“流過(guò)，從而獲得功率14輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。上述太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的工作原理概括為如下三個(gè)主要過(guò)程首先，太陽(yáng)能電池吸收一定能量的光子后，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，成為“光生載流子，兩者的電性相反；然后，電性相反的光生載流子被半導(dǎo)體PN結(jié)所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)分離開(kāi)；最后，光生載流子電子和空穴分別被太陽(yáng)能電池的正負(fù)極所收集，并在外電路中產(chǎn)生電流，從而獲得電能。232太陽(yáng)能光伏電池板的等效電路【27】【28】為了便于分析光伏電池的工作特性，常常把光伏電池和其負(fù)載系統(tǒng)用一個(gè)等效電路來(lái)表示，圖27所示為理想太陽(yáng)能電池的一個(gè)等效電路。太陽(yáng)能電池H、Z圪圖27理想太陽(yáng)能電池等效電路圖27中把太陽(yáng)能電池看成能穩(wěn)定產(chǎn)生光電流SC的EG,刺G，它表示太陽(yáng)能電池板受到光照時(shí)產(chǎn)生恒定電流J的能力。這個(gè)等效電路說(shuō)明太陽(yáng)能電池受陽(yáng)光照射后產(chǎn)生了一定的光電流，其中一部分用來(lái)抵消PN結(jié)的結(jié)電流L，另一部分即為供給負(fù)載的電流L。負(fù)載電壓VO、結(jié)電流ID、負(fù)載電流T的大小都與負(fù)載有關(guān)，但負(fù)載并不是唯一的決定因素，這只是理想情況，實(shí)際的太陽(yáng)能電池的等效電路更為復(fù)雜。為了更準(zhǔn)確地表達(dá)太陽(yáng)能電池的特性，圖28給出了實(shí)際等效電路圖。15乇卜L一I盡，冠ZQ由如圪，圖28太陽(yáng)能電池實(shí)際等效電路圖圖28所示的實(shí)際等效電路考慮到了太陽(yáng)能電池本身的內(nèi)阻，用R。表示串聯(lián)內(nèi)阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極的導(dǎo)體電阻、電極與硅表面的接觸電阻等組成，如是旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。流過(guò)負(fù)載的電流為仁ISCISEXP面Q榔川_1一半2其中Q為電子電荷；IS為二極管飽和電流；K為波爾茲曼常熟；T為熱力學(xué)溫度；A為常熟因子，正偏電壓大時(shí)A值為1，正偏電壓小時(shí)A值為2。從式211中可以看出LLEXP【志LB】一1212L半即得流過(guò)負(fù)載的電流L為ILISCLDIST214一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，串聯(lián)電阻RS很小，而并聯(lián)電阻R媯很大。由于RS、尺曲分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中，所以在理想的電路計(jì)算時(shí)，它們可以忽略不計(jì)。此時(shí)，流過(guò)負(fù)載的負(fù)載電流T為ILISCLD233太陽(yáng)能光伏電池板的工作特性27】【28】【29】16215乞，太陽(yáng)電池的VI特性可如圖29所示，這是在某確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽(yáng)電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系。從VI特性可以看出，太陽(yáng)電池是輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)近似恒定，在接近開(kāi)路電壓時(shí)，龜流下降率很大。圖29太陽(yáng)電池VL特性曲線對(duì)應(yīng)太陽(yáng)電池特性曲線，其相應(yīng)的幾個(gè)最重要參數(shù)定義如下1短路電流K，在給定溫度和日照強(qiáng)度下所能輸出的最大電流；2開(kāi)路電壓，在給定溫度和日照強(qiáng)度下所能輸出的最大電壓；3最大功率點(diǎn)電流，。，在給定溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流；4最大功率點(diǎn)電壓圪，在給定溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流5最大功率點(diǎn)功率只，在給定溫度和日照強(qiáng)度下可能輸出的最大功率，已IM圪。光伏電池的輸出功率具有很強(qiáng)的非線性，環(huán)境因素影響很顯著，尤其是光照和溫度。太陽(yáng)電池的伏安特性隨日照強(qiáng)度S和電池溫度T的變化而變化。不同日照和溫度下表現(xiàn)出的電壓電流VI和電壓功率VP特性，如圖210和211所示。U圖210不同日照和溫度下VI特性曲線17圖211不同日照和溫度下VP特性曲線圖210中反應(yīng)電壓電流阼D特性受環(huán)境的影響。在一定溫度和光照下，太陽(yáng)能電池的輸出特性為A曲線，當(dāng)日照強(qiáng)度S不變溫度T降低時(shí)，輸出特性向B、C方向變化，當(dāng)溫度T不變而日照強(qiáng)度S減小時(shí)，很明顯特性曲線向D、E方向變化。圖211則反應(yīng)電壓功率VE特性受環(huán)境的影響。在一定溫度和光照下，太陽(yáng)能電池的輸出特性為A曲線，當(dāng)日照強(qiáng)度S不變溫度T降低時(shí)，輸出特性向B、C方向變化，當(dāng)溫度T不變而日照強(qiáng)度S減小時(shí)，很明顯特性曲線向D方向變化。由太陽(yáng)能電池的弘，、VP特性曲線可知，要想充分利用太陽(yáng)能電池板，就要使輸出功率跟蹤最大功率點(diǎn)，這就需要MPPTMAXIMUMPOWERPOINTTRACKING控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，控制策略將在第三章進(jìn)行詳細(xì)的描述。24蓄電池在小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是必不可少的輔助設(shè)備。蓄電池是整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中主要起三個(gè)作用一是儲(chǔ)能，由于自然風(fēng)和日照是不穩(wěn)定的，在風(fēng)、日照充足的條件下，可以存儲(chǔ)供給負(fù)載后多余的電能，在風(fēng)力、日照不佳的情況下，可以輸出電能給負(fù)載；二是穩(wěn)壓，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓的大小取決與風(fēng)速的大小，由于自然風(fēng)的變化極大，隨機(jī)性強(qiáng)，使得電壓浮動(dòng)范圍很大，通過(guò)蓄電池調(diào)節(jié)，供電電壓可以保持穩(wěn)定；三是風(fēng)光互補(bǔ)，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電是兩個(gè)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，它們?cè)谀硞€(gè)時(shí)刻的發(fā)電強(qiáng)度有很大差別，利用蓄電池可以將二者產(chǎn)生的電能結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)二者的互補(bǔ)。蓄電池容量配置是否合理，對(duì)小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響很大。容量選小了，系統(tǒng)發(fā)出多余的電量得不到儲(chǔ)存；容量選大了，一則增加投資，二則蓄電池可能會(huì)長(zhǎng)期處于充電不足的狀態(tài)，直接影響使用的效率和壽命。在常用的蓄電池中，主要有鉛酸蓄電池、堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池。其中鉛酸蓄電池價(jià)格低廉、性能可靠、安全性高，且技術(shù)上又不斷進(jìn)步和完善，在小型風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)18電系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。鉛酸蓄電池的容量是把完全處于充電狀態(tài)的鉛酸蓄電池，按一定的放電條件，放電到所規(guī)定的終止電壓為止，能夠釋放的電量用安時(shí)AH表示。241鉛酸蓄電池的工作原理【30】31】32】依據(jù)哥來(lái)德斯東和特利浦雙硫酸化理論鉛酸電池釋放化學(xué)能的過(guò)程放電是負(fù)極進(jìn)行氧化，正極進(jìn)行還原的過(guò)程；鉛酸電池補(bǔ)充化學(xué)能充電的過(guò)程則是負(fù)極進(jìn)行還原，正極進(jìn)行氧化的過(guò)程。鉛蓄電池充電時(shí)，正極上的硫酸鉛氧化成二氧化T91PBO，負(fù)極上的硫酸鉛還原成金屬鉛；放電時(shí)正、負(fù)兩極都生成硫酸鉛PBSO。這種硫酸鹽。該過(guò)程可用化學(xué)反應(yīng)方程式【301表達(dá)如下放電正極PB02HS043H2E三孑PBS042H20216放電負(fù)極PBHSOI一2E尋PBS04日217鉛酸蓄電池的放電反應(yīng)和充電反應(yīng)互為可逆反應(yīng)。放電反應(yīng)消耗電解液中的硫酸HS04，生成水日D，結(jié)果是硫酸溶液的濃度降低。充電時(shí)極板中的硫酸鉛轉(zhuǎn)變成鉛和二氧化鉛，產(chǎn)生硫酸，濃度又逐漸升高，最后達(dá)到穩(wěn)定值。因此，可以用電池中硫酸溶液的密度濃度來(lái)判斷電池充放電的程度。充電時(shí)，特別是充電后期，會(huì)電解水生成氫氣和氧氣；電極上發(fā)生的電化學(xué)反映如下正極PBS042日2D一2P一尸BOZHSOI3H218以D一2P一2H二僅個(gè)219。2負(fù)極PBS04H2E_PB“1HS042202H2EH2個(gè)221因此在電壓升高時(shí)，電能主要消耗在電解水方面，而且對(duì)極板活性物質(zhì)很不利，所以在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中要對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充電保護(hù)。242鉛酸蓄電池的充放電特性30】【31】【32】在鉛酸蓄電池充放電過(guò)程中，電池端電壓的可以表示如下充電UE伊A只，則說(shuō)明擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)向該方向擾動(dòng)；若罡蘭墮墨竺竺堂蘭圖38擾動(dòng)觀察J去控制框圖這種控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少。其缺點(diǎn)是由于始終有“擾動(dòng)”的存在，其輸出會(huì)有一定的微小波動(dòng)，在最大功率跟蹤過(guò)程中將導(dǎo)致些微功率損失，同樣為了增加控制的精度，可以采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。2本文采用的控制方法上述兩種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者控制簡(jiǎn)單，但受溫度影響較大，后者26可以跟蹤不同溫度下的最大功率點(diǎn)，但是存在波動(dòng)，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)實(shí)際需要，本文將二者結(jié)合起來(lái)，控制思想如下首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，采用CVT啟動(dòng)，因?yàn)镃VT法有良好的啟動(dòng)特性，然后采用擾動(dòng)觀察法，取得最大功率點(diǎn)，這樣的便獲得一個(gè)最大功率點(diǎn)處的，由于溫度不可能突變，因此在一定時(shí)間內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本保持不便；然后采用CVT法，將系統(tǒng)的輸出電壓控制在測(cè)得的附近。過(guò)一段時(shí)間后，重復(fù)上述步驟，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率輸出控制。33蓄電池充電控制策略蓄電池的壽命直接影響發(fā)電系統(tǒng)的使用成本。影響蓄電池壽命的因素很多，研究發(fā)現(xiàn)電池充電過(guò)程對(duì)電池壽命影響最大，放電過(guò)程的影響較少。也就是說(shuō)，絕大多數(shù)的蓄電池不是用壞的，而是“充壞”的。由此可見(jiàn)，對(duì)蓄電池的充放電控制很重要，采用正確的充放電方式，能有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低使用成本。331蓄電池的充電方法【30】31兒39】蓄電池的充電方法一般可以分為三種恒流充電、恒壓充電和分段式充電。1恒流充電蓄電池恒流充電就是控制蓄電池的充電電流，使其保持在一個(gè)恒定值附近。這種充電方法開(kāi)始充電階段電流過(guò)小，而在充電后期充電電流又過(guò)大，整個(gè)充電時(shí)間較長(zhǎng)，這種方法已經(jīng)很少采用了?？梢詫?duì)這種方法進(jìn)行改進(jìn)，即分段式恒流充電，就是為了避免后期充電電流過(guò)大，在充電后期時(shí)，將充電電流減小。2恒壓充電恒壓充電就是對(duì)蓄電池以某一恒定電壓進(jìn)行充電，因此這種方法的初期充電電流相當(dāng)大，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電的終期只有很小的充電電流，在充電過(guò)程中不要調(diào)整電流，充電電流自動(dòng)減小。這種方法在蓄電池的充電初期，電流很大，可能會(huì)損壞蓄電池。在這種方法的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了改進(jìn)的恒壓限流充電方法。即在充電回路串聯(lián)一個(gè)電阻，稱為限流電阻。當(dāng)充電電流大時(shí)，限流電阻的壓降會(huì)增大，這樣就降低了蓄電池兩端的充電電壓，當(dāng)電流小時(shí)，限流電阻上的壓降變小，從而增加蓄電池兩端的充電電壓，自動(dòng)調(diào)整充電電流，也稱作準(zhǔn)恒壓充電法。3分段式充電分段式充電方法就是將整個(gè)充電過(guò)程進(jìn)行分段控制，每一段采用一種充電方法。根據(jù)蓄電池的特性可知，在蓄電池電壓較低時(shí)，其接受電流的能力較強(qiáng)，允許充電電流較大；隨著蓄電池電壓的上升，其接受電流的能力逐漸減弱。為了保護(hù)蓄電池，必須降低充電電流，其理想充電電壓電流曲線如圖39所示。27UVIA圖39蓄電池理想充電曲線T1一般可以通過(guò)蓄電池電壓來(lái)確定，表示蓄電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)時(shí)刻之前，蓄電池接受電流能力較強(qiáng)，采用恒流充電，也就是使用大電流給蓄電池充電；到達(dá)TL時(shí)刻后，蓄電池電壓較高，接受電流能力下降，此時(shí)采用恒壓給蓄電池充電。這種充電方法考慮了蓄電池的特性，能夠合理快速地給蓄電池充電，是目前較多采用的蓄電池充電方法，控制器采用該方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。332蓄電池的運(yùn)行方式【30】要想實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的合理快速充電，必須首先弄清楚蓄電池的運(yùn)行方式。蓄電池組一般有三種運(yùn)行方式充放電制循環(huán)制、連續(xù)浮充制和半浮充制。1充放電制充放電制也稱循環(huán)制，蓄電池的工作方式是完全放電，然后充電，再完全放電、再完全充電如此循環(huán)。這種工作方式多用于移動(dòng)型、小容量的便攜蓄電池，如蓄電池車、手提式工具等。2連續(xù)浮充制連續(xù)浮充制就是晝夜就將蓄電池組和整流設(shè)備相連，并且安裝在負(fù)載回路上。平時(shí)負(fù)載用電由整流設(shè)備提供，蓄電池保持少量的充電電流。當(dāng)整流設(shè)備出故障時(shí)，蓄電池來(lái)給負(fù)載供電，保證負(fù)載供電不中斷，一般在UPS電源中使用較多。3半浮充制半浮充制就是負(fù)載一段時(shí)間由蓄電池供電，另一段時(shí)間由整流設(shè)備供電，并且這段時(shí)間給蓄電池補(bǔ)給電量。本文的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池近似的工作在這種半浮充運(yùn)行方式。34本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)總體控制方案風(fēng)能的隨機(jī)性較強(qiáng)，不可能隨時(shí)都保持較高的輸出電壓，有時(shí)輸出電壓過(guò)高，有時(shí)沒(méi)有風(fēng)，輸出電壓為零。光照強(qiáng)度也存在一定的不確定性，例如陰雨28天，很難達(dá)到理想的光照強(qiáng)度，因此很難實(shí)現(xiàn)蓄電池的理想充電方案。結(jié)合上述的風(fēng)力發(fā)電控制方法、光伏發(fā)電控制方法以及蓄電池分段式充電方法的各自特點(diǎn)，可以對(duì)充電控制策略進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的要求。本文設(shè)計(jì)的小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電充電電路與光伏發(fā)電充電電路是兩個(gè)獨(dú)立的充電模塊，二者互不影響，可以進(jìn)行單獨(dú)充電控制。由于光伏發(fā)電相對(duì)比較穩(wěn)定，而風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)性比較強(qiáng)，因此將光伏發(fā)電的充電電流J姒艘作為蓄電池充電電流的基礎(chǔ)部分，所謂的基礎(chǔ)部分不是說(shuō)光伏發(fā)電占發(fā)電總量的絕大多數(shù)，恰恰相反，本系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電的供電為主，也就是說(shuō)，在充電過(guò)程中優(yōu)先選用光伏充電因?yàn)樗€(wěn)定，在光伏充電