小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量管理集成控制的研究.pdf

1、風(fēng)能是可再生能源中最重要的能源之一,風(fēng)力發(fā)電對于改善能源結(jié)構(gòu)、推動(dòng)生態(tài)和環(huán)境建設(shè)具有十分重要的意義。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有投資小、使用靈活的特點(diǎn),非常適合于解決居住相對分散、風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dòng)關(guān)系和工作模式轉(zhuǎn)換入手,通

2、過系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究,以期實(shí)現(xiàn)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行。論文首先簡述了風(fēng)力發(fā)電的意義和風(fēng)能利用及風(fēng)力發(fā)電歷史,綜述了美國、加拿大、歐洲和我國的小型風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,總結(jié)了小型風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用狀態(tài)及存在問題,概括了小型風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機(jī)直接耦合永磁同步發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在二極管整流橋與蓄電池之間插入DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié),結(jié)合

3、機(jī)械折尾翼與耗能電阻方式進(jìn)行風(fēng)力機(jī)限速保護(hù)。介紹了研究的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各組成部分的工作原理,闡述了風(fēng)力機(jī)運(yùn)行特性、DC/DC變換器阻抗變換原理及通過DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制和負(fù)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(fēng)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(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)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(jìn)行控制會(huì)引起蓄電池提前損壞。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化及可靠運(yùn)行,將能量管理集成控制思想引入

4、小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),完成對系統(tǒng)內(nèi)部能量變換、流動(dòng)及設(shè)備安全保護(hù)的檢測和控制。分析了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的能量流動(dòng)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(jī)械傳感器的最佳功率給定法,針對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種自整定型模糊PID控制器進(jìn)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(fēng)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(bǔ)償?shù)幕夭铍妷悍烹娍刂撇呗?。變電流快速充電控制既能夠快速?chǔ)存能量,又可以避免過充電;具有電流補(bǔ)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(shí)又避免過放電。第六,建立了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的各組成部分的數(shù)學(xué)模型,針對能量管理集成控制的小型風(fēng)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(shí)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(tái)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(fù)載跟蹤控制和蓄電池充放電控制進(jìn)行了仿真研究,仿真結(jié)果驗(yàn)證了小型風(fēng)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(jì)并制作了一臺(tái)具有能量管理集成控制功能的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)智能控制器,功率主電路選用Buck變換器進(jìn)行功率調(diào)節(jié),利用單片機(jī)C8051F410作為控制單元。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用該實(shí)驗(yàn)平