郑州大学风光互补发电系统实验手册 -SY17

实验17
风力发电机功率点跟踪控制实验
一、实验目的
1.了解风力发电机充电原理。

2.熟练掌握风力发电机功率点跟踪控制实验的操作步骤。

二、实验仪器：
序号名称备注
1风能控制系统实验科研平台已配好2控制系统实验科研平台已配好3风源控制系统实验科研平台已配好4
储能系统
实验科研平台已配好
三、原理与说明
1.风力发电机功率曲线
风力发电机的额定输出功率是配合特定的额定风速而设定的，由于能量与风速的立方成正比，因此，风力发电机的功率会随着风速的变化而产生很大的变化。

在风速很低的时候，风机风轮会保持不动。

当达到切入风速时(通常每秒3到4米)，风轮开始旋转并牵引发电机开始发电，随着风力越来越强，风机的输出功率会不断增加，当风速达到风机的额定转速时风电机会输出额定的功率，之后输出功率会保持额定功率大致不变。

当风速进一步增加，达到切出风速时风电机会刹车，进而不再输出功率，以免风机受损。

功率曲线是用作显示在不同风速下(切入风速到切出风速)风电机的输出功率。

为特定地点选择合适的风力发电机，一般方法是采用风电机的功率曲线和该地点的风力资料以进行产电量估算。

风力发电机理想曲线
额定功率W
转速R/M
空载电压负载R= 2.88ΩV AC
V DC
V AC
V DC
I DC
I 1
I 2
I 3
300W/24V
20018.33111.7613 5.49111250
22.63714.417 6.3 1.5 1.5 1.530027.54217.120
7.122235032.14819.5
238.144440036.35422.1268.9555450
40.2
60
24.229
9.5
5.5
5.5
5.5
图17-1
风力发电机实际带载数据
2.风力发电机充电原理
下图的风力发电机充电电路。

风力发电机输出电压为5V 一30V 为例，对如此悬殊的输入电压范围，采用了图17-1中的电路结构。

在风力发电机输出电压低时，用斩波型升压电路(BOOST)把电压升，转换为蓄电池电压。

当发电机电压在60V 以上时，升压电路不工作，直接由全桥变换器转换风力发电机。

图17-2
3.电路简述
图17-3
本电路最大输出时效率达85%—90%，若输出500w ，则有20W 功耗，这些都转化为IGBT 管、变压器、电感、二极管的热量。

为散热，设置了自动感温的排气扇。

本电路输出30W—400W 的效率达85%。

4.功率跟踪
对于风力永磁同步发电机，其输出功率与风速、转速的关系如图a ，总有一个最佳转速对应于最大输出功率，通过对转速的闭环控制来对输出功率进行检测比较、寻优就控制了风机系统的最大功率输出。

但对转速进行检测就要用到编码器，增加了系统的复杂性。

对于小型永磁同步风力发电系统，忽略定子电阻和漏抗，其输出电压与转速的关系为：
式中，Us 为风机定子输出电压，r 为风机旋转角速度，np 为磁极对数，rs 为转子磁通对定子的磁链相量，相对于永磁电机，为定值。

同时，风机输出交流电压Us 与二极管整流桥整流后直流电压VC 1成正比，故VC 1与风机转速成正比。

因此，将不同风速下风机输出最大功率连线用一条斜线近似替代，则风机输出近似最大功率与直流电压关系如图5.b ，其中水平线表示当超出系统总功率时，恒功率输出。

又忽略损耗，风机电磁功率为
且稳态时，电感电流的拉氏方程为：
其中D 1为BOOST 导通占空比；L 1和R 1分别为BOOST 电感和等效电阻。

因此，通过控制BOOST 斩波电路的占空比D 1来控制直流电流I L 1，从而稳定直流电压VC 1，实现风机最大输出功率的跟踪。

图17-4
四、实验项目和方法
（一）通过调节蓄电池采样电阻RB ，来改变充电电压，从而实现不同功率跟踪控制。

实验步骤：
1）本实验项目所有接线方法参考接线点表表17-1；表17-1实验接线对照表
数据线连接方式
序号连线起点连线终点作用
1风能控制单元一_UA 电表U2_UA 将电表U2接入电路测试风能控
制单元一的输入参数
2风能控制单元一_UB 电表U2_UB 3风能控制单元一_UC 电表U2_UC 4
风能控制单元一_Ua
电表U2_IA
5风能控制单元一_Ub 电表U2_IB 6风能控制单元一_Uc 电表U2_IC 7电表U2_IA’风能控制单元一A’8电表U2_IB’风能控制单元一B’9电表U2_IC’风能控制单元一C’10电表V1_U+风能直流输出一_U+将电压表V1并入电路测试风能控制单元一的输出电压11电表V1_U+风能直流输出一_U-12电表I1_I+风能控制单元一TP7’将电流表A1串入电路测试风能控制单元一的输出电流
13电表I1_I-风能直流输出一_U+14风能控制单元一TP8’风能直流输出一_U-15风源控制单元Ua 电表U1_Ua 将电表U1接入电路测试风源控制单元一的输入参数
16风源控制单元_Ub 电表U1_Ub 17风源控制单元_Uc 电表U1_Uc 18风源控制单元_Ia 电表U1_Ia 19风源控制单元_Ib 电表U1_Ib 20风源控制单元_Ic 电表U1_Ic 21风源控制单元_Ia’电表U1_Ia’22风源控制单元_Ib’电表U1_Ib’23
风源控制单元_Ic’
电表U1_Ic’
2）将”风源控制系统”接入“风能控制系统”风能控制单元一（见图17-5）；
T P 1'A '
B '
C '
R B
T P 7'
T P 8'
R W
图17-5“风能控制系统”风能控制单元一示意图
3）实验前注意排查线路是否正常；4）实验上电顺序如表17-2所示；表17-2实验上电顺序对照表
断路器等操作顺序及状态
序号断路器分合状态启动顺序步骤关闭顺序步骤1系统总电源空开合18
2储能系统蓄电池空开合27
3风能控制系统接线板电源空开合36
4风能控制系统仪表电源空开合45
5风源控制系统接线板电源空开合54
6风源控制系统仪表电源空开合63
7控制系统主站合72
8控制系统接线板电源空开合81
5）闭合风能控制单元一直流输出空开;
6）闭合风能控制单元一交流输入空开;
7）闭合风源控制系统的空开K1（见图17-6），按下风源控制系统的变频器的RUN键；
K1
T1
T2
图17-6“风源控制系统”鼓风机控制单元示意图
U Q U1
A1
U2U3
V1
图17-7各仪表的布局示意图
8）先通过调节采样电阻RB校正风机控制器的蓄电池电压到50V；
9）调节鼓风机风速旋钮T2（见图17-6），将风速旋钮顺时针旋转，调节鼓风机风速从0→9m/s。

分别用示波器观测TP5、TP6处充电波形，记录到图a~d。

同时分别读取图17-7中表UQ、U1、表A1、V1、U2和控制系统POWER9000监控后台的数据并记录到表17-3。

（至少采集4组数据）；
表17-3实验数据并记录表
环境条件温度：30.0℃湿度：22%压强：标准大气压时间：2012.11.18
序号鼓风机风
速m/s
风能交流输
入电压/V
风能交流输
入电流/mA
风能直流输出
电压/V
风能直流输出
电流/mA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
图a充电管全开状态
图b充电管打开80%状态
图c充电管打开50%状态
图d充电管全关状态
注意事项：
1.实验前务必将所有线路排查完并确保线路正常；
2.在闭合实验涉及各系统的电源时，一定严格按照步骤规定的闭合顺序执行；
3.对于电压过高、电流过大的环节要做好绝缘工作
五、实验报告要求
1.对实验记录数据进行整理，写出实验结论，并分析影响风力发电机输出功率的因素。

六、思考题
1.思考风机输出功率与风速、转速的关系如何通过对转速的闭环控制来对输出功率进行
检测比较、寻优就控制了风机系统的最大功率输出。