谢利娟
（乌兰察布职业学院 内蒙古乌兰察布 012000）
【摘要】 随着风力发电的发展，人们对风能的利用率不断提出更高的要求。如何更有效的的利用风能呢？本文针对海上风力发电，选择1.5KW永磁式直驱风力发电机组进行设计，分析其结构特点，研究风力发电机以及最大功率跟踪，根据海上风速的不停变换，对叶尖速比的控制参数进行分析，对比在不同的风速下，输出功率有何不同，利用MATLAB对其模拟仿真，从而实现捕获最大风能的目的。
【关键词】叶尖速比；PI控制器；MATLAB仿真
1.引言
化石能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环境污染与生态破坏的重要原因之一，如何在开发和使用能源的同时，保护好人赖以生存的地球生态环境，已经成为一个全球性的重大问题。新能源的开发和有效利用是解决能源供需矛盾的重要手段，也是实现可持续发展战略的必然选择。其中，风能作为一种无污染 、可再生 、占地少、 开发利用技术成熟的新能源，在世界各国得到了发展和利用。
风力发电分为海上风电、陆上风电和近海风电。和陆上发电相比，海上风电有很多优势：风能资源较为丰富；电磁干扰等外界因素对风电厂的影响小；海上的空间更为广阔，可以装容量更大的风力发电机组，输出更高的功率来发出更多电能，带来更大的经济效应……虽然海上风电在可开发总量上仅为陆上风电的1/5，但从可开发比例以及单位面积来看，海上风电的发展潜力更大。
虽然海上风力发电有很多优点，但也存在一些问题，例如：风速的随机性和不可控性，风能利用效率低，会使大功率海上风力发电无法达到最大功率的输出，在一定程度上，会造成风能的浪费。所以，海上风电若想要得到大规模的开发和利用，如何提高风能利用率的研究是非常有必要的。
2.海上风力发电机组的选择
风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。空气流动的动能会作用在风力机的风轮上，推动风轮旋转，将空气动能转变为风轮旋转的机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统，驱动发电机轴及转子旋转，最终发电机将机械能转变为电能，然后再输送给负荷或电力系统，这便是风力发电的工作过程。
我国最常用的两类发电机是：双馈式风力发电机、直驱式风力发电机。这两种发电机的主要区别在于是否使用齿轮箱。在双馈式发电机的结构中，要使用滑环和碳刷，因此会保留多级齿轮箱。而在直驱式风力发电系统中，风机叶轮直接驱动多级同步发电机的转子发电，可以除去传统部件——齿轮箱的使用。
从经济角度出发：由于海上风速大，会出现湍流，湍流的出现会给转子主轴造成偏移现象，从而损坏风机。因此，在海上齿轮箱出现故障的概率大大提升，大功率风机的发电机尺寸非常大，一旦出现故障，维修成本也随之加大。而直驱式风力发电机免去了齿轮箱这一易坏部件，所以，在很大程度上会降低维修成本，同时维护也较简单。综上所述，在海上更适合选用直驱式风力发电机。
直驱式风力发电机又可分为励磁发电机和永磁发电机两类，二者的最大区别在于励磁发电机多一组励磁装置。永磁发电机是由永磁体产生励磁磁场，可以省去励磁绕组、电刷以及集电环结构，整体结构相对简单，可以避免励磁式发电机中励磁绕组易烧毁易断线、集电环和电刷易磨损等问题，提高使用可靠性的同时还减少维修成本。此外，因为大功率直驱风力发电机都属于低速电机，其在低速发电的情况下，性能更好，和励磁发电机相比，输出功率要高出一倍。所以在本文对大功率发电机的选择中，永磁式直驱型风力发电机更适合。
3.捕获最大风能的机理
风能是具有不稳定性和随机性特征的一种能源，用于捕获风能的风力机在不同的风速下都有一个最佳转速，在最佳转速下，捕获风能的效率最高，风施加到风力机上的应力最小，所以要将风力发电机组运行的状态控制到最优转速下，使之在此状态下运行，保持最佳的叶尖速比，捕获最大风能，提高风能利用率，从而提高机组的发电效率。
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当桨距角和风速一定时，总会有一个最佳的叶尖速比，且对应着最大的风能转换系数，这时，风机的能量转换效率是最高的。对于特定的风速，风机只有运行在特定的机械角速度下，才会获得最大的能量转换效率。(如下图所示）
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4.基于MATLAB仿真过程
PI控制器具有比例调节作用和积分调节作用，其中比例调节作用是指按比例来反映系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差；积分调节作用是指消除系统的稳态误差，提高无差度。本文中的控制器采用PI控制技术，用实际输出功率来追踪参考输出功率，对它们之间的误差进行仿真。通过选取合适的PI参数，可以得到较为理想的追踪效果，从而实现控制所要求的目标。
仿真模型的参数为：1.5KW永磁式直驱型设计参数
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风力发电系统模型主要由空气动力模型、传动链、发电机模型构成。空气动力模型的作用是将有效的风能转换为有用的机械能；传动链的作用是将风轮的旋转运动传递至发电机，其采用一定增速比例的齿轮箱作为机械传动结构，通过这种方法，将会增加转速，可将风轮转速增至适合驱动发电机的转速，便于发电机正常运行；发电机模型的作用是产生电能，目的在于将传动链传送过来的机械能转换为电能；发电机的电力终端与公共电网相连，便于将电能输送至电网。整个风力发电系统是一个有机整体，需要各个子部分有较高的兼容性，才能实现风能的高效转换
5.结论
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在处于额定风速时，风能捕获率也处于最佳，但在高于或者低于额定风速时，要想风能捕获率仍然处于最佳状态，就得有调节器的介入，通过给定值与实际输出值构成控制偏差，对风能的输出进行控制，使其实现最佳风能的捕获率，通过仿真结果可以看出，本文的仿真分析是合理可行的。
参考文献
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