能源、环境是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。常规能源以煤、石油、天然气为主，它不仅资源有限，而且造成了严重的大气污染。因此，风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，已受到人们的广泛关注。目前尤以变速恒频风力发电系统最受欢迎，因为该风力发电系统较之传统的恒速恒频风力发电系统有许多优点，如低速时它能够根据风速的变化。在运行中保持最佳叶尖速比，以获得最大风能：高风速时利用风轮转速的变化，储存或释放部分能量，使功率输出更加平稳。目前风轮直接驱动低速同步发电机即直驱式风力机受到广泛欢迎。直驱式风力机具有节约投资，减少传动链损失和停机时间，以及维护费用低，可靠性好等优点。同时，由于永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁电源，也就取消了易出故障的集电环和电刷装置，成为无刷电机。因此，该电机结构简单，运行可靠，价格便宜，非常适合解决我国偏远地区农牧民的用电需求。
2 风力机特性
风力机通过桨叶把风能转化成机械能，提供转矩以驱动机械负载。按照贝兹原理，风力机从风中捕获的机械功率为：
式中 Cp——风力机风能利用系数，A—风力机扫掠面积，ρ—空气密度，ν—风速
实际上， Cp就是风力机将风能转换为机械能的效率，它是叶尖速比λ和桨叶节距角α 的函数。可见，在风速一定的情况下，发电机获得的输入机械功率Pmech，大小将只取决于风力机风能利用系数Cp 。一般对于采用电气调节而言，α为常数。因此， Cp只是λ的函数。λ是风轮叶尖线速度与ν之比的函数：
式中R—— 风轮半径, ω—— 风力机机械角速度
把式（2）代入式（1），并取Cp为其最大值Cpmax ，于是有：
式中Pmax ——最佳功率
这里存在一个叶尖速比值，使得Cp为最大，即Cpmax。典型的有最佳叶尖速比λ=9, 此时Cp为最大，即Cpmax=0.43。于是，为了追求Pmax，必须在风速变化时及时调整ω，以保持风力发电机运行在最佳叶尖速比下。
3 变频器设计
图1示出风力发电系统的拓扑结构。该系统采用永磁同步发电机与风力机直接耦合，为了解决同步发电机转速和电网频率之间的刚性耦合，在发电机和电网间使用了变频器。变频器由整流器、电容、电池组、逆变器组成。按图1所示，随着风速的变化，发电机的输出电压会激烈波动。正是该特征影响了风力发电机的最大功率输出。意即，在中低风速时，由于发电机输出的电压很低，就不能保证有功功率流向电网或负载。相反会导致有功功率的反向流动。
3．1 最大风能利用电路的实现
图1所示风力发电系统的电路拓扑不能充分地利用风能。图2给出了一种利用Buck—Boost电路来实现最大风能追踪的风力发电系统的简单电路，其中虚线框内的电路为Buck—Boost电路。
在ton期间，VS导通，VD反偏关断，此时电感电压UL=Uin。在toff 期间，VS关断，电感储能以自感电势形式释放，VD导通，此时负载电压平均值与输入电压极性相反，且有电感电压UL=Uo。考虑到一周期内电感电压积分平均值为零的事实，即由此得：
占空比D定义为：
由式（4），（5）得：
式（6）说明，当D≤0.5时，∣Uo∣≤∣Uin∣，输出电压Uo下降；当D>0.5时，∣Uo∣>∣Uin∣，Uo上升，且输入输出电压反极性。
3.2 最大功率搜索算法
图3示出某一风力机在不同风速下的输出有功功率P和D特性曲线。它由A．B两部分组成。可以看出．P近似与D成比例。
图3 风力机输出功率特性曲线
如图3所示，以某一风速下的输出功率特性曲线为例，在A区，dP／dD>0，当dP>0且dD>0时,工作点正向着最大功率处靠近，此时，为使系统工作在最大功率处，需继续增加D。当dP<0且dD<0时,工作点正背离最大功率处，此时需改变工作点的移动方向，同时要增加D；在B区，dP／dD<0．当dP>0且dD<0时,工作点正向着最大功率处靠近,此时,为使系统工作在最大功率处，需继续减小D。当dP<0且dD>0时, 工作点正背离最大功率处，此时需改变工作点的移动方向，同时要减少D。基于以上分析，图4给出了实现最大风能利用搜索算法的软件流程。
图4 最大风能利用搜索算法软件流程图
4 实验结果
为了便于实验，采取以下简化措施：①用直流电动机代替风力机；②逆变电路和电网由一负载RL代替。图5给出了直驱风力发电系统简化实验电路。同步发电机的参数为：额定功率Pe=2.2kW，额定电压Ue=200V,电机极对数p=2。图6a给出了在中低风速下,采用图l所示风力发电系统进行实验得出的输出功率波形。由图可见，几乎没有有功功率流向负载。这是因为在中低风速时,同步发电机输出的电压不够高，因而不能保证电流流向电网或负载；图6b给出了在中低风速下，采用图2所示的风力发电系统．并应用最大风能利用控制算法进行控制后得出的输出有功功率波形。由图6b可见，有功功率的输出明显增加。这是因为在中低风速情况下，尽管同步发电机的输出电压不够高．但由于采用最大风能利用搜索算法对Buck-Boost电路占空比作了相应调节，因而迫使电流以接近最大值流向负载或电网，保证了风力机工作在最大功率系数上。
5 结 论
采用风力机直驱永磁同步发电机风力发电系统的最主要问题是在中低风速下，同步发电机的输出电压会剧烈波动，因而不能保证风力机工作在最佳工作点。为了解决该问题，使用了简单的Buck—Boost变换器，并通过最大风能搜索算法实现了风力机的最大风能利用。该系统有无需检测风速和发电机转速的特点，同时其变频器结构也简单，因此其成本较低，较易实现，易于在我国偏远缺电地区推广。
