直驱风力发电系统最大功率点跟踪控制研究.pdf

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1、InternalCombustionEngine&Parts·137·直驱风力发电系统最大功率点跟踪控制研究①②武振威；郭振泽（①河南工程学院，郑州451191；②厦门水务中环污水处理有限公司，厦门361008）摘要：能源作为经济发展的物质基础决定着人类文明的发展，而一个国家能源开发利用的状况决定着这个国家经济发展的水平。风能作为一种清洁能源，以其存储量大，可实现性强等优点引起了人们的广泛关注。本文以此为研究背景对风力发电系统最大功率点跟踪控制（MPPT）进行了研究分析，对现存的几种实现最大功率点跟踪控制的方案进行了总结归纳。关键

2、词：风力发电；最大风能捕获；爬山搜索法0引言将风力机的转速直接调到上述公式计算值，就可实现现如今的风力发电已经越来越凸显其经济优势，因MPPT。此，越来越多的投资者开始关注风电市场。风力机捕获风但该方案也有很多缺陷，比如对风速测量要求十分精能的大小取决于当前风速和风力机的转速，在每一个风速确，这样会增加整个系统的成本。最佳叶尖速比曲线只能下都存在着一个风力机可以捕获的最大功率，但由于风能通过数值近似计算得到，方法复杂，且该曲线对风力机的具有随机性和不稳定性，为了让风能转化效率达到最大，结构依赖性太强，给风力发电系统定期维护和升级带

3、来很需要使用一定的控制策略。大困难。1风力发电系统最大风能捕获策略1.2功率信号反馈法（PSF）风速、风力机的转速和风力机捕获的功率之间存在着如果把各个风速下的最大功率点通过一条上升的曲一定的函数关系，所以调节风力机的转速可以控制其捕获线连接起来，那么该曲线就是风力机的最佳功率曲线，如功率的大小。大量的实践证明，每个风速下均存在一个风图1所示。力机可以捕获的最大功率。为了捕获尽可能多的风能，我们需要控制风力发电机使之运行于最大功率点。这种关于最大功率点追踪的技术简称为MPPT(maximalpowerpointtracking)。

4、目前实现MPPT的方法主要有：最优叶尖速比法、功率信号反馈法、爬山搜索法、三点比较法和占空比扰动法等。1.1叶尖速比法（TSR）叶尖速比法就是在风速变化时，通过调整风力机转速使其保持在一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机捕获最大功率。叶尖速比与风力机转速及风速有直接的关系，因此只要获得精确的风速就可以通过最佳叶尖速比找到图1风力机最佳功率曲线该风速下风力机的最佳转速，然后通过直接转矩控制，使功率信号反馈是测量出风力机的转速，并根据风力机风力机运行在最佳转速下，快速响应风速的变化。的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输

5、出功率Pmax，将它作为风力机的输出功率给定值Pref并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调式中：λ：叶尖速比；ω：风轮角速度；R：风轮半径；υ：当节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪。前风速。假设风力机此时运行在最大功率点下，风轮的角速度由贝兹理论：为ω1，风速为υ1，风轮半径固定为R，那么最佳叶尖速比可式中的C（pλ，β）：风能利用系数；λ叶尖速比；β：桨叶节距角；ρ：空气密度；υ：风速，R：风叶的半径。表示为：桨叶节距角一般设置为β=0°，此时Cp仅是λ的一元函数，对于一个确定的风机，其Cp-λ曲线是

6、固定的，如图当风速变为υ2时，风力机最佳转速为：2所示。通过文献，我们可以得到风力机的输出功率和转速的————————————3基金项目：河南工程学院工程基础训练实验教学示范中心（编号关系：Pmax=koptω508905）。作者简介：武振威（1992-），男，河南焦作人，教师，助教，研究方向式中：为电力系统及其自动化。·138·内燃机与配件c：△P<0此时风力机运行于功率下坡状态，运行点的转速已经超过了最大功率点的转速，所以风力机的转速应向反方向扰动，即：ω=ω-△ω。爬山法的优势在于不需要精确的测量风速，所以减少了系统成本，摆

7、脱对风力机模型的依赖，可移植性强。但由于风力机叶片的惯性和风能的不稳定性，导致爬山法捕获最大功率点的扰动时间过长，所以该方案只适用于中小风力发电系统。1.5自适应爬山搜索法爬山法效率和步长有着必然的联系，如图4，当搜索步长较长时，风力机可以很快的到达最大功率点附近，但图2风能利用系数与叶速比的关系容易越过最大功率点。相反，如果搜索步长较短时，风力机所以确定kopt的值，就可以确定最佳功率曲线，但是确对最大功率点的捕获会更精确，但搜索速度缓慢，同样会定kopt需要大量的仿真计算，难度很大。而该方案又必须影响效率。这些都是传统固定步长

8、爬山法的缺陷，为了提要预先获得风力机的最佳功率曲线，且该曲线对风力机高爬山法搜索的效率，克服上述缺陷，可以采用自适应变结构存在很大的依赖性，这就给实现该方案增添了很多步长爬山算法。不便。1.3爬山搜索法（HCS）爬山搜索算法是目前应用最广泛的搜索方