一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法，該裝置包括：MTTP處理器，與一小型風力機以及PWM控制器相連，采集小型風力機的輸出功率及角速度，并根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量并傳輸至PWM控制器；PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，將擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；DC/DC電能變換電路，與負載相連，用于接收PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤，本發(fā)明可提高小型風力機的風能利用率，加快跟蹤小型風力機最大功率的速度，提高跟蹤小型風力機最大功率的準確度。
【專利說明】一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及新能源領域，特別是涉及一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法?！颈尘凹夹g】
[0002]隨著社會的發(fā)展，能源和環(huán)境成為人們面對的緊要問題。風能作為以一種清潔可再生能源，有很好的應用前景。由于風能具有隨機性、不穩(wěn)定性和能量密度低等缺點，給風能的利用產(chǎn)生了很多問題。因此，最大功率點跟蹤技術(MPPT)的研究和發(fā)展變得尤為重要。最大功率點跟蹤技術使系統(tǒng)快速地、準確地從外界吸收更多的能量。目前，應用于風力發(fā)電機MPPT控制技術主要有最佳葉尖速比法、功率反饋法以及擾動觀察法。
[0003]最佳葉尖速比(TSR)法的基本思想是當風速變化時，實時調整發(fā)電機轉速，維持風力機的葉尖速比在最佳值處(最佳值一般是通過計算或實驗獲得)，這樣在任何風速下風能的利用率都最大，從而實現(xiàn)最大風能跟蹤。此種控制算法的好處是控制原理簡單，容易實現(xiàn)。缺點是需要測量風速和風力機轉速，還需要預先知道風力機固有的葉尖速比曲線，由于風速的實時準確測量比較困難，此種控制算法容易引起風力機輸出功率的劇烈波動，因此在實際中應用較少。
[0004]功率反饋法(PSF)的基本思想是預先計算或實驗得到最大功率點曲線，當風速發(fā)生變化時，首先檢測出風力機的轉速，然后根據(jù)最大功率曲線計算出此時風機的輸出功率，以此為參考功率并與當前風速下的風機捕獲實際功率作比較產(chǎn)生差值信號，從而進行功率的閉環(huán)控制，實現(xiàn)對最大功率點的跟蹤。該方法的優(yōu)點是不用測量風速，而且風力機的輸出功率不會波動，缺點是對于不同的風力機，需要事先仿真或試驗得到風力機的最大功率曲線，增加功率反饋控制難度和實際應用成本。
[0005]擾動觀察法與太陽能發(fā)電系統(tǒng)擾動法基本相似:首先給風輪施加一個較小的轉速波動，然后檢測系統(tǒng)的輸出功率的變化量，如果變化量大于零，則表明擾動方向正確；如果變化量小于零，則向相反的方向進行擾動。該方法簡單、不需要測量風速，可以很好降低成本，但是在最大功率點處，由于步長的原因，會產(chǎn)生波動且步長過小，跟蹤速度減慢，步長過大會造成最大功率跟蹤過程中功率的波動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法，其可以提高小型風力機的風能利用率，加快跟蹤小型風力機最大功率的速度，提高跟蹤小型風力機最大功率的準確度，從而在根本上降低小型風力機發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高風能的利用率。
[0007]為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，包括:
[0008] MTTP處理器，與一小型風力機以及PWM控制器相連，用于采集所述小型風力機的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量并傳輸至所述PWM控制器；[0009]PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，用于將所述擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；
[0010]DC/DC電能變換電路，與負載相連，用于接收所述PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
[0011]進一步地，所述MTTP處理器進一步包括:
[0012]第一面積獲取單元，用于采集相鄰三個工作點中第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度，獲取第一面積；
[0013]第二面積獲取單元，用于采集相鄰三個工作點中第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度，獲取第二面積；
[0014]擾動步長變化量獲取單元，分別與所述第一面積獲取單元以及所述第二面積獲取單元相接，用于獲取所述第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進而獲取所述擾動步長變化量。
[0015]進一步地，所述擾動步長變化量為:
[0016]AD = a(AP/| ΔΡ|) Λ8δρ/|δρ|
[0017]其中ΛΡ = P3-P2，AS = S2/S1，P3、P2為所述第三工作點、第二工作點的輸出功率，S2、S1分別為所述第二面積、第一面積，擾動靈敏度a為常系數(shù)，0〈a〈l。
[0018]進一步地，當工作點離最大功率點M較遠，所述擾動步長變化量Λ D較大，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動。
[0019]進一步地，當所述擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動，減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩。
[0020]進一步地，所述DC/DC電能變換電路采用由電容、電阻、電感、電力電子開關組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收所述PWM控制信號，若所述PWM控制信號為高電平，則所述電力電子開關導通，若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關斷開，從而實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
[0021]為達到上述目的，本發(fā)明還提供一種小型風力機最大功率跟蹤方法，包括如下步驟:
[0022]步驟一,采集所述小型風力機的輸出功率P及角速度W ;
[0023]步驟二，根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量；
[0024]步驟三，PWM控制器將所述擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號；
[0025]步驟四，DC/DC電能變換電路接收PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
[0026]進一步地，所述擾動步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動靈敏度a為常系數(shù)。[0027]進一步地，所述PWM控制信號隨所述擾動步長變化量Λ D變化而變化。
[0028]進一步地，于步驟四中，當工作點離最大功率點M較遠，所述擾動步長變化量Λ D較大，此時通過擾動步長變化量Λ D與預置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動；當所述擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動；直到完成最大功率點的跟蹤。
[0029]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤裝置及方法根據(jù)小型風力機的P-W輸出特性曲線的特點，采用相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積比來改變擾動步長變化量，通過擾動步長變化量的自尋優(yōu)，快速實現(xiàn)對小型風力機最大功率點的跟蹤，提高了小型風力機的風能利用率，加快了跟蹤小型風力機最大功率的速度，提高了跟蹤小型風力機最大功率的準確度，從而在根本上降低小型風力機發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高風能的利用率
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤裝置的系統(tǒng)架構圖；
[0031]圖2為本發(fā)明小型風力機P-W的輸出特性曲線；
[0032]圖3為本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤方法的步驟流程圖；
[0033]圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例實現(xiàn)最大功率跟蹤的流程圖；
[0034]圖5本發(fā)明的系統(tǒng)仿真電路圖。
【具體實施方式】
[0035]以下通過特定的具體實例并結合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其它優(yōu)點與功效。本發(fā)明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應用，在不背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾與變更。
[0036]圖1為本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤裝置的系統(tǒng)架構圖。如圖1所示,本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，包括=MTTP處理器2、PWM控制器4以及DC/DC電能變換電路6。由于外界風速一定時，小型風力機的P(輸出功率)-W(角速度)輸出特性曲線為一條單峰值曲線，只有一個最大功率點，因此可以通過對小型風力機的角速度進行擾動，即通過擾動步長來實現(xiàn)小型風力機最大功率點的跟蹤。
[0037]其中，MTTP處理器2分別與小型風力機10以及PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)控制器4相連，用于采集小型風力機10的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量并傳輸至PWM控制器4。
[0038]圖2為本發(fā)明中小型風力機P-W的輸出特性曲線。參考圖2，設曲線上相鄰三個工作點中第一工作點A的坐標為(Wl，Pl)，第二工作點B的坐標為(W2，P2)，第三工作點C的坐標為(W3，P3)，其中P為小型風力機輸出功率，W為小型風力機角速度。點A在所述P-W輸出特性曲線的W坐標軸上的投影為F，點B在所述P-W輸出特性曲線的W坐標軸上的投影為E，點C在所述P-W輸出特性曲線的W坐標軸上的投影為D。則線段AB、BE、EF、FA構成了一個近似四邊形ABEF，其面積SI = (P1+P2)*(W2 — Wl)*0.5 ;線段BC、CD、DE和EB構成了一個四邊形BCDE，其面積S2 = (P2+P3)*(W3 — W2)*0.5。在小型風力機P_W輸出特性曲線上最大功率點M的左邊，隨著工作點靠近最大功率點，S2與SI的面積比值不斷變化；工作點在離小型風力機最大功率點M左邊越遠的位置，S2與SI的面積比值越大,在最大功率點M附近，S2與SI的比值基本等于I。在小型風力機P-W輸出特性曲線上最大功率點M的右邊正好相反。因此，通過S2與SI的面積比值，可以確定擾動步長變化量，從而對小型風力機的角速度進行擾動來實現(xiàn)小型風力機最大功率點的跟蹤。
[0039]圖2中，第三工作點C的擾動步長變化量為AD = a(AP/| ΛΡ|) Λ5ΔΡ/|ΔΡ|，其中ΔΡ = P3-P2、AS = S2/S1，擾動靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)，可以通過實驗得到。當Λ P>0且工作點離最大功率點M較遠時，面積比S2/S1較大，可得C點的下個采樣步長變化量:Λ D=aS2/Sl此時擾動步長變化量Λ D較大，可以快速的跟蹤最大功率點；當采樣點接近最大功率點時，S2/S1?1，擾動靈敏度a較小，則擾動步長變化量Λ D較小，此時跟蹤時振蕩較小，可以減小跟蹤過程中功率損失。
[0040]當Ρ3-Ρ2 = O時、第三工作點C的擾動步長變化量采樣點在最大功率點M上，S2 =
O,則S2/S1 = O, C點擾動步長變化量Λ D = 0，此時驅動電力電子開關的PWM信號占空比不變，系統(tǒng)輸出電壓不變且工作在最大功率，系統(tǒng)工作在最大功率點處。
[0041]當λ P = Ρ3 — Ρ2〈0，第三工作點C的擾動步長變化量AD = _aSl/S2，當采樣點離最大功率點M較遠時當采樣點時，面積比較大時，擾動步長變化量Λ D較大，此時從反方向較快的速度靠近最大功率點。綜上所述，根據(jù)面積比的大小，MTTP處理器2產(chǎn)生相應大小正向或者負向的Λ D并傳輸至所述PWM控制器4，以此驅動相應的電力電子開關，完成最大功率跟蹤。
[0042]繼續(xù)參考附圖1，作為優(yōu)選的實施方式，MTTP處理器2進一步包括第一面積獲取單元21、第二面積獲取單元22以及擾動步長變化量獲取單元23。
[0043]第一面積獲取單元21用于采集相鄰三個工作點中第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度，獲取第一面積。同時參考圖2，相鄰三個工作點中第一工作點A的坐標為(Wl, Pl)，第二工作點B的坐標為(W2，Ρ2)，所述第一面積獲取單元21獲取的第一面積SI=(P1+P2)*(W2 — Wl) *0.5。
[0044]第二面積獲取單元22用于采集相鄰三個工作點中第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度，獲取第二面積。同時參考圖2，相鄰三個工作點中第二工作點B的坐標為(W2, P2)，第三工作點C的坐標為(W3，P3)，所述第二面積獲取單元22獲取的第二面積S2=(P2+P3) * (W3 — W2)*0.5。
[0045]擾動步長變化量獲取單元23分別與第一面積獲取單元21以及第二面積獲取單元22相接，用于獲取第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進而獲取擾動步長變化量。同時參考圖2，第三工作點C的擾動步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，擾動靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)。且第三工作點C在最大功率點M左邊，第三工作點C與第二工作點B兩者輸出功率差值大于零，故Λ D取正值。
[0046]PWM控制器4與DC/DC電能變換電路6相連，用于將擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號。其中，PWM控制器4的輸入信息為MTTP處理器2獲取的擾動步長變化量Λ D，將Λ D轉換成PWM控制器4可以處理的數(shù)據(jù)格式后，與PWM控制器4預置的PWM載波信號比較，產(chǎn)生隨Λ D變化而變化PWM控制信號輸出至DC/DC電能變換電路6。
[0047]DC/DC電能變換電路6與負載20相連，用于接收DC/DC電能變換電路6輸出的PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。當工作點離最大功率點M較遠，擾動步長變化量Λ D較大，此時通過擾動步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路6輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動；當擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過擾動步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路6輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動，可以減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩；直到完成最大功率點的跟蹤。
[0048]作為優(yōu)選的實施方式，DC/DC電能變換電路6采用由電容、電阻、電感、電力電子開關組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收PWM控制信號，若PWM控制信號為高電平，則Boost升壓電路的電力電子開關導通；當工作點離最大功率點M較遠，擾動步長變化量Λ D較大，此時通過Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，PWM控制信號占空比越大，電力電子開關導通的時間越長，則工作點向最大功率點M快速移動；PWM控制信號占空比越小，電力電子開關導通的時間越短，則工作點向最大功率點M緩慢移動。若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關斷開，從而實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
[0049]設Boost升壓電路的輸入電壓為Uin、電流為Iin ;輸入等效電阻為Req。所述Boost升壓電路的輸出電壓為U0、電流為10 ;負載電阻為R0。在電能變換前后，電能損失很小，可以忽略，則輸出電壓UO = (1/(1 - D))*Uin ；D為驅動電力電子開關的占空比；U0*10=Uin*Iin = Uin2/Req = U02/R0,則 Req = Uin/Iin = (I — D)2*R0。對小型風力機的轉速擾動相當于對Boost升壓電路的輸入電壓進行擾動，因此通過擾動控制輸入電壓以此控制占空比變化的PWM波，來實時調節(jié)占空比D，使輸入阻抗與負載阻抗匹配，來完成最大功率點的跟蹤；另一方面Boost升壓電路起到升高電壓的作用。
[0050]當PWM控制信號為高電平時，電力電子開關導通，其所在支路相當于一根導線，小型風力機輸出的電壓對電感充電，電容上的電壓向負載供電。當PWM控制信號為低電平時，電力電子開關所在支路斷開，電感電容共同向負載供電。根據(jù)風力機的輸出功率實時調節(jié)輸入Boost升壓電路的電力電子開關的PWM控制信號，通過電力電子開關的通斷實現(xiàn)占空比D的調節(jié)，進而實現(xiàn)電能的傳送、輸出電壓的調節(jié)、負載功率的調節(jié)，輔助實現(xiàn)最大功率跟蹤。
[0051]圖3為本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤方法的步驟流程圖。如圖3所示，本發(fā)明一種小型風力機最大功率跟蹤方法，包括如下步驟:
[0052]步驟301，采集小型風力機的輸出功率P及角速度W，具體地說,采集小型風力機相鄰三個工作點的輸出功率及角速度。
[0053]步驟302，根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量。
[0054]具體地，第三工作點的擾動步長變化量的值為Λ D = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動靈敏度a為常系數(shù)(0〈a〈l)。由于，第三工作點在最大功率點M左邊，第三工作點與第二工作點兩者輸出功率差值大于零，故Λ D取正值
[0055]步驟303，PWM控制器將擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號，該PWM控制信號隨擾動步長變化量Λ D變化而變化。
[0056]步驟304，DC/DC電能變換電路接收P麗控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
[0057]具體地，當工作點離最大功率點M較遠，擾動步長變化量Λ D較大，此時通過擾動步長變化量Λ D與預置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動；當擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動，可以減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩；直到完成最大功率點的跟蹤。
[0058]圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例實現(xiàn)最大功率跟蹤的流程圖。請參閱圖4所示,其中，P、W為小型風力發(fā)電機的功率及角速度；Ρ(Κ -1)為前一個周期小型風力發(fā)電機的輸出功率，P⑷為當前小型風力發(fā)電機的輸出功率；S(K-1)為ABEF的面積，S(K-2)為BCDE的面積；D (K-1)為當前擾動步長，Λ D (K)為下一個周期的擾動步長，Λ Dt為一個臨時變量；當AP = P(K) -P(K-1)>0，采樣點C可能在最大功率點的左邊或者右邊，當在左邊時，擾動步長變化量Λ Dt =厶0。下一個擾動步長厶0(1() = D(K-1)+Λ Dt，當前工作點向最大功率點靠近；當采樣點C前在最大功率點右邊，此時仍可能Λ P = P (K) 一 P (K — I) >0，在下一個擾動步長D (K) = D (K-1) + ADt的作用下，將稍微的偏離最大功率點，當前工作點向最大功率點靠近，但很快有Λ P = P(K) — P(K — I)〈O。當Λ P = P(K) — P(K — 1)〈0，當前工作點在最大功率點左邊，Λ Dt = Λ Dt，擾動步長變化量Λ Dt = — Λ Dt，下一個擾動步長D(K+1) = D⑷+ Λ Dt，當前工作點向最大功率點靠近。將當前小型風力發(fā)電機的輸出功率P (K)賦值給P (K — I)，繼續(xù)進行最大功率點跟蹤。
[0059]本發(fā)明根據(jù)小型風力機的P-W輸出特性曲線的特點，采用相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積比來改變擾動步長變化量。面積的比值隨工作點離最大功率點的距離改變而改變，擾動步長變化量則隨著面積比值的改變而改變；工作點在離最大功率點較遠時，面積比值較大，擾動步長變化量較大，此時可以快速跟蹤最大功率點；工作點在最大功率點附近，面積比幾乎為I與擾動靈敏度的乘積幾乎為零，擾動步長變化量基本為零，在最大功率點基本沒有振蕩，從而可以很好對小型風力機最大功率進行跟蹤。也即，通過相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積比的自適應來實現(xiàn)擾動步長變化量的自尋優(yōu)，快速實現(xiàn)對小型風力機最大功率點的跟蹤。且當外界環(huán)境發(fā)生很大變化時，如風速變化很大，則小型風力機的轉速發(fā)生變化，角速度隨之改變，小型風力機的輸出功率曲線會相應的發(fā)生改變；此時面積的比值也會隨之發(fā)生變化，從而裝置將以新的步長較快的跟蹤到新的最大功率點。
[0060]接下來結合圖5所示系統(tǒng)仿真電路圖來進一步說明本發(fā)明之新型小型風力機最大功率跟蹤裝置。
[0061]其中，模塊40為Powergui模塊，表示系統(tǒng)工作在聯(lián)系狀態(tài)下。模塊48為負載模塊。
[0062]模塊41包括小型風力機模型及輸入小型風力機的風速(wind speed)、小型風力機角速度(generator speed)、槳距角(Pitch Angle)、小型風力機半徑R ;模塊41的輸出為小型風力機轉矩Tm、風能利用系數(shù)Cp及小型風力機機械功率Pm。
[0063]模塊42為永磁直驅式同步發(fā)電機，其直接與小型風力機相連接，把小型風力機提供轉矩Tm輸出的機械能轉化為電能并輸出三相交流電A、B、C。
[0064]模塊43為三相不可控整流器，用于把永磁直驅式同步發(fā)電機輸出的三相交流電轉化為直流電，同時防止能量反饋的作用。
[0065]模塊44本發(fā)明之新型小型風力機最大功率跟蹤裝置的控制部分，包括MPPT模塊以及PWM模塊。MPPT模塊采集風力機的輸出功率P及角速度W，計算面積SI =(P1+P2) * (W2 — Wl) *0.5、S2 = (P2+P3) * (W3 — W2) *0.5 ;獲得擾動步長變化量Λ D ；ΜΡΡΤ 模塊根據(jù)ΛΡ = Ρ3 — Ρ2的正負，產(chǎn)正負、大小不同的AD。PWM模塊輸入為Λ D，Λ D通過轉換與PWM模塊內(nèi)置的PWM載波信號比較，產(chǎn)生隨Λ D變化而變化PWM控制信號，PWM控制信號直接控制Boost升壓電路的電力電子開關，通過實時調節(jié)電力電子開關的通斷來完成最大功率的跟蹤。
[0066]模塊45本發(fā)明之新型小型風力機最大功率跟蹤裝置的DC/DC電能變換電路部分，采用由電容Cl、電感L1、電阻R1、電力電子開關IGBT以及二極管D1、濾波電容CO組成的Boost升壓電路。當PWM控制信號為高電平時，電力電子開關IGBT導通，所在支路相當于一根導線，小型風力機輸出的電壓對電感LI充電，電容Cl上的電壓向負載供電。當PWM控制信號為低電平時，電力電子開關IGBT所在支路斷開，L1、Cl共同向負載供電。通過電力電子開關的通斷實現(xiàn)電能的傳送、輸出電壓的調節(jié)、負載功率的調節(jié)。
[0067]模塊461-464分別為電壓表VM1、VM2，電流表CM1、CM2，分別測量并輸出所在支路的電壓、電流。模塊471-472均為示波器，主要用于觀察仿真結果。其中，模塊471用于測量小型風力機的機械轉矩Tm、風能利用系數(shù)Cp以及機械功率Pm ;模塊472用于測量Boost升壓電路輸入功率及負載輸出電流、電壓。
[0068]永磁直驅式發(fā)電機的輸出電壓與其輸入轉速成正比的關系，發(fā)電機的輸出電壓經(jīng)整流后輸出電壓也與輸入電壓近似成比例關系；所以三相不可控整流器的輸出電壓與永磁直驅式發(fā)電機的輸入轉速近似成比例關系；對小型風力機的轉速擾動相當于對三相不可控整流器的輸出電壓進行擾動；該電壓即為Boost升壓電路的輸入電壓，因此通過擾動控制輸入電壓以此控制占空比可以改變的PWM波，來實時調節(jié)占空比D，使輸入阻抗與負載阻抗匹配，來完成最大功率點的跟蹤。
[0069]通過仿真可以看出，在離最大功率點較遠時，相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積差值較大，擾動步長變化量較大，此時可以快速跟蹤最大功率點；在距離最大功率點較近時，相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積差值較小，擾動步長變化量較小，以小步長進行擾動，可以減少功率跟蹤過程中功率的振蕩；在最大功率點附近，相鄰工作點構成的兩個四邊形的面積差較幾乎為零，擾動步長變化量基本為零，在最大功率點基本沒有振蕩，從而可以很好對小型風力機最大功率進行跟蹤。
[0070]上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何本領域技術人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發(fā)明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
【權利要求】
1.一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，包括: MTTP處理器，與一小型風力機以及PWM控制器相連，用于采集所述小型風力機的輸出功率P及角速度W，并根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量并傳輸至所述PWM控制器； PWM控制器，與DC/DC電能變換電路相連，用于將所述擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號； DC/DC電能變換電路，與負載相連，用于接收所述PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
2.如權利要求1所述的一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述MTTP處理器進一步包括: 第一面積獲取單元，用于采集相鄰三個工作點中第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度，獲取第一面積； 第二面積獲取單元，用于采集相鄰三個工作點中第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度，獲取第二面積； 擾動步長變化量獲取單元，分別與所述第一面積獲取單元以及所述第二面積獲取單元相接，用于獲取所述第二面積與第一面積的比值及輸出功率的差值，進而獲取所述擾動步長變化量。
3.如權利要求2所述的一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，其特征在于，所述擾動步長變化量為:
AD = a ( Δ P/ ΔΡ|) Δ8δρ/|δρ| 其中ΛΡ = P3-P2，AS = S2/S1，P3、P2為所述第三工作點、第二工作點的輸出功率，S2、SI分別為所述第二面積、第一面積,擾動靈敏度a為常系數(shù)，0〈a〈I。
4.如權利要求3所述的一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，其特征在于:當工作點離最大功率點M較遠，所述擾動步長變化量Λ D較大，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動。
5.如權利要求4所述的一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，其特征在于:當所述擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與所述PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動，減小跟蹤最大功率過程中功率的振蕩。
6.如權利要求5所述的一種小型風力機最大功率跟蹤裝置，其特征在于:所述DC/DC電能變換電路采用由電容、電阻、電感、電力電子開關組成的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路接收所述PWM控制信號，若所述PWM控制信號為高電平，則所述電力電子開關導通，若PWM控制信號為低電平，則所述電力電子開關斷開，從而實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
7.—種小型風力機最大功率跟蹤方法,包括如下步驟: 步驟一，采集所述小型風力機的輸出功率P及角速度W ； 步驟二，根據(jù)所采集的相鄰三個工作點的輸出功率及角速度獲取相應面積比以及輸出功率差值，進而獲取擾動步長變化量；步驟三，PWM控制器將所述擾動步長變化量與預置的PWM載波信號相比較，產(chǎn)生PWM控制信號； 步驟四，DC/DC電能變換電路接收PWM控制信號，實時調節(jié)輸出電壓以及負載功率，完成最大功率跟蹤。
8.如權利要求7所述的一種小型風力機最大功率跟蹤方法，其特征在于:所述擾動步長變化量的值為AD = a*S2/Sl，其中，SI為根據(jù)所采集的第一工作點與第二工作點的輸出功率及角速度獲取的第一面積，S2為根據(jù)所采集的第二工作點與第三工作點的輸出功率及角速度獲取的第二面積，擾動靈敏度a為常系數(shù)。
9.如權利要求8所述的一種小型風力機最大功率跟蹤方法，其特征在于:所述PWM控制信號隨所述擾動步長變化量Λ D變化而變化。
10.如權利要求9所述的一種小型風力機最大功率跟蹤方法，其特征在于:于步驟四中，當工作點離最大功率點M較遠，所述擾動步長變化量Λ D較大，此時通過擾動步長變化量Λ D與預置的PWM載波信號比較，輸出占空比較大的PWM控制信號，則所述DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較快，工作點向最大功率點M快速移動；當所述擾動步長變化量Λ D較小，工作點離最大功率點M較近，此時通過所述擾動步長變化量Λ D與PWM載波信號比較，輸出占空比較小的PWM控制信號，則DC/DC電能變換電路輸出電壓升高較慢，工作點向最大功率點M緩慢移動；直到完成最大功率點的跟蹤。
【文檔編號】G05F1/67GK103970179SQ201410200393
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權日:2014年5月13日
【發(fā)明者】蘇強強, 吳增強, 徐余法, 梅曉娟, 戴志軍 申請人:上海電機學院